Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsvorrichtung zum Betreiben einer Lampe,
insbesondere einer Niederdruckentladungslampe, mit einer Wechselrichtereinrichtung, die
mindestens eine Transistorschalteinheit aufweist, zum Versorgen der Lampe mit Wechselstrom
und einer Strombegrenzungseinrichtung, die an die mindestens eine Transistorschalteinheit
angeschlossen ist, zur Begrenzung des Stroms durch die Transistorschalteinheit. Darüber
hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben
einer Lampe.
Niedervoltentladungslampen werden typischerweise mit Hilfe eines elektronischen Vorschaltsgeräts
(EVG) betrieben. In ihm wird der zum Betrieb der Lampe notwendige Wechselstrom
in der Regel durch bekannte Halbbrückenwechselrichter erzeugt. Mit der Halbbrücke
wird ein Lastkreis, der eine oder mehrere Lampen umfasst, betrieben. Der Lastkreis umfasst
induktive und kapazitive Elemente, wodurch sich eine vorgegebene Lastkreisresonanzfrequenz
ergibt.
Bei selbstschwingenden Resonanzkreisen stellt sich je nach Schaltungskonzept im Leerlauf,
d.h. bei dem EVG in der Zündphase der Lampe, ein Betrieb bei der Resonanzfrequenz ein. In
diesem Fall wird der Resonanzstrom allein durch die Güte des Schwingkreises bestimmt. Bei
hoher Güte führt dies zu einer sehr hohen Bauteilebelastung, da sehr hohe Ströme auftreten.
Stand der Technik
Die Zündspannung zum Zünden einer Lampe mittels eines Resonanzkreises und der damit
verbundene Blindstrom vor dem Zünden läßt sich nur durch das Sättigungsverhalten der
Resonanzinduktivität oder durch Herabsetzen der Güte des Resonanzkreises begrenzen. Bislang
wurde deshalb die Leerlaufspannung durch eine Resonanzdrossel begrenzt deren Sättigung
bewußt niedrig gewählt wurde. Diese Maßnahme führt zu einer zusätzlichen Erhöhung
des Resonanz-Stromes. Die Begrenzung des Stroms erfolgt durch eine unter Umständen
bewußt verschlechterte Güte des Resonanzkreises. Diese Verschlechterung erfolgt jedoch zu
Lasten des Wirkungsgrads und ist nur für Geräte kleinerer Leistung praktikabel.
Eine weiterentwickelte Strombegrenzung ist aus der europäischen Patentschrift EP 0 798 952
B1 bekannt. In dem dort beschriebenen EVG ist in der Emitterleitung eines der Wechselrichtertransistoren
die Steuerstrecke eines Transistors angeordnet. Über die variierbare Leitfähigkeit
dieser Steuerstrecke wird der wirksame Emitterwiderstand des Wechselrichtertransistors
in Abhängigkeit des Spannungsabfalls an einem der Resonanzkreisbauteile stetig verändert
und dadurch die Taktfrequenz des Wechselrichters so weit erhöht, dass wegen der nun
stärkeren Verstimmung gegenüber der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises eine Verringerung
der Leerlaufspannung im Resonanzkreis bei gleichzeitiger Strombegrenzung erzielt
wird.
Aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 800 335 A2 ist eine ähnliche Strombegrenzungsschaltung
bekannt. In die Steuerkreise der Halbbrückenwechselrichtertransistoren ist
jeweils ein Hilfstransistor geschaltet, so dass der Emitterwiderstand jedes Halbbrückenwechselrichtertransistors
von einer Parallelschaltung gebildet wird, die aus mindestens einem
ohmschen Widerstand und der parallel dazu angeordneten Steuerstrecke des entsprechenden
Hilfstransistors besteht. Dadurch kann der wirksame Emitterwiderstand beziehungsweise die
Rückkopplung des Halbbrückenwechselrichters in Abhängigkeit von den Betriebsphasen der
Lampe umgeschaltet und so auf einfache Weise die Taktfrequenz des Halbbrückenwechselrichters
in weiten Grenzen durch die Dimensionierung der Widerstände der erfindungsgemäßen
Parallelschaltung variiert werden. Hier wie auch im vorhergehenden Fall wird der Hilfstransistor
von der Lampenspannung gesteuert, welcher wiederum die Emitterleitung eines
Halbbrückentransistors steuert.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Art der Strombegrenzung
durch eine Transistoreinheit einer Wechselrichtereinrichtung zum Betrieb von
Lampen vorzuschlagen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Schaltvorrichtung zum Betreiben
einer Lampe, insbesondere einer Niederdruckentladungslampe, mit einer Wechselrichtereinrichtung
zum Versorgen der Lampe mit Wechselstrom, die mindestens eine Transistorschalteinheit
aufweist, und einer Strombegrenzungseinrichtung, die an die mindestens eine Transistorschalteinheit
angeschlossen ist, zur Begrenzung des Stroms, der durch die mindestens
eine Transistorschalteinheit fließt, wobei mit der Strombegrenzungseinrichtung die Steuerelektrode
der mindestens einen Transistorschalteinheit zur Strombegrenzung ansteuerbar ist.
Ferner wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum
Betreiben einer Lampe, insbesondere einer Niederdruckentladungslampe, durch Erzeugen
eines Wechselstroms zum Versorgen der Lampe mittels mindestens einer Transistorschalteinheit
und Begrenzen des Stroms durch die mindestens eine Transistorschalteinheit, wobei
zur Strombegrenzung die Steuerelektrode der mindestens einen Transistorschalteinheit angesteuert
wird.
Die Wechselrichtereinrichtung kann eine Halbbrücke aus der mindestens einen Transistoreinheit
und einer weiteren Transistoreinheit umfassen. Damit kann der Wechselrichter sehr
kostengünstig aus nur zwei aktiven Bauelementen hergestellt werden. Gegebenenfalls können
die Transistoreinheiten jeweils aus MOSFET-Transistoren bestehen.
Die Lampe wird vorzugsweise in einem Lastkreis betrieben, der an die Wechselrichtereinrichtung
angeschlossen ist. Vorzugsweise umfasst dieser Lastkreis eine LC-Resonanzschaltung
zum Betreiben der Lampe mit definierter Resonanzfrequenz sowie einen
Koppelkondensator zur Unterdrückung von Gleichstromanteilen.
Zur kostengünstigeren Ausführung umfasst die Schaltungsvorrichtung eine an die Wechselrichtereinrichtung
angeschlossene Phasenstellereinrichtung, um die Betriebsfrequenz der
Wechselrichtereinrichtung an eine Resonanzfrequenz des Lastkreises anzupassen. Damit
kann eine für den Zündvorgang notwendige Spannungsüberhöhung erreicht werden. Die
Phasenstellereinrichtung kann hierzu an eine Steuerelektrode der mindestens einen Transistorschalteinheit
angeschlossen werden, so dass der Schaltvorgang in den Transistoren der
Wechselrichtereinrichtung an die Lastkreisresonanz angepasst wird.
Vorteilhafterweise liegt die Strombegrenzungseinrichtung parallel zu der Phasenstellereinrichtung
an der Steuerelektrode eines Transistors der Wechselrichtereinrichtung. Damit wird
die Amplitude des Lampenstroms über die Steuerelektrode des Transistors reguliert, indem
die Schaltfrequenz angepasst wird.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Strombegrenzungseinrichtung eine Schalteinrichtung umfasst,
durch die mindestens eine Transistorschalteinheit in Abhängigkeit von dem Strom
durch die mindestens eine Transistorschalteinheit abschaltbar ist. So kann beispielsweise als
derartige Schalteinrichtung ein Transistor verwendet werden, der wiederum die Transistorschalteinheit
der Wechselrichtereinrichtung an- beziehungsweise abschaltet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in
denen zeigen:
- Figur 1
- die Einhüllende des Spannungsverlaufs an einer Lampe mit einem elektronischen
Vorschaltgerät;
- Figur 2
- die Einhüllende des Strom- und Spannungsverlaufs an einer Lampe mit einem
elektronischem Vorschaltgerät gemäß dem Stand der Technik
- Figur 3
- die Einhüllende des Strom- und Spannungsverlaufs an einer Lampe mit
erfindungsgemäßem elektronischem Vorschaltgerät;
- Figur 4
- den Stromverlauf am Schalttransistor des Wechselrichters innerhalb eines Schaltzyklus; und
- Figur 5
- einen Schaltplan zu einer erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungformen
der vorliegenden Erfindung dar.
Zur Verdeutlichung der Erfindung ist in Fig. 1 der Verlauf der Einhüllenden von der Spannung
beim Zünden von Niederdruck-Entladungslampen dargestellt. Nach dem Anschaltvorgang
steigt die Spannung bis zu dem Wert, bei dem die jeweilige Lampe zündet. Dieser Wert
wird zum Zeitpunkt t1 erreicht. Die Zündphase ist i.d.R in weniger als einer Millisekunde
abgeschlossen. Nach dem Zünden sinkt die Spannung über der Lampe auf das Niveau der
Glimmentladung ab. Die Glimmphase kann bei nicht vorgeheizten Wendeln Zeiten von einer
Sekunde überschreiten. Das Spannungsniveau während der Glimmentladung liegt deutlich
über dem Niveau im Nennbetrieb UB.. Zum Zeitpunkt t2 sinkt die Lampenspannung auf das
Betriebsniveau. Sollte die Lampe nicht innerhalb einer Zeit tglimm,max in den Nennbetrieb
wechseln, so spricht ebenfalls die Sicherheitsabschaltung des Gerätes an, um die Bauteile zu
schützen.
Falls die Lampe nicht zündet, schaltet eine Schutzschaltung das elektronische Vorschaltgerät
ab (s. Fig 2). Dies dient zum Schutz der Halbbrücken- oder Wechselrichtertransistoren, da
diese den hohen Strom nur für ein kurzes Zeitintervall tzünd ohne dauerhaften Schaden führen
können. I.d.R. ist sind die Zeitintervalle tzünd und tglimm,max schaltungstechnisch miteinander
verknüpft, so dass eine schutzbedingte kurze Zeit tzünd auch die Glimmphase begrenzt.
Weiterhin muss das elektronische Vorschaltgerät sicherstellen, dass die Leerlaufspannung
U0 einen in den Sicherheitsnormen festgelegten Grenzwert nicht überschreitet.
Entscheidend für eine sichere Zündung und eine gute Lampenlebensdauer ist es, die Bauteilebelastung
durch geringe Ströme zu minimieren und dadurch eine lange Glimmphase realisieren
zu können. Gleichzeitig muss die Leerlaufspannung U0 innerhalb der Sicherheitsnormen
auf günstige Werte begrenzt werden. In herkömmlichen Schaltungen wird die Zündspannung
durch eine bewusste Reduzierung der Sättigungsgrenze der Resonanzdrossel begrenzt.
Diese Maßnahme führt jedoch zu hohen Strömen im Wechselrichter. In Figur 2 ist
der Einsatz der Sättigung im Strom i durch isat und in der Spannung u durch Usat gekennzeichnet.
Erfindungsgemäß wird daher in der Zündphase die Zündspannung derart reduziert, dass der
Strom in der Halbbrücke sinkt und die Zündphase deutlich verlängert werden kann, ohne
dass das elektronische Vorschaltgerät Schaden nimmt. Diese Verlängerung ist in Figur 3
angedeutet. Auch hier steigt zunächst nach dem Anschalten die Spannung auf U02 an. Dieser
Wert liegt deutlich unterhalb des Werts von U01 gemäß dem Stand der Technik. Wegen des
nicht linearen Strom- Spannungszusammenhangs steigt bei der Begrenzung auf U02 der
Strom durch die Transistoren nur auf I2 an. Diese deutliche Stromreduzierung erlaubt eine
ebenso deutliche Verlängerung der Maximaldauer der Zündphase. Die typischerweise eingesetzten
Transistoren nehmen also auch nach tzünd2 noch keinen Schaden, da durch sie lediglich
ein Strom von 12 fließt. Spätestens nach tzünd2 wird das elektronische Vorschaltgerät
abgeschaltet, wenn es nicht zur Zündung der Lampe kommt. Falls die Lampe jedoch spätestens
zum Zeitpunkt tzünd2 zündet, fällt auch hier die Spannung auf die Glimmspannung von
Uglimm ab. Die gegenüber tzünd1 stark verlängerte Zündzeit ermöglicht auch eine proportional
verlängerte Glimmphase tglimm,max und es lassen sich Lampen mit Glimmphasen von
über einer Sekunde sicher starten.
Die nachfolgend im Zusammenhang mit Figur 5 dargestellte Schaltungsanordnung führt
durch aktive Rückkopplung zu der gewünschten Strombegrenzung bei erhöhtem Lampenwirkungsgrad.
Die Schaltung in Figur 5 zeigt eine Lampe LA. Sie wird durch eine Halbbrücke
bestehend aus den MOSFET-Transistoren T1 und T2 sowie dem Kondensator C1 gebildet.
Die beiden Transistoren T1 und T2 sind in Reihe geschaltet, während der Kondensator
C1 parallel zum Transistor T1 geschaltet ist. Eine Induktivität L1-A ist zwischen den Verbindungspunkt
der beiden Transistoren T1 und T2 sowie den Kondensator C1 geschaltet. Sie
bildet zusammen mit dem Kondensator C1 einen Resonanzkreis, der die Leerlauffrequenz
beziehungsweise die Frequenz in der Zündphase vorgibt. Die Lampe LA ist parallel zu dem
Kondensator C1 geschaltet, wobei zwischen der einen Elektrode der Lampe LA und der einen
Elektrode des Kondensators C 1 ein Koppelkondensator C2 angeordnet ist, der Gleichanteile
aus der Stromversorgung ausfiltert. Die Eigenschaften des Lastkreises der Halbbrücke
werden damit neben der Lampe LA durch die Bauelemente L1-A, C1, und C2 bestimmt.
Der Transistor T2 ist über einen Widerstand R mit Masse verbunden. Dieser Widerstand R1
dient neben anderen Steueraufgaben dazu, durch Verstimmen des Resonanzkreises L1, C1
eine sogenannte Resonanzkatastrophe, bei der sehr hohe Ströme entstehen, zu verhindern.
Zwischen das Gate des Transistors T2 und Masse ist eine sogenannte Phasenstellerschaltung
geschaltet. Diese Phasenstellerschaltung bewirkt, dass die Frequenz der Halbbrücke an die
Resonanzfrequenz des Lastkreises angepasst wird. Die Phasenstellerschaltung besteht aus
einer Parallelschaltung eines Widerstandes R2, eines Kondensators C2 und einer Spule L2.
Die Phasendrehung ergibt sich aus der Dimensionierung der Reaktanzen C2 und L2. Bezüglich
der Phasenstellerschaltung sei auf die Europäische Patentschrift EP 0 781 077 B 1 verwiesen.
Die Steuerspannung für das Gate des Transistors T2 wird durch eine Spule L1-B erzeugt, die
mit der Spule L1-A magnetische gekoppelt ist und somit die von der Halbbrücke erzeugte
Spannung in den Gate-Kreis des Transistors 2 zu dessen Steuerung einkoppelt. Die Spule
L1-B ist hierzu zwischen den Widerstand R2 und Masse geschaltet.
Es gilt nun, den Transistor T2 über sein Gate so zu steuern, dass der durch ihn fließende
Strom einen gewissen Schwellwert nicht übersteigt. Hierzu wird der Bipolartransistor T3
verwendet, dessen Basis mit der über den Widerstand R1 abfallenden Spannung gesteuert
wird. Zwischen die Basis des Transistors T3 und den Widerstand R1 ist eine Zenerdiode D1
geschaltet, die zusammen mit einem zwischen die Basis des Transistors T3 und Masse geschalteten
Kondensator C3 bewirkt, dass der Transistor T3 nur in einem höheren Strombereich,
d.h. während der Zündphase aktiv ist und den Transistor T2 in jedem Schaltzyklus
gegebenenfalls vorzeitig abschaltet. Dies bewirkt eine Erhöhung der Schaltfequenz. Bei
niedrigeren Spannungen, d.h. während der Glimm- und Brennphase wird der Transistor T3
nicht aktiviert und somit auch nicht der Transistor T2 der Halbbrücke zur Strombegrenzung
abgeschaltet. Der Emitter des Transistors T3 ist mit Masse verbunden und der Kollektor an
den Mittelpunkt zweier Zenerdioden D2 und D3, die parallel zu der Phasenstellerschaltung,
d.h. zwischen das Gate des Transistors T2 und Masse, geschaltet sind, angeschlossen.
Figur 4 zeigt den Strom im MOSFET-Transistor T2 in der Zündphase. Eine durchgezogenen
Linie beschreibt den Stromverlauf ohne Strombegrenzung eine gestrichelte Linie beschreibt
den Stromverlauf mit erfindungsgemäßer Strombegrenzung. Dic Frequenzerhöhung der
Halbbücke wird durch das vorzeitige Abschalten bei der Schaltschwelle 12 erreicht. Die Zyklusdauer
tz1 ohne Begrenzerschaltung ist wesentlich länger als die Zyklusdauer tz2 mit Begrenzerschaltung.
Damit der Abschalttransistor T3 nicht im linearen Bereich arbeitet und
damit der MOSFET-Transistor T2 vollständig abschaltet, wird der Kondensator C3 eingefügt.
Nach dem Zünden der Lampe LA und anschließender Glimmphase sinkt der Strom
durch den Transistor T2 deutlich unter die Schaltschwelle 12, so dass die Strombegrenzerschaltung
im Dauerbetrieb der Lampe nicht mehr eingreift.
Insgesamt gesehen wird bei der erfindungsgemäßen Schaltung somit die Betriebsfrequenz
der Halbbrücke durch den Phasensteller R2, C2, L2 an die Resonanzfrequenz des Lastkreises
L1-A, C1, C2, LA angepasst und der durch den Transistor T2 fließende Strom über das Gate
des Transistors T2 durch die Strombegrenzungsschaltung D1, D2, D3, T3, C3 während der
Zündphase begrenzt.
Das Gate des Transistors T1 wird ebenfalls durch eine Phasenstellerschaltung angesteuert
und auch die Steuerspannung wird durch eine magnetisch gekoppelte Induktivität erzeugt.
Eine Strombegrenzungsschaltung, wie sie zur Ansteuerung des Gates des Transistors T2
verwendet wird, braucht zur Ansteuerung des Gates des Transistors T1 nicht eingesetzt zu
werden, da der Entladestrom aus der Spule L1-A automatisch begrenzt ist, wenn der Ladestrom
begrenzt war. Dies läßt sich ohne Weiteres aus der Energiebilanz der Spule L1-A herleiten.
Die Strombegrenzung durch die entsprechende Steuerung des Gates des Transistors 2 bewirkt
nun, wie bereits angedeutet, dass der Strom durch die Transistoren T1 und T2 begrenzt
wird, so dass sich deren Lebensdauer deutlich erhöht, und dass die Zündphase verlängert
werden kann. Mit der erfindungsgemäßen Schaltung können damit auch Lampen gezündet
werden, die eine wesentlich längere Zündphase als die maximale Dauer der Zündphase von
herkömmlichen elektronischen Vorschaltgeräten besitzen.