Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Vorschaltgerät
für Lampen, insbesondere aber nicht ausschließlich Niederdruckentladungslampen.
Stand der Technik
Üblicherweise enthalten solche Vorschaltgeräte einen Gleichrichter, der eine
Versorgungswechselspannung gleichrichtet, um eine Zwischenkreisspannung
zu erzeugen. Diese Zwischenkreisspannung liegt üblicherweise an einem
Zwischenkreiskondensator zur Glättung bzw. Speicherung. Mit der Zwischenkreisspannung
wird ein Wandler, beispielsweise ein Halbbrückenoszillator,
versorgt, der seinerseits die Versorgungsleistung für die Lampe erzeugt,
im Fall einer Niederdruckentladungslampe eine Hochfrequenzversorgungsleistung,
im Fall einer Hochdruckentladungslampe aber auch eine in
der Polarität mit vergleichsweise niedriger Frequenz alternierende Gleichspannung.
Es ist ferner bekannt, in solchen Vorschaltgeräten Regelschaltungen vorzusehen,
mit denen der Lampenstrom oder die Lampenleistung auf einen konstanten
Wert geregelt werden. Damit können Drifteffekte durch Lampenalterung,
Temperaturänderungen u. Ä. kompensiert werden.
Darstellung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine
verbessertes elektronisches Vorschaltgerät mit einer Regelschaltung anzugeben.
Die Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Vorschaltgerät für eine
Lampe mit einem Gleichrichter zur Erzeugung einer gleichgerichteten Zwischenkreisspannung,
einem Wandler zum Erzeugen einer Versorgungsleistung
für die Lampe, einer Steuerung zur Zwangssteuerung des Wandlers und
einer Regelschaltung zur Regelung des Lampenstromes oder der Lampenleistung,
die dazu ausgelegt ist, die Steuerung des Wandlers zu beeinflussen,
dadurch gekennzeichnet, dass das Vorschaltgerät dazu ausgelegt ist,
dass die Steuerung des Wandlers auch durch eine Schwankungen der
gleichgerichteten Zwischenkreisspannung berücksichtigende Störgrößenaufschaltung
beeinflusst wird.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein entsprechendes Verfahren.
Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Grundidee der Erfindung ist die Folgende: Bei der Gleichrichtung der
Versorgungsleistung verbleibt prinzipiell eine Restmodulation der Zwischenkreisspannung.
Diese Modulation beeinflusst den Wandler und damit den
Betrieb der Lampe. Zwar lässt sich bei einer an sich bekannten Regelschaltung
auch eine solche Modulation ausregeln, jedoch hat der Erfinder festgestellt,
dass die Zwischenkreisspannungsmodulation im Vergleich zu anderen
Störgrößen wie Lampenalterung, Temperaturänderungen und dgl. vergleichsweise
schnell ist und vor allem in vielen Fällen die einzige in diesem
Sinn schnelle Störgröße ist. Da das Modulationsverhalten der Zwischenkreisspannung
bei einem bekannten Gleichrichter und einem gegebenen
Zwischenkreiskondensator relativ konstant im Sinne von vorhersagbar oder
berechenbar ist, schlägt die Erfindung vor, die Modulation der Zwischenkreisspannung
als Störgröße im Rahmen einer Störgrößenaufschaltung außerhalb
der eigentlichen Regelungsrückkopplung zu berücksichtigen. Daraus
ergibt sich der Vorteil, dass die Regelschaltung auf einen deutlich langsameren
Betrieb ausgelegt werden kann und auch die notwendigen Messungen,
etwa die Lampenstrommessung, entsprechend langsam durchgeführt werden
können. Der rückgekoppelte Regelkreis wird also weniger anspruchsvoll
und die konventionellerweise für eine relativ schnelle Regelung ursächliche
Störgröße "ausgegliedert" und separat über die Störgrößenaufschaltung berücksichtigt.
Die Störgrößenaufschaltung bedeutet dabei eine "rechnerische"
Berücksichtigung im Sinne einer - im Regelfall proportionalen - Berücksichtigung
der Abweichung der Störgröße von einem Nennwert bei der Steuerung
des Wandlers.
Vorzugsweise kann ein relativ langsamer I-Regler verwendet werden, der
einfach zu realisieren ist und bei langsamen Regelungen gut arbeitet. Er hat
überdies den Vorteil, keine bleibende Regelabweichung zuzulassen.
Ferner ist bevorzugt, die Regelschaltung digital auszuführen. Eine digitale
Regelschaltung erfordert jedenfalls dann, wenn keine hohen Anforderungen
an die Geschwindigkeit gestellt werden, einen begrenzten technischen Aufwand.
Darüber hinaus eignet sie sich gut für eine im Rahmen der Erfindung
bevorzugte Integration in eine ebenfalls digitale Steuerschaltung, die vorzugsweise
durch einen Mikrocontroller, also einen programmierbaren IC, realisiert
ist. Die Regelschaltung lässt sich dann also im Wesentlichen softwaretechnisch
realisieren. In solchen Fällen, in denen also aus von der Regelung
unabhängigen Gründen ohnehin eine digitale Schaltung, insbesondere ein
Mikrocontroller, vorgesehen ist, ist der für die digitale Regelschaltung erforderliche
Aufwand deutlich geringer als der für eine konventionelle analoge
Regelschaltung. Auch hier kann der Aufwand bei geringen Geschwindigkeitsanforderungen
deutlich reduziert werden.
Das erfindungsgemäße Vorschaltgerät weist vorzugsweise eine sog. Leistungsfaktorkorrekturschaltung
auf, also eine Schaltung, die für eine möglichst
sinusförmige Leistungsaufnahme aus dem Wechselspannungsnetz sorgt.
Damit können die pulsartigen Stromspitzen vermieden werden, die bei einer
einfachen Aufladung des Zwischenkreiskondensators mit einem Gleichrichter
dann entstehen, wenn die Netzspannung über die momentane Zwischenkreisspannung
ansteigt. Ein bevorzugtes Beispiel für eine solche Leistungsfaktorkorrekturschaltung
(auch als PFC-Schaltung bezeichnet) sind ein sog.
Hochsetzer (Boost-Wandler) und ein sog. SEPIC-Wandler, die an sich bekannt
sind.
Zur Steuerung der Leistungsfaktorkorrekturschaltung ist ohnehin eine Messung
der Zwischenkreisspannung erforderlich, so dass die Erfindung in solchen
Fällen einen besonders geringen Zusatzaufwand erfordert. Vorzugsweise
ist dabei die Steuerung der Leistungsfaktorkorrekturschaltung ebenfalls
in der digitalen Steuerschaltung integriert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines schematischen Ausführungsbeispiels
näher erläutert, wobei die Einzelmerkmale auch in anderen Kombinationen
erfindungswesentlich sein können. Insbesondere wird noch einmal
ausdrücklich festgestellt, dass die Erfindung sowohl einen Vorrichtungs- als
auch einen Verfahrenscharakter hat und sich die vorstehende sowie die
nachfolgende Beschreibung implizit auf beide Aspekte beziehen.
- Figur 1
- zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer analogen Regelschaltung
in einem konventionellen Vorschaltgerät.
- Figur 2
- zeigt im Vergleich zu Figur 1 eine digitale Regelschaltung mit Störgrößenaufschaltung
in einem erfindungsgemäßen Vorschaltgerät.
- Figur 3
- zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen
elektronischen Vorschaltgeräts mit einer digitalen Regelschaltung
nach Figur 2.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt einen schnellen analogen Regler zur Regelung des Lampenstroms
einer Niederdruckentladungslampe nach dem Stand der Technik. In
Figur 1 bezeichnet W/L einen Wandler, hier einen Halbbrückenoszillator, mit
einer angeschlossenen Niederdruckentladungslampe L. Die in den Block W/L
hineinführende Signalleitung ist mit ΔT bezeichnet, womit symbolisiert ist,
dass hier die Schaltzeiten bzw. die Periodendauer des Wandlerbetriebs eingestellt
werden. Die aus dem Block W/L hinausführende Signalleitung ist mit
ILi bezeichnet, womit symbolisiert ist, dass hier der Lampenstrom durch die
Lampe L gemessen wird. Im linken Bereich der Figur 1 erkennt man, dass
der gemessene "Ist"-Lampenstrom ILi über einen Komparator verglichen wird
mit einem Stromsollwert ILs . Die Sollwertabweichung wird einem mit I bezeichneten
schnellen analogen Integralregelglied zugeführt. Das Ausgangssignal
des Integralregelgliedes I wird mit einem bestimmten Faktor k1 multipliziert
und, wie bereits erwähnt, zur Einstellung der Periodendauer T des
Wandlerbetriebs verwendet. Wenn das Integralregelglied I ein Nullsignal
ausgibt, bleibt die Periodendauer gleich. Daher ist die Signalleitung zu dem
Block W/L mit ΔT im Sinne einer Periodendaueränderung bezeichnet.
Ein weiteres gemäß Figur 1 in den Block W/L eingehendes "Signal" ist die
Zwischenkreisspannung UZ. Damit wird symbolisiert, dass der Wandlerbetrieb
und der Lampenbetrieb, sowie insbesondere der Lampenstrom ILi von
der Zwischenkreisspannung UZ abhängen und insbesondere deren Modulationen
unterworfen sind. Der in Figur 1 dargestellte konventionelle Regelkreis
muss also schnell genug sein, die Zwischenkreisspannungsmodulation mit
einer typischen Frequenz von 100 Hz auszuregeln. Bei hochwertigen elektronischen
Vorschaltgeräten darf die Modulation des Lampenstromes bzw.
der Lampenleistung bestimmte Grenzen nicht überschreiten.
Eine Alternative bzw. auch flankierende Maßnahme besteht darin, den Zwischenkreiskondensator
ausreichend groß zu wählen, um die Zwischenkreisspannungsmodulation
an sich klein zu halten. Ein großer Zwischenkreiskondensator
ist jedoch mit zusätzlichen Kosten verbunden und erhöht überdies
den Einschaltstrom des Vorschaltgeräts.
Figur 2 zeigt im Vergleich zu Figur 1 die Erfindung. Dabei werden für entsprechende
Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet. Die folgende Beschreibung
konzentriert sich auf die Unterschiede.
Zunächst ist die Zwischenkreisspannung hier mit dem Symbol UZi bezeichnet.
Im Unterschied dazu bezeichnet UZs einen Zwischenkreisspannungs-Sollwert.
Der Zwischenkreisspannungs-Istwert (Messwert) UZi wird über einen
Komparator mit dem Zwischenkreisspannungs-Sollwert UZs verglichen,
mit einer Konstanten k2 multipliziert und mit dem bereits anhand Figur 1 beschriebenen,
mit der Konstanten k1 multiplizierten Ausgang des Integralregelgliedes
I addiert, um in der bereits beschriebenen Weise die Periodendauer
des Wandlerbetriebs zu beeinflussen. Die Konstanten k1 und k2 erlauben
eine Anpassung des Verhaltens.
Die mit dem Symbol SG bezeichnete Einheit aus dem Komparator zum Vergleich
des Zwischenkreisspannungs-Istwerts UZi mit dem Zwischenkreisspannungs-Sollwert
UZs und der k2-Multiplikation bildet damit eine
Störgrößenaufschaltung zu dem im Übrigen im Prinzip Figur 1 entsprechenden
Regelkreis.
Allerdings kann mit der Störgrößenaufschaltung SG die Zwischenkreisspannungsmodulation
ausreichend genau und vor allem ohne technischen Aufwand
relativ schnell berücksichtigt werden. Daher muss bei dem Regelkreis
nach Figur 2 keine schnelle Messung des Lampenstromes ILi erfolgen. Ferner
kann das Integralregelglied I langsam sein. Der Regelkreis hat nämlich
nunmehr nur die Aufgabe, zeitlich relativ langsam erfolgende Änderungen
des Wandler- und Lampenbetriebs auszuregeln.
Die in Figur 2 beschriebene Anordnung ist Bestandteil eines im Übrigen konventionellen
elektronischen Vorschaltgeräts zur Versorgung einer Niederdruckentladungslampe
L. Ein Blockschaltbild dazu zeigt Figur 3. Die Zwischenkreisspannung
UZi wird über einen konventionellen Diodenbrückengleichrichter
mit üblichen Filterelementen zur Verhinderung der Rückspeisung
von Hochfrequenzanteilen ins Netz, in Figur 3 mit FR bezeichnet, erzeugt.
Dabei findet eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung Anwendung, in
diesem Fall ein Boost-Wandler mit dem Schalttransistor T3, der Induktivität
L1, der Diode D1 und dem Speicherkondensator C1 für die Zwischenkreisspannung
UZi. Zur Steuerung des Schalttransistors T3 des Boost-Wandlers
muss die Zwischenkreisspannung UZi ohnehin gemessen werden, was in
Figur 3 durch den Abgriff an der nicht näher bezeichneten Spannungsteilerschaltung
dargestellt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird diese Messung
gleichzeitig für die in Figur 2 dargestellte Störgrößenaufschaltung verwendet.
Im Übrigen sind die Störgrößenaufschaltung, der Regelkreis, die
Steuerung des Halbbrückenoszillators W und die Steuerung des Boost-Wandlers
gemeinsam softwaretechnisch in einem digitalen Mikrocontroller
µC realisiert. Der Halbbrückenoszillator W weist die beiden Schalttransistoren
T1 und T2 aus Figur 3 auf und versorgt den in üblicher Weise beschalteten
und hier nicht näher erläuterten Lampenkreis mit der Lampe L an dem
Mittenabgriff zwischen den Schalttransistoren T1 und T2 mit einer hochfrequent
oszillierenden Versorgungsspannung. Der Mikrocontroller µC misst in
der in Figur 3 angedeuteten Weise den Strom durch die Lampe L und den
Strom durch den unteren Schalttransistor T2, um den Halbbrückenoszillator
W entsprechend anzusteuern.