EP1901591B1 - Ignition of gas discharge lamps in variable ambient conditions - Google Patents

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EP1901591B1
EP1901591B1 EP07113856A EP07113856A EP1901591B1 EP 1901591 B1 EP1901591 B1 EP 1901591B1 EP 07113856 A EP07113856 A EP 07113856A EP 07113856 A EP07113856 A EP 07113856A EP 1901591 B1 EP1901591 B1 EP 1901591B1
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EP
European Patent Office
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lamp
voltage
regulation
fluorescent lamp
operating device
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EP07113856A
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German (de)
French (fr)
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EP1901591A1 (en
Inventor
Dirk Dworatzek
David Dr. Buso
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Tridonicatco GmbH and Co KG
Original Assignee
Tridonicatco GmbH and Co KG
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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B41/00Circuit arrangements or apparatus for igniting or operating discharge lamps
    • H05B41/14Circuit arrangements
    • H05B41/36Controlling
    • H05B41/38Controlling the intensity of light
    • H05B41/39Controlling the intensity of light continuously
    • H05B41/392Controlling the intensity of light continuously using semiconductor devices, e.g. thyristor
    • H05B41/3921Controlling the intensity of light continuously using semiconductor devices, e.g. thyristor with possibility of light intensity variations

Definitions

  • the present invention relates to the operation of AC powered lamps, in particular fluorescent lamps, e.g. Gas discharge lamps.
  • the invention relates to the control of such lamps, taking into account the ambient conditions, such as the ambient temperature.
  • Such regulations are used in operating devices such as electronic ballasts.
  • fluorescent lamps operated with dimmable electronic ballasts can be operated close to the nominal mode - and thus at nominal power - and on the other hand with dimmed, ie reduced lamp power.
  • the operation with nominal power is relatively unproblematic compared to the operation with reduced, in particular greatly reduced lamp power.
  • the permissible lamp ambient temperatures in dimming operation are specified much narrower compared to the normal power operation. Namely, at low dimming values, the ambient temperature of the lamp plays a greater role for a stable regulation of the dimmed fluorescent lamps, ie a regulation with constant light output and in particular a regulation, which reliably prevents unwanted extinction of the lamp.
  • the stronger lamp ambient temperature dependence at low dimming levels is i.a. caused by the fact that the lamp voltage at low ambient temperatures and small lamp currents (as they occur with dimmed lamp power) increases sharply and may take inadmissibly high values.
  • the temperature in the immediate vicinity of the lamp is crucial, which does not necessarily have to be the ambient temperature of an optionally spatially and thermally separated from the lamp electronic ballast.
  • the temperature of the electronic ballast can not be used directly to assess the lamp ambient temperature.
  • the invention has accordingly set itself the task of providing an improved and simplified technique for controlling a fluorescent lamp, which can reliably prevent the lamp from extinguishing even under extreme conditions.
  • the invention now addresses this problem and proposes already during the ignition of the lamp perform the DC detection and evaluate control technology.
  • a variable DC value can be specified as a setpoint value, wherein the setpoint value can depend on the current operating state of the lamp (for example ignition, combustion mode, etc.).
  • a method for controlling the operation of at least one (typically high-frequency) AC voltage operated fluorescent lamp according to claim 1.
  • the DC control variable may depend on the operating state of the lamp - such as preheating, ignition, or operation - and thus be temporally changeable.
  • the lamp resistance can preferably be kept constant.
  • the DC voltage component can be determined on the basis of a measurement signal derived at a voltage divider.
  • the DC voltage component of the lamp voltage can be determined based on the distances between the zero crossings of the lamp voltage.
  • the regulation of the lamp operation can be digital.
  • An externally specified dimming value can be taken into account for regulating the lamp power.
  • the power of the lamp may be increased to a value higher than the externally set dimming value depending on the value of the DC voltage portion of the lamp voltage.
  • the DC voltage command variable can be specified as a digital value.
  • the lamp control circuit is designed to regulate the lamp power even before the ignition of the fluorescent lamp.
  • the DC voltage command variable may depend on the operating state of the lamp - such as preheating, ignition, or operation - or detected operating parameters and thus be temporally variable.
  • Means may be provided which keep the lamp resistance constant.
  • a voltage divider is provided for determining the DC voltage component.
  • the DC voltage component of the lamp voltage can be determined based on the distances between the zero crossings of the lamp voltage.
  • Means can be used for the digital control of the lamp power.
  • the lamp control circuit may have an input for externally preset dimming values.
  • the control circuit may, depending on the value of the DC voltage component of the lamp voltage, increase the power of the lamp to a value which is above the externally preset dimming value.
  • an electronic ballast according to claim 21.
  • According to another aspect of the present invention is a luminaire according to claim 22.
  • the illustrated dependency of the lamp voltage is due to the fact that the lamp resistance (ie the impedance of the discharge path of the lamp at the respective operating point) has both a dependence on the discharge current V Dis and on the ambient temperature T. In a certain operating point, in which the Lamp current I Dis of the ballast is kept substantially constant, thus there is a dependence of the lamp impedance Z Dis of the ambient temperature T.
  • the present invention proposes to store the usually high-frequency operating voltage for the lamp U HF targeted a DC voltage V DC from a high-impedance source, so that then used the DC component of the voltage applied to the lamp voltage as an indicator for it under which conditions the lamp is currently being operated:
  • the source voltage V DC of the DC source is divided according to the resistance ratio of internal resistance of the DC source Z i to the impedance of the lamp Z l at the current operating point, wherein the lamp resistance Z l et al depends on the ambient temperature of the lamp T. This can also be done via the resistance ratio Z L / Z i + Z L the dependence of the DC component derived from the measurement of the lamp voltage V DC, ZL on the ambient temperature T of the lamp is detected.
  • the electronic ballast can take appropriate countermeasures. It makes sense to detect the DC component of the lamp voltage V DC, ZL over a certain time range and then to average it to take account of temporal compensatory processes in the lamp.
  • the ballast can automatically increase the lamp power, for example, until the DC component of the lamp voltage V DC, ZL returns to permissible values , ie has fallen below the predetermined threshold.
  • the electronic ballast also increases the lamp power over possibly supplied from the outside setpoints (Dimmbetatione, etc.) and thus the stability of the lamp control has a higher priority than the strict compliance specified outside values (dimming commands, etc.) is granted.
  • This increase in lamp power can be restricted according to the invention to the range of low dimming values.
  • the electronic ballast decreases the lamp power again until either the DC power again predetermined threshold value for the DC component of the lamp voltage V DC, ZL is reached, or now correctly the predetermined target value (Dimmbenning, etc.) for the lamp power has been reached.
  • Fig. 1a schematically an embodiment of the present invention is shown.
  • the ballast according to the invention has an inverter 1 with two series-connected, connected to a DC voltage source DC voltage and alternately clocked transistor switches S1 and S2.
  • the switching can be done by a control unit 2, which can be realized as a digital circuit or integrated circuit (IC).
  • a load circuit is connected, which has a resonant load circuit 3 and a lamp 4.
  • the resonant load circuit 3 consists of an inductance L R , a capacitor C R and a coupling capacitor C K.
  • the lamp 4 which is schematically denoted by its internal resistance R disl , is connected to the resonant load circuit 3 and is operated by the provided by the inverter 1 high-frequency AC voltage.
  • the lamp 4 may in particular be a fluorescent lamp such as a gas discharge lamp.
  • a diode D is optionally connected in series with a preferably high-resistance resistor R_DC.
  • Resistor R_DC can also be connected directly to the DC bus voltage.
  • a direct voltage component V DC is selectively added to the alternating operating voltage of the lamp 4.
  • This DC voltage can also be superimposed in an alternative manner to the AC voltage of the fluorescent lamp.
  • a voltage divider with two resistors R1, R2 is connected in parallel to the lamp 4.
  • a measurement signal U L is tapped, which corresponds to the voltage of the lamp 4.
  • This measurement signal U L is the control unit 2 and in particular a circuit 5 and a setpoint generator 6 is supplied. On the basis of this measurement signal U L , the circuit 5 or the setpoint generator 6 can measure the alternating voltage drop across the lamp 4. Since, however, this AC voltage contains a DC voltage component, a value is also evaluated by the circuit 5 or by the setpoint generator 6, which value corresponds to the DC voltage component of the lamp voltage.
  • the measurement signal U L generated by the voltage divider is supplied to one input of a setpoint value transmitter 6.
  • This setpoint generator 6 supplies a setpoint value for the DC voltage component of the lamp voltage as a function of the lamp voltage, that is, on the measurement signal U L and / or as a function of the operating state (for example, unlit / burning mode) of the lamp (variable setpoint value).
  • the actual value or the controlled variable U DC is and the setpoint or the command variable U DC, should be a DC controller 7 is supplied, which supplies depending on the control difference between the setpoint and the actual value a manipulated variable for the regulation of the DC voltage component ,
  • This manipulated variable may relate, for example, to the clock frequency of the two switches S1, S2.
  • Fig. 1 can also be the lamp control circuit further operating parameters such as the lamp current, etc., and externally specified values (Dimmbetatione, etc.) are supplied.
  • the lamp operation can be carried out digitally.
  • Fig. 2 shows a circuit implementation of this embodiment with an up / down counter 107, which receives as a real input signal, a signal UZERO and further as control signals a high-frequency reference clock signal CLK and a reset or reset signal.
  • the signal UZERO assumes a positive and otherwise a negative voltage level during each positive half wave of the voltage applied to the terminal VL and thus detects the zero crossing of the lamp voltage.
  • the counter 107 is started at zero crossing of the lamp voltage and counts during the subsequent half cycle of the lamp voltage either up or down.
  • the counting direction of the counter 107 is reversed.
  • the current count N of the counter 103 is a comparator connected, which may be formed for example by the comparator 103 already described above. This comparator 103 compares the current counter reading N with the initialization value or the original counter reading of the counter 107. If there is no rectification effect, the counter reading N must have reached the output value N 0 again after reaching the next zero crossing of the lamp voltage. On the other hand, if the count N deviates from the output value N 0 , a DC voltage component is present in the lamp voltage.
  • the comparator 103 compares the count N with the output value N 0 within certain tolerance limits, so as not to prematurely infer the presence of a rectifying effect.
  • the output signal of the comparator 103 is fed via a clocked by a latch signal D flip-flop 108 of the measuring phase control 900, which - as described above - evaluates this signal and in particular performs an event filtered score, ie only on the presence of a DC voltage component closes if one of the comparator 103, for example, 32 times in succession each 255. period of the lamp voltage a DC voltage component is reported.
  • the system according to the invention for the reliable ignition of, for example, gas discharge lamps contains two essential components namely a control unit or a controller 11 and a controlled system 12, which comprises the above-mentioned inverter or half-bridge 1, a resonance load circuit 3 and the lamp 4.
  • the control unit 11 essentially controls two switches of the inverter 1 for providing a high-frequency alternating voltage for ignition or for operation of the gas discharge lamp 4.
  • the power P_lamp and / or the voltage V_lamp of the gas discharge lamp 4 are first detected by various known methods.
  • the lamp voltage V_lamp is supplied to a unit 14 for evaluation of the DC voltage component of the lamp voltage. This evaluation can be performed by various methods, such as those discussed above FIGS. 2 and 3 described detection of the zero crossings of the lamp voltage.
  • the actual DC voltage component of the lamp voltage is compared with a nominal value DC target, and the difference V_DC_lamp of both values is supplied to a DC controller 18.
  • a DC controller 18 Proportional controller (P controller), proportional-integral controller (PI controller), proportional-integral-derivative controller (PID controller), proportional-derivative controller (PD controller).
  • P controller Proportional controller
  • PI controller proportional-integral controller
  • PID controller proportional-integral-derivative controller
  • PD controller proportional-derivative controller
  • the DC controller 18 is preferably a PI controller.
  • the output signal of the DC controller 18 is supplied as a setpoint to another control circuit, namely a lamp power control loop.
  • An analog-to-digital converter 13 converts the analogously detected lamp power P_lamp into a digital signal which is compared as an actual value with the manipulated variable of the DC controller 18 as a sol value. The result is supplied as a control difference to a power regulator 17 for regulating the lamp power.
  • the power regulator 17 controls, for example, the frequency of the AC voltage of the lamp. Usually, the frequency of the inverter is accordingly controlled.
  • the outer or first control loop has the DC controller 18 and predetermines the nominal value DC target for the DC component on the lamp 4 depending, for example, on the operating state or also on other parameters from the lamp circuit.
  • an inner or second control loop with the power regulator 17 is provided, which then regulates the lamp operation to the (variably predetermined) DC component.
  • the rectifier effect may e.g. on older fluorescent lamps and lead to overload of the ballast.
  • the fluorescent lamp then acts in a similar way to a rectifier, preferentially passing the lamp current in one direction while being less well transmitted in the opposite direction.
  • Such a current shift between individual lamp branches can be detected by the evaluation of the impedance i. the DC voltage component of the lamp voltage can be detected.
  • the power of the lamp 4 can thus be regulated accordingly.
  • Fig. 7 shows how the DC component can be made dependent on the operating state of the lamp 4.
  • the control unit 11 lowers the frequency of the inverter 1. As a result, the voltage at the terminals of the lamp 4 increases. As long as this lamp voltage increases regularly, the DC component setpoint is reduced accordingly on a regular basis. This phase is up Fig. 7 between t2 and t3.
  • the activation of the control circuit thus ignites the lamp and keeps it safely in operation in the critical phase after ignition.
  • the inner loop detects the lamp power and thus provides the opportunity to set a defined power. Furthermore, the inner loop is designed so that it can stabilize unstable operating points of the outer circle. This is necessary when operating at low temperatures and destabilized lamps (deposition of mercury).
  • the outer control loop keeps the DC voltage of the lamp constant, which corresponds to their resistance.
  • the nominal value of the DC control loop is set to the 1% nominal power of a new lamp at nominal temperature.
  • the initial conditions here are a maximum frequency for the output of the power controller 17 and a minimum power for the output of the DC controller 18.
  • the DC control loop will now reduce the existing control difference and ignite the lamp. After being ignited, the controls are used to set the DC setpoint.
  • the evaluation of the lamp voltage is, as shown, the evaluation of the lamp voltage.
  • the prerequisite for this, however, is a constant DC current that must be supplied to the lamp.
  • the evaluation of the zeros more precisely the ratio between T_pos, time during which the signal is positive, and T_neg, time during which the signal is negative, includes information about the lamp current, as well as the information of the lamp voltage.
  • N_D ⁇ c C ⁇ 1 ⁇ * arcsin - C Irms * 2 .
  • C and C1 are each a constant
  • N_D ⁇ c C ⁇ 2 ⁇ * arcsin - C Vrms * 2 .
  • C and C2 are each a constant.
  • the always activated power control loop keeps the system stable. This means that even if the operating points are not always stable (for example, active - passive dipole, lamp - output circuit), the system is kept stable. Due to the high demands on the Ausregel mecanic of the inner control loop ensures that the inner loop is not a bottleneck with respect to settling time.
  • Another advantage is the permanently switched on power control even before the ignition of the lamp, since the system already works completely and is initialized. There are no switching and initialization must be made. The ignition timing is no longer important in this system. It can vary greatly due to the lamp and the environment, which would be a disadvantage for an optimal start.
  • the electrical properties of gas discharge lamps can vary widely under variable environmental conditions such as ambient temperature, aging state and burning time (mercury ionization).
  • a change in the electrical properties of the gas discharge lamp means a change in the voltage / current characteristic of the lamp.
  • the inventive method or operating device avoids extinction of the gas discharge lamp, by falling below the ambient condition-dependent minimum lamp current prevented.
  • the method according to the invention makes use of the determination of the environment-dependent electrical parameters and thus of the minimum current, the lamp resistance being the electrical parameter permitting this inference.
  • This lamp resistance can be determined by measurement using various known methods and forms the constant to be measured.
  • a control loop is provided according to the invention in order to keep the lamp resistance constant (constant DC current, measurement of the DC lamp voltage).
  • the activation of the control circuit ignites the lamp and keeps it safely in operation in the critical phase after ignition. Thereby, a control of the lamp is achieved, which is applied in different operating conditions of the lamp (such as preheating, ignition, operation), wherein the DC component of the lamp voltage is evaluated.
  • the control parameters adapt to the lamp condition, which is made possible by the combination of control loops.

Abstract

The method involves overlaying a direct current in a fluorescent lamp and determining a direct current portion of a fluorescent lamp current. A lamp power output of the fluorescent lamp is controlled with the determined direct current portion as a control variable and a variable analog or digital direct current-reference variable. An operation of the fluorescent lamp is controlled before igniting the lamp based on the direct current portion as the control variable. An independent claim is also included for an operating device for controlling a fluorescent lamp.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Betrieb von mit Wechselspannung betriebenen Lampen insbesondere Leuchtstofflampen, wie z.B. Gasentladungslampen. Die Erfindung betrifft die Regelung für derartige Lampen unter Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise der Umgebungstemperatur. Derartige Regelungen werden in Betriebsgeräten wie beispielsweise elektronischen Vorschaltgeräten verwendet.The present invention relates to the operation of AC powered lamps, in particular fluorescent lamps, e.g. Gas discharge lamps. The invention relates to the control of such lamps, taking into account the ambient conditions, such as the ambient temperature. Such regulations are used in operating devices such as electronic ballasts.

Leuchtstofflampen, die mit dimmbaren elektronischen Vorschaltgeräten betrieben werden, können dementsprechend einerseits in der Nähe des Nominalbetriebs - und somit bei Nominalleistung - und andererseits mit gedimmter, d.h. reduzierter Lampenleistung betrieben werden. Der Betrieb mit Nominalleistung ist verhältnismäßig unproblematisch im Vergleich zu dem Betrieb mit reduzierter, insbesondere stark reduzierter Lampenleistung. Dementsprechend sind im Vergleich zu dem Betrieb mit Normalleistung die zulässigen Lampen-Umgebungstemperaturen im Dimmbetrieb wesentlich enger spezifiziert. Bei geringen Dimmwerten spielt nämlich die Lampen-Umgebungstemperatur eine größere Rolle für eine stabile Regelung der gedimmt betriebenen Leuchtstofflampen, d.h. eine Regelung mit konstanter Lichtleistung und insbesondere eine Regelung, die ein unerwünschtes Verlöschen der Lampe sicher verhindert.Accordingly, fluorescent lamps operated with dimmable electronic ballasts can be operated close to the nominal mode - and thus at nominal power - and on the other hand with dimmed, ie reduced lamp power. The operation with nominal power is relatively unproblematic compared to the operation with reduced, in particular greatly reduced lamp power. Accordingly, the permissible lamp ambient temperatures in dimming operation are specified much narrower compared to the normal power operation. Namely, at low dimming values, the ambient temperature of the lamp plays a greater role for a stable regulation of the dimmed fluorescent lamps, ie a regulation with constant light output and in particular a regulation, which reliably prevents unwanted extinction of the lamp.

Die stärkere Lampen-Umgebungstemperaturabhängigkeit bei niedrigen Dimmwerten ist u.a. dadurch verursacht, dass die Lampenspannung bei niedrigeren Umgebungstemperaturen und kleinen Lampenströmen (wie sie bei gedimmter Lampenleistung auftreten) stark ansteigt und ggf. unzulässig hohe Werte annehmen kann. Für dieses Phänomen ist natürlich die Temperatur in der unmittelbaren Umgebung der Lampe ausschlaggebend, die nicht zwangsläufig die Umgebungstemperatur eines ggf. räumlich und thermisch von der Lampe getrennten elektronischen Vorschaltgeräts sein muss. Somit kann die Temperatur des elektronischen Vorschaltgeräts auch nicht unmittelbar zur Beurteilung der Lampenumgebungstemperatur herangezogen werden.The stronger lamp ambient temperature dependence at low dimming levels is i.a. caused by the fact that the lamp voltage at low ambient temperatures and small lamp currents (as they occur with dimmed lamp power) increases sharply and may take inadmissibly high values. For this phenomenon, of course, the temperature in the immediate vicinity of the lamp is crucial, which does not necessarily have to be the ambient temperature of an optionally spatially and thermally separated from the lamp electronic ballast. Thus, the temperature of the electronic ballast can not be used directly to assess the lamp ambient temperature.

Bei gewissen Anwendungsszenarien kann im übrigen nicht ausgeschlossen werden, dass der für geringe Dimmwerte enger spezifizierte zulässige Temperaturbereich verlassen wird, beispielsweise wenn dimmbare elektronische Vorschaltgeräte in Außenanwendungen und bei niedrigen Temperaturen im gedimmten Zustand betrieben werden.Moreover, in certain application scenarios, it can not be ruled out that the permissible temperature range specified for low dimming values will be left out, for example when dimmable electronic ballasts are operated in outdoor applications and at low temperatures in the dimmed state.

Aus der noch nicht veröffentlichten Patentanmeldung DE 102005018763 ist es bereits bekannt, an eine Leuchtstofflampe gezielt eine Gleichspannung zusätzlich bspw. zu einer hochfrequenten AC-Spannung zu überlagern, um dann in einem weiteren Schritt die an der Lampe sich ergebende Gleichspannung regelungstechnisch auszuwerten. Dieser Gleichspannungsanteil wird der Leuchtstofflampe dadurch zugeführt, dass ein Gleichspannungspfad parallel zur Wechsel-Betriebsspannung für die Leuchtstofflampe vorgesehen ist. Die Erfassung des Gleichspannungsanteils der Leuchtstofflampenspannung erfolgt bei diesem Stand der Technik nur bei gezündeter Lampe. Vor der Zündung der Lampe ist dagegen ein anderer Regelkreis zum Betrieb der Leuchtstofflampe vorgesehen. Zum Zeitpunkt des Zündens der Lampe muss also auf die Erfassung und Auswertung des Gleichspannungsanteils umgeschaltet werden. Diese Umschaltung zwischen zwei Regelkreisen kann indessen insofern problematisch sein, als sie beispielsweise zu einem sichtbaren Lampenleistungssprung führen kann, der für das menschliche Auge sichtbar sein kann.From the not yet published patent application DE 102005018763 It is already known to selectively superimpose a DC voltage to a fluorescent lamp, for example, to a high-frequency AC voltage in order then to evaluate the DC voltage resulting from the lamp in a further step. This DC component will be the Fluorescent lamp thereby supplied that a DC voltage path is provided in parallel to the AC operating voltage for the fluorescent lamp. The detection of the DC voltage component of the fluorescent lamp voltage takes place in this prior art only when the lamp is ignited. Before the ignition of the lamp, however, another control circuit is provided for the operation of the fluorescent lamp. At the time of ignition of the lamp must therefore be switched to the detection and evaluation of the DC voltage component. However, this switching between two control loops may be problematic in that it may, for example, lead to a visible increase in lamp output, which may be visible to the human eye.

Weiterhin ist bei diesem Stand der Technik eine Zünderkennung durch Detektieren einer stark absinkenden Lampenspannung notwendig, um auf die Gleichspannungsauswertung und die entsprechende Regelungsschaltung umschalten zu können.Furthermore, in this prior art, an ignition detection by detecting a strongly decreasing lamp voltage is necessary in order to switch to the DC voltage evaluation and the corresponding control circuit can.

Die Erfindung hat sich dementsprechend zur Aufgabe gesetzt, eine verbesserte und vereinfachte Technik zur Regelung einer Leuchtstofflampe bereit zu stellen, die ein Verlöschen der Lampe auch unter Extrembedingungen sicher verhindern kann.The invention has accordingly set itself the task of providing an improved and simplified technique for controlling a fluorescent lamp, which can reliably prevent the lamp from extinguishing even under extreme conditions.

Die Erfindung setzt nunmehr an diesem Problem an und schlägt vor, bereits während des Zündvorgangs der Lampe die DC-Erfassung durchzuführen und regelungstechnisch auszuwerten.The invention now addresses this problem and proposes already during the ignition of the lamp perform the DC detection and evaluate control technology.

Weiterhin ist es ein Aspekt der Erfindung, dass ein variabler DC-Wert als Sollwert vorgegeben werden kann, wobei der Sollwert vom aktuellen Betriebszustand der Lampe (beispielsweise Zünden, Brennbetrieb, etc.) abhängen kann.Furthermore, it is an aspect of the invention that a variable DC value can be specified as a setpoint value, wherein the setpoint value can depend on the current operating state of the lamp (for example ignition, combustion mode, etc.).

Die Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche gelöst, wobei sich die Kombination der Ansprüche als besonders vorteilhafte Lösung der Aufgabenstellung auszeichnet.The object is solved by the characterizing features of the claims, wherein the combination of the claims is characterized as a particularly advantageous solution to the problem.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Regelung des Betriebs von mindestens einer mit (typischerweise hochfrequenten) Wechselspannung betriebenen Leuchtstofflampe nach Anspruch 1.According to a first aspect of the present invention, a method for controlling the operation of at least one (typically high-frequency) AC voltage operated fluorescent lamp according to claim 1.

Insbesondere wird die Regelung der Lampenleistung bereits vor ihrer Zündung vorgenommen werden und dann natürlich im Brennbetrieb fortgesetzt werden.In particular, the regulation of the lamp power will be made before their ignition and then of course continue in the burning operation.

Die Gleichspannungs-Führungsgröße kann vom Betriebszustand der Lampe - wie beispielsweise Vorheizung, Zündung, oder Betrieb - abhängen und somit zeitlich veränderbar sein.The DC control variable may depend on the operating state of the lamp - such as preheating, ignition, or operation - and thus be temporally changeable.

Der Lampenwiderstand kann vorzugsweise konstant gehalten werden.The lamp resistance can preferably be kept constant.

Der Gleichspannungsanteil kann anhand eines an einem Spannungsteiler abgeleiteten Messsignals ermittelt werden.The DC voltage component can be determined on the basis of a measurement signal derived at a voltage divider.

Der Gleichspannungsanteil der Lampenspannung kann anhand der Abstände der Nulldurchgänge der Lampenspannung ermittelt werden.The DC voltage component of the lamp voltage can be determined based on the distances between the zero crossings of the lamp voltage.

Die Regelung des Lampenbetriebs kann digital erfolgen.The regulation of the lamp operation can be digital.

Ein extern vorgegebener Dimmwert kann zur Regelung der Lampenleistung berücksichtigt werden.An externally specified dimming value can be taken into account for regulating the lamp power.

Die Leistung der Lampe kann abhängig von dem Wert des Gleichspannungsanteils der Lampenspannung auf einen Wert erhöht werden, der über dem extern vorgegebenen Dimmwert liegt.The power of the lamp may be increased to a value higher than the externally set dimming value depending on the value of the DC voltage portion of the lamp voltage.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Betriebsgerät zur Ansteuerung von mindestens einer mit Wechselspannung betriebenen Leuchtstofflampe nach Anspruch 11.According to a further aspect of the present invention, an operating device for controlling at least one AC voltage-operated fluorescent lamp according to claim 11.

Die Gleichspannungs-Führungsgröße kann als Digitalwert vorgegeben werden.The DC voltage command variable can be specified as a digital value.

Insbesondere ist die Lampenregelungsschaltung dazu ausgelegt, die Lampenleistung bereits vor der Zündung der Leuchtstofflampe zu regeln.In particular, the lamp control circuit is designed to regulate the lamp power even before the ignition of the fluorescent lamp.

Die Gleichspannungs-Führungsgröße kann vom Betriebszustand der Lampe - wie beispielsweise Vorheizung, Zündung, oder Betrieb - oder erfassten Betriebsparametern abhängen und somit zeitlich veränderbar sein.The DC voltage command variable may depend on the operating state of the lamp - such as preheating, ignition, or operation - or detected operating parameters and thus be temporally variable.

Es können Mittel vorgesehen sein, die den Lampenwiderstand konstant halten.Means may be provided which keep the lamp resistance constant.

Vorzugsweise ist ein Spannungsteiler zur Ermittlung des Gleichspannungsanteils vorgesehen.Preferably, a voltage divider is provided for determining the DC voltage component.

Der Gleichspannungsanteil der Lampenspannung kann anhand der Abstände der Nulldurchgänge der Lampenspannung ermittelt werden.The DC voltage component of the lamp voltage can be determined based on the distances between the zero crossings of the lamp voltage.

Mittel können eingesetzt werden zur digitalen Regelung der Lampenleistung.Means can be used for the digital control of the lamp power.

Die Lampenregelungsschaltung kann einen Eingang für extern vorgegebene Dimmwerte aufweisen.The lamp control circuit may have an input for externally preset dimming values.

Die Regelschaltung kann abhängig von dem Wert des Gleichspannungsanteils der Lampenspannung die Leistung der Lampe auf einen Wert erhöhen, der über dem extern vorgegebenen Dimmwert liegt.The control circuit may, depending on the value of the DC voltage component of the lamp voltage, increase the power of the lamp to a value which is above the externally preset dimming value.

Gemäß einem nächsten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein elektronisches Vorschaltgerät nach Anspruch 21.According to a next aspect of the present invention, an electronic ballast according to claim 21.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Leuchte nach Anspruch 22.According to another aspect of the present invention is a luminaire according to claim 22.

Weitere Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sollen nunmehr Bezug nehmend auf die Figuren der begleitenden Zeichnungen näher erläutert werden.

Fig. 1a
zeigt dabei eine schematische Darstellung relevanter Bauteile eines elektronischen Vorschaltgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig.1b und 1c
zeigen vereinfachte Schaltbilder zur Erläuterung des Hintergrunds der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 und 3
dienen zur Erläuterung der indirekten digitalen Erfassung der Impedanz der Lampe, die dann als Parameter für die Lampentemperatur verwendet werden kann,
Fig. 4
zeigt die Abhängigkeit der Lampenspannung vom Lampenspannung für verschiedene Lampentemperaturen,
Fig. 5
zeigt die Abhängigkeit der Impedanz vom Lampenstrom für verschiedene Lampentemperaturen,
Fig. 6
zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen elektronischen Vorschaltgeräts, und
Fig. 7
zeigt den Verlauf von verschiedenen Lampenparametern abhängig vom Betriebszustand der Lampe.
Further features, advantages and features of the present invention will now be explained in more detail with reference to the figures of the accompanying drawings.
Fig. 1a
shows a schematic representation of relevant components of an electronic ballast according to the present invention,
Fig.1b and 1c
show simplified circuit diagrams for explaining the background of the present invention,
FIGS. 2 and 3
serve to explain the indirect digital detection of the impedance of the lamp, which can then be used as a parameter for the lamp temperature,
Fig. 4
shows the dependence of the lamp voltage on the lamp voltage for different lamp temperatures,
Fig. 5
shows the dependence of the impedance on the lamp current for different lamp temperatures,
Fig. 6
shows a simplified schematic representation of an electronic ballast according to the invention, and
Fig. 7
shows the course of different lamp parameters depending on the operating status of the lamp.

In Fig. 4 und 5 ist dargestellt, dass die Lampenspannung VDis bei niedrigen Temperaturen (s. Beispiel -15°C) im Bereich niedriger Dimmwerte (repräsentiert mittels des Lampenstroms IDis) sehr stark ansteigen kann und ggf. zulässige Grenzwerte übersteigen kann. In dem Referenzbeispiel von einer Lampentemperatur von 35°C tritt dieser Effekt weniger stark bzw. gar nicht auf. Gleichzeitig ist aber aus Fig. 4 zu sehen, dass die Lampenspannung VDis insgesamt kein eindeutiger Parameter für die Temperatur der Lampe ist. Wie ersichtlich kann im Bereich etwas höherer Lampenströme die in Lampenspannung VDis bei höheren Temperaturen (Beispiel 35°C) sogar diejenige bei niedrigen Temperaturen (Beispiel -15°C) übersteigen.In 4 and 5 is shown that the lamp voltage V Dis at low temperatures (see example, -15 ° C) in the low dimming range (represented by the lamp current I Dis ) can rise very high and may exceed permitted limits. In the reference example of a lamp temperature of 35 ° C, this effect occurs less strongly or not at all. At the same time it is off Fig. 4 to see that the lamp voltage V Dis is not a clear parameter for the temperature of the lamp as a whole. As can be seen, in the region of slightly higher lamp currents, the lamp voltage V Dis at higher temperatures (example 35 ° C.) may even exceed that at low temperatures (example -15 ° C.).

Die dargestellte Abhängigkeit der Lampenspannung liegt darin begründet, dass der Lampenwiderstand (d.h. die Impedanz der Entladestrecke der Lampe im jeweiligen Betriebspunkt) sowohl eine Abhängigkeit vom Entladestrom VDis wie auch von der Umgebungstemperatur T aufweist. In einem bestimmten Betriebspunkt, in welchem der Lampenstrom IDis vom Vorschaltgerät im wesentlichen konstant gehalten wird, besteht somit eine Abhängigkeit der Lampenimpedanz ZDis von der Umgebungstemperatur T.The illustrated dependency of the lamp voltage is due to the fact that the lamp resistance (ie the impedance of the discharge path of the lamp at the respective operating point) has both a dependence on the discharge current V Dis and on the ambient temperature T. In a certain operating point, in which the Lamp current I Dis of the ballast is kept substantially constant, thus there is a dependence of the lamp impedance Z Dis of the ambient temperature T.

Wie in Fig. 1b und 1c schematisch dargestellt, schlägt die vorliegende Erfindung nunmehr vor, der üblicherweise hochfrequenten Betriebsspannung für die Lampe UHF gezielt eine DC-Spannung VDC aus einer hochohmigen Quelle zu lagern, so dass dann der DC-Anteil der an der Lampe anfallenden Spannung als Indikator dafür herangezogen werden kann, unter welchen Bedingungen die Lampe gerade betrieben wird:As in Fig. 1b and 1c schematically illustrated, the present invention proposes to store the usually high-frequency operating voltage for the lamp U HF targeted a DC voltage V DC from a high-impedance source, so that then used the DC component of the voltage applied to the lamp voltage as an indicator for it under which conditions the lamp is currently being operated:

Die Quellenspannung VDC der DC-Quelle wird gemäß dem Widerstandsverhältnis von Innenwiderstand der DC-Quelle Zi zur Impedanz der Lampe Zl im aktuellen Betriebspunkt aufgeteilt, wobei der Lampenwiderstand Zl u.a. von der Umgebungstemperatur der Lampe T abhängt. Damit kann auch über das Widerstandsverhältnis Z L / Z i + Z L

Figure imgb0001
die Abhängigkeit des aus der Messung hergeleiteten DC-Anteils der Lampenspannung VDC,ZL von der Umgebungstemperatur T der Lampe erfasst werden.The source voltage V DC of the DC source is divided according to the resistance ratio of internal resistance of the DC source Z i to the impedance of the lamp Z l at the current operating point, wherein the lamp resistance Z l et al depends on the ambient temperature of the lamp T. This can also be done via the resistance ratio Z L / Z i + Z L
Figure imgb0001
the dependence of the DC component derived from the measurement of the lamp voltage V DC, ZL on the ambient temperature T of the lamp is detected.

Wenn der DC-Anteil der Lampenspannung VDC,ZL außerhalb eines definierten Bereichs liegt, und insbesondere wenn er über einem definierten Schwellenwert liegt, kann das elektronische Vorschaltgerät entsprechende Gegenmaßnahmen treffen. Sinnvollerweise wird der DC-Anteil der Lampenspannung VDC,ZL über einen bestimmten Zeitbereich hinweg erfasst und dann gemittelt, um zeitlichen Ausgleichsvorgängen in der Lampe Rechnung zu tragen.If the DC component of the lamp voltage V DC, ZL is outside a defined range, and in particular if it is above a defined threshold value, the electronic ballast can take appropriate countermeasures. It makes sense to detect the DC component of the lamp voltage V DC, ZL over a certain time range and then to average it to take account of temporal compensatory processes in the lamp.

Wenn nunmehr dieser Mittelwert des DC-Anteils der Lampenspannung VDC,ZL über einen zulässigen Schwellenwert hinaus ansteigt, kann das Vorschaltgerät bspw. selbsttätig die Lampenleistung erhöhen, und zwar soweit, bis der DC-Anteil der Lampenspannung VDC,ZL wieder auf zulässige Werte, d.h. unterhalb des vorgegebenen Schwellenwerts gesunken ist. Unter 'selbsttätiger Erhöhung der Lampenleistung durch das EVG' ist dabei zu verstehen, dass das elektronische Vorschaltgerät die Lampenleistung auch über ggf. von außen zugeführte Sollwerte (Dimmbefehle, etc.) hinaus erhöht und somit der Stabilität der Lampenregelung eine höhere Priorität als der strikten Einhaltung von außen vorgegebener Sollwerte (Dimmbefehle, etc.) eingeräumt wird.If now this average value of the DC component of the lamp voltage V DC, ZL increases beyond a permissible threshold value, the ballast can automatically increase the lamp power, for example, until the DC component of the lamp voltage V DC, ZL returns to permissible values , ie has fallen below the predetermined threshold. By 'automatic increase of the lamp power through the electronic ballast' is to be understood that the electronic ballast also increases the lamp power over possibly supplied from the outside setpoints (Dimmbefehle, etc.) and thus the stability of the lamp control has a higher priority than the strict compliance specified outside values (dimming commands, etc.) is granted.

Diese Erhöhung der Lampenleistung kann erfindungsgemäß auf den Bereich geringer Dimmwerte beschränkt sein.This increase in lamp power can be restricted according to the invention to the range of low dimming values.

Wichtig ist dabei eine korrekte Einstellung der Zeitkonstanten der Regelung: Bekanntlich laufen in einer Leuchtstofflampe thermische Ausgleichsvorgänge ab, so dass die Zeitkonstante des Regelkreises in dem elektronischen Vorschaltgerät auf diese Vorgänge abgestimmt sein muss.It is important in this case to set the time constant of the control correctly: As is known, thermal compensation processes take place in a fluorescent lamp, so that the time constant of the control circuit in the electronic ballast must be matched to these processes.

Wenn beispielsweise zeitlich folgend der DC-Anteil der Lampenspannung VDC,ZL wieder absinkt, beispielsweise weil sich die Umgebungstemperatur der Lampe wieder erhöht hat, nimmt das elektronische Vorschaltgerät die Lampenleistung wieder zurück, bis entweder erneut der vorgegebene Schwellenwert für den DC-Anteil der Lampenspannung VDC,ZL erreicht ist, oder nunmehr korrekt der vorgegebene Sollwert (Dimmbefehl, etc.) für die Lampenleistung erreicht wurde.If, for example, the DC component of the lamp voltage V DC, ZL decreases again in time, for example because the ambient temperature of the lamp has increased again, the electronic ballast decreases the lamp power again until either the DC power again predetermined threshold value for the DC component of the lamp voltage V DC, ZL is reached, or now correctly the predetermined target value (Dimmbefehl, etc.) for the lamp power has been reached.

In Fig. 1a ist schematisch eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt.In Fig. 1a schematically an embodiment of the present invention is shown.

Das erfindungsgemäße Vorschaltgerät weist einen Wechselrichter 1 auf mit zwei in Serie geschalteten, an einer Gleichspannungsquelle DC-Spannung angeschlossenen und abwechselnd getakteten Transistor-Schaltern S1 und S2. Das Schalten kann dabei durch eine Steuereinheit 2 erfolgen, die als digitale Schaltung oder integrierte Schaltung (IC) realisiert werden kann.The ballast according to the invention has an inverter 1 with two series-connected, connected to a DC voltage source DC voltage and alternately clocked transistor switches S1 and S2. The switching can be done by a control unit 2, which can be realized as a digital circuit or integrated circuit (IC).

An dem Knotenpunkt der beiden Schalter S1 und S2 ist ein Lastkreis angeschlossen, der einen Resonanz-Lastkreis 3 und eine Lampe 4 aufweist. Der Resonanz-Lastkreis 3 besteht aus einer Induktivität LR, einem Kondensator CR und einem Koppelkondensator CK.At the junction of the two switches S1 and S2, a load circuit is connected, which has a resonant load circuit 3 and a lamp 4. The resonant load circuit 3 consists of an inductance L R , a capacitor C R and a coupling capacitor C K.

Die Lampe 4, die schematisch mittels ihres Innenwiderstands Rdisl bezeichnet ist, ist an den Resonanz-Lastkreis 3 angeschlossen und wird von der vom Wechselrichter 1 zur Verfügung gestellten hochfrequenten Wechselspannung betrieben. Die Lampe 4 kann insbesondere eine Leuchtstofflampe wie z.B. eine Gasentladungslampe sein.The lamp 4, which is schematically denoted by its internal resistance R disl , is connected to the resonant load circuit 3 and is operated by the provided by the inverter 1 high-frequency AC voltage. The lamp 4 may in particular be a fluorescent lamp such as a gas discharge lamp.

Parallel zum Koppelkondensator CK und zur Induktivität LR ist optional eine Diode D in Serie mit einem vorzugsweise hochohmigen Widerstand R_DC geschaltet. Der Widerstand R_DC kann auch direkt and die DC-Busspannung angeschlossen werden.Parallel to the coupling capacitor C K and the inductance L R , a diode D is optionally connected in series with a preferably high-resistance resistor R_DC. Of the Resistor R_DC can also be connected directly to the DC bus voltage.

Somit wird gezielt ein Gleichspannungsanteil VDC auf die Wechsel-Betriebsspannung der Lampe 4 aufgeschlagen. Diese Gleichspannung kann auch in eine alternative Weise an die Wechselspannung der Leuchtstofflampe überlagert werden.Thus, a direct voltage component V DC is selectively added to the alternating operating voltage of the lamp 4. This DC voltage can also be superimposed in an alternative manner to the AC voltage of the fluorescent lamp.

Wie in Fig. 1 ersichtlich, ist ein Spannungsteiler mit zwei Widerständen R1, R2 parallel zu der Lampe 4 geschaltet. An dem Schaltungsknoten zwischen den beiden Widerständen R1, R2 des Spannungsteilers wird ein Messsignal UL abgegriffen, das der Spannung der Lampe 4 entspricht.As in Fig. 1 As can be seen, a voltage divider with two resistors R1, R2 is connected in parallel to the lamp 4. At the circuit node between the two resistors R1, R2 of the voltage divider, a measurement signal U L is tapped, which corresponds to the voltage of the lamp 4.

Dieses Messsignal UL wird der Steuereinheit 2 und insbesondere einer Schaltung 5 und einem Sollwertgeber 6 zugeführt. Auf Grundlage dieses Messsignals UL kann die Schaltung 5 beziehungsweise der Sollwert-Geber 6 die an der Lampe 4 abfallende Wechselspannung messen. Da aber diese Wechselspannung einen Gleichspannungsanteil enthält, wird auch von der Schaltung 5 bzw. vom Sollwert-Geber 6 ein Wert ausgewertet, der dem Gleichspannungsanteil der Lampenspannung entspricht.This measurement signal U L is the control unit 2 and in particular a circuit 5 and a setpoint generator 6 is supplied. On the basis of this measurement signal U L , the circuit 5 or the setpoint generator 6 can measure the alternating voltage drop across the lamp 4. Since, however, this AC voltage contains a DC voltage component, a value is also evaluated by the circuit 5 or by the setpoint generator 6, which value corresponds to the DC voltage component of the lamp voltage.

Das vom Spannungsteiler erzeugte Messsignal UL wird dem einen Eingang eines Sollwert-Gebers 6 zugeführt. Dieser Sollwertgeber 6 liefert einen Sollwert für den Gleichspannungsanteil der Lampenspannung in Abhängigkeit von der Lampenspannung, d.h. von dem Messsignal UL und/oder in Abhängigkeit vom Betriebszustand (bspw. ungezündet/Brennbetrieb) der Lampe (variabler Sollwert).The measurement signal U L generated by the voltage divider is supplied to one input of a setpoint value transmitter 6. This setpoint generator 6 supplies a setpoint value for the DC voltage component of the lamp voltage as a function of the lamp voltage, that is, on the measurement signal U L and / or as a function of the operating state (for example, unlit / burning mode) of the lamp (variable setpoint value).

Der Istwert bzw. die Regelgröße UDC,ist und der Sollwert bzw. die Führungsgröße UDC,soll werden einem DC-Regler 7 zugeführt, der je nach Regeldifferenz zwischen dem Soll-und dem Ist-Wert eine Stellgröße für die Regelung des Gleichspannungsanteils liefert. Diese Stellgröße kann sich z.B. auf die Taktfrequenz der beiden Schalter S1, S2 beziehen.The actual value or the controlled variable U DC, is and the setpoint or the command variable U DC, should be a DC controller 7 is supplied, which supplies depending on the control difference between the setpoint and the actual value a manipulated variable for the regulation of the DC voltage component , This manipulated variable may relate, for example, to the clock frequency of the two switches S1, S2.

Wie schematisch in Fig. 1 dargestellt, können auch der Lampenregelungsschaltung weitere Betriebsparameter wie beispielsweise der Lampenstrom etc. sowie extern vorgegebene Sollwerte (Dimmbefehle, etc.) zugeführt werden.As schematically in Fig. 1 can also be the lamp control circuit further operating parameters such as the lamp current, etc., and externally specified values (Dimmbefehle, etc.) are supplied.

Wie bereits erwähnt, kann gemäß der vorliegenden Erfindung der Lampenbetrieb digital ausgeführt werden.As already mentioned, according to the present invention, the lamp operation can be carried out digitally.

Somit wird vorzugsweise auch der Gleichspannungsanteil der Lampenspannung digital ausgewertet. Dies soll nunmehr unter Bezugnahme auf Figuren 2 und 3 erläutert werden.Thus, preferably also the DC voltage component of the lamp voltage is evaluated digitally. This will now be with reference to FIGS. 2 and 3 be explained.

Fig. 2 zeigt eine schaltungstechnische Realisierung dieses Ausführungsbeispiels mit einem Aufwärts/Abwärts-Zähler 107, der als eigentliches Eingangssignal ein Signal UZERO und des weiteren als Steuersignale ein hochfrequentes Referenztaktsignal CLK sowie ein Rücksetz- oder Reset-Signal empfängt. Das Signal UZERO nimmt während jeder positiven Halbwelle der am Anschluss VL anliegenden Lampenspannung einen positiven und ansonsten einen negativen Spannungspegel an und erfasst somit den Nulldurchgang der Lampenspannung. Der Zähler 107 wird bei Anliegen des Reset-Signals auf einen mittleren Zählerstand, z.B. auf den Ausgangszählerwert N0=255, initialisiert. Der Zähler 107 wird bei Nulldurchgang der Lampenspannung gestartet und zählt während der nachfolgenden Halbwelle der Lampenspannung entweder nach oben oder nach unten. Erreicht das Messsignal, d.h. die Lampenspannung, nach einer Halbperiode wieder den Nulldurchgang, wird die Zählrichtung des Zählers 107 umgedreht. Nach Ablauf einer vollen Periode der Lampenspannung wird der aktuelle Zählerstand N des Zählers 103 einem Komparator zugeschaltet, der beispielsweise durch den bereits zuvor beschriebenen Komparator 103 gebildet sein kann. Dieser Komparator 103 vergleicht den aktuellen Zählerstand N mit dem Initialisierungswert bzw. dem ursprünglichen Zählerstand des Zählers 107. Wenn kein Gleichrichteffekt vorliegt, muss der Zählerstand N nach Erreichen des nächsten Nulldurchgangs der Lampenspannung wieder den Ausgangswert N0 erreicht haben. Weicht hingegen der Zählerstand N von dem Ausgangswert N0 ab, liegt ein Gleichspannungsanteil in der Lampenspannung vor. Vorteilhafterweise vergleicht der Komparator 103 den Zählerstand N mit dem Ausgangswert N0 innerhalb bestimmter Toleranzgrenzen, um somit nicht voreilig auf das Vorliegen eines Gleichrichteffekts zu schließen. Das Ausgangssignal des Komparators 103 wird über ein durch ein Latch-Signal getaktetes D-Flip-Flop 108 der Messphasensteuerung 900 zugeführt, die - wie oben beschrieben worden ist - dieses Signal auswertet und insbesondere eine ereignisgefilterte Wertung durchführt, d.h. nur dann auf das Vorliegen eines Gleichspannungsanteil schließt, falls man von dem Komparator 103 beispielsweise 32 mal nacheinander jede 255. Periode der Lampenspannung ein Gleichspannungsanteil gemeldet wird. Fig. 2 shows a circuit implementation of this embodiment with an up / down counter 107, which receives as a real input signal, a signal UZERO and further as control signals a high-frequency reference clock signal CLK and a reset or reset signal. The signal UZERO assumes a positive and otherwise a negative voltage level during each positive half wave of the voltage applied to the terminal VL and thus detects the zero crossing of the lamp voltage. The counter 107 is initialized in case of concern of the reset signal to an average count, eg to the output counter value N 0 = 255. The counter 107 is started at zero crossing of the lamp voltage and counts during the subsequent half cycle of the lamp voltage either up or down. If the measuring signal, ie the lamp voltage, returns to the zero crossing after a half period, the counting direction of the counter 107 is reversed. After a full period of the lamp voltage, the current count N of the counter 103 is a comparator connected, which may be formed for example by the comparator 103 already described above. This comparator 103 compares the current counter reading N with the initialization value or the original counter reading of the counter 107. If there is no rectification effect, the counter reading N must have reached the output value N 0 again after reaching the next zero crossing of the lamp voltage. On the other hand, if the count N deviates from the output value N 0 , a DC voltage component is present in the lamp voltage. Advantageously, the comparator 103 compares the count N with the output value N 0 within certain tolerance limits, so as not to prematurely infer the presence of a rectifying effect. The output signal of the comparator 103 is fed via a clocked by a latch signal D flip-flop 108 of the measuring phase control 900, which - as described above - evaluates this signal and in particular performs an event filtered score, ie only on the presence of a DC voltage component closes if one of the comparator 103, for example, 32 times in succession each 255. period of the lamp voltage a DC voltage component is reported.

Die Erfindung wird nun anhand des in Fig. 6 dargestellten Blockdiagramms weiter erläutert.The invention will now be described with reference to the in Fig. 6 illustrated block diagram further explained.

Das erfindungsgemäße System zur sicheren Zündung von bspw. Gasentladungslampen enthält zwei wesentliche Komponenten nämlich eine Steuereinheit oder einen Controller 11 sowie eine Regelstrecke 12, welche die oben bereits erwähnten Wechselrichter oder Halbbrücke 1, einen Resonanz-Lastkreis 3 und die Lampe 4 aufweist.The system according to the invention for the reliable ignition of, for example, gas discharge lamps contains two essential components namely a control unit or a controller 11 and a controlled system 12, which comprises the above-mentioned inverter or half-bridge 1, a resonance load circuit 3 and the lamp 4.

Die Steuereinheit 11 steuert im wesentlichen zwei Schalter des Wechselrichters 1 zur Bereitstellung einer hochfrequenten Wechselspannung zur Zündung bzw. zum Betrieb der Gasentladungslampe 4.The control unit 11 essentially controls two switches of the inverter 1 for providing a high-frequency alternating voltage for ignition or for operation of the gas discharge lamp 4.

Die Leistung P_lamp und/oder die Spannung V_lamp der Gasentladungslampe 4 werden zunächst über verschiedene bekannte Verfahren erfasst. Die Lampenspannung V_lamp wird einer Einheit 14 zur Auswertung des Gleichspannungsanteils der Lampenspannung zugeführt. Diese Auswertung kann mittels verschiedener Verfahren durchgeführt werden, wie beispielsweise die oben im Zusammenhang mit Fig. 2 und 3 beschriebene Erfassung der Nulldurchgänge der Lampenspannung.The power P_lamp and / or the voltage V_lamp of the gas discharge lamp 4 are first detected by various known methods. The lamp voltage V_lamp is supplied to a unit 14 for evaluation of the DC voltage component of the lamp voltage. This evaluation can be performed by various methods, such as those discussed above FIGS. 2 and 3 described detection of the zero crossings of the lamp voltage.

Der Ist-Gleichspannungsanteil der Lampenspannung wird mit einem Sollwert DC-Target verglichen und die Differenz V_DC_lamp von beiden Werten wird einem DC-Regler 18 zugeführt. Für den DC-Regler 18 kann insbesondere einer der folgenden Regler genommen werden: Proportional-Regler (P-Regler), Proportional-Integral-Regler (PI-Regler), Proportional-Integral-Differential-Regler (PID-Regler), Proportional-Differential-Regler (PD-Regler). Im beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der DC-Regler 18 vorzugsweise ein PI-Regler.The actual DC voltage component of the lamp voltage is compared with a nominal value DC target, and the difference V_DC_lamp of both values is supplied to a DC controller 18. In particular, one of the following regulators can be used for the DC regulator 18: Proportional controller (P controller), proportional-integral controller (PI controller), proportional-integral-derivative controller (PID controller), proportional-derivative controller (PD controller). In the described embodiment, the DC controller 18 is preferably a PI controller.

Wie im folgenden beschrieben wird das Ausgangssignal des DC-Reglers 18 als Sollwert einem weiteren Regelungskreis, nämlich einem Lampenleistungs-Regelkreis zugeführt.As described below, the output signal of the DC controller 18 is supplied as a setpoint to another control circuit, namely a lamp power control loop.

Ein Analog-Digital-Umsetzer 13 wandelt die analog erfasste Lampenleistung P_lamp in ein digitales Signal um, das als Istwert mit der Stellgröße des DC-Reglers 18 als Solwert verglichen 15 wird. Das Ergebnis wird als Regeldifferenz einem Leistungsregler 17 zur Regelung der Lampenleistung zugeführt wird.An analog-to-digital converter 13 converts the analogously detected lamp power P_lamp into a digital signal which is compared as an actual value with the manipulated variable of the DC controller 18 as a sol value. The result is supplied as a control difference to a power regulator 17 for regulating the lamp power.

Als Stellgrösse steuert der Leistungsregler 17 bspw. die Frequenz der AC-Spannung der Lampe an. Üblicherweise wird dementsprechend die Frequenz des Wechselrichters angesteuert.As a manipulated variable, the power regulator 17 controls, for example, the frequency of the AC voltage of the lamp. Usually, the frequency of the inverter is accordingly controlled.

Es sind also zwei Regelkreise vorgesehen, wobei der äußere oder erste Regelkreis den DC-Regler 18 aufweist und den Sollwert DC-Target für den DC-Anteil an der Lampe 4 abhängig beispielsweise vom Betriebszustand oder aber auch von anderen Parametern aus dem Lampenkreis vorgibt. In diesem ersten Regelkreis ist ein innerer oder zweiter Regelkreis mit dem Leistungsregler 17 vorgesehen, der dann den Lampenbetrieb auf den (variabel vorgegebenen) DC-Anteil regelt.Thus, two control loops are provided, wherein the outer or first control loop has the DC controller 18 and predetermines the nominal value DC target for the DC component on the lamp 4 depending, for example, on the operating state or also on other parameters from the lamp circuit. In this first control circuit, an inner or second control loop with the power regulator 17 is provided, which then regulates the lamp operation to the (variably predetermined) DC component.

Folgende Größen können den variablen DC-Anteil (Sollwert) beeinflussen, indem der DC-Sollwert DC-Target entsprechend verändert wird:

  • Vorgabe eines ,dithering' oder sonstige regelmäßige oder zufällige Wechsel der DC-Sollwertvorgabe zur Verringerung beispielsweise von Quecksilbermigration,
  • eine kontinuierliche Einstellung des Sollwerts im Gegensatz zu schaltbaren (stufenförmigen) Sollwertvorgaben,
  • Lampenparameter, die beispielsweise auf einen Gleichrichtereffekt zurückschließen lassen, und
  • der aktuelle Betriebszustand der Lampe (nicht in Betrieb, Vorheizung, Zündung, in Betrieb).
The following variables can influence the variable DC component (setpoint) by changing the DC setpoint DC target accordingly:
  • Specification of a dithering or other regular or random change of the DC setpoint preselection to reduce, for example, mercury migration,
  • a continuous setting of the setpoint in contrast to switchable (step-shaped) setpoint specifications,
  • Lamp parameters, for example, can refer back to a rectifier effect, and
  • the current operating status of the lamp (not in operation, preheating, ignition, in operation).

Der Gleichrichtereffekt kann z.B. an älteren Leuchtstofflampen auftreten und zu einer Überlastung des Vorschaltgeräts führen. Die Leuchtstofflampe wirkt dann ähnlich wie ein Gleichrichter und lässt den Lampenstrom in einer Richtung bevorzugt durch, während er in Gegenrichtung weniger gut durchgelassen wird. Eine derartige Stromverschiebung zwischen einzelnen Lampenzweigen kann durch die Auswertung der Impedanz d.h. des Gleichspannungsanteils der Lampenspannung erfasst werden. Der Leistung der Lampe 4 kann somit entsprechend geregelt werden.The rectifier effect may e.g. on older fluorescent lamps and lead to overload of the ballast. The fluorescent lamp then acts in a similar way to a rectifier, preferentially passing the lamp current in one direction while being less well transmitted in the opposite direction. Such a current shift between individual lamp branches can be detected by the evaluation of the impedance i. the DC voltage component of the lamp voltage can be detected. The power of the lamp 4 can thus be regulated accordingly.

Fig. 7 zeigt, wie der DC-Anteil abhängig vom Betriebszustand der Lampe 4 gemacht werden kann. Fig. 7 shows how the DC component can be made dependent on the operating state of the lamp 4.

Nach dem Einschalten des Vorschaltgerätes (t=t1) steigt die Lampenspannung in der Regel an sofern in der Schaltung kein Kurzschluss ist. Sobald die Lampenspannung eine bestimmte Sollwert-Vorheizspannung erreicht, wird diese eine Zeit lang konstant gehalten. Während dieser Vorheizzeit bleibt der DC-Anteil-Sollwert gleich.After switching on the ballast (t = t1), the lamp voltage usually rises as long as there is no short circuit in the circuit. Once the lamp voltage reaches a certain setpoint preheat voltage, it is held constant for a time. During this preheat time, the DC component setpoint remains the same.

Sobald bei t=t2 die Vorheizzeit erreicht wird, senkt die Steuereinheit 11 die Frequenz des Wechselrichters 1. Dies hat zur Folge, dass die Spannung an den Anschlüssen der Lampe 4 ansteigt. Solange diese Lampenspannung regelmäßig steigt, wird der DC-Anteil-Sollwert dementsprechend regelmäßig herabgesetzt. Diese Phase ist auf Fig. 7 zwischen t2 und t3 zu beobachten.As soon as the preheating time is reached at t = t2, the control unit 11 lowers the frequency of the inverter 1. As a result, the voltage at the terminals of the lamp 4 increases. As long as this lamp voltage increases regularly, the DC component setpoint is reduced accordingly on a regular basis. This phase is up Fig. 7 between t2 and t3.

Wenn eine Zündung der Lampe 4 erfolgt, so sinkt die Lampenspannung bei t=t3 stark ab. Dies wird vom System durch die Erfassung der Lampenspannung erkannt, so dass nun der DC-Anteil-Sollwert auf ein niedrigeres und konstantes Niveau gehalten werden kann.When an ignition of the lamp 4 takes place, the lamp voltage drops sharply at t = t3. This is detected by the system by detecting the lamp voltage, so that now the DC component setpoint can be maintained at a lower and constant level.

Die Aktivierung des Regelkreises zündet also die Lampe und hält sie in der kritischen Phase nach der Zündung sicher in Betrieb. Der innere Regelkreis erfasst die Lampenleistung und bildet so die Möglichkeit, eine definierte Leistung einzustellen. Des Weiteren ist der innere Regelkreis so ausgelegt, dass durch ihn instabile Arbeitspunkte des äußeren Kreises stabilisiert werden können. Das ist beim Betrieb bei geringen Temperaturen und destabilisierten Lampen (Ablagerung von Quecksilber) notwendig.The activation of the control circuit thus ignites the lamp and keeps it safely in operation in the critical phase after ignition. The inner loop detects the lamp power and thus provides the opportunity to set a defined power. Furthermore, the inner loop is designed so that it can stabilize unstable operating points of the outer circle. This is necessary when operating at low temperatures and destabilized lamps (deposition of mercury).

Die äußere Regelschleife hält die DC-Spannung der Lampe konstant, was deren Widerstand entspricht. Der Sollwert der DC-Regelschleife ist auf die 1% Nennleistung einer Neuen Lampe bei Nominaltemperatur eingestellt. Um die Lampe zu zünden werden beide Regelkreise geschlossen. Die Anfangsbedingungen sind hierbei eine maximale Frequenz für den Ausgang des Leistungsreglers 17 und eine minimale Leistung für den Ausgang des DC-Reglers 18. Die DC-Regelschleife wird nun die vorhandene Regeldifferenz verringern und die Lampe zünden. Nachdem gezündet wurde, wird über die Regelungen auf den DC-Sollwert gefahren.The outer control loop keeps the DC voltage of the lamp constant, which corresponds to their resistance. The nominal value of the DC control loop is set to the 1% nominal power of a new lamp at nominal temperature. To ignite the lamp both control circuits are closed. The initial conditions here are a maximum frequency for the output of the power controller 17 and a minimum power for the output of the DC controller 18. The DC control loop will now reduce the existing control difference and ignite the lamp. After being ignited, the controls are used to set the DC setpoint.

In der Praxis zeigt sich, das über dieses Verfahren ein optimaler 1%-Start realisierbar ist. Hilfreich ist hierbei, dass schon vor dem Durchbrechen der Gasstrecke die teilweise Ionisation zu einer Reduktion des Lampenwiderstandes führt und somit sich positiv auf die Dynamik es Systems auswirkt. Die hier beschriebene Erfindung garantiert unter allen Bedingungen ein Höchstmaß an Qualität eines 1%-Starts.In practice, it can be seen that an optimum 1% startup can be achieved using this method. Helpful here is that even before the breakthrough of the gas line, the partial ionization leads to a reduction of the lamp resistance and thus has a positive effect on the dynamics of the system. The invention described here guarantees the highest quality of a 1% start in all conditions.

Eine mögliche Realisierungsmethode der Lampenstromerfassung ist, wie dargestellt, die Auswertung der Lampenspannung. Die Voraussetzung hierfür ist allerdings ein konstanter DC-Strom, der der Lampe zugeführt werden muss. Die Auswertung der Nullstellen, genauer das Verhältnis zwischen T_pos, Zeit während der das Signal positiv ist, und T_neg, Zeit während der das Signal negativ ist, beinhaltet eine Information über den Lampenstrom, sowie die Information der Lampenspannung.One possible realization method of the lamp current detection is, as shown, the evaluation of the lamp voltage. The prerequisite for this, however, is a constant DC current that must be supplied to the lamp. The evaluation of the zeros, more precisely the ratio between T_pos, time during which the signal is positive, and T_neg, time during which the signal is negative, includes information about the lamp current, as well as the information of the lamp voltage.

So ist es möglich im Betrieb der Lampe auf den Lampenstrom zu regeln und im Gasdefekt oder bei nicht vorhandener Lampe auf eine Lampenspannung zu regeln. Es handelt sich dann um eine Regelung der Zündspannung Lastkapazitätsunabhängig. Im Betrieb kann also auf den Strom geregelt werden: N_d c = C 1 π * arcsin - C Irms * 2 ,

Figure imgb0002
wobei C und C1 jeweils eine Konstante ist,
und im Falle eines Gasdefekts auf die Lampenspannung: N_d c = C 2 π * arcsin - C Vrms * 2 ,
Figure imgb0003

wobei C und C2 jeweils eine Konstante ist.It is thus possible to control the lamp current during operation of the lamp and to regulate it to a lamp voltage in the gas defect or in the absence of a lamp. It is then a regulation of the ignition voltage load capacity independent. In operation, the current can thus be regulated: N_D c = C 1 π * arcsin - C Irms * 2 .
Figure imgb0002
where C and C1 are each a constant,
and in the case of a gas defect on the lamp voltage: N_D c = C 2 π * arcsin - C Vrms * 2 .
Figure imgb0003

where C and C2 are each a constant.

Durch die immer aktivierte Leistungsregelschleife wird das System stes stabil gehalten. Das bedeutet, dass auch bei nicht immer stabilen Arbeitspunkten (z.B. aktiver - passiver Zweipol, Lampe - Ausgangskreis), das System stabil gehalten wird. Durch die hohen Anforderungen bezüglich Ausregelgeschwindigkeit der inneren Regelschleife ist sichergestellt, dass die innere Schleife keinen Engpass bezüglich Ausregelzeit darstellt.The always activated power control loop keeps the system stable. This means that even if the operating points are not always stable (for example, active - passive dipole, lamp - output circuit), the system is kept stable. Due to the high demands on the Ausregelgeschwindigkeit of the inner control loop ensures that the inner loop is not a bottleneck with respect to settling time.

Ein weiterer Vorteil ist die permanent eingeschaltete Leistungsregelung schon vor der Zündung der Lampe, da das System hier schon vollständig arbeitet und initialisiert ist. Es müssen keine Umschaltungen und Initialisierungen vorgenommen werden. Der Zündzeitpunkt spielt in diesem System keine Rolle mehr. Er kann Lampenbedingt und Umgebungsbedingt stark variieren, was für einen optimalen Start von Nachteil wäre.Another advantage is the permanently switched on power control even before the ignition of the lamp, since the system already works completely and is initialized. There are no switching and initialization must be made. The ignition timing is no longer important in this system. It can vary greatly due to the lamp and the environment, which would be a disadvantage for an optimal start.

Wie bereits erwähnt können die elektrischen Eigenschaften von Gasentladungslampen unter variablen Umgebungsbedingungen wie beispielsweise die Umgebungstemperatur, dem Alterungszustand und der Brenndauer (Quecksilberionisation) stark schwanken. Eine derartige Veränderung der elektrischen Eigenschaften der Gasentladungslampe bedeutet eine Veränderung der Spannungs-/Strom-Charakteristik der Lampe.As already mentioned, the electrical properties of gas discharge lamps can vary widely under variable environmental conditions such as ambient temperature, aging state and burning time (mercury ionization). Such a change in the electrical properties of the gas discharge lamp means a change in the voltage / current characteristic of the lamp.

Da ein gewisser Mindeststrom der Lampe sichergestellt werden muss, um die Gasstrecke im ionisierten Zustand zu belassen, und da dieser Mindeststrom wiederum vom Zustand der Lampe abhängig ist, vermeidet das erfindungsgemäßen Verfahren bzw. Betriebgerät ein Verlöschen der Gasentladungslampe, indem es ein Unterschreiten des umgebungsbedingungsabhängigen Mindestlampenstromes verhindert.Since a certain minimum current of the lamp must be ensured in order to leave the gas path in the ionized state, and since this minimum current in turn depends on the state of the lamp, the inventive method or operating device avoids extinction of the gas discharge lamp, by falling below the ambient condition-dependent minimum lamp current prevented.

Das erfindungsgemäßen Verfahren bedient sich der Ermittlung der umgebungsabhängigen elektrischen Parameter und damit des Mindeststromes, wobei der Lampenwiderstand der elektrische Parameter ist, welcher diesen Rückschluss zulässt. Dieser Lampenwiderstand kann messtechnisch über verschiedene bekannte Verfahren bestimmt werden und bildet die konstant zu haltende Messgröße.The method according to the invention makes use of the determination of the environment-dependent electrical parameters and thus of the minimum current, the lamp resistance being the electrical parameter permitting this inference. This lamp resistance can be determined by measurement using various known methods and forms the constant to be measured.

Ein Regelkreis ist erfindungsgemäß vorgesehen, um den Lampenwiderstand konstant zu halten (konstanter DC Strom, Messung der DC-Lampenspannung). Die Aktivierung des Regelkreises zündet die Lampe und hält sie in der kritischen Phase nach der Zündung sicher in Betrieb. Dadurch wird eine Regelung der Lampe erzielt, die bei verschiedenen Betriebszuständen der Lampe (wie beispielsweise Vorheizung, Zündung, Betrieb) angewendet wird, wobei der DC-Anteil der Lampenspannung ausgewertet wird. Die Regelparameter passen sich dabei an den Lampenzustand an, was durch die Kombination von Regelschleifen ermöglicht wird. Durch eine solche Regelung kann auf eine Zünderkennung verzichtet werden, trotzdem wird ein sauberer Start ohne Lichtblitz auch bei niedrigen Dimmleveln erreicht.A control loop is provided according to the invention in order to keep the lamp resistance constant (constant DC current, measurement of the DC lamp voltage). The activation of the control circuit ignites the lamp and keeps it safely in operation in the critical phase after ignition. Thereby, a control of the lamp is achieved, which is applied in different operating conditions of the lamp (such as preheating, ignition, operation), wherein the DC component of the lamp voltage is evaluated. The control parameters adapt to the lamp condition, which is made possible by the combination of control loops. By such a scheme can be dispensed igniter detection, yet a clean start without light flash is achieved even at low dimming levels.

Claims (22)

  1. A method for the regulation of the operation of at least one fluorescent lamp (4) operated with AC voltage, having the following steps:
    - targeted superposition (RDC, D) of a DC voltage at the fluorescent lamp (4),
    - determination (5) of the DC voltage component of the fluorescent lamp voltage, and
    - regulation (7, 8) of the operation of the fluorescent lamp (4), at least before the ignition of the fluorescent lamp (4), on the basis of the determined DC voltage component as a regulation parameter.
  2. A method according to claim 1, having the following steps before the ignition of the fluorescent lamp (4) :
    - targeted superposition (D, RDC) of a DC voltage at the fluorescent lamp (4),
    - detection (5) of the DC voltage component of the fluorescent lamp voltage, and
    - evaluation (7) of the DC voltage component of the fluorescent lamp as an input parameter of the regulation (8) of the lamp power.
  3. A method in accordance with any preceding claim,
    wherein the DC voltage reference parameter depends on the operating state of the lamp, such as for example pre-heating, ignition or operation.
  4. A method in accordance with any preceding claim,
    wherein the lamp resistance is held constant.
  5. A method in accordance with any preceding claim,
    wherein the DC voltage component is determined on the basis of a measurement signal derived at a voltage divider (R1, R2).
  6. A method in accordance with any preceding claim,
    wherein the DC voltage component of the lamp voltage is determined on the basis of the spacings of the zero crossings of the lamp voltage.
  7. A method in accordance with any preceding claim,
    wherein the regulation (7, 8) of the lamp power is effected digitally.
  8. A method in accordance with any preceding claim,
    wherein the regulation of the DC lamp voltage is effected digitally.
  9. A method in accordance with any preceding claim,
    wherein a dimming value predetermined externally is taken into account for the regulation of the lamp power.
  10. A method according to claim 9,
    wherein, depending on the value of the DC voltage component of the lamp voltage, the power of the lamp is increased to a value which is above the externally predetermined dimming value.
  11. An operating device for control of at least one fluorescent lamp (4) operated with AC voltage, having:
    - a circuit (RDC, D) for targeted superposition of a DC voltage at the fluorescent lamps (4),
    - a circuit (R1, R2, 5) for the determination of the lamp voltage of the fluorescent lamp (4), and
    - a lamp regulation circuit (7, 8) for the regulation of the operation of the fluorescent lamp (4), at least before the ignition of the lamp (4), with the determined DC voltage component as a regulation parameter.
  12. An operating device according to claim 11, having:
    - a circuit (RDC, D) for the targeted superposition of a DC voltage at the fluorescent lamps,
    - a circuit for the determination of the lamp voltage of the fluorescent lamp, and
    - a lamp regulation circuit for the regulation of the lamp power of the fluorescent lamp, to which the DC voltage component of the fluorescent lamp is delivered as an input parameter,
    wherein the lamp regulation circuit is constituted to regulate the lamp power already before the ignition of the fluorescent lamp.
  13. An operating device according to any of claims 11 to 12, wherein the DC voltage reference parameter depends on the operating state of the lamp (4) - such as for example pre-heating, ignition or operation.
  14. An operating device according to any of claims 11 to 13, wherein means of the lamp regulation circuit keep the lamp resistance constant.
  15. An operating device according to any of claims 11 to 14, having a voltage divider (R1, R2) for the determination of the DC voltage component.
  16. An operating device according to any of claims 12 to 15, wherein the DC voltage component of the lamp voltage is determined on the basis of the spacings of the zero crossings of the lamp voltage.
  17. An operating device according to any of claims 12 to 16, having means (8) for the digital regulation of the lamp power.
  18. An operating device according to any of claims 12 to 17, having means (8) for the digital regulation of the DC lamp voltage.
  19. An operating device according to any of claims 12 to 18, wherein the lamp regulation circuit has an input for externally predetermined dimming values.
  20. An operating device according to any of claims 12 to 19, wherein, depending on the value of the DC voltage component of the lamp voltage, the regulation circuit increases the power of the lamp (4) to a value which is above the externally predetermined dimming value.
  21. Electronic ballast, having an operating device according to any of claims 11 to 20.
  22. Luminaire, having a ballast according to claim 21.
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