EP1741319A1 - Vorrichtung zur erzeugung von elektrischen spannungsimpulsfolgen, insbesondere zum betrieb von kapazitiven entladungslampen - Google Patents

Vorrichtung zur erzeugung von elektrischen spannungsimpulsfolgen, insbesondere zum betrieb von kapazitiven entladungslampen

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Publication number
EP1741319A1
EP1741319A1 EP05747449A EP05747449A EP1741319A1 EP 1741319 A1 EP1741319 A1 EP 1741319A1 EP 05747449 A EP05747449 A EP 05747449A EP 05747449 A EP05747449 A EP 05747449A EP 1741319 A1 EP1741319 A1 EP 1741319A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
voltage
switching elements
voltage pulse
choke
lamp
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05747449A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Heering
Hans-Peter Daub
Richard Winkelmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Universitaet Karlsruhe
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universitaet Karlsruhe filed Critical Universitaet Karlsruhe
Publication of EP1741319A1 publication Critical patent/EP1741319A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H05B41/26—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
    • H05B41/2806—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 without electrodes in the vessel, e.g. surface discharge lamps, electrodeless discharge 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B20/00—Energy efficient lighting technologies, e.g. halogen lamps or gas discharge lamps

Definitions

  • the present invention relates to a device for generating electrical voltage pulse trains, in particular for operating capacitive discharge lamps, with at least two controllable switching elements for generating the voltage pulse trains from a DC voltage of a voltage source applied to an input.
  • Suitable electrical voltage pulse sequences must be generated and applied for the efficient operation of barrier discharges in dielectrically disabled discharge lamps.
  • Dielectric-barrier discharge lamps (DBE) have different capacities depending on the design.
  • the ballasts required to operate these lamps must be adapted to the capacity of the discharge lamp. So far, this has led to a restriction of the available lamp types and lamp sizes, since different ballasts are required for different lamp types and lamp sizes, or a special adaptation of the ballasts to the respective lamp has to be carried out.
  • Ballasts for dielectrically handicapped discharge lamps are known to date, which use a full-bridge circuit arrangement to generate a high-frequency sine-like AC voltage from a DC voltage.
  • An example of this is the ballast from J. Kunze et al. , "Resonant Power Supply for Barrier Discharge UV Excimer Sources" IEEE Industry Application Society Annual Meeting, Houston, USA, 1992, pages 750-753.
  • EP 0781078 A2 discloses a circuit arrangement for generating voltage pulse trains for the operation of dielectrically impeded discharges, which generates a unipolar voltage pulse train.
  • This circuit arrangement has one of an input Voltage-fed charging circuit with a charging capacitor, a discharge and pulse circuit with fast controllable switching elements and a pulse transformer with a load that can be connected to it. By suitable control of the switching elements, the electrical energy stored in the charging capacitor is periodically transmitted to the load, the DBE, via the pulse transformer.
  • ballasts must also be adapted to the capacity of the connected discharge lamp by a specialist.
  • EP 1110434 B1 describes an electronic ballast and an operating method for a discharge lamp with dielectrically impeded discharge, in which a swinging over of the dielectric discharge is used to initiate re-ignition and thus to improve the efficiency of the lamp.
  • EP 1176853 AI describes a circuit topology of a device for operating a discharge lamp with dielectrically impeded discharge, which has two or four inverse diodes for regenerating energy that is not required.
  • a circuit arrangement known as ARCPI Advanced Resonant Commutated Pole Inverter
  • ARCPI Advanced Resonant Commutated Pole Inverter
  • the throttle is switched via a separate switch only for reloading in the charging circuit in order to To be able to switch switching elements in voltage zero crossings.
  • An implementation of this circuit technology for the operation of lights is not known due to the different requirements.
  • the object of the present invention is to provide a device for generating electrical voltage pulse trains which is particularly suitable for the operation of dielectrically disabled discharge lamps and which enables an automatic adaptation to the capacity of the load to be operated.
  • the object is achieved with the device according to
  • the present device with at least two controllable switching elements for generating unipolar or bipolar voltage pulse sequences from a DC voltage of a voltage source present at an input is characterized in that a storage choke which can be operated via the switching elements as a controlled current source is arranged between the switching elements, so that a charging time of the storage choke that can be set by the switching elements, the rise times of voltage pulses of the voltage pulse sequences at a load coupled to the output of the device can be influenced, and that inverse diodes for the recovery of unnecessary choke energy Connect the choke to the positive or negative pole of the DC voltage source
  • the development of the present device is based on the knowledge that a dielectric barrier discharge lamp has the optimum lamp efficiency if the rising edge of the voltage applied to the lamp has a certain steepness.
  • the ballast can then be adapted to the lamp by suitably setting this slope or the associated rise time of the voltage.
  • the slope of the voltage rising edge and optionally also the falling edge can be changed solely by controlling the switching elements differently, so that the circuit no longer has to be modified to adapt to different loads.
  • This is realized by a controlled current source in the form of a storage choke in the circuit arrangement, via whose charging time, which can be controlled via the switching elements, the rise time and thus the steepness of the rise edge of the voltage pulses on the load can be influenced.
  • ballast Current with which the choke then reloads the capacity of the connected load.
  • the rise time of the voltage at the load is thus set with the size of the current which drives the storage inductor.
  • a measuring device is used for the direct or indirect detection of the rise time of the voltage at the load in connection with a digital regulation, which controls the switching processes of the switching elements for charging and discharging the storage choke in such a way that a specifiable one Rise time or steepness of the voltage rising edges is observed.
  • ballast Sizes and thus capacities are to be used for illuminated advertising purposes.
  • the ballast can also be used for other loads to be operated with electrical voltage pulse trains that require comparable transient charging currents.
  • FIG. 1 shows a first example of an embodiment of the present device for generating bipolar voltage pulse sequences
  • FIG. 2 shows an example of control signals for operating the device according to FIG. 1
  • 3 shows an example of the course of the lamp voltage with different charging times of the storage inductor of the device according to FIG. 1
  • 4 shows a second example of an embodiment of the present device for generating unipolar voltage pulse sequences
  • 5 shows an example of control signals for operating the device according to FIG. 4
  • 6 shows an example of a measuring circuit for detecting the rise time of the lamp voltage
  • FIG. 7 shows a third example of an embodiment of the present device for generating voltage pulse trains.
  • FIG. 1 shows a first example of a possible embodiment of the present device which is based on the circuit concept of the ARCPI circuit. This circuit concept was changed in the present device in such a way that an independent adaptation of the ballast to the capacity of the barrier discharge of a DBE is possible.
  • the Circuit arrangement is composed of four switching elements IGBT1, IGBT2, MOS1 and MOS2, which are connected to form a bridge circuit. There is one between the two first switching elements IGBT1 and IGBT2 and the two second switching elements MOS1 and MOS2
  • Storage choke Ll arranged, which is operated as a controlled current source.
  • the voltage pulse sequences that can be generated by suitable control of the four switching elements are applied to the transformer TR by means of a separating capacitance C2 for decoupling direct currents.
  • the unipolar square wave voltage at the output of the upper half bridge becomes a bipolar square wave voltage on the primary side of the transformer.
  • the load is present on the secondary side of the transformer, in the present example a dielectric barrier discharge lamp, which is represented by the equivalent circuit diagram with the capacitances Cdl, Cgap, Cd2 and the plasma current II.
  • the rise and fall times of the voltage at the barrier discharge of the discharge lamp can be set by differently long charging times of the storage inductor L1, which makes up the essential component of this circuit. This influences the coupling of power into the barrier discharge and enables adaptation to different capacities of the barrier discharge.
  • the output voltage V A of the bridge circuit is together with the current I Li via the storage inductor Ll and the associated control signals for the switching elements implemented by power semiconductors in FIG. 2.
  • the switching elements can of course also be realized by semiconductor elements other than those shown. Also, for example, MOSFETs can also be used instead of the IGBT's IGBT1 and IGBT2.
  • the bridge control signals for the operation of the circuit arrangement in FIG. 1 can be seen in FIG. Due to the charging time of the storage inductor, which can be controlled via the combination of the switching processes and which serves as an inductive energy store, the rising edge and the voltage pulses generated during the discharge can be set. This is done by a corresponding control circuit in which the switching cycles can be configured.
  • Figure 3 shows an example of different rising edges of the lamp voltage U a , which are obtained by different charging times of the choke L1.
  • the stress curve was calculated on the basis of a simulation model.
  • a ballast for dielectrically disabled discharge lamps is provided, with which the voltage in the parameters frequency, amplitude, rise time and fall time as well as pulse-pause ratio (duty cycle) can be changed in the following areas:
  • Frequency f 1 kHz - 200 kHz, especially 20 kHz - 100 kHz tftnction / V / ftbf ll / k: 10 nS - 1000 nS, especially 90 ns - 500 ns duty cycle: 0.1% - 99, 9% especially 1% - 70%,
  • ⁇ U lamp 0 V - 10 kV, especially 0 V - 4 kV.
  • a measuring device 2 is preferably used to record the rise time or slope of the generated voltage pulses, which feeds the measurement data to a digital control 1.
  • the digital control monitors these rise times and controls the loading times of the storage inductor Ll in order to maintain a predeterminable edge steepness. This is indicated schematically in Figure 4.
  • FIG. 4 shows a further example of an embodiment of the present device with which, in contrast to the circuit arrangement of FIG. 1, is unipolar
  • Voltage pulses are generated.
  • only two switching elements IGBT1 and MOS2 are required in order to be able to generate the unipolar voltage pulse sequences with an adjustable slope.
  • the storage choke Ll is also arranged within the bridge circuit. This configuration of the device also enables the ballast to be independently adapted to a capacitive load by controlling or regulating the rise time of the voltage edge.
  • a particular advantage of this embodiment of the device over the bipolar variant of the figure 1 consists in the lower component expenditure and the smaller voltage time area, which is present on the primary side of the transformer TR. This means that a smaller cross-sectional area is required for the transformer core than for the bipolar variant if it is to be ensured that the transformer core does not become saturated.
  • Another advantage is the possibility of triggering the lamp to re-ignite when the switch MOS2 is closed, if the voltage across the gap capacitance (Cgap) has not dropped too much after the first ignition. In the present example, this is achieved by closing the switch approx. 1-3 ⁇ s after the first ignition. As a result, the charge stored on the dielectric capacitors can also be used for generating radiation.
  • FIG. 5 in turn shows the bridge control signals, the voltage V A and the current I L ⁇ via the storage inductor Ll.
  • the rising edge of the voltage across the load can be set or regulated in a wide range independently of the size of the capacity of the load over the length of the charging time of the storage inductor L1 which can be controlled with the switching elements IGBTl and MOS2.
  • IGBTl and MOS2 switching elements
  • MOSFET for controlling the charging time of the storage choke Ll possible.
  • a direct one can be used to measure the rise time of the lamp voltage with the measuring device 2
  • This current is tapped by a current measuring coil with n turns. I c / n flows through them. This means that electrical isolation from the lamp voltage is achieved. If this current is at a maximum at the time of the switchover, it charges the capacitor Ci to a maximum voltage. Then the resistor Ri takes over the further current flow. In the time until the next positive voltage edge d. slowly over resistors Ri and R 2 . A positive voltage edge occurs again at the beginning of the new period Ci is reloaded. This process is repeated periodically. A peak value is stored in the capacitor C x . The voltage at O. is directly dependent on the maximum dU a / dt. Since it is available throughout the entire period and only drops slowly, sampling is not critical in terms of time. It is measured with an A / D converter about 2 ⁇ s after charging and used to calculate the manipulated variable for controlling the rising flank.
  • Switching elements used power semiconductors can regulate the speed of the rising flank. This regulation is sufficient to set rising edges in the range between 100 ns and 500 ns. In this way, an automatic adaptation of the ballast to different lamp types can be achieved.
  • the energy that can be stored in a storage choke currently in use is therefore sufficient to charge a capacitor with a capacitance of 4nF by a ⁇ U of 2 kV.
  • FIG. 7 finally shows a further example of an embodiment of the present device, with which unipolar voltage pulses are also generated.
  • S1 and S2 are used for switching elements, with D1 to D4 diodes.
  • the storage inductor Ll is loaded between the switching elements S1 and S2. If the storage choke Ll has stored enough energy, the switching element S2 is rendered non-conductive, so that the current no longer flows through the elements D4 and S2, but rather charges the lamp (DBE) via the capacitor C2 and the transformer TR. The voltage at the lamp and at point V A increases. Will the
  • the ignition voltage of the lamp If the ignition voltage of the lamp is reached, it ignites and the energy is absorbed by it. If the lamp does not ignite or does not absorb all of the energy provided, there is a voltage surge at the lamp and at point V A. If the voltage surge at V A is large enough compared to the voltage supply at the input, then the current in the storage choke Ll turns around and flows back into the voltage supply via the inverse diode D2. As soon as the reverse current flows through the inverse diode D2, the switching element S1 is switched off almost without voltage and thus with little loss
  • the switching element S2 is switched on hard (lossy) (made conductive).
  • the lamp ignites a second time, caused by the remaining charge on the lamp (DBE). If not all energy is absorbed by the lamp during the second ignition, a negative voltage builds up between the points V A and the negative supply connection after the second lamp ignition. This voltage is then reduced in a circulating current via the components D4, S2, D3 and Ll until the entire energy is converted into heat. There is no further energy in the circuit, ie no parasitic oscillation processes take place until the next charging process of the storage inductor.

Landscapes

  • Circuit Arrangements For Discharge Lamps (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischen Spannungsimpulsfolgen, insbesondere zum Betrieb von kapazitiven Entladungslampen, mit zumindest zwei ansteuerbaren Schaltelementen (S1, S2) zur Erzeugung unipolarer oder bipolarer Spannungsimpulsfolgen aus einer an einem Eingang anliegenden Gleichspannung einer Spannungsquelle. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass eine über die Schaltelemente (S1, S2) als gesteuerte Stromquelle betriebene Speicherdrossel (L1) zwischen den Schaltelementen (S1, S2) angeordnet ist, so dass über eine durch die Schaltelemente (Sl, S2) einstellbare Ladezeit der Speicherdrossel (L1) die Anstiegszeit von Spannungsimpulsen der Spannungsimpulsfolgen an einer am Ausgang angekoppelten Last beeinflussbar ist, und dass Inversdioden zur Rückspeisung nicht benötigter Drosselenergie die Speicherdrossel (L1) mit dem Plus-bzw. Minuspol der Gleichspannungsquelle verbinden Mit der vorliegenden Vorrichtung lässt sich ein Vorschaltgerät für dielektrisch behinderte Entladungslampen realisieren, das sich selbstständig an die Kapazität der jeweiligen Entladungslampe anpasst.

Description

Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischen Spannungsimpulsfolgen, insbesondere zum Betrieb von kapazitiven Entladungslampen
Technisches Anwendungsgebiet Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischen Spannungs- impulsfolgen, insbesondere zum Betrieb von kapazitiven Entladungslampen, mit zumindest zwei ansteuerbaren Schaltelementen zur Erzeugung der Spannungsimpulsfolgen aus einer an einem Eingang anliegenden Gleichspannung einer Spannungsquelle.
Für den effizienten Betrieb von Barriereentladungen in dielektrisch behinderten Entladungslampen müssen geeignete elektrische Spannungsimpulsfolgen erzeugt und angelegt werden. Dielektrisch behinderte Entladungslampen (DBE) besitzen allerdings je nach Bauart unterschiedliche Kapazitäten. Die zum Betrieb dieser Lampen erforderlichen Vorschaltgeräte müssen an die Kapazität der Entladungslampe angepasst sein. Dies führt bisher zu einer Einschränkung der verfügbaren Lampentypen und Lampengrößen, da für unterschiedliche Lampentypen und Lampengrößen unterschiedliche Vorschaltgeräte erforderlich sind oder eine spezielle Anpassung der Vorschaltgeräte an die jeweilige Lampe vorgenommen werden muss .
Gerade im Bereich der Lichtwerbungstechnik wird aufgrund ihrer freien Formbarkeit ein verstärkter Einsatz von dielektrisch behinderten Entladungslampen angestrebt. Da für diese Anwendung individuell gestaltete Lampengeometrien erwünscht sind, besitzt jede dieser Lampen unterschiedliche Betriebsparameter. Eine Bereitstellung unterschiedlicher Vorschaltgeräte für eine Vielzahl unterschiedlicher Lampen verursacht hohe Kosten, so dass in der Regel lediglich eine manuelle Anpassung weniger Vorschaltgeräte an die jeweiligen Lampentypen bzw. Lampengrößen in Frage kommt. Auch diese manuelle Anpassung ist jedoch auf- wendig und führt zu erhöhten Kosten. Ohne eine Anpassung des Vorsehaltgerätes wird die Lampe ineffizient betrieben. Im ungünstigsten Fall kann das Vorschaltgerat zerstört werden, wenn in den als Schaltelementen eingesetzten Leistungshalbleitern aufgrund der Fehlanpassung ein zu großer Energieanteil in Wärme umgesetzt wird.
Stand der Technik Bisher sind Vorschaltgeräte für dielektrisch behinderte Entladungslampen bekannt, die mit einer Vollbrücken-Schaltungsanordnung aus einer Gleichspannung eine hochfrequente sinusähnliche Wechselspannung erzeugen. Ein Beispiel hierfür ist das Vorschaltgerat aus J. Kunze et al . , „Resonant Power Supply for Barrier Discharge UV-Excimer-Sources" IEEE Industry Application Society Annual Meeting, Houston, USA, 1992, Seiten 750-753.
Aus der EP 0781078 A2 ist eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Spannungsimpulsfolgen für den Betrieb von dielektrisch behinderten Entladungen bekannt, die eine unipolare Spannungsimpulsfolge erzeugt. Diese Schaltungsanordnung weist einen von einer Eingangs- Spannung gespeisten Ladekreis mit einem Ladekondensator, einen Entlade- und Pulskreis mit schnellen steuerbaren Schaltelementen und einen Impulsübertrager mit daran anschließbarer Last auf. Durch geeignete Ansteuerung der Schaltelemente wird periodisch die im Ladekondensator gespeicherte elektrische Energie über den Impulsübertrager auf die Last, die DBE, übertragen.
Auch diese Vorschaltgeräte müssen jedoch jeweils durch eine Fachkraft an die Kapazität der angeschlossenen Entladungslampe angepasst werden.
Die EP 1110434 Bl beschreibt ein elektronisches Vorschaltgerat sowie ein Betriebsverfahren für eine Entladungslampe mit dielektrisch behinderter Entladung, bei dem ein Umschwingen der dielektrischen Entladung ausgenutzt wird, um eine Rückzündung zu initiieren und so den Wirkungsgrad der Lampe zu verbessern. Die EP 1176853 AI beschreibt eine Schaltungs- topologie einer Vorrichtung zum Betrieb einer Entladungslampe mit dielektrisch behinderter Entladung, die zwei oder vier Inversdioden zur Rückspeisung nicht benötigter Energie aufweist.
Aus dem Bereich der Umrichtertechnik für elektrische Antriebe mit Leistungen im kW-Bereich ist eine Schaltungsanordnung unter dem Begriff ARCPI (Auxiliary Resonant Commutated Pole Inverter) bekannt, die eine Drossel zwischen Ladekondensatoren und den parallel dazu angeordneten Schaltelementen einsetzt. Die Drossel wird über einen gesonderten Schalter lediglich zu Umladevorgängen in den Ladekreis geschaltet, um die Schaltelemente in Spannungsnulldurchgängen schalten zu können. Eine Umsetzung dieser Schaltungstechnik für den zum Betrieb von Leuchten ist aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen nicht bekannt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischen Spannungsimpulsfolgen anzugeben, die sich insbesondere für den Betrieb dielektrisch behinderter Entladungs- lampen eignet und eine automatische Anpassung an die Kapazität der zu betreibenden Last ermöglicht.
Darstellung der Erfindung Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung gemäß
Patentanspruch 1 gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Die vorliegende Vorrichtung mit zumindest zwei ansteuerbaren Schaltelementen zur Erzeugung unipolarer oder bipolarer Spannungsimpulsfolgen aus einer an einem Eingang anliegenden Gleichspannung einer Spannungs- quelle zeichnet sich dadurch aus, dass eine über die Schaltelemente als gesteuerte Stromquelle betreibbare Speicherdrossel zwischen den Schaltelementen angeordnet ist, so dass über eine durch die Schaltelemente einstellbare Ladezeit der Speicherdrossel die Anstiegs- Zeiten von Spannungsimpulsen der Spannungsimpulsfolgen an einer am Ausgang der Vorrichtung angekoppelten Last beeinflussbar sind, und dass Inversdioden zur Rückspeisung nicht benötigter Drosselenergie die Speicher- drossel mit dem Plus- bzw. Minuspol der Gleichspannungsquelle verbinden
Die Entwicklung der vorliegenden Vorrichtung geht auf die Erkenntnis zurück, dass eine dielektrisch behinderte Entladungslampe den optimalen Lampenwirkungsgrad besitzt, wenn die die Anstiegsflanke der an der Lampe anliegenden Spannung eine gewisse Steilheit aufweist. Durch geeignete Einstellung dieser Steilheit bzw. der damit verbundenen Anstiegszeit der Spannung kann dann das Vorschaltgerat an die Lampe angepasst werden. Mit der vorliegenden Vorrichtung lässt sich die Spannungsanstiegsflanke und optional auch die abfallende Flanke alleine durch unterschied- liehe Ansteuerung der Schaltelemente in der Steilheit verändern, so dass für eine Anpassung an unterschiedliche Lasten kein Eingriff in die Schaltung mehr vorgenommen werden muss . Dies wird durch eine gesteuerte Stromquelle in Form einer Speicherdrossel in der Schaltungsanordnung realisiert, über deren über die Schaltelemente steuerbare Ladezeit die Anstiegszeit und somit die Steilheit der Anstiegstlanke der Spannungsimpulse an der Last beeinflussbar ist. Je länger die Speicherdrossel geladen wird, d. h. je mehr Energie in der Drossel gespeichert wird, desto größer ist der
Strom, mit dem die Drossel anschließend die Kapazität der angeschlossenen Last umlädt . Mit der Größe des Stroms, den die Speicherdrossel treibt, wird somit die Anstiegszeit der Spannung an der Last eingestellt. Dies ermöglicht eine Anpassung der vorliegenden Vorrichtung, im Folgenden auch als Vorschaltgerat bezeichnet, an die jeweilige Last alleine durch geeignete Ansteuerung der Schaltelemente zum Laden und Entladen der Speicher- drossel . Nach Laden der Lampenkapazität wird über die Inversdioden parallel den Schaltern der restliche Drosselstrom in die Ladekapazität zurückgespeist. In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Vorrichtung wird eine Messeinrichtung zur direkten oder indirekten Erfassung der Anstiegszeit der Spannung an der Last in Verbindung mit einer digitalen Regelung eingesetzt, die die SchaltVorgänge der Schalt- elemente zum Laden und Entladen der Speicherdrossel so steuert, dass eine vorgebbare Anstiegszeit bzw. Steilheit der Spannungsanstiegsflanken eingehalten wird. Mit dieser Ausgestaltung wird die automatische Anpassung des Vorschaltgerätes an die jeweils zu betreibende Last erreicht. Das Vorschaltgerat kann somit mit unterschiedlichen DBE oder anderen Leuchten ohne irgendeine zusätzliche Anpassung betrieben werden. Dies bietet insbesondere Vorteile bei der Realisierung von DBE oder anderen mit elektrischen Spannungsimpulsfolgen zu betreibenden Leuchten, die in unterschiedlichsten
Größen und somit Kapazitäten für Lichtwerbungszwecke eingesetzt werden sollen. Selbstverständlich lässt sich das vorliegende Vorschaltgerat auch für andere mit elektrischen Spannungsimpulsfolgen zu betreibende Lasten einsetzen, die vergleichbare transiente Ladeströme benötigen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Die vorliegende Vorrichtung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen: Fig. 1 ein erstes Beispiel für eine Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung zur Erzeugung von bipolaren Spannungs- impulsfolgen; Fig. 2 ein Beispiel für Ansteuersignale zum Betrieb der Vorrichtung gemäß Figur 1; Fig. 3 ein Beispiel für den Verlauf der Lampenspannung bei unterschiedlichen Ladezeiten der Speicherdrossel der Vorrichtung gemäß Figur 1; Fig. 4 ein zweites Beispiel für eine Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung zur Erzeugung von unipolaren Spannungs- impulsfolgen; Fig. 5 ein Beispiel für Ansteuersignale zum Betrieb der Vorrichtung gemäß Figur 4; Fig. 6 ein Beispiel für eine Messschaltung zur Erfassung der Anstiegszeit der Lampenspannung; und Fig. 7 ein drittes Beispiel für eine Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung zur Erzeugung von Spannungsimpulsfolgen.
Wege zur Ausführung der Erfindung Figur 1 zeigt ein erstes Beispiel für eine mögliche Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung die auf dem Schaltungskonzept der ARCPI-Schaltung aufbaut. Dieses Schaltungskonzept wurde bei der vorliegenden Vorrichtung so verändert, dass eine eigenständige Anpassung des Vorschaltgerätes an die Kapazität der Barriereentladung einer DBE möglich ist. Die Schaltungsanordnung setzt sich aus vier Schaltelementen IGBT1, IGBT2, MOS1 und MOS2 zusammen, die zu einer Brückenschaltung verschaltet sind. Zwischen den beiden ersten Schaltelementen IGBT1 und IGBT2 und den beiden zweiten Schaltelementen MOS1 und MOS2 ist eine
Speicherdrossel Ll angeordnet, die als gesteuerte Stromquelle betrieben wird. Die beiden im vorliegenden Fall als IGBT's ausgebildeten Schaltelemente IGBT1 und IGBT2 verbinden die Speicherdrossel Ll mit der am Eingang anliegenden EingangsSpannung El bzw. mit Masse. Die durch geeignete Ansteuerung der vier Schaltelemente erzeugbaren Spannungsimpulsfolgen liegen mittels einer Trennkapazität C2 zur Entkopplung von Gleichströmen am Transformator TR an. Dabei wird die unipolare Rechteckspannung am Ausgang der oberen Halbbrücke zu einer bipolaren Rechteckspannung an der Primärseite des Transformators. An der Sekundärseite des Transformators liegt die Last, im vorliegenden Beispiel eine dielektrisch behinderte Entladungslampe an, die durch das Ersatzschaltbild mit den Kapazitäten Cdl, Cgap, Cd2 und dem Plasmastrom II repräsentiert ist.
Durch unterschiedlich lange Ladezeiten der Speicherdrossel Ll, die das wesentliche Bauteil dieser Schaltung ausmacht, können die Anstiegs- und Abfallzeiten der Spannung an der Barriereentladung der Entladungslampe eingestellt werden. Dadurch wird die Leistungseinkopplung in die Barriereentladung beeinflusst und eine Anpassung an unterschiedliche Kapazitäten der Barriereentladung ermöglicht.
Die AusgangsSpannung VA der Brückenschaltung ist zusammen mit dem Strom ILi über die Speicherdrossel Ll und den zugehörigen Ansteuersignalen für die durch Leistungshalbleiter realisierten Schaltelemente in Figur 2 aufgetragen. Die Schaltelemente können selbstverständlich auch durch andere als die dargestellten Halbleiterelemente realisiert sein. Auch können bspw. anstelle der IGBT"s IGBT1 und IGBT2 ebenfalls MOSFET's eingesetzt werden.
Die Brückenansteuersignale für den Betrieb der Schaltungsanordnung der Figur 1 sind aus der Figur 2 ersichtlich. Durch die über die Kombination der Schaltvorgänge steuerbare Aufladezeit der Speicherdrossel, die als induktiver Energiespeicher dient, kann die bei der Entladung erzeugte Anstiegsflanke und der Spannungsimpulse eingestellt werden. Dies erfolgt durch eine entsprechende Steuerschaltung, in der die Schaltzyklen konfigurierbar sind.
Figur 3 zeigt ein Beispiel für unterschiedliche Anstiegstlanken der Lampenspannung Ua, die durch unterschiedliche Ladezeiten der Drossel Ll erhalten werden. Der Spannungsverlauf wurde auf Basis eines Simulationsmodells berechnet. Mit der dargestellten Schaltungsanordnung wird ein Vorschaltgerat für dielektrisch behinderte Entladungslampen bereitgestellt, mit dem die Spannung in den Parametern Frequenz, Amplitude, Anstiegszeit und Abfallzeit sowie Impuls-Pausenverhältnis (duty-cycle) in den folgenden Bereichen verändert werden kann:
Frequenz f: 1 kHz - 200 kHz, insbesondere 20 kHz - 100 kHz tftnstieg/ V / ftbf ll/k : 10 nS - 1000 nS , insbesondere 90 ns - 500 ns duty-cycle: 0,1 % - 99 , 9 % insbesondere 1% - 70%,
ΔULampe: 0 V - 10 kV, insbesondere 0 V - 4 kV.
Vorzugsweise wird eine Messeinrichtung 2 zur Erfassung der Anstiegszeit bzw. Steilheit der erzeugten SpannungsImpulse eingesetzt, die die Messdaten einer digitalen Regelung 1 zuführt . Die digitale Regelung überwacht diese Anstiegszeiten und steuert die Ladezeiten der Speicherdrossel Ll zur Einhaltung einer vorgebbaren Flankensteilheit. Dies ist schematisch in Figur 4 angedeutet .
Diese Figur 4 zeigt ein weiteres Beispiel für eine Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung, mit der im Gegensatz zur Schaltungsanordnung der Figur 1 unipolare
Spannungspulse erzeugt werden. Bei dieser Ausgestaltung der Vorrichtung sind lediglich noch zwei Schaltelemente (IGBT1 und MOS2) erforderlich, um die unipolaren Spannungsimpulsfolgen mit einstellbarer Flankensteil- heit erzeugen zu können. Die Speicherdrossel Ll ist auch hier innerhalb der Brückenschaltung angeordnet . Auch diese Ausgestaltung der Vorrichtung ermöglicht durch Steuerung bzw. Regelung der Anstiegszeit der Spannungsflanke eine eigenständige Anpassung des Vorschaltgerätes an eine kapazitive Last.
Ein besonderer Vorteil dieser Ausgestaltung der Vorrichtung gegenüber der bipolaren Variante der Figur 1 besteht im geringeren Bauteilaufwand und der kleineren Spannungszeitfläche, die an der Primärseite des Transformators TR anliegt. Somit ist für den Transformatorkern eine geringere Querschnittsfläche notwendig als bei der bipolaren Variante, wenn gewährleistet werden soll, dass der Transformatorkern nicht in Sättigung gerät . Ein weiterer Vorteil besteht in der Möglichkeit, mit dem Schließen des Schalters MOS2 ein Rückzünden der Lampe auszulösen, falls die Spannung über der Gap-Kapazität (Cgap) nach dem ersten Zünden nicht zu stark abgefallen ist. Dies wird im vorliegenden Beispiel durch Schließen des Schalters ca. 1-3 μs nach dem ersten Zünden erreicht . Dadurch kann die auf den dielektrischen Kapazitäten gespeicherte Ladung auch für die Strahlungserzeugung genutzt werden.
Figur 5 zeigt wiederum die Brückenansteuersignale, die Spannung VA und den Strom ILι über die Speicherdrossel Ll . Über die Länge der mit den Schaltelementen IGBTl und MOS2 steuerbaren Ladezeit der Speicherdrossel Ll kann die Anstiegsflanke der Spannung an der Last in weiten Bereichen unabhängig von der Größe der Kapazität der Last eingestellt oder geregelt werden. Auch hier sind selbstverständlich neben dem dargestellten IGBTl auch andere Halbleiter-Schaltelemente, wie bspw. ein
MOSFET, zur Steuerung der Ladezeit der Speicherdrossel Ll möglich.
Für die Erfassung der Anstiegszeit der Lampen- Spannung mit der Messeinrichtung 2 kann eine direkte
Messung unter Umständen die Kosten eines derartigen Vorschaltgerätes zu stark erhöhen. Daher wird gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung nicht die Anstiegszeit der Lampenspannung selbst, sondern deren maximale Ableitung (dU/dt)max gemessen. Für eine ideale TrapezSpannung gilt:
Selbst wenn der Spannungs erl uf der Lampenspannung nicht als ideales Trapez angesehen werden kann, so lässt sich über die Erfassung der maximalen Spannungsanstiegszeit dennoch eine brauchbare Regelung realisieren. Die Erfassung der maximalen Steigung der Lampenspannung lässt sich schaltungstechnisch wesentlich einfacher realisieren als die Messung der Anstiegszeit selbst. Ein Beispiel für eine derartige Messschaltung ist in der Figur 6 dargestellt. Parallel zur Lampe wird eine kleine Messkapazität Cmess geschaltet. Durch sie fließt ein Strom Ic, dessen Verlauf durch die Ableitung von Ua gegeben ist. Es gilt: . dU„ / =c- dt
Durch eine Strommessspule mit n Windungen wird dieser Strom abgegriffen. Durch sie fließt also Ic/n. Damit ist eine galvanische Trennung von der Lampen- Spannung erreicht. Ist dieser Strom im Umschaltzeitpunkt maximal, lädt er den Kondensator Ci auf eine maximale Spannung auf . Danach übernimmt der Widerstand Ri den weiteren Stromfluss. In der Zeit bis zur nächsten positiven Spannungsflanke entlädt sich d. langsam über die Widerstände Ri und R2. Tritt zu Beginn der neuen Periode erneut eine positive Spannungsflanke auf, wird Ci erneut geladen. Dieser Prozess wiederholt sich periodisch. Im Kondensator Cx wird dabei ein Spitzenwert gespeichert. Die Spannung an O. ist direkt abhängig vom maximalen dUa/dt. Da sie während der gesamten Periode zur Verfügung steht und nur langsam abfällt ist eine Abtastung zeitlich unkritisch. Sie wird mit einem A/D-Wandler etwa 2 μs nach dem Aufladen gemessen und zur Berechnung der Stellgröße für die Regelung der Anstiegstlanke verwendet.
Für die Regelung 1 selbst wird ein digitaler Signalprozessor (DSP) oder ein geeigneter Mikro- controller, unter Umständen in Verbindung mit einer programmierbaren Logik, eingesetzt. Diese wird so programmiert, dass sie durch die Ansteuerung der als
Schaltelemente eingesetzten Leistungshalbleiter auf die Geschwindigkeit der Anstiegstlanke regeln kann. Diese Regelung ist ausreichend, um Anstiegsflanken im Bereich zwischen 100 ns und 500 ns einzustellen. Auf diese Weise lässt sich eine automatische Anpassung des vorliegenden Vorschaltgerätes an unterschiedliche Lampentypen erreichen.
Für die Dimensionierung der als gesteuerte Strom- quelle betriebenen Speicherdrossel Ll sind folgende Zusammenhänge zu beachten. Um die Kapazität der Last umzuladen, steht bei der vorliegenden Vorrichtung nur die Energie in der Speicherdrossel zur Verfügung. Die maximale Kapazität, die mit einer Speicherdrossel umgeladen werden kann, wird aus der Energieerhaltung von Induktivität und Kapazität berechnet : • C- AU2 2
Mit beispielhaften realistischen Werten von ΔU = 2 kV, I = 40A, L = 10 μH ergibt sich:
\ 2 ,40 2 C = L - (-^-y = ΪOμH • (—^-γ = AnF AU 2kV
Die Energie, die in einer derzeit benutzten Speicherdrossel gespeichert werden kann reicht damit aus, um einen Kondensator mit 4nF Kapazität um ein ΔU von 2 kV umzuladen.
Figur 7 zeigt schließlich ein weiteres Beispiel für eine Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung, mit der ebenfalls unipolare Spannungspulse erzeugt werden. In der Figur sind mit Sl und S2 Schaltelemente, mit Dl bis D4 Dioden bezeichnet . Bei dieser Ausgestaltung der Vorrichtung wird die Speicherdrossel Ll zwischen den Schaltelementen Sl und S2 geladen. Hat die Speicherdrossel Ll genügend Energie gespeichert, wird das Schaltelement S2 nichtleitend gemacht, so dass der Strom nicht mehr über die Elemente D4 und S2 fließt, sondern über den Kondensator C2 und den Transformator TR die Lampe (DBE) lädt . Die Spannung an der Lampe und am Punkt VA steigt an. Wird die
Zündspannung der Lampe erreicht, so zündet diese und die Energie wird von ihr aufgenommen. Zündet die Lampe nicht oder nimmt sie nicht alle bereitgestellte Energie auf, so gibt es eine Spannungsüberhöhung an der Lampe und am Punkt VA. Ist die Spannungsüberhöhung an VA groß genug gegenüber der Spannungsversorgung am Eingang, so dreht sich der Strom in der Speicherdrossel Ll um und fließt über die Inversdiode D2 in die Spannungs- Versorgung zurück. Sobald der Rückstrom über die Inversdiode D2 fließt, wird das Schaltelement Sl nahezu spannungsfrei und damit verlustarm ausgeschaltet
(nichtleitend gemacht) . Ca. 0,5 μs bis 5 μs nach der ersten Lampenzündung wird das Schaltelement S2 hart (verlustbehaftet) eingeschaltet (leitend gemacht) . Die Lampe zündet ein zweites Mal, verursacht durch die Restladung auf der Lampe (DBE) . Wird nicht alle Energie bei der zweiten Zündung von der Lampe aufgenommen, so baut sich nach der zweiten Lampenzündung eine negative Spannung zwischen den Punkten VA und dem negativen Versorgungsanschluss auf. Diese Spannung baut sich nun in einem Kreisstrom über die Bauelemente D4, S2, D3 und Ll ab, bis die gesamte Energie in Wärme umgewandelt ist. Es befindet sich keine weitere Energie im Schaltkreis, d.h. bis zum nächsten Ladevorgang der Speicherdrossel finden keine parasitären Schwingungs- Vorgänge statt.
Auch wenn sich die vorliegende Beschreibung auf den Betrieb von dielektrisch behinderten Entladungslampen mit der vorgeschlagenen Vorrichtung befasst, so lässt sich diese Vorrichtung selbstverständlich auch für andere Lampentypen einsetzen, die eine entsprechende Ansteuerung benötigen. Ein Beispiel hierfür sind Laserdioden. Das Gleiche gilt für andere Lasten, die mit unipolaren oder bipolaren Spannungsimpulsfolgen betrieben werden müssen und bei denen eine adaptive Anpassung des Vorschaltegerätes an die jeweilige Lastimpedanz des Gerätes wünschenswert ist.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischen Spannungsimpulsfolgen, insbesondere zum Betrieb von kapazitiven Entladungslampen, mit zumindest zwei ansteuerbaren Schaltelementen (Sl, S2) zur Erzeugung der Spannungsimpulsfolgen aus einer an einem Eingang anliegenden Gleichspannung einer Spannungsque11e, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine über die Schaltelemente (Sl, S2) als gesteuerte Stromquelle betreibbare Speicherdrossel (Ll) zwischen den Schaltelementen (Sl, S2) angeordnet ist, so dass über eine durch die Schaltelemente (Sl, S2) einstellbare Ladezeit der Speicherdrossel (Ll) die Anstiegszeiten von Spannungsimpulsen der Spannungsimpulsfolgen an einer am Ausgang der Vorrichtung angekoppelten Last beeinflussbar sind, und dass Inversdioden zur Rückspeisung nicht benötigter Drosselenergie die Speicherdrossel (Ll) mit einem Plus- bzw. einem Minuspol der Spannungsquelle verbinden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (Sl, S2) mit einer Regelung (1) verbunden sind, die die Schaltelemente (Sl, S2) in Abhängigkeit von der mit einer Messeinrichtung (2) erfassten Anstiegszeit zur Einhaltung einer vorgebbaren Anstiegszeit ansteuert.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung (1) einen digitalen Signal- Prozessor oder einen Mikrocontroller in Verbindung mit einer programmierbaren Logik umfasst .
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (Sl, S2) zur Erzeugung von unipolaren SpannungsImpulsfolgen angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4 in Verbindung mit Anspruch 2 oder 3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung (1) derart ausgebildet ist, dass sie ein die Speicherdrossel (Ll) mit Masse verbindendes Schaltelement im Anschluss an ein erstes Zünden einer als Last angeschlossenen Entladungslampe so frühzeitig schließt, dass eine zweite Zündung der Entladungslampe ohne weitere Ladevorgänge der Vorrichtung ausgelöst wird.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass vier Schaltelemente vorgesehen sind, die zur Erzeugung von bipolaren Spannungsimpulsfolgen angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherdrossel (Ll) über eines der Schaltelemente direkt mit der Spannungsquelle verbunden ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (Sl, S2) Transistoren sind.
9. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 als adaptives Vorschaltgerat für dielektrisch behinderte Entladungslampen.
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