JP2010516029A - 高圧放電ランプを作動させるための回路装置および方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、ハーフブリッジ装置内に少なくとも1つの第1および第2の電子スイッチと、ハーフブリッジ装置に直流電圧信号を供給する給電端子と、ランプチョークコイルを含み、一方ではハーフブリッジ中点に接続されており、他方では前記高圧放電ランプに接続するための少なくとも1つの端子に接続されている負荷回路と、第1および第2の電子スイッチに少なくとも1つの第1および第2の制御信号を供給する制御回路とを有する高圧放電ランプを作動させる回路装置に関する。制御回路は、第1および第2の制御信号を、そのクロックが第1と第2の周波数との間で掃引されており、所定の第3の周波数で変調されているように供給する。制御回路はさらに、高圧放電ランプに接続するための端子における信号の電力スペクトルにおいて所定の第3の周波数のスペクトル線が生じるように所定の第3の周波数による変調を実施する。
Description
本発明は、ハーフブリッジ装置内の少なくとも1つの第1の電子スイッチと、少なくとも1つの第2の電子スイッチと、ハーフブリッジ装置に直流電圧信号を供給するための給電端子と、ランプチョークコイルを含み、且つ一方ではハーフブリッジ中点に接続されており、他方では高圧放電ランプに接続するための少なくとも1つの端子に接続されている負荷回路と、第1の電子スイッチおよび第2の電子スイッチに少なくとも1つの第1の制御信号および少なくとも1つの第2の制御信号を供給するための制御回路とを備えた高圧放電ランプを作動させるための回路装置に関する。制御回路は第1の制御信号および第2の制御信号を、そのクロックが一方では第1の周波数と第2の周波数との間で掃引されており、他方では所定の第3の周波数で変調されているように供給するよう設計されている。さらに本発明は、相応の回路装置において高圧放電ランプを作動させるための方法にも関する。
背景技術
この種の回路装置およびこの種の方法はEP 1 501 338 A2から公知であり、これを以下においてさらに詳細に検討する。
この種の回路装置およびこの種の方法はEP 1 501 338 A2から公知であり、これを以下においてさらに詳細に検討する。
一般的に、高圧放電ランプを作動させるためには正弦波状の動作交流電圧が必要とされ、この交流電圧の周波数は高圧放電ランプの幾何学に応じて45kHz〜55kHzの範囲において、大抵は100Hzクロックでのこぎり波状に掃引される。掃引動作は一般的に永続的な音響的共振を阻止し、さらにはプラズマアークの安定化に寄与する(アーク整流;Arc-Straighning)。
高効率の金属ハロゲン化物ランプでは、充填物をより良好に混合させるために、掃引動作の他に動作交流電圧も同時に振幅変調されることが望ましい。この変調も同様に、高圧放電ランプの幾何学、殊にランプのガラス球の幾何学に応じて、典型的には23kHz〜30kHzの周波数で、また典型的には10%〜40%の変調深度で調整できることが望ましい。振幅変調はプラズマアークにおける特別な縦方向の音響的共振を所期のように励起するために使用される。このような縦モードとしての励起の特性は安定性に関してプラズマアークの燃焼特性に影響を及ぼさないが、付加的に、燃焼空間におけるガス成分をより一層混合させる。このことは混色(Colormixing)として当業者には公知である。振幅変調により一方では、殊に垂直方向における動作では、プラズマアークに沿った均一な光密度が生じ、他方では光効率が著しく上昇する。
高圧放電ランプを電子的な抵抗安定器に接続するためにハーフブリッジ装置内にインバータが使用される場合には、一般的に、その個所において振幅変調を行うことは困難である。したがって従来技術(DE 10 2005 028 4127.5を参照されたい)においては、振幅変調に別個の前段部を介してハーフブリッジの給電電圧が適用されていた。このことは回路構成の点から見て、少なくとも1つのチョークコイルおよび1つまたは2つの電子スイッチを必要とする。
ランプを電子的な抵抗安定器に接続するためにフルブリッジ装置においてインバータが使用される場合には、EP 1 501 338に記載されているように、一般的に、対向して配置されている相応の電子スイッチを制御する際の位相変調によって振幅変調を実施することができる。フルブリッジ装置においてインバータを実現するための2つの付加的な電子スイッチが必要とされる煩雑さに加え、この形態は以下の欠点を有する。すなわち、非活動のむだ時間が比較的長い場合に、大抵は電子スイッチとして使用される電界効果トランジスタを保護するために電圧を要しない切り替え、いわゆるゼロボルトスイッチングを維持できるようにするために、負荷回路が十分に調整されなければならない。またフルブリッジ装置においてインバータが使用される場合には、2つのランプ線路において高調波の差分信号を外に向かって送信するために、EMCの理由から2つの出力側における急峻なエッジに起因して、ランプは変換トランスを介して電子的な抵抗安定器から分離されなければならない。
発明の開示
したがって本発明の課題は、振幅変調を低減されたコストで実現し、それと同時にハーフブリッジ装置においてインバータを使用できるように冒頭で述べたような回路装置または冒頭で述べたような方法を発展させることである。
したがって本発明の課題は、振幅変調を低減されたコストで実現し、それと同時にハーフブリッジ装置においてインバータを使用できるように冒頭で述べたような回路装置または冒頭で述べたような方法を発展させることである。
この課題は、請求項1記載の特徴を備えた回路装置および請求項15記載の特徴を備えた方法によって解決される。
本発明は基本的に、原理的にはハーフブリッジ装置内のインバータの入力側における周波数変調に基づいて、高圧放電ランプに対する制御信号の振幅変調を実施することができるという認識を基礎とする。これによって、従来技術と関連させて既に説明したように、従来技術では必要とされる別個の前置変調段を省略することができ、したがって構成要素の数が著しく低減される。これは有利には、必要とされる面積要求にも、効率および実現コストにも反映される。
したがって本発明は、前述のEP 1 501 338とは異なる構成を採用している。本発明の請求項1においては、制御信号のクロックが第1の周波数と第2の周波数との間で掃引され、且つ制御信号のパルス幅および/または位相が所定の第3の周波数で変調されるように制御回路が設計されていることが読み取れるが、確かにパルス幅は変更されるものの、この変更は周期長、逆に言えば動作周波数がその都度常に同一に維持されるように1周期内で行われると言える。したがって、第3の周波数で定量化された周波数変調は存在しない(もちろん緩慢な掃引調整は除外される)。この刊行物の図6に示されているような、搬送周波数が一定に維持されている場合のパルス幅変調ではフルブリッジ装置においてしか振幅変調を実施できない。フルブリッジ装置においては、2組がそれぞれ対角線上に対向して配置されている電子スイッチに提供される。本発明が目標とするようなハーフブリッジ装置においては、この構成では所望の結果を得られない。何故ならば、ハーフブリッジにおいては上側のスイッチと下側のスイッチが周期中は必ず緩慢なむだ時間無く相補的に駆動されなければならず、このような周辺状況下では振幅変調の所要スペクトル純度を提供できないからである。殊に、正弦波状の振幅変調を行うことができず、またシステムに起因して常に複数の混合された変調周波数が得られる。
前述の刊行物と関連させて説明した位相変調を用いる実施形態では、フルブリッジの対向するブランチを制御するために、一定の動作周波数を有しており、且つ相互に反対の2つのクロック信号が設けられており、振幅変調効果を生じさせるために、対向する2つのクロック信号の位相位置が相互に第3の周波数のクロックでずらされる。2つのクロック信号のどちらかが時間的に一定のままであるか、または2つのクロック信号が時間的にそれぞれ一定の期間に関してずらされるか否かは全く重要ではない。何故ならば、相互の相対的なずれのみが効果を有するからである。
位相シフトの過渡的な作用によっても周波数シフトの効果が自ずともたらされるということは、フルブリッジ装置への適用に関係ない。何故ならば、所望の振幅変調効果を自ずともたらすシフトが目標とされるからである。
本発明においては最初から、ステップダウンコンバータ回路を介して出力を変更するためのパルス幅変調、またはフルブリッジ装置を介して出力を変更するための2つの制御信号の位相シフト変調を基礎とする効果は目標としていない。何故ならば、この効果は前述のように、高効率のランプのスペクトル的に純正な作動に関して、この回路装置でしか達成できないからである。
むしろ本発明においては、ハーフブリッジ装置におけるインバータのための単一の制御信号を介する周波数変調に基づいて達成することができる効果を目標とする。もちろん当業者には周知であるように、インバータのための単一の制御信号からは一般的にハーフブリッジドライバにおいてハーフブリッジ装置の第1のスイッチおよび第2のスイッチのための第1の制御信号および第2の制御信号が形成され、これらの第1の制御信号および第2の制御信号は常に相補的である。ハーフブリッジ中点において形成される信号、殊に矩形波信号はその形状に関して、インバータの入力側、すなわちハーフブリッジドライバの入力側における制御信号と正確に一致する信号である。周波数変調に際して動作周波数が変調周波数、すなわち第3の周波数のクロックで正弦波状に変調される。掃引の調整はここでもまた除外されている。すなわち動作周波数は時間的に変更され、これによって連続的に変化する瞬時値を有し、名目上の値に応じて平均値のみが一定である。この周波数変調は、負荷回路において比較的高次の高調波がフィルタリングされた後に、ランプにおいて振幅変調された所望の動作信号を形成する。
第1の実施形態においては、第1の制御信号および第2の制御信号の振幅スペクトルにおいて、少なくとも1つの第1のスペクトル線、少なくとも1つの第2のスペクトル線および少なくとも1つの第3のスペクトル線が現われるように所定の第3の周波数を用いた変調が行われるように制御回路が設計されている。ここで、第1のスペクトル線は掃引されるクロックの目下の周波数に対応し、第2のスペクトル線および第3のスペクトル線は所定の第3の周波数の絶対値の距離を置いて、第1のスペクトル線について対称的に現われる。
有利には、第2のスペクトル線および第3のスペクトル線における信号の位相位置は、ハーフブリッジ中点における信号の振幅スペクトルにおいて所定の第3の周波数のスペクトル線が生じないように設定されている。
さらに有利には、高圧放電ランプに接続するための端子における電力スペクトルにおいて、高圧放電ランプが接続されている場合には、所定の第3の周波数のスペクトル線が生じるように負荷回路が共振回路として構成されている。一般的に、第1の周波数と第2の周波数との間で掃引されるクロックの周波数変調が所定の第3の周波数で行われるように制御回路が設計されている。
この周波数変調を達成するために、基本的には3つの異なるバリエーションが提案される:
第1のバリエーションにおいては、制御回路がパルス幅変調モジュールを有し、パルス幅変調モジュールのクロック入力側は第1の周波数と第2の周波数との間で掃引されるクロックに関するソースに接続されており、変調入力側は第3の周波数の信号に関するソースと接続されている。ここで制御回路は、第1の周波数と第2の周波数との間で掃引される信号のパルス幅が第3の周波数の信号に依存して、殊に第3の周波数の信号の瞬時値に依存して変調されるように設計されている。
第1のバリエーションにおいては、制御回路がパルス幅変調モジュールを有し、パルス幅変調モジュールのクロック入力側は第1の周波数と第2の周波数との間で掃引されるクロックに関するソースに接続されており、変調入力側は第3の周波数の信号に関するソースと接続されている。ここで制御回路は、第1の周波数と第2の周波数との間で掃引される信号のパルス幅が第3の周波数の信号に依存して、殊に第3の周波数の信号の瞬時値に依存して変調されるように設計されている。
有利には、制御回路が以下のように設計されている。すなわち、第1の周波数と第2の周波数との間で掃引されるクロックのパルス幅は第3の周波数の信号の瞬時値に依存して、所定の時点に、殊に時間的に等間隔の時点に第3の周波数の信号の瞬時値が求められ、求められた瞬時値に応じて掃引されるクロックの目下のパルス幅が拡大または縮小されるように変調される。
第1の制御信号および第2の制御信号において上昇エッジもパルス中心も第3の周波数のクロックで、第1の周波数と第2の周波数との間で掃引された変調されていないクロックに対してずらすことができる。
提案される第2のバリエーションにおいては、制御回路が位相シフトモジュールを有し、位相シフトモジュールのクロック入力側は、第1の周波数と第2の周波数との間で掃引されるクロックに関するソースに接続されており、変調入力側は第3の周波数の信号に関するソースと接続されている。ここで制御回路は、第1の周波数と第2の周波数との間で掃引される信号の開始エッジおよび終了エッジが第3の周波数の信号に依存して、殊に第3の周波数の信号の瞬時値に依存してずらされるように設計されている。
第3のバリエーションにおいては制御回路が位相シフトモジュールおよびパルス幅変調モジュールを有する。制御回路は、第1の周波数と第2の周波数との間で掃引されるクロック信号においては、先ず開始エッジが第3の周波数の信号に依存してずらされ、続いて同様のやり方で本来のパルス中心の位置が同様に第3の周波数の信号に依存してずらされるように設計されている。
クロック周波数は有利には150kHzを下回り、有利には30kHz〜90kHz、殊に有利には40kHz〜60kHzである。
第3の周波数は有利には50kHzを下回り、有利には20kHz〜35kHzである。掃引周波数は有利には50Hz〜500Hz、有利には80Hz〜200Hzである。
上述したように本発明の目標は、ハーフブリッジ装置における2つの電子スイッチを有するインバータを使用して、高圧放電ランプの動作電圧を振幅変調する回路装置を実現することである。
それにもかかわらず、選択的に、殊により高いランプ動作電圧が必要とされる場合には、第3の電子スイッチおよび第4の電子スイッチをさらに設けることも考えられる。この場合、第1、第2、第3および第4の電子スイッチはフルブリッジ装置において接続されており、また制御回路は、第3の電子スイッチおよび第4の電子スイッチに対する制御信号も第1の電子スイッチおよび第2の電子スイッチに対する制御信号に応じて、殊に相補的であるように供給されるよう設計されている。この場合にはデューティ比が50%と十分に一定であるので、ゼロボルトスイッチングのためのフリーホイール条件は比較的高い変調度に関してもクリティカルではない。
本発明による回路装置に関連させて説明した有利な実施形態およびそれらの利点は、適用可能であるかぎり、本発明による方法にも相応に該当する。
図1は、高圧放電ランプを含めたランプ共振回路の構成要素に関する代替回路図を示し、ここでUe(t)はインバータから供給される電圧であり、Ua(t)は高圧放電ランプにおいて形成される電圧であり、L1およびC1は負荷回路のランプチョークコイルL1およびコンデンサであり、CBは結合コンデンサであり、RLは高圧放電ランプLaの代表的なオーム抵抗である。
換言すれば、ランプLaにおける信号Ue(t)によるランプ負荷回路L1 C1の励起は出力信号Ua(t)を形成し、この出力信号Ua(t)は負荷回路の周波数特性ないし伝達応答に応じてフィルタリングないし減衰されている。負荷回路の周波数伝達特性は図2a〜2cにおいて、出力電圧Ua(t)に関して(図2a)、出力電力PaLに関して(図2b)、また位相角度phiに関して(図2c)示されており、この実施形態に関して伝達最大値は通常の場合、26kHzを僅かに下回る範囲にある。したがって角度phiは入力電圧Ue(t)と出力電圧Ua(t)との位相差を表す。
本発明におけるプロシージャを実施するために、ここでは、伝達最大値が典型的には26kHzを極僅かに下回る範囲にあるように負荷回路の周波数特性は設計されているものとする。したがって変調された矩形状の電圧信号が供給される場合、一方では45kHzから55kHzの間で掃引される搬送周波数が十分良好に伝達され、他方では約26kHzまたは約74kHzのその側波帯も十分良好に伝達され、これによりランプの動作モードを維持することができる。
本発明におけるプロシージャを実施するために、ここでは、伝達最大値が典型的には26kHzを極僅かに下回る範囲にあるように負荷回路の周波数特性は設計されているものとする。したがって変調された矩形状の電圧信号が供給される場合、一方では45kHzから55kHzの間で掃引される搬送周波数が十分良好に伝達され、他方では約26kHzまたは約74kHzのその側波帯も十分良好に伝達され、これによりランプの動作モードを維持することができる。
2つの側波帯を有する振幅変調された入力電圧Ue(f)の振幅スペクトルが図3aに示されている。図3bは、所属の電力スペクトルPe(f)を示す。補足として、従来技術から公知のプロシージャではUe(f)はUa(f)に等しく、Pe(f)はPa(f)に等しいことを言及しておく。ここで振幅変調指数は約0.5である。周波数帯域の幅は、振幅スペクトルにおいては45kHzから55kHzの間にあり、また電力スペクトルにおいては相応に高い90kHzから124kHzの間にある本発明の掃引を示唆する。矢印によって示唆されているように、電力スペクトルにおける24kHzおよび48kHzでの掃引されなかった線、したがって急峻な線は24kHzでの振幅変調の結果であり、高圧放電ランプにおける混色モードを惹起する。0kHzにおける線はランプにおいて変換される平均電力に相当する。
電圧Ue(f)に比例する、周波数変調された電圧UM(f)の振幅スペクトルが図4a(算出された振幅スペクトル)および図4d(測定された振幅スペクトル)に示されている。2つの側波帯がはっきりと見て取れる。スペクトルPe(f)に比例する所属の電力スペクトルPM(f)が図4b(算出された電力スペクトル)および図4e(測定された電力スペクトル)に示されている。
ランプ共振回路の出力側において得られる振幅スペクトルUa(f)が図5a(算出された振幅スペクトル)および図5c(測定された振幅スペクトル)に示されている。ランプ共振回路におけるフィルタリング後に得られる電力スペクトルPa(f)が図5b(算出された電力スペクトル)および図5d(測定された電力スペクトル)に示されている。2つの側波帯およびfmod(24kHz)での特異な変調線がはっきりと見て取れる。
ランプ共振回路の入力側における信号UM(t)の時間的な経過が図4cに示されている。
周波数帯域の幅は、振幅スペクトルにおいて45kHzから55kHzの間にあり、また電力スペクトルにおいては相応に高い90kHzから124kHzの間にある前述の掃引に由来する。図5bまたは図5dにおける矢印によって示唆されているように、電力スペクトルにおける24kHzおよび48kHzでの掃引されなかった線、したがって急峻な線は24kHzでの振幅変調の結果であり、高圧放電ランプにおける混色モードを惹起する。0kHzにおける線はランプにおいて変換される平均電力に相当する。
以下では、マイクロコントローラにおいて周波数変調をディジタル形式で実施する有利な実施形態を詳細に説明するが、直接的でプログラム技術的なあらゆる実施形態によっても所望の目的は達成される:
周波数変調された信号は一般的に以下のように表される:
ここで、Ue(t)はハーフブリッジに対する入力信号を表す;
Uoはハーフブリッジ回路に対する給電電圧であり、通常はいわゆる中間回路電圧である;
fcは、ここでは典型的には第1の周波数f1=45kHzと第2の周波数f2=55kHzの間で掃引される搬送周波数である。掃引のための搬送周波数の調整は本願発明の考察において重要ではない。何故ならば、ここでは必要とされる約100Hzの反復率は静的であると見なされるからである;
fmodは、ここでは典型的に24kHzである変調周波数を表す。
周波数変調された信号は一般的に以下のように表される:
Uoはハーフブリッジ回路に対する給電電圧であり、通常はいわゆる中間回路電圧である;
fcは、ここでは典型的には第1の周波数f1=45kHzと第2の周波数f2=55kHzの間で掃引される搬送周波数である。掃引のための搬送周波数の調整は本願発明の考察において重要ではない。何故ならば、ここでは必要とされる約100Hzの反復率は静的であると見なされるからである;
fmodは、ここでは典型的に24kHzである変調周波数を表す。
外側の正弦関数に対する係数2/πは、ハーフブリッジの電子スイッチに関する一般的には矩形波状の制御を補正するための係数である。
変調度m=to/Tc=to fcが変更されると(ここで、toは1つの変調周期における制御信号の最大時間オフセットであり、実際には所望の変調度に応じて0〜Tcである)、周波数変調を以下のように表すことができる;
Ue(t)のスペクトル分析は一般的に閉じた式では不可能である。したがって一般の近似解を用いて処理する必要があるか、数値シミュレーション法を使用する必要があり、これらはいずれも同一の結果をもたらす。
m<1に関して:Jo(m)=1−m2/4=1;J1(m)=m/2;J2(m)=m2/4。
したがってUe(t)は3つの項を含む:
第1項は周波数fcの純粋な搬送信号に対応する;
第2項は、周波数fcの搬送周波数を有さない、周波数(fc+fmod)および(fc−fmod)の2つの純粋な側波帯に対応する;
第3項は、搬送周波数fcを有さない、周波数(fc+2・fmod)および(fc−2・fmod)の強度の低い2つの純粋な側波帯に対応する。
第1項は周波数fcの純粋な搬送信号に対応する;
第2項は、周波数fcの搬送周波数を有さない、周波数(fc+fmod)および(fc−fmod)の2つの純粋な側波帯に対応する;
第3項は、搬送周波数fcを有さない、周波数(fc+2・fmod)および(fc−2・fmod)の強度の低い2つの純粋な側波帯に対応する。
すなわち、一定の振幅および一定の変調周波数の周波数変調された入力信号の振幅スペクトルはシングルトーンFM特性に対応する。これは周波数fcの搬送信号であり、その側波帯は間隔fmod、2・fmod〜n・fmodで現われるが、その強度はベッセル係数Jn(m)に応じて減少する。
共振回路のフィルタ特性を以下のように設計する必要がある。すなわち、一方では所望の変調深度に応じて共振回路によってカバーされる必要な周波数領域が伝送され、他方ではシングルトーンFMによって形成される比較的高次の側波帯が十分にフィルタリングされるように、すなわち最終的には、実質的に26kHzおよび76kHzの1次の2つの側波帯のみが搬送されるようにするために、主として100kHzを上回る比較的高い周波数に対する減衰が十分な強さである。
総じて以下のことが言える:振幅スペクトルはランプの共振回路の入力側および出力側において、従来技術から公知の「古典的な」振幅変調でも、本発明による「周波数変調」でも同一である。
これに対して共振回路の入力側における電力スペクトルは、従来技術から公知の「古典的な」振幅変調法においてのみ、ランプの共振回路の出力側における電力スペクトルと同一である。
本発明によるプロシージャでは、共振回路の入力側における電力スペクトルは共振回路の出力側における電力スペクトルと同一ではない。
算出されたスペクトルにおいては、明瞭性の理由から、基本波のみが考慮されており、矩形波状の制御信号からの高次高調波は図示されていない。スペクトル領域の拡大は緩慢にカバーされる掃引領域、典型的には約100Hzの掃引反復率での45kHzから55kHzの領域に由来する。
周波数変調されたハーフブリッジ入力信号(図6を参照されたい)の算出された振幅スペクトルが図4aに示されており、所属の測定された振幅スペクトルが図4dに示されている。周波数fcにおける成分ならびに周波数fc+fmodおよびfc−fmodにおける成分がはっきりと見て取れる。ハーフブリッジの入力側における信号の算出された電力スペクトルが図4bに示されており、所属の測定された電力スペクトルが図4eに示されている。24kHzにおいて特異な変調線は生じていないことがはっきりと見て取れる。図4cはハーフブリッジ入力信号の時間的な経過を示す。上述したように、UMはUeに比例する。
ランプにおける出力信号Ua(t)の算出された振幅スペクトルが図5aに示されており、所属の測定された振幅スペクトルUa(f)が図5cに示されている。
ランプにおける算出された電力スペクトルPa(f)が図5bに示されており、所属の測定された電力スペクトルが図5dに示されている。電力スペクトルにおいて見て取れる狭いスペクトル線は変調の個別の急峻な線を示唆する。
負荷回路のフィルタ特性の設計によって、50%までの変調深度を達成することができる。
中間結果として、マイクロコントローラを用いたハーフブリッジの電子スイッチに対する制御信号を基礎とするだけで、付加的な電子的な電力コンポーネントを要することなく、高圧放電ランプの動作に関する所望の変調が実施されることを確認できる。
図6は、本発明による回路装置の実施例を示す。いわゆるランプインバータ10は、第1のスイッチS1および第2のスイッチS2をハーフブリッジ装置内に有するインバータ12を含む。ハーフブリッジ装置は制御入力側を介して電圧Ue1またはUe2によって制御される。電圧Ue1およびUe2は常に相補的であり、信号技術的に入力信号Ue(t)によって表すことができる。
ランプインバータ10はさらに負荷回路または共振回路14を含み、この共振回路14はチョークコイルL1およびコンデンサC1を有する。ハーフブリッジ装置は給電電圧Uoによって給電され、この給電電圧Uoは通常の場合、いわゆる中間回路電圧である。
図示されている実施例において、ドライバ回路16を介して電圧Ue1およびUe2が導出されるランプインバータ10の入力信号Ueはマイクロコントローラ18から供給される。マイクロコントローラ18の構成要素を離散的に構成できることも言及しておく。マイクロコントローラ18においては、入力側20を介して電圧UR2、すなわち分圧器R1,R2の抵抗R2において降下する電圧が供給される。
電圧UR2はランプLaにおける電圧Uaに比例し、ランプ電圧の振幅および振幅変調度の測定を実現する。電圧UR2は一方では、コンデンサCPおよび抵抗RPを含むローパスフィルタに供給され、出力電圧Uaの平均値に比例する電圧UPを形成する。
電圧UR2は他方ではハイパス回路22に供給され、ダイオードにおいて整流され、これにより目下の変調変動度ΔUistが得られる。測定された2つのパラメータから変調度の目下の値
mist=ΔUist/UP
が求められる。
mist=ΔUist/UP
が求められる。
インタフェース24を介して変調度の目標値mSollを入力することができる。この目標値mSollが乗算器26においてUPと乗算され、したがって出力側にはΔUSollが供給される。コントローラ28は、ΔUist=ΔUSollとなるような制御を行う。
コントローラ28の出力側においては制御量が変調度に関する調整量として提供され、ブロック30に供給される。さらにブロック30は24kHz周波数発生器32から周波数fmod=24kHzの正弦波信号を得る。ブロック30の出力側には24kHzの信号が提供される。この信号の振幅は閉ループ制御されており、また所望の変調度msollに対応する。
周波数発生器34を介して、のこぎり波状の100Hzの掃引信号が形成される。のこぎり波状の掃引信号の振幅も24kHzの信号の振幅も制御されており、周波数発生器36に供給される。この周波数発生器36は2つの入力信号、すなわち入力側38におけるのこぎり波状の掃引信号ならびに入力側40における振幅制御されたfmod信号を処理し、信号Ueを形成する。これにより、fmodの正弦波状のクロックで周波数変調された信号であり、その中心周波数はfmodと比べて非常に緩慢に掃引制御信号の100Hzクロックでのこぎり波状に調整される。
当業者には周知であるように、ハーフブリッジに由来する直流成分を阻止するために使用される結合コンデンサCLaを別の個所、例えばランプチョークコイルL1とランプLaとの間、ランプLaと電圧Uo用の端子との間などに取り付けることも可能である。さらには、ランプの直流電気的な分離が所望される場合には、出力回路内にトランスを備えた実施形態も可能である。
図7A〜図7cおよび図8は、本発明の4つの異なるバリエーションによる電圧Ueの形成を示す。
それぞれの曲線a)は、ここでは24kHzの周波数fmodを有する矩形波信号を表す。この矩形波信号から、マイクロコントローラにおいて先ずそれぞれの曲線b)のような三角波信号、またそこからそれぞれの曲線c)のような正弦波信号が形成される。4つのバリエーションは曲線e)およびf)において異なり、3つの曲線では50kHzの信号、すなわち掃引される搬送周波数の中心周波数が曲線d)で表されており、この中心周波数は所望の信号の形成の際に非常に重要である。曲線e)は5Vのレベルにあるハーフブリッジ制御信号としてのそれぞれの電圧Ue(t)を表し、それぞれの曲線f)は約500Vのレベルにあるハーフブリッジ中点Mにおける、曲線e)と同形状の電圧UMを表す。
図7a〜図7cはパルス幅変調モジュールが使用される実施形態を示す。パルス幅変調モジュールのクロック入力側は、第1の周波数と第2の周波数との間で掃引される周波数に関するソースに接続されており、また変調入力側は変調周波数の信号に関するソースと接続されている。第1の周波数と第2の周波数との間で掃引される信号のパルス幅が変調周波数の信号に依存して、殊に変調周波数の信号の瞬時値に依存して変調されるように制御回路18は設計されている。
図7aは、非等間隔サンプリングの例を示す。周波数fcを有する掃引された信号のパルス幅は信号のエッジが現れる度に周期的な変調信号fmodの瞬時値に応じて(曲線c)を参照されたい)調整される。したがって、曲線c)による変調信号の小さい振幅により小さいパルス幅が生じ、変調信号の大きい振幅により大きいパルス幅が生じる。相応のパルス幅が経過すると、正弦波信号(曲線c))の存在する瞬時値に応じて後続のパルス幅が規定される。
図7bに示されているバリエーションによれば制御回路18は以下のように設計されている。すなわち、第1の周波数と第2の周波数との間で掃引されるクロックのパルス幅は変調周波数の信号の瞬時値に依存して、所定の時点に、殊に時間的に等間隔の時点に変調周波数の信号の瞬時値が求められ、求められた瞬時値に応じて掃引されるクロックの目下のパルス幅が拡大されるか縮小されるように変調される。選択されるサンプリングレートが高くなればなるほど、パルス幅の変更による周波数変調はより完全になるが、マイクロコントローラはより多くクロック制御を行わなければならなくなり、これによってもちろん、仕様によって定められている限界に何時かは達してしまう。したがって有利には、実際上2・fcのサンプリングレートでしか作動されず、これは24kHzの正弦波信号(4倍オーバサンプリング)を50kHzのクロック(2倍オーバサンプリング)で変調するには十分な精度である。
したがって、正確に変調された、2fcの掃引されたクロック同期サンプリングで作動される場合には、周波数fcのクロックを有する信号を表すためのシャノン判定基準が常に維持され、この観点から殊に有利である。
図7bは等間隔サンプリングでの時間的な経過を示す。周波数fcを有する周波数変調された信号のパルス幅は、等間隔で十分に大きいマスター信号のクロック、ここでは50kHzのクロック(曲線c)で、周期的な変調信号fmodの瞬時値に応じて調整される。ここでは電圧Ue(曲線e))の経過が以下のように求められる。曲線d)におけるマスター信号の上昇エッジ毎および下降エッジが生じる度に、正弦波信号(曲線c))の瞬時値が求められ、信号Ue(曲線e))の形成に使用される。
図7cは、第1の制御信号および第2の制御信号において上昇エッジもパルス中心も変調周波数のクロックで、第1の周波数と第2の周波数との間で掃引される変調されていないクロックに対してずらされている実施形態を示す。周波数変調された信号(曲線e))の上昇エッジは、等間隔で十分に大きいマスター信号(曲線d))のクロックで、周期的な変調信号fmod(曲線c))の瞬時値に応じてずらされる。続いて、この代表的な変調値に応じて、パルス中心が変調されていないパルスに関して絶対値で半分だけずらされるようにパルス幅が計算される。
図8は制御回路が位相シフトモジュールを有する実施形態を示す。位相シフトモジュールのクロック入力側は、第1の周波数と第2の周波数との間で掃引されるクロックに関するソースに接続されており、また変調入力側は第3の周波数の信号に関するソースと接続されている。第1の周波数と第2の周波数との間で掃引される信号の開始エッジが変調周波数の信号に依存して、殊に変調周波数の信号の瞬時値に依存してずらされるように制御回路は設計されている。
図8によれば、周波数変調された信号(曲線e))の上昇エッジおよび下降エッジは、等間隔で十分に大きいマスター信号(曲線d))のクロックで、周期的な変調信号fmod(曲線c))の瞬時値に応じてずらされる。
図9は、本発明において使用されたテスト構造における種々の信号の測定された時間的な経過を示す。ここでは負荷回路の出力側における電圧、すなわちランプを制御する電圧がパーシステンスモードにおいて測定された。曲線a)は変調信号の時間的な経過を示し、曲線b)は共振回路の入力側、すなわちハーフブリッジ装置の中点Mにおける周波数変調された矩形波信号を示し、曲線c)は共振回路の出力側におけるランプLaにおける電圧Uaを示す。周波数fmodによる振幅変調がはっきりと見て取れる。
Claims (12)
- 高圧放電ランプ(La)を作動させるための回路装置であって、
ハーフブリッジ装置内に少なくとも1つの第1の電子スイッチ(S1)および少なくとも1つの第2の電子スイッチ(S2)を有し、
前記ハーフブリッジ装置に直流電圧信号(Uo)を供給する給電端子を有し、
ランプチョークコイル(L1)を含み、且つ一方ではハーフブリッジ中点に接続されており、他方では前記高圧放電ランプ(La)に接続するための少なくとも1つの端子に接続されている負荷回路(14)を有し、
前記第1の電子スイッチ(S1)および前記第2の電子スイッチ(S2)に少なくとも1つの第1の制御信号および少なくとも1つの第2の制御信号を供給する制御回路(18)を有し、該制御回路(18)は、前記第1の制御信号および前記第2の制御信号を、そのクロックが第1の周波数(f1)と第2の周波数(f2)との間で掃引されているように供給するよう設計されている形式の回路装置において、
前記制御回路(18)はさらに、前記第1の制御信号および前記第2の制御信号を所定の第3の周波数(fmod)で変調し、該所定の第3の周波数(fmod)による変調はシングルトーン周波数変調であり、前記第1の制御信号および前記第2の制御信号の振幅スペクトルにおいて、少なくとも1つの第1のスペクトル線、少なくとも1つの第2のスペクトル線および少なくとも1つの第3のスペクトル線が現われ、前記第1のスペクトル線は掃引されるクロックの目下の周波数に対応し、前記第2のスペクトル線および前記第3のスペクトル線は前記所定の第3の周波数(fmod)の絶対値の距離を置いて、第1のスペクトル線について対称的に現われ、前記高圧放電ランプ(La)に接続するための端子における信号の電力スペクトルにおいて前記所定の第3の周波数(fmod)のスペクトル線が生じるように構成されていることを特徴とする、回路装置。 - 前記制御回路(18)は制御された発振器を含む、請求項1記載の回路装置。
- 前記制御回路(18)はパルス幅変調モジュールを有し、該パルス幅変調モジュールのクロック入力側は、前記第1の周波数と前記第2の周波数との間で掃引されるクロックに関するソースに接続されており、変調入力側は前記第3の周波数(fmod)の信号に関するソースと接続されており、
前記制御回路(18)は、前記第1の周波数と前記第2の周波数との間で掃引される信号のパルス幅を前記第3の周波数の信号に依存して、例えば前記第3の周波数の信号の瞬時値に依存して変調するよう構成されている、請求項2記載の回路装置。 - 前記制御回路(18)は、前記第1の周波数と前記第2の周波数との間で掃引されるクロックのパルス幅を前記第3の周波数(fmod)の信号の瞬時値に依存して、所定の時点に、例えば時間的に等間隔の時点に前記第3の周波数の信号の瞬時値が求められ、求められた前記瞬時値に応じて掃引されるクロックの目下のパルス幅が拡大または縮小されるように変調するよう構成されている、請求項3記載の回路装置。
- 前記第1の制御信号および前記第2の制御信号において上昇エッジもパルス中心も前記第3の周波数(fmod)のクロックで、前記第1の周波数と前記第2の周波数との間で掃引された変調されていないクロックに対してずらされている、請求項4記載の回路装置。
- 前記制御回路(18)は位相シフトモジュールを有し、該位相シフトモジュールのクロック入力側は、前記第1の周波数と前記第2の周波数との間で掃引されるクロックに関するソースに接続されており、変調入力側は前記第3の周波数(fmod)の信号に関するソースと接続されており、
前記制御回路(18)は、前記第1の周波数と前記第2の周波数との間で掃引される信号の開始エッジおよび終了エッジを前記第3の周波数(fmod)の信号に依存して、例えば前記第3の周波数の信号の瞬時値に依存してずらすよう構成されている、請求項2記載の回路装置。 - クロック周波数は150kHzを下回り、有利には30kHz〜90kHz、殊に有利には40kHz〜60kHzである、請求項1から6までのいずれか1項記載の回路装置。
- 前記第3の周波数(fmod)は50kHzを下回り、有利には20kHz〜35kHzである、請求項1から7までのいずれか1項記載の回路装置。
- 掃引周波数は50Hz〜500Hz、有利には80Hz〜200Hzである、請求項1から8までのいずれか1項記載の回路装置。
- ハーフブリッジ装置内に第1の電子スイッチ(S1)および第2の電子スイッチがそれぞれ1つだけ設けられている、請求項1から9までのいずれか1項記載の回路装置。
- 第3の電子スイッチおよび第4の電子スイッチをさらに有し、前記第1の電子スイッチ、前記第2の電子スイッチ、前記第3の電子スイッチおよび前記第4の電子スイッチはフルブリッジ装置において接続されており、
前記制御回路(18)は、前記第3の電子スイッチおよび前記第4の電子スイッチに対する制御信号も前記第1の電子スイッチおよび前記第2の電子スイッチに対する制御信号に応じて、例えば相補的であるように供給するよう構成されている、請求項1から10までのいずれか1項記載の回路装置。 - 回路装置において高圧放電ランプ(La)を作動させるための方法であって、
前記回路装置は、ハーフブリッジ装置内の少なくとも1つの第1の電子スイッチ(S1)および少なくとも1つの第2の電子スイッチ(S2)と、前記ハーフブリッジ装置に直流電圧信号を供給する給電端子と、ランプチョークコイル(L1)を含み、且つ一方ではハーフブリッジ中点に接続されており、他方では前記高圧放電ランプ(La)に接続するための少なくとも1つの端子に接続されている負荷回路(14)と、前記第1の電子スイッチ(S1)および前記第2の電子スイッチ(S2)に少なくとも1つの第1の制御信号および少なくとも1つの第2の制御信号を供給する制御回路(18)とを有し、該制御回路(18)は、前記第1の制御信号および前記第2の制御信号を、そのクロックが第1の周波数と第2の周波数との間で掃引されているように供給するよう構成されている形式の高圧放電ランプ(La)を作動させるための方法において、
前記高圧放電ランプ(La)に接続するための端子における信号の電力スペクトルにおいて所定の第3の周波数(fmod)のスペクトル線が生じるように、前記所定の第3の周波数(fmod)による前記第1の制御信号および前記第2の制御信号のシングルトーン変調を実施することを特徴とする、高圧放電ランプ(La)を作動させるための方法。
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