EP1443807A2 - Schaltungsanordnung und Verfahren zum Start und Betrieb von Entladungslampen - Google Patents

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EP1443807A2
EP1443807A2 EP03029436A EP03029436A EP1443807A2 EP 1443807 A2 EP1443807 A2 EP 1443807A2 EP 03029436 A EP03029436 A EP 03029436A EP 03029436 A EP03029436 A EP 03029436A EP 1443807 A2 EP1443807 A2 EP 1443807A2
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EP
European Patent Office
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pump
inverter
circuit arrangement
arrangement according
node
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EP03029436A
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EP1443807B1 (de
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Bernd Rudolph
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Osram GmbH
Original Assignee
Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
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    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • 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
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    • Y10S315/00—Electric lamp and discharge devices: systems
    • Y10S315/07—Starting and control circuits for gas discharge lamp using transistors

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement according to the preamble of Claim 1. It is in particular a circuit arrangement for Operation of discharge lamps, the so-called charge pumps to reduce mains harmonics.
  • Circuit arrangements for starting and operating discharge lamps come in electronic control gear for discharge lamps. Under the start The discharge lamp will at least ignite during one Ignition phase understood. However, electrode coils can also be preheated precede the ignition phase during a preheating phase. If the control gear is on are operated with a mains voltage, they are subject to relevant regulations with respect to mains harmonics, e.g. B. IEC 1000-3-2. So these regulations circuitry measures for reduction are observed mains harmonics necessary. One such measure is installation so-called charge pumps. The advantage of charge pumps is that they are small circuitry expenditure, which is necessary for their realization.
  • the topology of a charge pump means that the rectifier has one electronic pump switch is coupled to the main energy storage. Thereby arises between the direct current and the electronic pump switch Pumping node.
  • the pump node is via a pulp network with the inverter output coupled.
  • the pump network can contain components that are also the Adaptation network can be assigned.
  • the principle of charge pumping exists in that during a half period of the inverter frequency over the pump node Energy taken from the mains voltage and buffered in the pump network becomes. In the following half period of the inverter frequency is the temporarily stored energy via the electronic pump switch to the main energy storage fed.
  • the above Matching network contains a resonant circuit, which is essentially one Contains resonance capacitor and a lamp choke.
  • the resonant circuit has one Resonance frequency on that without damping the resonance circuit at a natural frequency of the resonance circuit.
  • the inverter To ignite the discharge lamp, the inverter is first switched on Inverter frequency operated, which is above the natural frequency. In an ignition phase the inverter frequency is reduced until it is close to the natural frequency the resonant circuit generates a high voltage on the discharge lamp and the discharge lamp ignites.
  • One controller is described in prior art EP 0 621 743 (Mattas) has first controller input.
  • This first controller input is an electrical one Size supplied, the first operating size of a lamp clamp operated Discharge lamp corresponds.
  • the controller has a second controller input.
  • the second A second electrical variable is fed to the controller input, that of a second operating variable corresponds, which is a measure of the reactive energy, in the resonant circuit swings.
  • the second electrical variable is the second controller input supplied via a threshold switch. In the event that the value of the second electrical quantity exceeds the threshold value of the threshold switch, the inverter frequency is increased.
  • the threshold and frequency increase can be selected the maximum energy imbalance in the charge pump can. According to the invention, with optimal use of the components, a maximum ignition voltage can be reached. This is a reliable ignition of Discharge lamps also possible with inexpensive components.
  • resistors are represented by the letter R, transistors by the Letter T, coil by letter L, amplifier by letter A, Diodes through the letter D, node potentials through the letters N and Capacitors denoted by the letter C followed by a number. Also below are for the same and equivalent elements of the different Embodiments used the same reference numerals throughout.
  • FIG. 1 is a block diagram for a circuit arrangement according to the invention shown for starting and operating discharge lamps.
  • At terminals J can be a line voltage from a line voltage source of the circuit arrangement are fed.
  • the mains voltage is first fed into a block FR.
  • this block contains known means for filtering interference.
  • this block contains a rectifier that has the mains voltage, the one AC voltage is rectified.
  • a full-wave rectifier is usually used for this used in bridge circuit.
  • Important for the function of one in the circuit arrangement realized charge pump is the property of the rectifier, that it does not allow current to flow from the circuitry to the mains voltage source.
  • the rectified mains voltage is an electronic pump switch UNI supplied, being at the junction between rectifier FR and electronically cm Pump switch UNI a pump node N1 is created.
  • the electronic pump switch UNI from a pump diode that only has a current flow allowed that flows from the pump node N1 to the pump diode.
  • any electronic switch such as. B. a MOSFET for the electronic Use pump switch UNI, which fulfills the function of the pump diode.
  • the main energy storage is mostly STO as an electrolytic capacitor executed. However, other types of capacitors are also possible.
  • the dual form of energy storage with the capacitor is also possible. In the dual case, the main energy storage STO is designed as a coil. Because of the lower cost and better efficiency is a capacitor than Main energy storage STO preferred.
  • the main energy storage STO supplies its energy to an inverter INV Available.
  • the inverter INV generates an alternating variable, usually an alternating voltage, which is fed to a block designated MN and PN.
  • MN describes the function of the block as a matching network. Regarding this function the block MN / PN can be connected to a discharge lamp L.
  • Designated PN the function of the block as a pump network.
  • the block is related to this function MN / PN connected to the pump node N1.
  • the connecting line between the Pump node N1 and the block MN / PN is in Figure 1 on both ends with a Arrow. This is to indicate that energy alternates from Pump node N1 flows to block MN / PN and back.
  • the functions of the matching network and the pump network are combined in the MN / PN block because Embodiments of the invention are possible in which individual components both can be assigned to one or the other function.
  • a controller CONT is provided to regulate a desired first operating variable which acts on the inverter INV via a manipulated variable. So that becomes a Parameters of the alternating variable output by the inverter, e.g. B. the operating frequency or the pulse width, so changed that a change in the first company size is counteracted.
  • the first company size becomes a first input of the controller via connection B1.
  • At the first company size is a size that determines the operation of the lamp. Therefore rises in FIG. 1 the connection B1 to the block for the discharge lamp L.
  • the first operating variable is the lamp current or the lamp power.
  • the CONT controller has a second input. About one Threshold switch TH is fed a second operating variable to the second input.
  • the second operating variable is a measure of the reactive energy which oscillates in a resonant circuit, which is contained in the block MN / PN.
  • the tap The second company size using connection B2 is therefore carried out on the block MN / PN. But it is also possible to measure the reactive energy from lamp sizes, such as B. to gain the lamp voltage.
  • the reactive energy provides information about the energy imbalance of the charge pump and the stress on components. If the second company size exceeds the threshold of the threshold switch, the controller CONT Inverters influenced in such a way that the reactive energy does not increase any further. This can be done by raising the operating frequency of the inverter INV becomes.
  • the CONT controller can contain an adder which is connected to the controller inputs applied signals added. It must be ensured that the signal the signal at the second controller input does not jam at the first controller input. exceeds the signal at the second controller input the signal at the first controller input, see above the signal at the second controller input must be the relevant controller signal.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a circuit arrangement according to the invention shown for the start and operation of discharge lamps.
  • a mains voltage can be connected to the connections J1 and J2. Via a filter consisting of two capacitors C1, C2 and two coils L1, L2, the mains voltage a full bridge rectifier consisting of diodes D1, D2, D3, D4 fed.
  • the full-bridge rectifier provides one positive output Node N21, the rectified mains voltage with respect to a reference node N0 ready.
  • the rectified mains voltage becomes two pump nodes via the diodes D5 and D6 N22 and N23 fed.
  • the exemplary embodiment in FIG. 2 accordingly has two pump branches.
  • the diodes are used to decouple the pump branches from each other D5 and D6 required. If there is only one pumping branch, a pumping node can be used directly the rectifier output, node 21, are connected. However, this is too note that the diodes used in the rectifier can switch quickly enough to follow the inverter frequency. If this is not the case, must a fast diode between the rectifier output even with only one pump branch and pump nodes are switched.
  • Pump node coupled to the positive output of the rectifier From the literature charge pump topologies are also known, in which pump nodes with the negative output of the rectifier are coupled.
  • An electronic pump switch leads from the pump nodes N22 and N23, which are designed as diodes D7 and D8, to node N24. Between N24 and N0 the main energy store, which is designed as an electrolytic capacitor C3, is connected.
  • C3 feeds the inverter, which is designed as a half-bridge.
  • inverter which is designed as a half-bridge.
  • converter topologies such as B. flyback converter or full bridge can be used.
  • Advantageous a half bridge is used for lamp powers between 5W and 300W, because it represents the least expensive topology.
  • the half-bridge essentially consists of a series connection of two half-bridge transistors T1 and T2 and a series connection of two coupling capacitors C4 and C5. Both series connections are connected in parallel to C3.
  • a connection node N25 the half-bridge transistors and a connection node N26 the Coupling capacitors form the inverter output at the one rectangular Inverter voltage with an inverter frequency is present.
  • a lamp choke L3 is located between N25 and a lamp voltage node N27 connected.
  • the connection J3 is connected to N27, to that in the exemplary embodiment the series connection of two discharge lamps Lp1 and Lp2 is connected.
  • the present However, the invention can also be carried out with one or more lamps.
  • the Current through the discharge lamps Lp1 and Lp2 flows through a connection J8, through a winding W1 of a measuring transformer to node N26.
  • the inverter voltage is connected to a series connection of two discharge lamps Lp1, Lp2 and the lamp choke L3.
  • the current fed into J3 does not only flow through the gas discharge of the discharge lamps Lp1, Lp2 but also by an outer filament of the first discharge lamp Lp1 to a connection J4. From there through a winding W4 of a heating transformer, further by a variable resistor R1, further by a winding W3 of the measuring transformer for connection J7. There is an external one at connection J7 Filament of the second discharge lamp Lp2 connected, the other end of the Connection J8 leads. There are two inner filaments of the discharge lamps Lp1 and Lp2 each via the connections J5 and J6 with the winding W5 of the heating transformer connected.
  • the arrangement described in this paragraph causes the inverter voltage not just a current through the gas discharge of the discharge lamps Lp1, Lp2 but also a heating current through the outer coils and a heating current through the inner coils of the Discharge lamps Lp1, Lp2. If only one discharge lamp is to be operated, so the heating transformer can be omitted.
  • the heating current is essentially before the ignition of the discharge lamps Lp1, Lp2 during a preheating phase as preheating current for preheating the filaments needed.
  • the variable resistor R1 essentially determines the value of the heating current. During the preheating phase, the value of R1 is so low that a lamp data predetermined heating current is reached. After the preheating phase, the Value of R1 so that compared to the current through the gas discharge of the discharge lamps Lp1, Lp2 negligible heating current flows.
  • R1 is implemented by a so-called PTC or PTC thermistor. It is a Resistance that has a low resistance when cold. By the The PTC thermistor heats up the heating current, which increases its resistance.
  • R1 can also be implemented by an electronic switch that is in the preheating phase is closed and then open. In series with this switch can be a resistor be switched with constant resistance value. So that's a quick one Transition from the preheating phase to the ignition phase possible.
  • the arrangement described for preheating the coils is during the Preheat phase by damping the resonance frequency one in the next section described resonance circuit lower than its natural frequency.
  • an inverter frequency is selected that is below the natural frequency is so that there is a high heating current and thus a short preheating phase results.
  • the lamp voltage node N27 is connected via a first resonance capacitor C6 connected to the pump node N23. Between N23 and N0 is a second resonance capacitor C7 switched. C6 and C7 form a resonant circuit with the lamp choke L3. To determine the natural frequency of the resonance circuit, C6 and C7 considered in series. The effective capacity value of C6 and C7 regarding the natural frequency is thus the quotient of the product and the sum of the Capacitance values of C6 and C7. The resonant circuit becomes close to its natural frequency excited, an ignition voltage is generated across the lamps, which is used to ignite the discharge lamps leads. After ignition, L3 works together with C6 and C7 as a matching network, the one output impedance of the inverter into one for operation the necessary impedance is transformed by the discharge lamps.
  • the combination works by connecting C6 and C7 to the pump node N23 of L3, C6 and C7 not only as a resonance circuit and matching network, but at the same time as a pump network.
  • the potential at N23 is lower than that current mains voltage, the pump network L3, C6, C7 draws energy from the Mains voltage. If the potential at N23 exceeds the voltage at the main energy storage C3, the energy absorbed by the mains voltage is given to C3.
  • the ratio of the capacitance values of C6 and C7 the Effect of the network L3, C6, C7 can be compared as a pump network. The bigger the capacity value of C7 is chosen, the less the effect of Network L3, C6, C7 as a pump network.
  • a further pumping effect is based on a capacitor C8, which is between N23 and the connection node N25 of the half-bridge transistors T1, T2 is connected.
  • C8 also not only acts as a pump network, but also fulfills the task a snubber capacitor. Snubber capacitors are common as a measure for switch relief in inverters.
  • the pump network for the second pump branch consists of a series connection of one Pump choke L4 and a pump capacitor C9. This pump network is between the connection node N25 of the half-bridge transistors T1, T2 and Pump node N22 switched.
  • two Pump branches are used so that the pumped energy is divided into several components becomes. This makes it possible to dimension the components more cost-effectively. Also this gives a degree of freedom in the design of the dependency of the pumped Energy from operating parameters of the discharge lamps.
  • the invention is but can also be implemented with just one pump branch.
  • the half-bridge transistors T1, T2 are designed as MOSFETs. Other electronic too Switches can be used for this.
  • T1 and T2 are provided with an integrated circuit IC1.
  • IC1 is a circuit from International Rectifier IR2153. There are also alternative circuits to this type on the Market available; z. B. L6571 from STM.
  • the circuit IR2153 contains one So-called high-side drivers with which the half-bridge transistor T1 can also be controlled can, although it has no connection to the reference potential N0. These are one Diode D10 and a capacitor C10 necessary.
  • the IC1 is supplied with operating voltage via connection 1 of the IC1.
  • a voltage source VCC between terminal 1 of IC1 and N0 intended.
  • this voltage source VCC can be realized.
  • the IC can be operated via a Resistor are supplied by the rectified mains voltage.
  • the IC1 contains one Oscillator whose oscillation frequency can be set via connections 2 and 3 can.
  • the oscillation frequency of the oscillator corresponds to the inverter frequency.
  • Between connections 2 and 3 is a frequency-determining resistor R3 connected.
  • Between connection 3 and N0 is the series connection of a frequency determining Capacitor C11 and the emitter-collector path of a bipolar transistor T3 switched.
  • the basic connection of T3 is connected to a manipulated variable node N28.
  • T3, IC1 and their Circuitry can thus be seen as a controller.
  • the functions of the IC1 and its wiring can also be implemented by any voltage or current controlled oscillator, which has driver circuits controls the half-bridge transistors.
  • the control loop in the exemplary embodiment records the current through the Gas discharge of the discharge lamps Lp1, Lp2.
  • the measuring transformer has a winding W2.
  • the winding direction in the measuring transformer is designed so that from the heating current in winding W3 is subtracted from a total current in winding W1 is so that a current flows in winding W2, which corresponds to the current through the gas discharge of the discharge lamps Lp1, Lp2 is proportional.
  • a full bridge rectifier formed by diodes D11, D12, D13 and D14 directs the current through winding W2 is the same and leads it via a low-resistance measuring resistor R4 to N0.
  • the Voltage drop across R4 is thus a measure of the current through the gas discharge of the Discharge lamps Lp1, Lp2. Via a low pass for averaging, which by a resistor R5 and a capacitor C13 is formed, the voltage drop occurs at R4 to the input of a non-inverting measuring amplifier.
  • the measuring amplifier is made in a known manner by an operational amplifier AMP and the resistors R6, R7 and R8 realized.
  • the exemplary embodiment is a Gain of the measuring amplifier set at approx. 10.
  • the measuring amplifier can be omitted or by an impedance converter, such as. B. an emitter follower.
  • the output of the measuring amplifier is via a diode D15 with the manipulated variable node N28 connected. This is the control loop for regulating the current through the Gas discharge of the discharge lamps Lp1, Lp2 closed.
  • the diode D15 is necessary so that the potential of N28 can be raised to a value above that value specified by the measuring amplifier.
  • the anode of D15 is a first Controller input.
  • the threshold switch according to the invention is in Figure 2 by a varistor MOV realized. It is connected in series with a capacitor C12, a resistor R2 and a diode D17, which connects the lamp voltage node N27 with the Control variable node N28 connects.
  • the anode of D17 provides a second controller input N28 is through the parallel connection of a resistor R9 and one Capacitor C14 connected to N0.
  • N27 there is a voltage compared to N0, which is a measure of that in the resonant circuit is formed from L3, C6 and C7 vibrating reactive energy. Exceeds this tension the threshold voltage of the varistor MOV, a current flows through R9 and C14 is charging. This increases the voltage at the manipulated variable node N28. This causes an increase in the inverter frequency and that in the resonance circuit Vibrating reactive energy is reduced as the inverter frequency continues moves away from the natural frequency of the resonance circuit.
  • the diode D 16 is connected between N0 and the connection point of R2 and D17. In combination with C12 at N28, the sum of positive and negative amplitude of the voltage applied through the varistor MOV leaves. Any other threshold switch can be used instead of the MOV find how he z. B. built up by Zener diodes or suppressor diodes can be.
  • the threshold value of the MOV varistor is in the application example 250Veff selected. A higher value means more reactive energy in the resonance circuit approved, resulting in a higher ignition voltage on the discharge lamps Lp1, Lp2, but also leads to a higher load on components. On the The threshold value of the varistor MOV can thus set a desired optimum become.
  • the value of the resistance R2 influences the strength of the effect of the invention Intervention on the control loop at the manipulated variable node N28. It is also advantageous a non-linear relationship between the voltage at the manipulated variable node N28 and the inverter frequency. This nonlinear relationship is shown in the application example realized by the nonlinear characteristic of T3. He will also on the dependence of the frequency of the oscillator in the IC1 on the voltage at Connection 3 of the IC1 influenced. A sharp rise in the voltage at N27 leads due to the non-linearity to a disproportionate increase in the inverter frequency, whereby an overload of components such. B. the voltage load of C3 or the current load of T1 and T2 is prevented.
  • the current in the resonance circuit could also be used as a measure for that in the resonance circuit vibrating reactive energy can be used.
  • the current in the resonance circuit could also be used as a measure for that in the resonance circuit vibrating reactive energy can be used.

Landscapes

  • Circuit Arrangements For Discharge Lamps (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

Bei Schaltungsanordnungen zum Betrieb von Entladungslampen (Lp1, Lp2), die eine Ladungspumpe zur Reduzierung von Netzstromoberschwingungen enthalten, kommt es beim Start der Lampen zu einen Energieungleichgewicht. Damit dies nicht zur Zerstörung von Bauteilen führt, dennoch aber genügend Zündspannung an den Lampen (Lp1, Lp2) erzeugt wird, kontrolliert ein Schwellwertschalter (MOV, TH) die Frequenz eines in der Schaltungsanordnung enthaltenen Wechselrichters. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es handelt sich dabei insbesondere um eine Schaltungsanordnung zum Betrieb von Entladungslampen, die sog. Ladungspumpen zur Reduzierung von Netzstrom-Oberschwingungen.
Stand der Technik
Schaltungsanordnungen zum Start und Betrieb von Entladungslampen kommen in elektronischen Betriebsgeräten für Entladungslampen zum Einsatz. Unter dem Start der Entladungslampe wird im folgenden zumindest die Zündung während einer Zündphase verstanden. Es kann aber auch eine Vorheizung von Elektrodenwendeln während einer Vorheizphase der Zündphase vorangehen. Falls die Betriebsgeräte an einer Netzspannung betrieben werden, unterliegen sie einschlägigen Vorschriften bezüglich Netzstrom-Oberschwingungen, z. B. IEC 1000-3-2. Damit diese Vorschriften eingehalten werden, sind schaltungstechnische Maßnahmen zur Reduzierung von Netzstrom-Oberschwingungen nötig. Eine derartige Maßnahme ist der Einbau sog. Ladungspumpen. Der Vorteil von Ladungspumpen besteht im geringen schaltungstechnischen Aufwand, der für deren Realisierung nötig ist.
Schaltungsanordnungen zum Betrieb von Entladungslampen, die an einer Netzspannung betrieben werden enthalten im allgemeinen folgende Elemente:
  • einen Gleichrichter zur Gleichrichtung der Netzspannung
  • einen Hauptenergiespeicher
  • einen Wechselrichter, der Energie aus dem Hauptenergiespeicher bezieht und an einem Wechselrichterausgang eine Wechselrichterspannung zur Verfügung stellt, die eine Wechselrichterfrequenz aufweist, die wesentlich höher ist als die Netzfrequenz
  • ein Anpassnetzwerk, über das Entladungslampen mit dem Wechselrichterausgang gekoppelt werden können
Wird der Hauptenergiespeicher direkt aus dem Gleichrichter geladen, so entstehen Ladestromspitzen, die zu einer Verletzung der besagten Vorschriften führen.
Die Topologie einer Ladungspumpe beinhaltet, dass der Gleichrichter über einen elektronischen Pumpschalter mit dem Hauptenergiespeicher gekoppelt ist. Dadurch entsteht zwischen dem Gleichricliter und dem elektronischen Pumpschalter ein Pumpknoten. Der Pumpknoten ist über ein Pulpnetzwerk mit dem Wechselrichterausgang gekoppelt. Das Pumpnetzwerk kann Bauteile enthalten, die zugleich dem Anpassnetzwerk zugeordnet werden können. Das Prinzip der Ladungspumpc besteht darin, dass während einer Halbperiode der Wechselrichterfrequenz über den Pumpknoten Energie der Netzspannung entnommen und im Pumpnetzwerk zwischengespeichert wird. In der darauf folgenden Halbperiode der Wechselrichterfrequenz wird die zwischengespeicherte Energie über den elektronischen Pumpschalter dem Hauptenergiespeicher zugeführt.
Der Netzspannung wird demnach Energie im Takt der Wechselrichterfrequenz entnommen. Im allgemeinen enthält das elektronische Betriebsgerät Filterschaltungen, die Spektralanteile des Netzstroms unterdrücken, die bei der Wechselrichterfrequenz oder darüber liegen. Die Ladungspumpe kann so ausgelegt werden, dass die Oberschwingungen des Netzstroms so gering sind, dass besagte Vorschriften eingehalten werden. Folgende Schriften beschreiben ausführlich Ladungspumpen für elektronische Betriebsgeräte für Entladungslampen:
  • Qian J., Lee F.C., Yamauchi T.:"Analysis, Design and Experiments of a High-Power-Factor Electronic Ballast", IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 34, No. 3, May/June 1998
  • Qian J., Lee F.C., Yamauchi T.:"New Continuous Current Charge Pump Power-Factor-Corretion Electronic Ballast", IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 35, No. 2, March/April 1999
  • In der Schrift EP 0 621 743 (Mattas) ist eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Entladungslampe beschrieben, die eine Ladungspumpe enthält. Sie weist zusätzlich einen Regler auf, der eine Modulation der Wechselrichterfrequenz mit der doppelten Netzfrequenz bewerkstelligt. Damit wird die Aufgabe gelöst, den Crest-Faktor des Lampenstroms, mit dem die Entladungslampe beaufschlagt wird, zu verbessern. Damit wird die Lebensdauer der Lampen erhöht.
    • Das o. g. Anpassnetzwerk enthält einen Resonanzkreis, der im wesentlichen einen Resonanzkondensator und eine Lampendrossel enthält. Der Resonanzkreis weist eine Resonanzfrequenz auf, die ohne Dämpfung des Resonanzkreises bei einer Eigenfrequenz des Resonanzkreises liegt.
    Zur Zündung der Entladungslampe wird der Wechselrichter zunächst bei einer Wechselrichterfrequenz betrieben, die über der Eigenfrequenz liegt. In einer Zündphase wird die Wechselrichterfrequenz abgesenkt, bis in der Nähe der Eigenfrequenz der Resonanzkreis eine hohe Spannung an der Entladungslampe erzeugt und die Entladungslampe zündet.
    Dabei tritt folgendes Problem auf: Vor der Zündung der Entladungslampe gibt es einerseits in der Schaltungsanordnung keinen wesentlichen Energieverbraucher. Anderseits arbeitet die Ladungspumpe und deponiert laufend Energie im Hauptenergiespeicher. Dadurch entsteht ein Ungleichgewicht zwischen aufgenommener und abgegebener Energie der Schaltungsanordnung. Falls die Entladungslampe nicht rechtzeitig zündet, führt dies entweder zur Zerstörung des Hauptenergiespeichers oder zur Abschaltung der Schaltungsanordnung, falls dafür Abschaltmittel bereitgestellt werden.
    Im Stand der Technik führt dies zu einem Optimierungsproblem für die Wahl der Wechselrichterfrequenz während der Zündphase: Auf der einen Seite soll die Zeit, in der das besagte Energieungleichgewicht herrscht kurz sein. Dies erreicht eine hohe Zündspannung, die eine Wechselrichterfrequenz nahe der Eigenfrequenz verlangt. Auf der anderen Seite soll das Energieungleichgewicht möglichst gering sein, damit die Zeit bis zur Überlastung des Hauptenergiespeichers und damit die Zündphase möglichst lange sein kann. Dies ist für eine zuverlässige Zündung der Entladungslampe wünschenswert, verlangt aber eine Wechselrichterfrequenz, die möglichst weit über der Eigenfrequenz liegt. Die Optimierungsaufgabe wird dadurch erschwert, dass äußere Umstände, wie z. B. die Zündeigenschaften der Entladungslampe, Umgebungstemperatur und Bauteiletoleranzen, Einfluss darauf haben.
    Im Stand der Technik gibt es zwei Lösungen für das Problem: Entweder wird eine unzuverlässige Zündung der Entladungslampe in Kauf genommen, oder Bauelemente wie Hauptenergiespeicher und Lampendrossel werden überdimensioniert und damit teuer und voluminös.
    Darstellung der Erfindung
    Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung zum Start und Betrieb von Entladungslampen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die eine zuverlässige und kostengünstige Zündung der Lampe bewerkstelligt.
    Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung zum Start und Betrieb von Entladungslampen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
    Im Stand der Technik EP 0 621 743 (Mattas) ist ein Regler beschrieben der einen ersten Reglereingang aufweist. Diesem ersten Reglereingang wird eine elektrische Größe zugeführt, die einer ersten Betriebsgröße einer an Lampenklemmen betriebenen Entladungslampe entspricht.
    Erfindungsgemäß besitzt der Regler einen zweiten Reglereingang. Dem zweiten Reglereingang wird eine zweite elektrische Größe zugeführt, die einer zweiten Betriebsgröße entspricht, die ein Maß für die Blindenergie ist, die im Resonanzkreis schwingt. Erfindungsgemäß wird die zweite elektrische Größe dem zweiten Reglereingang über einen Schwellwertschalter zugeführt. Für den Fall, dass der Wert der zweiten elektrischen Größe den Schwellwert des Schwellwertschalter überschreitet, wird die Wechselrichterfrequenz erhöht.
    Durch die Wahl des Schwellwerts und der Frequenzerhöhung kann eingestellt werden wie groß das Energieungleichgewicht in der Ladungspumpe maximal werden kann. Erfindungsgemäß kann damit bei optimaler Ausnutzung der Bauelemente eine maximale Zündspannung erreicht werden. Damit ist eine zuverlässige Zündung von Entladungslampen auch mit kostengünstigen Bauelementen möglich.
    Kurze Beschreibung der Zeichnungen
    Im folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
    Figur 1
    ein Blockschaltbild für eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Start und Betrieb von Entladungslampen,
    Figur 2
    ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Start und Betrieb von Entladungslampen.
    Im folgenden werden Widerstände durch den Buchstaben R, Transistoren durch den Buchstaben T, Spulen durch den Buchstaben L, Verstärker durch den Buchstaben A, Dioden durch den Buchstaben D, Knotenpotenziale durch den Buchstaben N und Kondensatoren durch den Buchstaben C jeweils gefolgt von einer Zahl bezeichnet. Auch werden im folgenden für gleiche und gleichwirkende Elemente der verschiedenen Ausführungsbeispiele durchweg gleiche Bezugszeichen verwendet.
    Bevorzugte Ausführung der Erfindung
    In Figur 1 ist ein Blockschaltbild für eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Start und Betrieb von Entladungslampen dargestellt. An Anschlussklemmen J kann eine Netzspannung aus einer Netzspannungsquelle der Schaltungsanordnung zugeführt werden. Die Netzspannung wird zunächst in einen Block FR eingespeist. Zum einen enthält dieser Block bekannte Mittel zum Filtern von Störungen. Zum anderen enthält dieser Block einen Gleichrichter, der die Netzspannung, die eine Wechselspannung ist, gleichrichtet. Üblicherweise wird dafür ein Vollweggleichrichter in Brückenschaltung verwendet. Wichtig für die Funktion einer in der Schaltungsanordnung realisierten Ladungspumpe ist die Eigenschaft des Gleichrichters, dass er keinen Strom zulässt, der einen Energiefluss von der Schaltungsanordnung zur Netzspannungsquelle zulässt.
    Die gleichgerichtete Netzspannung wird einem elektronischen Pumpschalter UNI zugeführt, wobei an der Verbindungsstelle zwischen Gleichrichter FR und elektronischcm Pumpschalter UNI ein Pumpknoten N1 entsteht. Im einfachsten Fall besteht der elektronische Pumpschalter UNI aus einer Pumpdiode, die nur einen Stromfluss erlaubt, der vom Pumpknoten N1 zur Pumpdiode fließt. Es ist aber auch möglich einen beliebigen elektronischen Schalter, wie z. B. einen MOSFET, für den elektronischen Pumpschalter UNI einzusetzen, der die Funktion der Pumpdiode erfüllt.
    Der Strom, den der elektronische Pumpschalter UNI durchlässt, speist einen Hauptenergiespeicher STO. Meist ist der Hauptenergiespeicher STO als Elektrolytkondensator ausgeführt. Es sind jedoch auch andere Arten von Kondensatoren möglich. Prinzipiell ist auch die zum Kondensator duale Form der Energiespeicherung möglich. Im dualen Fall ist der Hauptenergiespeicher STO als Spule ausgeführt. Wegen der geringeren Kosten und des besseren Wirkungsgrads wird ein Kondensator als Hauptenergiespeicher STO bevorzugt.
    Es gibt auch Ausführungen von Ladungspumpen mit mehreren sog. Pumpzweigen. Dabei werden mehrere, elektronische Pumpschalter UNI, parallel geschaltet. Dadurch entstehen mehrere Pumpknoten N1. Zur gegenseitigen Entkopplung der Pumpknoten, ist jeweils zwischen Gleichrichter und Pumpknoten eine Diode geschaltet. Ein Ausführungsbeispiel mit zwei Pumpzweigen ist in Figur 2 dargestellt.
    Der Hauptenergiespeicher STO stellt seine Energie einem Wechselrichter INV zur Verfügung. Der Wechselrichter INV erzeugt eine Wechselgröße, meist eine Wechselspannung, die einem Block zugeführt wird, der mit MN und PN bezeichnet ist. MN bezeichnet die Funktion des Blocks als Anpassnetzwerk. Bezüglich dieser Funktion ist der Block MN/PN mit einer Entladungslampe L verbindbar. PN bezeichnet die Funktion des Blocks als Pumpnetzwerks. Bezüglich dieser Funktion ist der Block MN/PN mit dem Pumpknoten N1 verbunden. Die Verbindungslinie zwischen dem Pumpknoten N1 und dem Block MN/PN ist in Figur 1 auf beiden Enden mit einem Pfeil versehen. Dadurch soll angedeutet werden, dass Energie abwechselnd vom Pumpknoten N1 zum Block MN/PN und zurück fließt. Die Funktionen des Anpassnetzwerks und des Pumpnetzwerks sind im Block MN/PN zusammengefasst weil Ausführungsformen der Erfindung möglich sind, bei denen einzelne Bauteile sowohl der einen als auch der anderen Funktion zugeordnet werden können.
    Zur Regelung einer gewünschten ersten Betriebsgröße ist ein Regler CONT vorgesehen der über eine Stellgröße auf den Wechselrichter INV einwirkt. Damit wird ein Parameter der vom Wechselrichter abgegebenen Wechselgröße, z. B. die Betriebsfrequenz oder die Pulsweite, so verändert, dass einer Veränderung der ersten Betriebsgröße entgegengewirkt wird. Die erste Betriebsgröße wird einem ersten Eingang des Reglers über die Verbindung B1 zugeführt. Bei der ersten Betriebsgröße handelt es sich um eine Größe, die den Betrieb der Lampe bestimmt. Deshalb entspringt in Figur 1 die Verbindung B1 dem Block für die Entladungslampe L. Beispielsweise handelt es sich bei der ersten Betriebsgröße um den Lampenstrom oder die Lampenleistung. Diese Größen müssen nicht direkt an der Entladungslampe L erfasst werde, sondern können auch dem Block MN/PN entnommen werden.
    Erfindungsgemäß besitzt der Regler CONT einen zweiten Eingang. Über einen Schwellwertschalter TH wird dem zweiten Eingang eine zweite Betriebsgröße zugeführt. Die zweite Betriebsgröße ist erfindungsgemäß ein Maß für die Blindenergie die in einem Resonanzkreis schwingt, der im Block MN/PN enthalten ist. Der Abgriff der zweiten Betriebsgröße mittels der Verbindung B2 erfolgt deshalb am Block MN/PN. Es ist aber auch möglich ein Maß für die besagte Blindenergie aus Lampenbetriebsgrößen, wie z. B. der Lampenspannung zu gewinnen.
    Zum Zünden der Entladungslampe L wird im Resonanzkreis Blindenergie aufgebaut. Die Blindenergie gibt Auskunft über das Energieungleichgewicht der Ladungspumpe und die Belastung von Bauteilen. Überschreitet die zweite Betriebsgröße die Schwelle des Schwellwertschalters, so wird erfindungsgemäß über den Regler CONT der Wechselrichter derart beeinflusst, dass die Blindenergie nicht weiter steigt. Dies kann dadurch geschehen, dass die Betriebsfrequenz des Wechselrichters INV angehoben wird. Der Regler CONT kann einen Addierer enthalten, der die an den Reglereingängen anliegenden Signale addiert. Es muss sicher gestellt sein, dass das Signal am ersten Regelereingang das Signal am zweiten Reglereingang nicht klemmt. Übersteigt das Signal am zweiten Reglereingang das Signal am ersten Regelereingang, so muss das Signal am zweiten Reglereingang das maßgebliche Reglersignal sein.
    In Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Start und Betrieb von Entlaclungslampen dargestellt.
    An den Anschlüssen J1 und J2 ist eine Netzspannung anschließbar. Über ein Filter, bestehend aus zwei Kondensatoren C1, C2 und zwei Spulen L1, L2, wird die Netzspannung einem Vollbrückengleichrichter bestehend aus den Dioden D1, D2, D3, D4 zugeführt. Der Vollbrückengleichrichter stellt an seinem positiven Ausgang, einem Knoten N21, bezüglich einem Bezugsknoten N0 die gleichgerichtete Netzspannung bereit.
    Über die Dioden D5 und D6 wird die gleichgerichtete Netzspannung zwei Pumpknotcn N22 und N23 zugeführt. Das Ausführungsbeispiel in Figur 2 besitzt demnach zwei Pumpzweige. Um die Pumpzweige gegeneinander zu entkoppeln sind die Dioden D5 und D6 nötig. Bei nur einem Pumpzweig kann ein Pumpknoten direkt mit dem Gleichrichterausgang, dem Knoten 21, verbunden werden. Dabei ist jedoch zu beachten, dass die im Gleichrichter verwendeten Dioden schnell genug schalten können, um der Wechselrichterfrequenz zu folgen. Falls dies nicht der Fall ist, muss auch bei nur einem Pumpzweig eine schnelle Diode zwischen Gleichrichterausgang und Pumpknoten geschaltet werden. Im Ausführungsbeispiel in Figur 2 sind die Pumpknoten mit dem positiven Ausgang des Gleichrichters gekoppelt. Aus der Literatur sind auch Ladungspumpen-Topologien bekannt, bei denen Pumpknoten mit dem negativen Ausgang des Gleichrichters gekoppelt sind.
    Von den Pumpknoten N22 und N23 führt jeweils ein elektronischer Pumpschalter, die als Dioden D7 und D8 ausgeführt sind, zum Knoten N24. Zwischen N24 und N0 ist der Hauptenergiespeicher, der als Elektrolytkondensator C3 ausgeführt ist, geschaltet.
    C3 speist den Wechselrichter, der als Halbbrücke ausgeführt ist. Es sind jedoch auch andere Wandlertopologien wie z. B. Sperrwandler oder Vollbrücke einsetzbar. Vorteilhaft wird für Lampenleistungen zwischen 5W und 300W eine Halbbrücke eingesetzt, da sie die kostengünstigste Topologie darstellt.
    Im wesentlichen besteht die Halbbrücke aus einer Serienschaltung zweier Halbbrückentransistoren T1 und T2 und einer Serienschaltung zweier Koppelkondensatoren C4 und C5. Beide Serienschaltungen sind parallel zu C3 geschaltet. Ein Verbindungsknoten N25 der Halbbrückentransistoren und ein Verbindungsknoten N26 der Koppelkondensatoren bilden den Wechselrichterausgang an dem eine rechteckförmige Wechselrichterspannung mit einer Wechselrichterfrequenz anliegt.
    Zwischen N25 und einem Lampenspannungsknoten N27 ist eine Lampendrossel L3 geschaltet. An N27 ist der Anschluss J3 geschaltet, an dem im Ausführungsbeispiel die Serienschaltung zweier Entladungslampen Lp1 und Lp2 geschaltet ist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auch mit einer oder mehreren Lampen ausführbar. Der Strom durch die Entladungslampen Lp1 und Lp2 fließt über einen Anschluss J8, durch eine Wicklung W1 eines Messtransformators zum Knoten N26. Im wesentlichen wird damit die Wechselrichterspannung an eine Serienschaltung zweier Entladungslampen Lp1, Lp2 und der Lampendrossel L3 angelegt.
    Der in J3 eingespeiste Strom fließt nicht nur durch die Gasentladung der Entladungslampen Lp1, Lp2 sondern auch durch eine äußere Wendel der ersten Entladungslampe Lp1 zu einem Anschluss J4. Von dort weiter durch eine Wicklung W4 eines Heiztransformators, weiter durch einen variablen Widerstand R1, weiter durch eine Wicklung W3 des Messtransformators zum Anschluss J7. Am Anschluss J7 ist eine äußere Wendel der zweiten Entladungslampe Lp2 angeschlossen, deren anderes Ende zum Anschluss J8 führt. Zwei innere Wendeln der Entladungslampen Lp1 und Lp2 sind jeweils über die Anschlüsse J5 und J6 mit der Wicklung W5 des Heiztransformators verbunden. Durch die in diesem Absatz beschrieben Anordnung bewirkt die Wechselrichterspannung nicht nur einen Strom durch die Gasentladung der Entladungslampen Lp1, Lp2 sondern auch einen Heizstrom durch die äußeren Wendeln und über den Heiztransformator auch einen Heizstrom durch die inneren Wendeln der Entladungslampen Lp1, Lp2. Soll nur eine Entladungslampe betrieben werden, so kann der Heiztransformator entfallen.
    Der Heizstrom wird im wesentlichen vor der Zündung der Entladungslampen Lp1, Lp2 während einer Vorheizphase als Vorheizstrom für die Vorheizung der Wendeln benötigt. Den Wert des Heizstroms bestimmt wesentlich der variable Widerstand R1. Während der Vorheizphase ist der Wert von R1 so gering, dass ein durch Lampendaten vorgegebener Heizstrom erreicht wird. Nach der Vorheizphase erhöht sich der Wert von R1, so dass im Vergleich zum Strom durch die Gasentladung der Entladungslampen Lp1, Lp2 vernachlässigbarer Heizstrom fließt. Im Ausführungsbeispiel ist R1 durch einen sog. PTC oder Kaltleiter realisiert. Dabei handelt es sich um einen Widerstand der im kalten Zustand einen geringen Widerstand aufweist. Durch den Heizstrom wird der Kaltleiter aufgeheizt, wodurch sein Widerstandswert steigt. R1 kann auch durch einen elektronischen Schalter realisiert werden, der in der Vorheizphase geschlossen und danach geöffnet ist. In Serie zu diesem Schalter kann ein Widerstand mit konstantem Widerstandswert geschaltet sein. Damit ist ein schneller Übergang von der Vorheizphase zur Zündphase möglich.
    Durch die beschriebene Anordnung zum Vorheizen der Wendeln ist während der Vorheizphase durch Dämpfung die Resonanzfrequenz eines im nächsten Abschnitt beschrieben Resonanzkreises geringer als dessen Eigenfrequenz. Vorteilhaft wird während der Vorheizphase eine Wechselrichterfrequenz gewählt, die unter der Eigenfrequenz liegt, damit sich ein hoher Heizstrom und damit eine kurze Vorheizphase ergibt.
    Der Lampenspannungsknoten N27 ist über einen ersten Resonanzkondensator C6 mit dem Pumpknoten N23 verbunden. Zwischen N23 und N0 ist ein zweiter Resonanzkondensator C7 geschaltet. C6 und C7 bilden mit der Lampendrossel L3 einen Resonanzkreis. Zur Festlegung der Eigenfrequenz des Resonanzkreises, wird C6 und C7 in Serie geschaltet betrachtet. Der wirksame Kapazitätswert von C6 und C7 bezüglich der Eigenfrequenz ist somit der Quotient aus dem Produkt und der Summe der Kapazitätswerte von C6 und C7. Wird der Resonanzkreis nahe seiner Eigenfrequenz angeregt, so entsteht über den Lampen eine Zündspannung, die zur Zündung der Entladungslampen führt. Nach der Zündung wirkt L3 zusammen mit C6 und C7 als Anpassnetzwerk, das eine Ausgangsimpedanz des Wechselrichters in eine zum Betrieb der Entladungslampen nötige Impedanz transformiert.
    Durch die Verbindung von C6 und C7 mit dem Pumpknoten N23 wirkt die Kombination von L3, C6 und C7 jedoch nicht nur als Resonanzkreis und Anpassnetzwerk, sonder gleichzeitig als Pumpnetzwerk. Ist das Potenzial an N23 niedriger als die momentane Netzspannung, so bezieht das Pumpnetzwerk L3,C6,C7 Energie aus der Netzspannung. Übersteigt das Potenzial an N23 die Spannung am Hauptenergiespeichcr C3, so wird die von der Netzspannung aufgenommene Energie an C3 abgegeben. Durch die Wahl des Verhältnisses der Kapazitätswerte von C6 und C7 kann die Wirkung des Netzwerks L3, C6, C7 als Pumpnetzwerk abgeglichen werden. Je größer der Kapazitätswert von C7 gewählt wird, desto geringer ist die Wirkung des Netzwerks L3, C6, C7 als Pumpnetzwerk.
    Eine weitere Pumpwirkung geht von einem Kondensator C8 aus, der zwischen N23 und den Verbindungsknoten N25 der Halbbrückentransistoren T1,T2 geschaltet ist. Auch C8 wirkt nicht nur als Pumpnetzwerk, sondern erfüllt gleichzeitig die Aufgabe eines Snubber-Kondensators. Snubber-Kondensatoren sind allgemein als Maßnahme zur Schalterentlastung in Wechselrichtern bekannt.
    Das Pumpnetzwerk für den zweiten Pumpzweig besteht aus der Serienschaltung einer Pumpdrossel L4 und eines Pumpkondensators C9. Dieses Pumpnetzwerk ist zwischen den Verbindungsknoten N25 der Halbbrückentransistoren T1,T2 und den Pumpknoten N22 geschaltet. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel werden zwei Pumpzweige verwendet, damit die gepumpte Energie auf mehrere Bauteile aufgeteilt wird. Damit ist eine kostengünstigere Dimensionierung der Bauteile möglich. Auch erhält man dadurch einen Freiheitsgrad bei der Auslegung der Abhängigkeit der gepumpten Energie von Betriebsparametern der Entladungslampen. Die Erfindung ist jedoch auch mit nur einem Pumpzweig realisierbar.
    Die Halbbrückentransistoren T1, T2 sind als MOSFET ausgelegt. Auch andere elektronische Schalter können dafür eingesetzt werden. Zur Ansteuerung der Gates von T1 und T2 ist im Ausführungsbeispiel ein integrierter Schaltkreis IC1 vorgesehen. IC1 ist im vorliegenden Beispiel ein Schaltkreis der Firma International Rectifier vom Typ IR2153. Es sind auch alternative Schaltkreise zu diesem Typ auf dem Markt erhältlich; z. B. L6571 der Firma STM. Der Schaltkreis IR2153 enthält einen sog. High-Side-Treiber mit dem auch der Halbbrückentransistor T1 angesteuert werden kann, obwohl er keinen Anschluss am Bezugspotenzial N0 hat. Dazu sind eine Diode D10 und ein Kondensator C10 nötig.
    Die Betriebsspannungsversorgung des IC1 erfolgt über den Anschluss 1 des IC1. In Figur 2 ist dazu eine Spannungsquelle VCC zwischen Anschluss 1 des IC1 und N0 vorgesehen. Es sind allgemein mehrere Möglichkeiten bekannt, wie diese Spannungsquelle VCC realisiert werden kann. Im einfachsten Fall kann das IC über einen Widerstand von der gleichgerichteten Netzspannung versorgt werden.
    Außer den Treiberschaltungen für die Halbbrückentransistoren enthält das IC1 einen Oszillator, dessen Schwingfrequenz über die Anschlüsse 2 und 3 eingestellt werden kann. Die Schwingfrequenz des Oszillators entspricht der Wechselrichterfrequenz. Zwischen den Anschlüssen 2 und 3 ist ein frequenzbestimmender Widerstand R3 geschaltet. Zwischen Anschluss 3 und N0 ist die Serienschaltung eines frequenzbestimmenden Kondensators C11 und der Emitter-Kollektor-Strecke eines Bipolartransistors T3 geschaltet. Parallel zur Emitter-Kollektor-Strecke von T3 ist eine Diode D9 geschaltet, damit C11 ge- und entladen werden kann. Durch eine Spannung zwischen dem Basisanschluss von T3 und N0 kann die Wechselrichterfrequenz eingestellt werden und bildet somit eine Stellgröße für einen Regelkreis. Der Basisanschluss von T3 ist mit einem Stellgrößenknoten N28 verbunden. T3, IC1 und deren Beschaltung kann somit als Regler aufgefasst werden.
    Die Funktionen des IC1 und dessen Beschaltung können auch realisiert werden durch einen beliebigen spannungs- oder stromgesteuerten Oszillator, der über Treiberschaltungen die Ansteuerung der Halbbrückentransistoren bewerkstelligt.
    Der Regelkreis im Ausführungsbeispiel erfasst als Regelgröße den Strom durch die Gasentladung der Entladungslampen Lp1, Lp2. Dazu besitzt der Messtransformator eine Wicklung W2. Der Wickelsinn im Messtransformator ist so ausgelegt, dass von einem Gesamtstrom in Wicklung W1 der Heizstrom in Wicklung W3 abgezogen wird, so dass in Wicklung W2 ein Strom fließt, der dem Strom durch die Gasentladung der Entladungslampen Lp1, Lp2 proportional ist. Ein Vollbrückengleichrichter gebildet durch Dioden D11, D12, D13 und D14 richtet den Strom durch Wicklung W2 gleich und führt ihn über einen niederohmigen Messwiderstand R4 auf N0. Der Spannungsabfall an R4 ist somit ein Maß für den Strom durch die Gasentladung der Entladungslampen Lp1, Lp2. Über einen Tiefpass zur Mittelwertbildung, der durch einen Widerstand R5 und einen Kondensator C13 gebildet wird, gelangt der Spannungsabfall an R4 an den Eingang eines nicht invertierenden Messverstärkers.
    Der Messverstärker wird in einer bekannten Weise durch einen Operationsverstärker AMP und die Widerstände R6, R7 und R8 realisiert. Im Ausführungsbeispiel ist eine Verstärkung des Messverstärkers von ca. 10 eingestellt. Für den Fall, dass der Spannungsabfall an R4 Werte aufweist, die direkt als Stellgröße verwendet werden können, kann der Messverstärker entfallen oder durch einen Impedanzwandler, wie z. B. einen Emitterfolger, ersetzt werden.
    Der Ausgang des Messverstärkers ist über eine Diode D15 mit dem Stellgrößenknoten N28 verbunden. Damit ist der Regelkreis zur Regelung des Stroms durch die Gasentladung der Entladungslampen Lp1, Lp2 geschlossen. Die Diode D15 ist nötig, damit das Potenzial von N28 auf einen Wert angehoben werden kann, der über dem vom Messverstärker vorgegebenen Wert liegt. Die Anode von D15 stellt einen ersten Reglereingang dar.
    Der erfindungsgemäße Schwellwertschalter ist in Figur 2 durch einen Varistor MOV realisiert. Er liegt in einer Serienschaltung mit einem Kondensators C12, einem Widerstand R2 und einer Diode D17, die den Lampenspannungsknoten N27 mit dem Stellgrößenknoten N28 verbindet. Die Anode von D17 stellt einen zweiten Reglereingang dar. N28 ist über die Parallelschaltung eines Widerstandes R9 und eines Kondensators C14 mit N0 verbunden.
    An N27 liegt gegenüber N0 eine Spannung an, die ein Maß für die im Resonanzkreis gebildet aus L3, C6 und C7 schwingende Blindenergie ist. Überschreitet diese Spannung die Schwellspannung des Varistors MOV, so fließt ein Strom durch R9 und C14 wird aufgeladen. Damit wird die Spannung am Stellgrößenknoten N28 angehoben. Dies bewirkt einen Anstieg der Wechselrichterfrequenz und die im Resonanzkreis schwingende Blindenergie wird reduziert, da die Wechselrichterfrequenz weiter von der Eigenfrequenz des Resonanzkreises abrückt.
    Zwischen N0 und dem Verbindungspunkt von R2 und D17 ist die Diode D 16 geschaltet. Damit wird im Zusammenspiel mit C12 an N28 die Summe aus positiver und negativer Amplitude der Spannung angelegt, die der Varistor MOV passieren lässt. Statt des Varistors MOV kann ein beliebiger anderer Schwellwertschalter Verwendung finden, wie er z. B. durch Zener-Dioden oder Suppressor-Dioden aufgebaut werden kann. Der Schwellwert des Varistors MOV ist im Anwendungsbeispiel 250Veff gewählt. Durch einen höheren Wert wird mehr Blindenergie im Resonanzkreis zugelassen, was zu einer höheren Zündspannung an den Entladungslampen Lp1, Lp2, aber auch zu einer höheren Belastung von Bauelementen führt. Über den Schwellwert des Varistors MOV kann somit ein gewünschtes Optimum eingestellt werden.
    Der Wert des Widerstands R2 beeinflusst die Stärke der Wirkung des erfindungsgemäßen Eingriffs auf den Regelkreis am Stellgrößenknoten N28. Vorteilhaft ist auch ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen der Spannung am Stellgrößenknoten N28 und der Wechselrichterfrequenz. Dieser nichtlineare Zusammenhang wird im Anwendungsbeispiel durch die nichtlineare Kennlinie von T3 realisiert. Zudem wird er von der Abhängigkeit der Frequenz des Oszillators im IC1 von der Spannung am Anschluss 3 des IC1 beeinflusst. Ein starker Anstieg der Spannung an N27 führt durch die Nichtlinearität zu einer überproportionalen Erhöhung der Wechselrichterfrequenz, wodurch einer Überlastung von Bauteilen, wie z. B. der Spannungsbelastung von C3 oder der Strombelastung von T1 und T2, vorgebeugt wird.
    Statt der Spannung könnte auch der Strom im Resonanzkreis als Maß für die im Resonanzkreis schwingende Blindenergie herangezogen werden. Dazu könnte beispielsweise eine Zusatzwicklung auf L3 dienen.

    Claims (16)

    1. Schaltungsanordnung zum Start und Betrieb von Entladungslampen (L, Lp1, Lp2) mit folgenden Merkmalen:
      ein erster und ein zweiter Netzanschluss (J1, J2) zum Anschluss einer Netzspannung,
      ein Gleichrichter (D1, D2, D3, D4), dessen Gleichrichtereingang mit den Netzanschlüssen gekoppelt ist und an dessen Gleichrichterausgang (N21) die gleichgerichtete Netzspannung anliegt,
      der Gleichrichterausgang (N21) ist mit einem elektronischen Pumpschalter (UNI, D7, D8) gekoppelt, wodurch sich am elektronischen Pumpschalter (UNI, D7, D8) ein erster Pumpknoten (N1, N23) ausbildet,
      die dem Gleichrichterausgang (N21) abgewandte Seite des elektronischen Pumpschalters ist mit einem Hauptenergiespeicher (C3) gekoppelt,
      der Hauptenergiespeicher (C3) liefert Energie an einen Wechselrichter (INV), der an einem Wechselrichterausgang (N25, N26) eine Wechselrichterspannung abgibt, die eine Wechselrichterfrequenz aufweist, die wesentlich höher ist als die Frequenz der Netzspannung,
      der Wechselrichterausgang (N25), ist über ein Pumpnetzwerk (PN, L3, C6,C7)) mit dem ersten Pumpknoten (N1, N23) gekoppelt,
      an den Wechselrichterausgang (N25) sind über ein Anpassnetzwerk (Mn, L3, C6, C7), das einen Resonanzkreis (L3, C6, C7) mit einer Eigenfrequenz aufweist, über Lampenklemmen (J3-J6) Entladungslampen (L, Lp1, Lp2) anschließbar,
      ein Regler (CONT), dessen Reglerausgang ein Stellsignal ausgibt, wobei der Reglerausgang derart mit dem Wechselrichter (INV) gekoppelt ist, dass das Stellsignal die Wechselrichterfrequenz beeinflusst,
      ein erster Reglereingang (B1), in den eine erste elektrische Größe eingespeist wird, die einer ersten Betriebsgröße entspricht,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      der Regler einen zweiten Reglereingang aufweist, in den über einen Schwellwertschalter (TH, MOV) eine zweite elektrische Größe eingespeist wird, die einer zweiten Betriebsgröße (B2) entspricht, die ein Maß für die Blindenergie ist, die im Resonanzkreis (L3, C6, C7) schwingt,
      wobei der Wert der zweiten elektrischen Größe beim Überschreiten des Schwellwerts des Schwellwertschalters (TH, MOV) einen größeren Wert der Wechselrichterfrequenz bewirkt.
    2. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass,
      der Regler einen Addierer enthält, der die elektrischen Größen vom ersten und vom zweiten Reglereingang addiert.
    3. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass,
      der elektronische Pumpschalter (UNI) durch eine erste Pumpdiode (D7) realisiert ist, die so gepolt ist, dass über die erste Pumpdiode (D7) Energie dem Hauptenergiespeicher (C3) zugeführt werden kann,
    4. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 3,
      dadurch gekennzeichnet, dass,
      der Gleichrichterausgang (N21) über eine zweite Pumpdiode (D5) mit dem ersten Pumpknoten (N23) verbunden ist, wobei die zweite Pumpdiode (D5) so gepolt ist, dass über die zweite Pumpdiode Energie dem Gleichrichter entnommen werden kann.
    5. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 4,
      dadurch gekennzeichnet, dass,
      der Gleichrichterausgang (N21) über die Serienschaltung einer dritten (D6) und einer vierten (D8) Pumpdiode mit dem Hauptenergiespeicher (C3) gekoppelt ist, wodurch sich am Verbindungspunkt der dritten (D6) und der vierten (D8) Pumpdiode ein zweiter Pumpknoten (N22) ausbildet, in den ein Teil der Energie, die der Wechselrichterausgang (N25) abgibt, eingespeist wird.
    6. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1 oder 5,
      dadurch gekennzeichnet, dass,
      der erste (N23) oder der zweite (N22) Pumpknoten über eine Serienschaltung einer Pumpdrossel (L4) und eines Pumpkondensators (C9) mit dem Wechselrichterausgang (N25) verbunden ist.
    7. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1 oder 5,
      dadurch gekennzeichnet, dass,
      der Wechselrichterausgang (N25) über eine Lampendrossel (L3) mit einem Anschluss (J3) für eine Entladungslampe (Lp1) verbunden ist, wodurch sich an diesem Anschluss ein Lampenspannungsknoten (N27) ausbildet, der über einen Resonanzkondensator (C6) mit dem ersten (N23) oder dem zweiten (N22) Pumpknoten verbunden ist.
    8. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1 oder 5,
      dadurch gekennzeichnet, dass,
      der Strom durch eine Entladungslampe in den ersten oder den zweiten Pumpknotcn eingespeist wird.
    9. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass,
      der Wechaelrichterausgang (N25) über eine Lampendrossel (L3) mit einem Anschluss für eine Entladungslampe (J3) verbunden ist, wodurch sich an diesem Anschluss ein Lampenspannungsknoten (N27) ausbildet, an dem die zweite elektrische Betriebsgröße (B2) abgegriffen wird.
    10. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 9,
      dadurch gekennzeichnet, dass,
      der Schwellwertschalter (TH) durch einen Varistor (MOV) realisiert wird und in Serie zu einem Kondensator (C12) und einem Widerstand (R2) geschaltet ist.
    11. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass,
      die erste elektrische Betriebsgröße (B1) der Strom durch eine betriebene Entladungslampe (Lp1, Lp2) ist.
    12. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 11,
      dadurch gekennzeichnet, dass,
      ein veränderlicher Widerstand (R1) einen Heizstromkreis schließt, der einen von der Wechselrichterspannung getriebenen Heizstrom durch Elektrodenwendeln einer angeschlossenen Entladungslampe (Lp1, Lp2) bewirkt.
    13. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 12,
      dadurch gekennzeichnet, dass,
      der veränderliche Widerstand (R1) ein Kaltleiter ist.
    14. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 12,
      dadurch gekennzeichnet, dass,
      der veränderliche Widerstand (R1) ein elektronischer Schalter ist.
    15. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass,
      der Regler eine nichtlineare Kennlinie besitzt.
    16. Verfahren zum Start und Betrieb von Entladungslampen mit einer Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1 gekennzeichnet durch folgende Schritte:
      Bedämpfen des Resonanzkreises (L3, C6, C7) über Wendeln von angeschlossenen Entladungslampen,
      Einstellen einer Wechselrichterfrequenz, die unter der Eigenfrequenz liegt,
      Rücknahme der Dämpfung des Resonanzkreises,
      Erfassen der zweiten Betriebsgröße (B2),
      Vergleich der zweiten Betriebsgröße (B2) mit einem vorgegebenen Schwellwert,
      Erhöhen der Wechselrichterfrequenz für den Fall, dass die zweite Betriebsgröße (B2) den Schwellwert überschreitet.
    EP03029436A 2003-01-28 2003-12-19 Schaltungsanordnung und Verfahren zum Start und Betrieb von Entladungslampen Expired - Lifetime EP1443807B1 (de)

    Applications Claiming Priority (2)

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