EP0669789B1 - Schaltungsanordnung zum Betrieb mindestens einer Niederdruckentladungslampe - Google Patents

Schaltungsanordnung zum Betrieb mindestens einer Niederdruckentladungslampe Download PDF

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EP0669789B1
EP0669789B1 EP95101851A EP95101851A EP0669789B1 EP 0669789 B1 EP0669789 B1 EP 0669789B1 EP 95101851 A EP95101851 A EP 95101851A EP 95101851 A EP95101851 A EP 95101851A EP 0669789 B1 EP0669789 B1 EP 0669789B1
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EP
European Patent Office
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lamp
control unit
voltage
inverter
circuit arrangement
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP95101851A
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English (en)
French (fr)
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EP0669789A1 (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 claim 1.
  • a circuit arrangement corresponding to the preamble of claim 1 is described for example in the patent specification EP 0 059 064 B1.
  • This circuit arrangement has an externally controlled inverter, which has a series resonance circuit feeds a low-pressure discharge lamp with preheated electrode filaments.
  • the inverter supplies the lamp with a current whose frequency is wide lies above the resonance frequency of the series resonance circuit.
  • To ignite the Lamp becomes the switching frequency of the inverter towards the resonance frequency of the series resonance circuit shifted to the by means of resonance to generate the required ignition voltage.
  • the lamp is then operated by a Frequency that is slightly above the resonance frequency of the now through the lamp damped series resonance circuit.
  • the fluorescent lamp becomes the switching frequency of the inverter and thus the frequency of the lamp current depending on the setting on the dimmer increased again.
  • the reduced impedance of the parallel due to the frequency increase resonance capacitance switched to the discharge lamp causes a reduction in the Lamps stromes. In this way, the inverter switching frequency changes a brightness control of the low pressure discharge lamp.
  • German patent DE 33 38 464 C2 is a circuit arrangement with a self-oscillating Inverters for operating a dimmable fluorescent lamp disclosed, in which the brightness control of the fluorescent lamp by changing the Duty cycle of the high-frequency AC voltage generated by the inverter depending on the setting on the dimmer.
  • a circuit arrangement is also from the German utility model DE 89 15 386 U1 according to the preamble of claim 1 known for Dimming the fluorescent lamp a combination of frequency and Duty cycle change of the AC voltage generated by the inverter exploits.
  • the circuit arrangement disclosed here has also a half-bridge inverter via a series resonance circuit feeds a fluorescent lamp.
  • the brightness is controlled by the lamp like a phase control.
  • One arranged parallel to the lamp Bypass switch bridges the fluorescent lamp during an adjustable, depending on the setting on the dimmer, Phase angle of the lamp current.
  • the one flowing over the discharge path Current is thereby, according to the setting on the dimming device, weakened.
  • Matching the bypass switch to the Switching phases of the inverter requires a lot of circuitry.
  • the international patent application WO 93/07732 A1 describes a circuit arrangement for dimming gas discharge lamps with one Inverter. The lamps are dimmed by reducing the supply voltage at the DC voltage input of the inverter.
  • British patent application GB 2 212 995 A discloses an operating device for dimmable fluorescent lamps with a current regulator and one current regulator downstream inverter.
  • the brightness of the lamps is determined by a DC regulation by means of the current regulator and by pulse width modulation controlled by the inverter.
  • the circuit arrangement according to the invention essentially consists of an inverter with a downstream LC output circuit for power supply 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 becomes.
  • the dimming device and the control unit are in this way with the DC voltage supply unit interconnects that the control unit the supply voltage for the inverter to a value that is different from the selected setting depends on the dimmer.
  • the according to the setting on the Dimming device reduces the inverter supply voltage at a constant or approximately constant operating frequency of the inverter reduced lamps current, so that the low-pressure discharge lamp with reduced Performance burns.
  • the most preferred versions are a circuit arrangement for operating a fluorescent lamp, in particular for Dimming a fluorescent lamp.
  • the fluorescent lamp is powered by a half-bridge inverter with a downstream series resonance circuit into which the Lamp is integrated, powered.
  • the DC voltage supply of the half-bridge inverter takes over a preferably designed as an inverse or flyback converter DC voltage supply unit, whose DC voltage output with the input of the inverter is connected.
  • the switching transistor of the inverse or flyback converter receives from the control unit a control signal that the control unit the setpoint specified by the dimming device and that at the output capacitor the inverter supply voltage applied to the DC voltage supply unit as a controlled variable. This way the output voltage the DC voltage supply unit during lamp operation by the control unit and set the dimmer.
  • the electrode filaments of the fluorescent lamp are usually preheated.
  • the duration of the electrode preheating and also the level of the heating voltage must be independent of the preset lamp brightness. Therefore the control signal of the dimming device does not have any during the electrode preheating phase Influence on the control unit.
  • the transition from the electrode preheating phase to dimming takes place in the case of the invention Circuit arrangement advantageously by means of a timer, which triggers a relay at the end of the preheating phase, which switches the electrode coils to Ignition of the lamp bridged for a short time, and which also ensures that the Control unit the value for the lamp brightness set on the dimming device takes over. This ensures that the lamp is already immediate after starting with the brightness set via the dimming device burns.
  • the resonance capacitance arranged parallel to the discharge path from two capacitors connected in parallel. 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 through the relay from the Series resonance circuit switched off.
  • the highly schematic Figure 1 illustrates the basic principle of the invention Circuit arrangement. It has a self-oscillating half-bridge inverter T1, T2 with a series resonance circuit for power supply a fluorescent lamp L.
  • the series resonant circuit contains a coupling capacitor CK, a resonance inductor LD, a resonance capacitance CR and the electrode filaments E1, E2 of the lamp L. All these components are connected in series, the Resonance capacitance CR between the two electrode coils E1, E2 in the Serial resonance circuit is integrated that they parallel to the discharge path of the lamp L is arranged.
  • the half-bridge inverter T1, T2 receives its supply voltage from the output capacitor C1 of a DC voltage supply unit.
  • the control of the half-bridge transistors T1, T2 is carried out by a control unit ST.
  • the working frequency of this half-bridge inverter is nearby the resonance frequency of the components CR, LR of its output circuit.
  • a dimmer D is via a control unit R with the output C1 of the DC voltage supply unit interconnected.
  • the Output capacitor C1 provided supply voltage for the inverter T1, T2 regulated depending on the setting on the dimmer.
  • a lower supply voltage for the half-bridge T1, T2 causes a lower one Current through the lamp L, which therefore burns with reduced power.
  • the series resonance circuit consisting of the resonance capacitor CR and the resonance inductance LR, relieved, so that the quality of the resonant circuit and so that the voltage at the resonance capacitor CR increases.
  • this increases the current through the capacitor CR and the current through the series switched electrode filaments E1, E2 of the lamp L.
  • Figure 2 shows the DC voltage supply unit operated with mains voltage the half-bridge inverter T1, T2 according to a first embodiment.
  • she consists of an inverse converter with an upstream rectifier G and a High-frequency filter F, which is a coupling of high-frequency interference signals into the Power grid prevented.
  • a description of a commonly used high frequency filter F can be found, for example, in the European patent application EP 0 541 909.
  • Parallel to the DC voltage output of the rectifier G is for Smoothing the rectified mains voltage, a smoothing capacitor C switched.
  • the inverse converter consists of a field effect transistor T, an inductor L, one Diode D and an electrolytic capacitor C1, which is parallel to the output of the inverse converter is switched.
  • the reference symbols V1, V2 and V3 define interfaces at which the invention Circuit arrangement has been separated for the sake of clarity. To the to obtain a complete circuit arrangement according to the first exemplary embodiment, the circuits of Figures 2 and 4 must be reassembled at these interfaces become.
  • the half-bridge inverter receives T1, T2 from the capacitor C1 via the interfaces V1, V2 its supply voltage and the timer ZS is via the interface V3 with a third input of the control unit R connected.
  • the inverter is a self-oscillating, current feedback Half-bridge inverter T1, T2 implemented.
  • the inverse converter builds on the electrolytic capacitor C1 the supply voltage for the half-bridge inverter T1, T2 on.
  • This supply voltage is initially independent of the setting on the dimmer 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 a sufficient current for electrode preheating through the series resonance circuit guaranteed.
  • this electrode preheating phase which lasts approx. 2 seconds, are the relay contacts K1, K2 open, so that the electrode coils E1, E2 in series are integrated in the series resonance circuit and by a high-frequency heating current be flowed through.
  • the resistance of the electrode coils E1, E2 dampens the series resonant circuit and prevents the lamp L from igniting at the end of the preheating phase the time switch ZS triggers the relay RE so that both relay contacts K1, K2 are closed briefly, for a period of approx. 8 ms, and activated at the same time the control unit R.
  • the electrode coils E1, E2 are bridged and the series resonance circuit undamped.
  • the ignition voltage builds up at the resonance capacitance CR for the fluorescent lamp L.
  • the relay contacts K1, K2 are open again.
  • the control unit R activated by the time switch ZS detects the am Output capacitor C1 applied supply voltage for the inverter T1, T2 and compares them with that supplied by the dimming device R.
  • the setting on the dimming device determined setpoint and controls their Connection to the gate electrode of the field effect transistor T the duty cycle of this Transistor T and thus regulates the output voltage of the inverse converter on 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 through the series resonance circuit and over the discharge path of the lamp L flows a reduced current. In this way the power and the brightness of the fluorescent lamp L are controlled the inverter supply voltage depending on the setting on the Controlled dimmer.
  • FIGS. 6 and 7 illustrate the time course 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 the normal one Lamp operation for two different dimmer settings.
  • the electrode preheating phase is the control signal for the control unit R (Fig. 6 and 7, curve 2) and thus also the control voltage for the gate electrode of the transistor T regardless of the setting on the dimming device D.
  • Das Relay RE receives no control signal and the switch contacts K1, K2 are open.
  • the control unit R is activated and the gate electrode of the transistor T receives different according to the dimmer settings Control signals.
  • the ignition phase lasts approx.
  • relay RE receives a control signal that closes both relay contacts K1, K2. After If the L lamp is 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 determined.
  • Figure 5 shows a second embodiment of the circuit arrangement according to the invention. At the interfaces V1, V2 and V3 it is with that shown in Figure 2 Inverse converter connected. It only differs from the first embodiment through the resonance capacity.
  • the resonance capacity is in the second embodiment executed in two parts. It consists of the resonance capacitors connected in parallel CR1 and CR2, both parallel to the discharge path of the Lamp are arranged. 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 switch contacts K1, K2 as shown in Fig. 5).
  • the half-bridge inverter can be supplied with voltage T1, T2 also the flyback converter shown in Figure 3 can be used.
  • the flyback converter is via the high-frequency filter F and the rectifier G with the rectified and fed by the smoothing capacitor C 'mains voltage. It consists of a field effect transistor T ', a transformer TR, one 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 will therefore not be explained in more detail here.
  • the control unit R and the dimming device D are, as in the first Described embodiment, with the gate electrode of the field effect transistor T ' and the output capacitor C1 of the flyback converter. Controls here too the control unit R on the duty cycle of the transistor T 'on the electrolytic capacitor C1 supply voltage for the half-bridge inverter T1, T2 depending on the selected setting on the dimmer.
  • the Regulation of the inverter voltage supply according to the setting on the Dimming device is also in this embodiment only at the beginning of Ignition phase activated by the timer ZS.
  • the reference symbols V1, V2 and V3 define interfaces via which the flyback converter shown in FIG. 3 with a of the circuits shown in Figure 4 or 5 according to the first or second embodiment connected is.
  • the dimming device D, the time switch ZS and the control unit R can be on can be realized in different ways.
  • the dimming device D produces at the entrance the control unit R a voltage between approx. 1 V (lowest dimming level) and 10 V (highest dimming level). In the simplest case, this can be done, for example, using a Dimming potentiometers can be reached.
  • a suitable time switch for example, is ZS an RC element with a downstream comparator. The time constant of this RC element essentially determines the duration of the electrode preheating phase.
  • the control unit R can be used, for example, as a PI or PID controller with an upstream subtractor will be realized.
  • the subtractor forms from the dimmer signal and for example from one to the supply voltage of the inverter proportional voltage signal is a differential voltage from which a signal for control 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 their nominal value.

Landscapes

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

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betrieb mindestens einer Niederdruckentladungslampe 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 B1 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 Lampen stromes. Auf diese Weise bewirkt eine Änderung der Wechselrichterschaltfrequenz eine Helligkeitssteuerung der Niederdruckentladungslampe.
In dem deutschen Patent DE 33 38 464 C2 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 DE 89 15 386 U1 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 DE 91 00 552 U1 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 Überbrückungsschalter überbrückt die Leuchtstofflampe während eines regelbaren, von der Einstellung an der Dimmvorrichtung abhängigen, Phasenwinkels des Lampenstromes. Der über die Entladungsstrecke 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.
Die internationale Patentanmeldung WO 93/07732 A1 beschreibt eine Schaltungsanordnung zum Dimmbetrieb von Gasentladungslampen mit einem Wechselrichter. Das Dimmen der Lampen erfolgt durch Verringern der Versorgungsspannung am Gleichspannungseingang des Wechselrichters.
Die britische Patentanmeldung GB 2 212 995 A offenbart ein Betriebsgerät für dimmbare Leuchtstofflampen mit einem Stromregler und einem dem Stromregler nachgeschalteten Inverter. Die Helligkeit der Lampen wird durch eine Gleichstromregelung mittels des Stromreglers und durch eine Pulsweitenmodulation des Inverters gesteuert.
Die Zeitschrift IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd. 35, Nr. 7 vom 1. Dezember 1992 beschreibt in dem Aufsatz "Combined Dimmer and Voltage Regulator Circuit for Fluorescent Lamp Inverter" auf den Seiten 28-29 eine Schaltungsanordnung zum Betrieb von Leuchtstofflampen, die eine Kombination einer Dimmvorrichtung mit einem Spannungsregler für einen Inverter aufweist.
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 Lampen strom, 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 Wechselfichterversorgungsspannungregelung (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 PI- 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 (4)

  1. Schaltungsanordnung zum Betrieb mindestens einer Niederdruckentladungslampe mit
    einem frei schwingenden Halbbrückenwechselrichter (T1, T2) mit einem Serienresonanzkreis, enthaltend einen Koppelkondensator (CK), eine Resonanzinduktivität (LD) und eine Resonanzkapazität (CR) zur Spannungsversorgung der Niederdruckentladungslampe (L) bzw. Niederdruckentladungslampen
    einer Gleichspannungsversorgungseinheit, an deren Ausgang die Versorgungsspannung für den Wechselrichter (T1, T2) anliegt,
    einer Dimmvorrichtung (D) zur Helligkeitsregulierung der Lampe (L) bzw. der Lampen,
    einer Regelungseinheit (R), die die Versorgungsspannung für den Wechselrichter (T1, T2) auf einen von der Einstellung an der Dimmvorrichtung D abhängenden Wert einstellt,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    ein erster Eingang der Regelungseinheit (R) mit dem Ausgang der Dimmvorrichtung (D) verbunden ist und ein zweiter Eingang der Regelungseinheit (R) parallel zu einem Ausgangskondensator (C1) der Gleichspannungsversorgungseinheit geschaltet ist,
    der Ausgang der Regelungseinheit (R) zur Steuerelektrode eines Schalttransistors (T, T') der Gleichspannungsversorgungseinheit geführt ist,
    die Elektrodenwendeln (E1, E2) der mindestens einen Niederdrukkentladungslampe (L) in Reihe zu den elektronischen Bauelementen (CK, LD, CR) des Resonanzkreises geschaltet sind,
    parallel zu den Elektrodenwendeln (E1, E2) jeweils ein Schaltkontakt (K1, K2) geschaltet ist,
    die Regelungseinheit (R) und die Schaltkontakte (K1, K2) durch einen Zeitschalter (ZS) angesteuert werden.
  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 Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzkapazität von zwei parallel zueinander geschalteten Resonanzkondensatoren (CR1, CR2) gebildet wird.
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