WO2011026926A2 - Cosinus (phi) - korrektur bei strom- oder leistungsgeregelten betriebsgeräten für leuchtmittel - Google Patents

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WO2011026926A2
WO2011026926A2 PCT/EP2010/062922 EP2010062922W WO2011026926A2 WO 2011026926 A2 WO2011026926 A2 WO 2011026926A2 EP 2010062922 W EP2010062922 W EP 2010062922W WO 2011026926 A2 WO2011026926 A2 WO 2011026926A2
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voltage
lamps
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Christian Nesensohn
Andre Mitterbacher
Markus Mayrhofer
Horst Knödgen
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Tridonic Gmbh & Co Kg
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B41/00—Circuit arrangements or apparatus for igniting or operating discharge lamps
    • H05B41/14—Circuit arrangements
    • H05B41/26—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc
    • H05B41/28—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc using static converters
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/30—Driver circuits
    • H05B45/355—Power factor correction [PFC]; Reactive power compensation

Definitions

  • the present invention relates to a method and an operating device, such as an electronic ballast, for controlling the operating behavior, in particular the brightness, of lighting devices such as, for example, gas discharge lamps, LEDs or OLEDs.
  • an operating device such as an electronic ballast
  • a current or power control is performed.
  • the current and the voltage are detected.
  • a corresponding circuit usually has a measuring shunt and a voltage divider.
  • Gas discharge lamps has the circuit for operating the gas discharge lamp via a resonant circuit.
  • the operating device usually has a clocked AC / DC converter such as a half or full bridge, via which the frequency can be set variably.
  • a dimming of the lamp can now be done by moving the I / O operating point on the resonance curve.
  • the operating device can have a control unit which regulates the frequency of the AC / DC converter, as well as upstream circuit units, such as a PFC (Power Factor Correction) circuit.
  • PFC Power Factor Correction
  • Wiring capacities are caused. Due to line capacitances, the case may occur that the capacitive current is greater than the active component of the current. Thus, in closed-loop control, ultimately, the current through the wiring, but not the actual current of interest through the lamp, is constantly controlled. In extreme cases, the lamp goes out, whereby the control circuit does not detect this and continues to regulate the capacitive current through the wiring.
  • Such line capacities can also play a negative role in the control of other operating devices, for example those for operating LEDs. Especially at low dimming power, a large phase shift (phase angle ⁇ ) between measured current and voltage can occur. Therefore, in this case, a determination of the phase angle and thus the actual active power of particularly high importance.
  • the European patent EP 0 876 742 B1 provides a solution for this purpose.
  • the patent shows a method for controlling the operating behavior at least a gas discharge lamp, which is operated in particular via an electronic ballast.
  • the regulation is dependent on a controlled variable (actual).
  • This controlled variable (actual) is based on the active component of the lamp current (IL), ie its real part, or a variable corresponding to the effective component.
  • IL active component of the lamp current
  • ie its real part is evaluated and in this way the influence of the capacitive current flowing across the parasitic line capacitance is eliminated.
  • the invention is therefore based on the object to provide a method and a dedicated operating device for controlling and / or detecting the operating state of bulbs such as gas discharge lamps, in which a phase shift occurring between measured lamp voltage and measured lamp current can be reliably compensated.
  • This object is solved by the features of patent claim 1. Further advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims.
  • the invention thus relates to a method for the controlled AC operation of an operating device for lighting devices such as gas discharge lamps, LEDs or OLEDs.
  • the time interval of significant points of the course of the current through the lighting means and the voltage across the lighting means are used for a cosine ( ⁇ ) correction of an actual value and / or a desired value of the control.
  • a DC component of the voltage across the lamps and / or the DC component of the current through the lamps which is unknown in size and is dependent on the operating state (eg, lamp temperature, specific tolerance position of the luminous means, dimming level, etc.), is determined at the cosine ( ⁇ ) correction.
  • the significant points may be the vertex or a zero crossing of the same sign of the gradient of the course of the current through the lighting means and the voltage across the lighting means.
  • the time interval can be linked to the frequency of AC operation to determine a correction factor. Such a link can be made via a multiplication.
  • This frequency can correspond to the frequency of a clocked DC / AC converter of the operating device and thus derived from this.
  • this frequency can be determined from the distance between two significant points of current and / or voltage at the lighting means.
  • the operation of the lighting device is power or current-controlled.
  • a frequency change and / or a PWM modulation can be used / used.
  • the temporal averaging or filtering in particular a time constant thereof, can be set depending on the operating state.
  • the Cos ( ⁇ ) correction is advantageously carried out depending on the operating state. For example, it can be activated or deactivated depending on the operating state.
  • the zero crossing of the course of the current through the lighting means is preferably detected by means of a component with a diode characteristic, wherein the amplitude of the current is preferably detected via a component having a resistance characteristic.
  • the invention also relates to a control unit.
  • This has a circuit, in particular an integrated circuit such as a C or an Asic.
  • the circuit is designed to carry out a method as described above.
  • the invention relates to a control gear for the regulated operation of lamps.
  • the operating device has a drive circuit which supplies the lighting means with a permissible current.
  • it has a measuring shunt for measuring the current through the lighting means.
  • it includes a voltage divider for measuring the voltage across the lamps.
  • it has a control unit which controls the drive circuit by means of the measurement of the measuring shunt and of the voltage divider.
  • the operating device is designed so that it is suitable for carrying out the method described above.
  • the drive circuit may comprise a clocked DC / AC converter, such as a half or full bridge. It may also have a resonance circuit connected downstream of the DC / AC converter.
  • the drive circuit preferably operates the light sources with alternating current.
  • the drive circuit may be a circuit that is suitable for operating one or more LEDs and / or OLEDs. It may be a buck converter, boost converter, flyback converter or even another switching regulator such as a half or full bridge.
  • the drive circuit is suitable for operating the one or more LEDs and / or OLEDs with Pulse Width Modulation (PWM).
  • PWM Pulse Width Modulation
  • Figure la is a time chart with a voltage
  • Figure lb is a phasor diagram with the voltage
  • FIG. 2 is a schematic representation of a mathematical calculation method
  • Figure 3 is a schematic representation of a
  • Figure 4 is a timing diagram with a voltage
  • Figure 5 is a schematic representation of a
  • FIG. 1 shows in a timing diagram the course of the lamp voltage and lamp current iii amp Ii a m p - As can be seen in this example, acts between the two, a phase shift ⁇ . The current leads the voltage ahead.
  • This can be a capacitive Closing the company. As already mentioned, there may be various possibilities for this. For example, this may occur due to parasitic capacitances caused by the lamp cabling. It is also possible that the capacitive operation has been caused by a resonant circuit. In this case, such a resonant circuit is used in particular in gas discharge lamps. In particular, when dimming the lamp via a change in frequency, such a capacitive operation can occur.
  • the current through the wiring ie, through the wiring, but not the actual current of interest through the lamp, is ultimately controlled to be constant.
  • the control unit does not detect this. Instead, this continues to regulate the capacitive current through the cabling.
  • the method according to the invention will now be explained with reference to FIG.
  • the time interval of significant points of the current and the voltage characteristic is detected. With the aid of this a phase shift is calculated. With the aid of the calculated value of the phase shift, the active component of the measured lamp current can then be calculated. This makes it possible to correctly regulate the lamp via the effective portion of the current and / or the active power.
  • the phase shift is thus determined by detecting the zero crossing of the lamp current and the lamp voltage.
  • it is of great importance that not only the time of the zero crossing, but also the sign of the slope of the current or voltage signal is known at this time. Thus, it can be excluded that, for example, a 0 ° and a 180 ° phase angle is confused.
  • the zero crossing of the signals with negative slope is detected. Of course, it is also possible to detect the zero crossing with positive slope.
  • FIG. 2 shows a possible embodiment of a mathematical method for calculating the active component of the lamp current.
  • the lamp current Iiamp is thereby obtained by measurement.
  • the lamp voltage iii amp is also determined by measurement. Both measurements are preferably carried out instantaneously and continuously (or even at specific time intervals), with which voltage and current characteristics can be detected. There is the possibility that the two signals are processed directly in a mathematical process, or that others
  • Processing steps are interposed. It is possible, for example, that the signals are digitized by means of a DA converter. Other steps, such as a filtering of the signals are conceivable.
  • the two signals are each fed to a zero-crossing detection zcd, which respectively detect the time of the zero crossings and optionally also the sign of the slope of the signal curve at this time of the zero crossing.
  • the determined times are each supplied to a counter C.
  • a comparator can be used by comparing an actual value of the signal with a previously stored value, ie a delayed value, determines whether it is a rising or a falling edge.
  • the payer measures the time interval of the zero crossings.
  • the counter may be designed so that it begins to count at the time of the zero crossing of the lamp current, and at the time of the zero crossing of the lamp voltage the counting stops. The counter reading thus reflects the time difference between the two ascending or descending zero crossings.
  • This time interval At is multiplied by the current frequency of the drive, for example the half-bridge.
  • a value representing the phase angle ⁇ can be obtained.
  • the frequency corresponds to the inverted period ⁇ '1 .
  • this frequency can be taken directly from the clock-generating control unit. In particular, this is advantageous if, as explained later, the mathematical method of Figure 2 is performed in the same control unit.
  • the frequency of the voltage or of the current through the lamp itself does not necessarily have to correspond exactly to the frequency of the activation, for example by a half-bridge. Therefore, for example, the zero-crossing evaluation can additionally be used in order to obtain therefrom the information relating to the actual current and / or voltage of the lamp. Thus, not only the time difference of the zero crossings, but also the multiplier "frequency" from the
  • phase angle ⁇ can now be calculated from the formula
  • At is the measured time difference and T is the directly or indirectly detected period of the AC signal.
  • a function in particular as shown in Figure 2
  • a cosine function is applied to calculate a correction factor.
  • the conversion of the phase angle ⁇ in the correction factor can be calculated by a function, or also via a look-up table. The latter is therefore conceivable, in particular, since the implementation of a cosine function represents a great expense.
  • the thus determined correction factor is then applied to the average value of the lamp current Ii amp .
  • the average value of the lamp current is calculated via the unit avg.
  • the application of the correction factor thus results in a corrected value for the actual value of the lamp current:
  • the lamp voltage detection is thus used only for detecting the phase angle ⁇ .
  • the control loop refers only to the use of the lamp current, or its time average, as a feedback variable.
  • this value can also be used to perform a power control.
  • a power control therefore means a combination of the corrected current value with the evaluation of the current lamp voltage value.
  • a lamp power control can also be performed.
  • the lamp power determined in this way is the effective power of the lamp, which reflects its actual value.
  • the accuracy of this measurement can be increased by averaging over a plurality of measurements of the phase angle between the lamp current and the lamp voltage. This would mean that the mathematical calculation method for determining the temporal phase difference At is repeated several times. However, such a repetition naturally leads to a slower response of the corrective behavior.
  • an adjustable filtering can thus be provided after the calculation of the correction value.
  • the filtered value is then applied to the correction of the setpoint or actual value of the control loop.
  • the correction factor which is determined in the unit Cl, namely, can be selectively applied to the actual value, but also to the setpoint of the control loop.
  • the dimming dynamics, etc. are selected and thus decided whether just a slower correction behavior with higher accuracy or fast correction behavior should be present with possibly slightly reduced accuracy.
  • the detection of the zero crossings therefore preferably extends over more than one period. This also serves to avoid disturbances of the zero crossings.
  • several measurement results are averaged (e.g., via a filter).
  • FIG. 2 thus shows a mathematical method in which by means of determination of the
  • Phase difference the actual value of the lamp current is calculated becomes. This is done using the determined phase difference and the measured lamp current or its averaging. However, it is also conceivable that only the phase difference is determined and thus applied to a set target value Tv accordingly.
  • the method according to the invention thus has the function of regulating a lamp so that the active component of the lamp power also corresponds to the value set by the user.
  • the method can be extended so that the measured or determined values are used for additional functions, such as overvoltage protection and / or an end of lamp life (EOL).
  • EOL end of lamp life
  • FIG. 3 shows schematically an embodiment of a control gear. This is designed to operate a gas discharge lamp Ri on p. Of course, it can also be an operating device for operating a plurality of gas discharge lamps.
  • the lamp Riamp is integrated in a resonant circuit, which is indicated by the coil Li and the capacitor Cl.
  • the resonant circuit is preceded by a half-bridge. However, this can also be any other form of a clocked DC / AC converter, for example a full bridge.
  • the half bridge acts on the
  • the half-bridge is supplied with a direct current.
  • this DC current may be supplied by an upstream active clocked PFC (Power Factor Correction) circuit (not shown).
  • PFC Power Factor Correction
  • the PFC circuit Advantageously supplied by means of a rectifier with DC, for example, converts a conventional AC line current into DC.
  • the operating device has a measuring resistor R Sh un t .
  • the voltage divider Rl, R2 for measuring the lamp voltage.
  • the operating device has a control unit. The two measured signals lamp voltage and lamp current are supplied to the control unit.
  • the signal of the lamp current can be obtained by tapping the voltage at the measuring resistor, and from this value and the size of the measuring resistor the lamp current is calculated.
  • parasitic capacitances can occur, for example, due to the wiring of the lamp. These are reproduced in FIG. 3 as a capacitor C par parallel to the lamp.
  • the control unit is designed so that it can regulate all functions of the operating device, i. responsible for the entire lamp management. It regulates the level of direct current supplied to the half-bridge. This is preferably done via a regulation of the PFC circuit. In particular, it also regulates the clock frequency of the half bridge. For such a control, the control unit receives the measured lamp current and the measured lamp voltage as feedback signals.
  • control unit is designed so that it can carry out the method according to the invention as described above.
  • the control unit has for this purpose a circuit, in particular an integrated circuit.
  • the integrated circuit may be a ⁇ or an ASIC.
  • a microcontroller or an at least partially discrete circuit ie a hybrid solution.
  • FIG. 4 shows a time diagram with a voltage and a current characteristic when the voltage has a DC component VDC_OFF S ET.
  • This - unknown - DC component in the lamp voltage is taken into account according to the invention for the cos phi correction. Specifically, this is done by detecting further voltage zero crossings (or comparable significant points) from which the asymmetry caused by the DC component can be determined. The inclusion of the DC component then takes place, for example, by calculation, for example implemented in an ASIC. In the simplest case, three consecutive zero crossings of the lamp voltage and one zero crossing of the lamp current are taken into account for determining the asymmetry. From the comparison of the time periods of the two half-waves, the DC component can be determined.
  • a plurality of zero crossings ie over several periods, so preferably at least three zero crossings evaluated.
  • the zero crossings of the lamp current monitoring can be evaluated, since thus the frequency can be determined (in this application example, the lamp current has no appreciable DC component).
  • the frequency of the AC operation ie the clock frequency at which the clocked DC / AC converter is driven, with for the evaluation of the voltage zero crossings can be used for the determination of the DC component.
  • the zero crossing (with a positive slope) of the lamp current is detected first, as well as the positive zero crossing of the lamp voltage occurring after a time Tl.
  • the temporal position of the latter zero crossing depends on the former but not exclusively on. the phase angle, but shifts in the presence of a DC component in the voltage. Therefore, to determine the exact phase angle, this DC component must be taken into account.
  • the negative zero crossing of the lamp voltage takes place, this time duration T2 being longer than the time period T3 until the next positive zero crossing of the lamp voltage due to a DC component of the lamp voltage.
  • the difference between T2 and T3, ie between two successive zero crossings, is used to determine the DC component.
  • the calculation of the phase shift which takes place starting from the time duration T 1, is then corrected.
  • the current may also have DC components: these can also be corrected by detecting successive zero crossings of the current (as in the case of the voltage above). This is when using LEDs as bulbs advantageous in which often a wide dimming range is controlled.
  • FIG. 5 shows a development of the invention.
  • the current signal i.e., the measurement of the zero crossing
  • the current signal is not tapped directly on the current shunt Rshunt, but in front of a diode DZl arranged in series with the current shunt Rshunt.
  • the tapping point for the signal is between the diode and the current shunt.
  • the amplitude of the lamp current is measured directly at the current shunt Rshunt.
  • the measurement across the diode DZl uses the effect that the lamp current as long as the path through the resistor Rk flows until the lamp current has risen so far that the voltage across the resistor Rk exceeds the forward voltage of the diode DZl and this takes over the current flow the current shunt Rshunt has a lower resistance than the resistor Rk).
  • the diode DZ2 is optional and serves to limit the voltage.
  • the DC component can currently depend on the brightness level (dimming level), ambient temperature of the lamp, lamp copy, lamp type (eg depending on the technology used: coldspot, amalgam, energy-saving, long-life variants) and depending on the Change lamp aging, therefore active detection and compensation is required.
  • a particular advantage of the invention is the fact that it can also be used in already existing operating devices. This is possible in particular because they are usually already equipped with a device for detecting the lamp voltage and the lamp current. So it is only necessary to replace the control unit. If possible, of course, it is desirable to simply modify the existing control unit instead. So it is conceivable, for example, that the control unit is reprogrammed accordingly.
  • the method according to the invention can be used in any conceivable electrical circuit which is operated with alternating current and in which a phase shift occurs between current and voltage.
  • this phase shift can be reliably determined.
  • the determined phase shift can be useful for a correct control of the circuit, but also for other purposes. Since, due to components with capacitive or inductive properties, capacitive or inductive operation can occur in virtually every circuit through cabling such as grounding in virtually every circuit, the inventive method can accordingly be used in practically every circuit in a meaningful manner.
  • a load such as a lamp or an electric motor.
  • any form of luminaire is conceivable.
  • the use of the method according to the invention in an operating device for operating one or more LEDs and / or one or more organic LEDs is also conceivable.
  • you can these are connected in AC-driven circuits in opposite directions.
  • an alternating current the strength of which is measured for control purposes, is converted into a direct current for operating the leads.
  • a current control can be corrected by increasing the duty cycle of the PWM modulation against an uncorrected current detection value in order to take account of the capacitive currents.

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  • Circuit Arrangements For Discharge Lamps (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum geregelten AC-Betrieb eines vorzugsweise dimmbaren Betriebsgeräts für Leuchtmittel, wie bspw. LEDS, OLEDs oder Gasentladungslampen. Dabei wird der zeitliche Abstand von signifikanten Punkten des Verlaufs des Stromes durch die Leuchtmittel sowie der Spannung über den Leuchtmitteln, unter Berücksichtigung des DC-Anteils der Spannung über den Leuchtmitteln und/oder des DC-Anteils des Stroms durch die Leuchtmittel, für eine Cos (Φ) -Korrektur eines Istwerts und/oder eines Sollwerts der Regelung verwendet wird.

Description

Cosinus ( ) -Korrektur bei ström- oder leistungsgeregelten
Betriebsgeräten für Leuchtmittel
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Betriebsgerät, wie zum Beispiel ein elektronisches Vorschaltgerät , zum Regeln des Betriebsverhaltens, insbesondere der Helligkeit, von Leuchtmitteln wie beispielsweise Gasentladungslampen, LEDs oder OLEDs .
Zur Regelung von Leuchtmitteln wird häufig eine Stromoder Leistungsregelung durchgeführt. Bei dieser werden der Strom und die Spannung erfasst. Für eine solche Messung von Lampenstrom und Lampenspannung verfügt eine entsprechende Schaltung zumeist über einen Mess-Shunt und einen Spannungsteiler. Insbesondere bei
Gasentladungslampen verfügt die Schaltung zum Betreiben der Gasentladungslampe über einen Resonanzkreis. Mittels diesem lässt sich auch ein Dimmen der Lampe über die Freguenz durchführen. Hierfür weist das Betriebsgerät für gewöhnlich einen getakteten AC/DC-Konverter wie eine Halboder Vollbrücke auf, über die sich die Frequenz variabel einstellen lässt. Eine Dimmung der Lampe kann nun über das Verschieben des Ü/I-Arbeitspunktes auf der Resonanzkurve erfolgen. Das Betriebsgerät kann hierfür über eine Regeleinheit verfügen, die die Frequenz des AC/DC- Konverters, sowie vorgeschaltete Schaltungseinheiten, wie eine PFC (Power Factor Correction) -Schaltung regelt.
Bei Vorliegen eines Resonanzkreises besteht nun das Problem, dass gemessener Lampenstrom und gemessene Lampenspannung nicht notwendigerweise in Phase sind. Ebenfalls kann sich eine solche Phasenverschiebung daraus ergeben, dass an der Lampe oder an anderen Bauteilen der Schaltung parasitäre Kapazitäten auftreten. Die tatsächliche Wirkleistung der Lampe kann also nur ermittelt werden, wenn nicht nur Lampenstrom und Lampenspannung gemessen werden, sondern auch der Phasenwinkel bekannt ist. Darüber hinaus können parasitäre Kapazitäten auch durch andere Schaltungselemente wie Leitungs- bzw.
Verdrahtungskapazitäten verursacht werden. Aufgrund von Leitungskapazitäten kann der Fall eintreten, dass der kapazitive Strom größer ist als der Wirkanteil des Stroms. Bei einer Regelung wird somit letztendlich der Strom durch die Verdrahtung, aber nicht der tatsächlich interessierende Strom durch die Lampe konstant geregelt. Im Extremfall erlischt die Lampe, wobei die Regelschaltung dies nicht erfasst und weiterhin den kapazitiven Strom durch die Verdrahtung regelt. Solche Leitungskapazitäten können auch bei der Regelung anderer Betriebsgeräte eine negative Rolle spielen, beispielsweise bei denen zum Betreiben von LEDs. Insbesondere bei niedriger Dimmleistung kann eine große Phasenverschiebung (Phasenwinkel Φ) zwischen gemessenem Strom und Spannung auftreten. Daher ist in diesem Fall eine Ermittlung des Phasenwinkels und somit der tatsächlichen Wirkleistung von besonders hoher Bedeutung.
Die europäische Patentschrift EP 0 876 742 Bl stellt hierfür eine Lösung bereit. Die Patentschrift zeigt ein Verfahren zum Regeln des Betriebsverhaltens mindestens einer Gasentladungslampe, welche insbesondere über ein elektronisches Vorschaltgerät betrieben wird. Die Regelung erfolgt in Abhängigkeit von einer Regelgröße (Ist) . Diese Regelgröße (Ist) beruht dabei auf dem Wirkanteil des Lampenstroms (IL), d.h. seinem Realteil, bzw. einer dem Wirkanteil entsprechenden Größe. Es wird also der Wirkanteil des Lampenstroms, d.h. sein Realteil, ausgewertet und auf diese Weise der Einfluss des über die parasitäre Leitungskapazität fließenden kapazitiven Stroms eliminiert.
Die Umsetzung einer gemessenen Ist-Grösse in deren Wirkanteil wird im folgenden „cos (Φ) -Korrektur" genannt, wobei Φ die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung bezeichnet.
Hierfür ist es jedoch bei dem angeführten Stand der Technik notwendig, dass genau zum Zeitpunkt des Maximalwerts der Spannung der Strom gemessen werden soll. Somit wird eine hohe Anforderung an die zeitliche Genauigkeit der Messung gestellt. Es besteht also das Risiko, dass die Regelung dadurch unzuverlässig wird, dass nicht der exakte Zeitpunkt erfasst wird, an dem die Spannung ihren Maximalwert erreicht hat.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und ein dafür ausgelegtes Betriebsgerät zum Regeln und/oder Erfassen des Betriebszustandes von Leuchtmitteln wie Gasentladungslampen bereitzustellen, bei dem eine auftretende Phasenverschiebung zwischen gemessener Lampenspannung und gemessenem Lampenstrom zuverlässig kompensiert werden kann. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den ünteransprüchen angegeben. Die Erfindung betrifft also ein Verfahren zum geregelten AC-Betrieb eines Betriebsgeräts für Leuchtmittel wie beispielsweise Gasentladungslampen, LEDs oder OLEDs . Dabei wird der zeitliche Abstand von signifikanten Punkten des Verlaufs des Stroms durch die Leuchtmittel sowie die Spannung über den Leuchtmitteln für eine Cosinus (Φ)- Korrektur eines Ist-Werts und/oder eines Soll-Werts der Regelung verwendet. Ein in der Grösse unbekannter und vom Betriebszustand (z.B. Leuchtmitteltemperatur, spezifische Toleranzlage d. Leuchtmittels, Dimmpegel,...) abhängiger DCAnteil der Spannung über den Leuchtmitteln und/oder des DC-Anteils des Stroms durch die Leuchtmittel wird ermittelt und bei der Cosinus (Φ) -Korrektur berücksichtigt.
Die signifikanten Punkte können dabei der Scheitelpunkt oder ein Nulldurchgang gleichen Vorzeichens der Steigung des Verlaufs des Stroms durch die Leuchtmittel sowie die Spannung über den Leuchtmitteln sein.
Der zeitliche Abstand kann mit der Frequenz des AC- Betriebs verknüpft werden, um einen Korrekturfaktor zu ermitteln. So eine Verknüpfung kann über eine Multiplikation erfolgen.
Diese Frequenz kann der Frequenz eines getakteten DC/AC- Konverters des Betriebsgeräts entsprechen und somit von dieser abgeleitet werden. Alternativ kann diese Frequenz aus dem Abstand zweier signifikanter Punkte von Strom und/oder Spannung an den Leuchtmitteln ermittelt werden. Vorteilhafterweise ist der Betrieb der Leuchtmittel leistungs- oder stromgeregelt.
Als Steuergröße des geregelten Betriebs kann eine Frequenzveränderung und/oder eine PWM-Modulation verwendet werden/eingesetzt werden.
Zur Cos (Φ) -Korrektur werden vorteilhafterweise mehrere zeitliche Abstände signifikanter Punkte gemittelt oder gefiltert .
Die zeitliche Mittelung oder Filterung, insbesondere eine Zeitkonstante davon, kann abhängig vom Betriebszustand eingestellt werden. Die Cos (Φ) -Korrektur wird vorteilhafterweise abhängig vom Betriebszustand ausgeführt. Beispielsweise kann sie abhängig vom Betriebszustand aktiviert bzw. deaktiviert werde . Der Nulldurchgang des Verlaufs des Stroms durch die Leuchtmittel wird vorzugsweise mittels eines Bauteils mit Dioden-Kennlinie erfasst wird, wobei die Amplitude des Stroms vorzugsweise über ein Bauteil mit Widerstands- Kennlinie erfasst wird.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Regeleinheit. Diese weist eine Schaltung, insbesondere eine integrierte Schaltung wie einen C oder einen Asic auf. Die Schaltung ist dabei zur Durchführung eines Verfahrens wie oben beschrieben ausgelegt.
Schließlich betrifft die Erfindung ein Betriebsgerät zum geregelten Betrieb von Leuchtmitteln. Dabei weist das Betriebsgerät eine Ansteuerschaltung auf, die die Leuchtmittel mit zulässigem Strom versorgt. Außerdem weist sie einen Messshunt zur Messung des Stroms durch die Leuchtmittel auf. Darüber hinaus umfasst sie einen Spannungsteiler zur Messung der Spannung über den Leuchtmitteln. Schließlich weist sie eine Regeleinheit auf, die die Ansteuerschaltung mittels der Messung des Messshunts und des Spannungsteilers regelt. Das Betriebsgerät ist dabei so ausgelegt, dass es sich zum Durchführen des oben beschriebenen Verfahrens eignet.
Die Ansteuerschaltung kann einen getakteten DC/AC- Konverter, wie eine Halb- oder Vollbrücke aufweisen. Auch kann sie eine dem DC/AC-Konverter nachgeschaltete Resonanzschaltung aufweisen. Die Ansteuerschaltung betreibt vorzugsweise die Leuchtmittel mit Wechselstrom.
Alternativ kann es sich bei der Ansteuerschaltung um eine Schaltung handeln, die geeignet zum Betreiben von einer oder mehrerer LEDs und/oder OLEDs ist. Es kann sich dabei um einen Buck-Konverter, Boost-Konverter, Flyback- Konverter oder aber auch um einen anderen Schaltregler wie beispielsweise eine Halb- oder Vollbrücke handeln. Vorteilhafterweise ist die Ansteuerschaltung dazu geeignet, die eine oder mehrere LEDs und/oder OLEDs mit Pulse Width Modulation (PWM) zu betreiben. Weitere Eigenschaften, Vorteile und Merkmale werden nunmehr anhand der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die Figuren der begleitenden Zeichnungen vermittelt.
Dabei zeigen:
Figur la ein Zeitdiagramm mit einer Spannung
und einer Stromkennlinie,
Figur lb ein Zeigerdiagramm mit den Spannung
und Stromgrößen,
Figur 2 eine schematische Darstellung eines mathematischen Berechnungsverfahrens,
Figur 3 eine schematische Darstellung eines
Betriebsgeräts,
Figur 4 ein Zeitdiagramm mit einer Spannungs
und einer Stromkennlinie, wenn die Spannung
einen DC-Anteil VDC OFFSET aufweist, und
Figur 5 eine schematische Darstellung einer
weiteren Ausführungsform eines
erfindungsgemässen Betriebsgeräts für
Leuchtmittel .
Figur 1 zeigt in einem Zeitdiagramm den Verlauf der Lampenspannung üiamp und des Lampenstroms Iiamp - Wie in diesem Beispiel zu sehen ist, herrscht zwischen den beiden eine Phasenverschiebung Φ. Dabei eilt der Strom der Spannung voraus. Hieraus lässt sich ein kapazitiver Betrieb schließen. Wie bereits erwähnt kann es hierfür verschiedene Möglichkeiten geben. Beispielsweise kann dieser auf Grund parasitärer Kapazitäten auftreten, die durch die Lampenverkabelung verursacht werden. Möglich ist auch, dass der kapazitive Betrieb durch einen Resonanzkreis verursacht worden ist. Dabei wird ein solcher Resonanzkreis insbesondere bei Gasentladungslampen verwendet. Insbesondere beim Dimmen der Lampe über eine Veränderung der Frequenz kann dabei ein solcher kapazitiver Betrieb auftreten.
Im Zeigerdiagramm von Figur lb wird der Zusammenhang zwischen Lampenstrom und Lampenspannung in Bezug auf die Phase erläutert. Auch hier ist zu erkennen, dass der Lampenstrom um den Phasenwinkel Φ der Lampenspannung vorauseilt. Daraus ergibt sich, dass der Lampenstrom einen Anteil parallel zur Lampenspannung IR und einen Anteil Ic orthogonal zur Lampenspannung aufweist. Dabei stellt der Anteil parallel zur Lampenspannung den Wirkanteil dar. Aus diesem Strom und der Lampenspannung lässt sich die Wirkleistung berechnen. Der Anteil des Lampenstroms orthogonal zur Lampenspannung stellt den Blindstrom Ic, d.h. den kapazitiven Anteil, dar. Aufgrund von parasitären Kapazitäten, die durch die Lampenverkabelung verursacht werden, kann nun der Fall eintreten, dass der kapazitive Strom größer ist als der Wirkanteil des Stroms. Bei einer Regelung wird somit letztendlich der Strom durch die Verdrahtung, d.h. durch die Verkabelung, aber nicht der tatsächlich interessierende Strom durch die Lampe konstant geregelt. Im Extremfall erlischt die Lampe, wobei die Regeleinheit dies nicht erfasst. Diese regelt stattdessen weiterhin den kapazitiven Strom durch die Verkabelung. Um dies zu verhindern wird nun anhand von Figur la das erfindungsgemäße Verfahren erläutert. Bei dem erfindungsmäßen Verfahren wird der zeitliche Abstand von signifikanten Punkten der Strom- und der Spannungskennlinie erfasst. Mit Hilfe dieser wird eine Phasenverschiebung berechnet. Mit Hilfe des berechneten Wertes der Phasenverschiebung kann dann der Wirkanteil des gemessenen Lampenstroms berechnet werden. Dadurch wird es möglich, die Lampe über den Wirkanteil des Stroms und/oder die Wirkleistung korrekt zu regeln.
In dem Beispiel von Figur la wird also nun die Phasenverschiebung über die Erfassung des Nulldurchgangs des Lampenstroms und der Lampenspannung ermittelt. Bei einer solchen Messung der Nulldurchgänge ist es von großer Bedeutung, dass nicht nur der Zeitpunkt des Nulldurchgangs, sondern auch das Vorzeichen der Steigung des Strom- bzw. Spannungssignals zu diesem Zeitpunkt bekannt ist. Somit kann ausgeschlossen werden, dass beispielsweise ein 0° und ein 180° Phasenwinkel verwechselt wird. Im Beispiel von Figur la wird dabei der Nulldurchgang der Signale mit negativer Steigung erfasst. Selbstverständlich ist es aber auch möglich, den Nulldurchgang mit positiver Steigung zu erfassen.
Für eine genauere Ermittlung der Phasenverschiebung ist es nun jedoch denkbar, mehrere solche Messungen vorzunehmen. Dabei kann eine zeitliche Mittelung über beispielsweise eine Filterungsfunktion oder eine Integration bestimmt werden. Diese weist eine höhere Genauigkeit auf und ist fehlerunempfindlicher als eine einfache Messung. Der Nachteil ist dabei jedoch, dass eine Regelung, die auf eine solche Weise mehrere Messungen durchführt, langsamer erfolgt. Dies kann bei bestimmten Betriebszuständen unerwünscht sein. Beispielsweise bei einer hohen Dimmdynamik, wenn also in kurzer Zeit eine hohe Veränderung des Dimmpegels vorgenommen wird, ist eine schnelle Reaktion des Betriebsgeräts von hoher Bedeutung. In diesem Falle wird es also bevorzugt, dass eine Regelung erfolgt, die lediglich wenige oder auch nur eine Messung vornimmt. Denkbar ist dabei auch, dass bei einer anschließenden Verringerung der Dimradynamik, beispielsweise wenn die Einstellung eines Dimmpegels langsamer verändert wird oder sich gar nicht mehr ändert, wieder eine genauere Regelung vorgenommen wird, die auf mehreren Messungen basiert. Es kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren also eingestellt werden, ob gerade ein langsameres Korrekturverhalten bei höherer Genauigkeit oder ein schnelles Korrekturverhalten bei ggf. etwas verringerter Genauigkeit vorliegen soll.
Zusammengefasst kann also gesagt werden, dass eine Kompensation der Phasenverschiebung über eine Zeitinformation erfolgt. Diese Zeitinformation wird über die Messung zweier signifikanter Punkte gewonnen. Beispielsweise können hierfür die Nulldurchgänge, Peaks etc. von Strom und Spannung der Lampe verwendet werden. Im Gegensatz hierzu benötigt der oben geschriebene Stand der Technik eine Auswertung einer Amplitudeninformation, d.h. eines Stromwerts zum Zeitpunkt des Spannungspeaks . Der Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass sich die zeitliche Information beispielsweise im Sinne einer digitalen Integration leichter durch das Implementieren mit einem Zähler (Counter) implementieren lässt als das im Stand der Technik beanspruchte Halten und Auswerten von Amplitudeninformationen . Eine genauere Erläuterung hierzu wird nun anhand von Figur 2 geliefert. Figur 2 zeigt dabei eine mögliche Ausführungsform eines mathematischen Verfahrens zur Berechnung des Wirkanteils des Lampenstroms. Der Lampenstrom Iiamp wird dabei durch Messung gewonnen. Ebenfalls wird die Lampenspannung üiamp durch Messung ermittelt. Beide Messungen erfolgen vorzugsweise instantan und kontinuierlich (oder auch in bestimmten zeitlichen Abständen) , womit Spannungs- und Stromkennlinen erfasst werden können. Dabei besteht die Möglichkeit, dass die beiden Signale direkt in einem mathematischen Verfahren verarbeitet werden, oder dass noch andere
Verarbeitungsschritte dazwischen geschaltet sind. Dabei ist es beispielsweise möglich, dass die Signale mittels eines DA-Wandlers digitalisiert werden. Auch andere Arbeitsschritte, wie beispielsweise eine Filterung der Signale sind denkbar. Die beiden Signale werden jeweils einer Zero-Crossing-Detection zcd zugeführt, die jeweils den Zeitpunkt der Nulldurchgänge und optional auch das Vorzeichen der Steigung des Signalverlaufs zu diesem Zeitpunkt des Nulldurchgangs erfassen. Die ermittelten Zeitpunkte werden jeweils einem Zähler C zugeführt. Vorzugsweise wird in der Zero-Crossing-Detection-Einheit oder in einer separaten Einheit die zwischen der Zero- Crossing-Detection-Einheit und den Zähler C geschaltet ist, ermittelt, ob es sich jeweils beim Nulldurchgang der beiden Signale um ein steigendes oder um ein fallendes Signal handelt. Hierfür kann beispielsweise ein Komparator verwendet werden, der durch Vergleich eines Ist-Werts des Signals mit einem vorher abgespeicherten Wert, d.h. einem verzögerten Wert, feststellt, ob es sich um eine ansteigende oder eine abfallende Flanke handelt.
Der Zahler, dem der Zeitpunkt der beiden Nulldurchgänge zugeführt wird, misst den zeitlichen Abstand der Nulldurchgänge. Dabei kann der Zähler so ausgelegt sein, dass er zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs des Lampenstroms zu zählen beginnt, und zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs der Lampenspannung das Zählen stoppt. Der Zählerstand gibt also ein den zeitlichen Unterschied zwischen den beiden aufsteigenden oder abfallenden Nulldurchgängen wider.
Dieser zeitliche Abstand At wird mit der aktuellen Frequenz der Ansteuerung, beispielsweise der Halbbrücke multipliziert. Damit kann ein den Phasenwinkel Φ wiedergebenden Wert gewonnen werden. Die Frequenz entspricht dabei der invertierten Periode Ύ'1. Wie bereits erwähnt kann diese Frequenz der taktgebenden Regeleinheit direkt entnommen werden. Insbesondere ist das dann vorteilhaft, wenn, wie später erläutert, das mathematische Verfahren aus Figur 2 in derselben Regeleinheit durchgeführt wird.
Die Frequenz der Spannung bzw. des Stroms durch die Lampe selbst muss jedoch nicht notwendigerweise exakt der Frequenz der Ansteuerung, beispielsweise durch eine Halbbrücke, entsprechen. Daher kann beispielsweise auch die Nulldurchgangsauswertung zusätzlich dazu verwendet werden, um daraus die Information bezüglich der tatsächlich in der Lampe vorliegenden Frequenz des Stroms und/oder der Spannung zu gewinnen. Somit kann nicht nur die zeitliche Differenz der Nulldurchgänge, sondern auch der Multiplikator „Frequenz" aus der
Nulldurchgangsinformation gewonnen werden.
Der Phasenwinkel Φ kann nun aus der Formel
φ = 360° - At
bestimmt werden, wobei At die gemessene zeitliche Differenz und T die direkt oder indirekt erfasste Periode des AC-Signals ist. Auf dem Phasenwinkel Φ wird eine Funktion, insbesondere wie in Figur 2 gezeigt, eine Cosinusfunktion angewandt, um einen Korrekturfaktor zu berechnen. Dabei kann die Umrechnung des Phasenwinkels Φ in den Korrekturfaktor über eine Funktion berechnet werden, oder aber auch über eine Look-up-Tabelle erfolgen. Letzteres ist insbesondere daher denkbar, da die Implementierung einer Cosinusfunktion einen hohen Aufwand darstellt.
Der somit bestimmte Korrekturfaktor wird anschließend mit dem Durchschnittswert des Lampenstroms Iiamp beaufschlagt. Die Berechnung des Durchschnittswerts des Lampenstroms erfolgt dabei über die Einheit avg. Die Beaufschlagung des Korrekturfaktors ergibt somit einen korrigierten Wert für den Istwert des Lampenstroms:
360° - At T
R =C0S amp Dieser korrigierte Istwert entspricht dem Wirkanteil des Lampenstroms, der in Phase mit der Lampenspannung, wie in Figur lb gezeigt, ist. Der korrigierte Istwert IR wird dann der Regelschleife Cl gleich mit dem Sollwert zugeführt. Daraufhin erfolgt in der Einheit Fout gen die Berechnung einer Frequenzinformation abhängig von der Regeldifferenz, wobei die Regeldifferenz die Differenz zwischen Istwert und Sollwert des Lampenstroms und/oder der Lampenspannung darstellt. Die in Figur 2 gezeigte mathematische Berechnung bewirkt also, dass ein an der Ansteuerschaltung der Lampe eingestellter Wert dem eingestellten Sollwert Tv entspricht. Dabei handelt es sich bei dem eingestellten Wert insbesondere um eine Frequenz, oder, wie später beschrieben, um ein PWM- Tastverhältnis.
Die Lampenspannungserfassung wird somit nur zur Erfassung des Phasenwinkels Φ verwendet. Die Regelschleife bezieht sich lediglich auf die Verwendung des Lampenstroms, bzw. dessen zeitlichen Mittelwert, als Rückführgröße.
Wie bereits erwähnt kann bei Kenntnis des korrigierten Stromwerts, d.h. des Wirkanteils des Lampenstroms, dieser Wert auch dazu verwendet werden, um eine Leistungsregelung durchzuführen. Eine solche Leistungsregelung bedeutet also eine Kombination des korrigierten Stromwerts mit der Auswertung des aktuellen Lampenspannungswerts. Somit lässt sich unter Verwendung dieses korrigierten Stromwerts, d.h. des Wirkanteils des Lampenstroms, auch eine Lampenleistungsregelung durchführen. Bei der so ermittelten Lampenleistung handelt es sich um die Wirkleistung der Lampe, die deren Istwert wiedergibt. Wie bereits oben ausgeführt, kann durch eine zeitlich Mittelung mehrerer Messungen des Phasenwinkels zwischen Lampenstrom und Lampenspannung die Genauigkeit dieser Messung erhöht werden. Dies würde bedeuten, dass das mathematische Berechnungsverfahren zur Ermittlung des zeitlichen Phasenunterschiedes At mehrfach wiederholt wird. Indessen führt eine solche Wiederholung natürlich zu einer langsameren Antwort des Korrekturverhaltens. Vorzugsweise kann somit nach der Berechnung des Korrekturwerts eine einstellbare Filterung vorgesehen sein. Der gefilterte Wert wird dann zur Korrektur des Soll- oder Istwerts der Regelschleife zugeführt. Der Korrekturfaktor, der in der Einheit Cl ermittelt wird, kann nämlich wahlweise auf den Istwert, aber auch auf den Sollwert der Regelschleift angewandt werden.
Wie bereits erwähnt kann durch die Anzahl der Wiederholungen zur Bestimmung des zeitlichen
Phasenunterschiedes At abhängig vom Betriebszustand, der Dimmdynamik, etc. gewählt werden und somit entschieden werden, ob gerade ein langsameres Korrekturverhalten bei höherer Genauigkeit oder schnelles Korrekturverhalten bei ggf. etwas verringerter Genauigkeit vorliegen soll. Die Erfassung der Nulldurchgänge erstreckt sich vorzugsweise also über mehr als eine Periode. Dies dient auch dazu, um Störungen der Nulldurchgänge zu vermeiden. Um die Genauigkeit zu erhöhen, werden mehrere Messergebnisse gleitend gemittelt (z.B. über ein Filter).
Zusammengefasst zeigt Figur 2 also ein mathematisches Verfahren, bei dem mittels Bestimmung des
Phasenunterschieds der Istwert des Lampenstroms berechnet wird. Dies erfolgt also unter Verwendung des ermittelten Phasenunterschieds und des gemessenen Lampenstroms bzw. dessen Mittelung. Denkbar ist jedoch auch, dass nur der Phasenunterschied ermittelt wird und damit auf einen eingestellten Sollwert Tv entsprechend angewandt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat also die Funktion, eine Lampe so zu regeln, dass der Wirkanteil der Lampenleistung auch dem vom Benutzer eingestellten Wert entspricht. Außerdem kann das Verfahren so erweitert werden, dass die gemessenen bzw. ermittelten Werte für weitere Funktionen, wie Überspannungsschutz und/oder einem EOL (end of lamp life) verwendet werden. Ein EOL-Mechanismus kann dabei erkennen, ob eine angeschlossene Lampe nicht mehr funktioniert.
Figur 3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Betriebsgeräts. Dieses ist zum Betreiben einer Gasentladungslampe Riamp ausgelegt. Es kann sich natürlich auch um ein Betriebsgerät zum Betreiben mehrerer Gasentladungslampen handeln. Die Lampe Riamp ist in einen Resonanzschaltkreis eingebunden, der durch die Spule Li und den Kondensator Cl angedeutet ist. Dem Resonanzkreis ist eine Halbbrücke vorgeschaltet. Dabei kann es sich allerdings auch um jede andere Form eines getakteten DC/AC-Konverters, beispielsweise um eine Vollbrücke, handeln. Die Halbbrücke beaufschlagt den
Resonanzschalt kreis und damit auch die Lampe Riamp mit eine Wechselstrom mit einer vorbestimmten Frequenz. Dabei wird der Halbbrücke ein Gleichstrom zugeführt. Beispielsweise kann dieser Gleichstrom von einer vorgeschalteten aktiv getakteten PFC- (Power Factor Correction) Schaltung (nicht gezeigt) zugeführt werden. Dabei wird die PFC-Schaltung vorteilhafterweise mittels eines Gleichrichters mit Gleichstrom versorgt, der beispielsweise einen konventionellen Netzwechselstrom in Gleichstrom umwandelt. Zur Überwachung des Lampenstroms weist das Betriebsgerät einen Messwiderstand RShunt auf. Weiterhin weist es zur Messung der Lampenspannung einen Spannungsteiler Rl, R2 auf. Darüber hinaus weist das Betriebsgerät eine Regeleinheit auf. Die beiden gemessenen Signale Lampenspannung und Lampenstrom werden der Regeleinheit zugeführt. Dabei kann das Signal des Lampenstroms dadurch gewonnen werden, dass am Messwiderstand die Spannung abgegriffen wird, und aus diesem Wert und der Größe des Messwiderstands der Lampenstrom berechnet wird.
Wie bereits erläutert, können zum Beispiel aufgrund der Verkabelung der Lampe parasitäre Kapazitäten auftreten, Diese sind in Figur 3 als Kondensator Cpar parallel zur Lampe wiedergegeben.
Die Regeleinheit ist dabei so ausgebildet, dass sie alle Funktionen des Betriebsgeräts regeln kann, d.h. für das gesamte Lampenmanagement verantwortlich ist. Dabei regelt sie die Höhe des Gleichstroms, der der Halbbrücke zugeführt wird. Dies erfolgt vorzugsweise über eine Regelung der PFC-Schaltung . Insbesondere regelt sie auch die Taktfrequenz der Halbbrücke. Für eine solche Regelung erhält die Regeleinheit den gemessenen Lampenstrom und die gemessene Lampenspannung als Rückführsignale.
Die Regeleinheit ist vor allem so ausgelegt, dass sie das erfindungsgemäße Verfahren, wie oben beschrieben, durchführen kann. Die Regeleinheit weist hierfür eine Schaltung, insbesondere eine integrierte Schaltung auf. Bei der integrierten Schaltung kann es sich dabei um einen μθ oder einen ASIC handeln. Denkbar ist jedoch auch der Einsatz eines Mikrocontrollers oder einer zumindest teilweise diskreten Schaltung, d.h. einer Hybridlösung.
Figur 4 zeigt ein Zeitdiagramm mit einer Spannungs- und einer Stromkennlinie, wenn die Spannung einen DC-Anteil VDC_OFFSET aufweist. Dieser - unbekannte - DC-Anteil in der Lampenspannung wird gemäss der Erfindung für die cos phi Korrektur berücksichtigt. Dies erfolgt genauer gesagt durch Erfassung weiterer Spannungs-Nulldurchgänge (oder vergleichbarer signifikanter Punkte) , aus denen die durch den DC-Anteil verursachte Asymmetrie ermittelt werden kann. Die Einbeziehung des DC-Anteils erfolgt dann bspw. rechnerisch, beispielsweise implementiert in einem ASIC. Im einfachsten Fall werden drei aufeinanderfolgende Nulldurchgänge der Lampenspannung und ein Nulldurchgang des Lampenstromes zur Ermittlung der Asymmetrie berücksichtigt. Aus dem Vergleich der Zeitspannen der beiden Halbwellen kann der DC-Anteil ermittelt werden. Vorzugsweise werden mehrere Nulldurchgänge (d.h. über mehrere Perioden, also vorzugsweise zumindest drei Nulldurchgänge ausgewertet) . Dabei können auch die Nulldurchgänge der Lampenstromüberwachung mit ausgewertet werden, da somit die Frequenz ermittelt werden kann (bei diesem Anwendungsbeispiel weist der Lampenstrom keinen nennenswerten DC-Anteil auf) . Es kann aber auch die Frequenz des AC-Betriebs, also die Taktfrequenz mit der der getaktete DC/AC-Konverter angesteuert wird, mit für die Auswertung der Spannungsnulldurchgänge für die Ermittlung des DC-Anteiles herangezogen werden.
Im Beispiel von Figur 4 wird zuerst der Nulldurchgang (mit positiver Steigung) des Lampenstroms erfasst sowie der nach einer Zeitdauer Tl eintretende positive Nulldurchgang der Lampenspannung. Die zeitliche Lage des letzteren Nulldurchganges hängt in Bezug auf den ersteren hängt jedoch nicht ausschliesslich von. dem Phasenwinkel ab, sondern verschiebt sich bei Vorliegen eines DC-Anteiles in der Spannung. Daher muss zum Ermitteln des exacten Phasenwinkels ebendieser DC-Anteil berücksichtigt werden.
Nach einer Zeitdauer T2 erfolgt der negative Nulldurchgang der Lampenspannung, wobei diese Zeitdauer T2 aufgrund eines DC-Anteils der Lampenspannung länger ist als die Zeitdauer T3 bis zum nächsten positiven Nulldurchgang der Lampenspannung. Der Unterschied zwischen T2 und T3, also zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen, wird zur Ermittlung des DC-Anteils verwendet. Mittels des DC- Anteils wird dann die Berechnung der Phasenverschiebung korrigiert, die ausgehend von der Zeitdauer Tl erfolgt.
Die Zeitverschiebung des Strom und Spannungssignales um den DC-Anteil bereinigt lautet dann:
Figure imgf000021_0001
Daraus lässt sich dann der korrekte Phasenwinkel Phi der Signale ableiten:
Phi = Tvi / Tperiode *2*pi Zusätzlich oder alternativ kann auch der Strom DC-Anteile haben: Diese können ebenso durch Erfassung aufeinanderfolgender Nulldurchgänge des Stromes (wie oben bei der Spannung) korrigiert werden. Dies ist bei Verwendung von LEDs als Leuchtmitteln von Vorteil, bei denen oft ein weiter Dimmbereich ansteuerbar ist.
Figur 5 zeigt eine Weiterbildung der Erfindung. Um steilere Verläufe der Nulldurchgänge zu erhalten, wird das Stromsignal (d.h. die Messung des Nulldurchgangs) nicht direkt am Stromshunt Rshunt abgegriffen, sondern davor über einer Diode DZl, die in Serie zu dem Stromshunt Rshunt angeordnet ist. Der Abgriffspunkt für das Signal liegt zwischen der Diode und dem Stromshunt.
Damit ist das Signal im Nulldurchgang sozusagen "vergrössert " , die Störsicherheit somit deutlich erhöht. Die Amplitude des Lampenstromes wird direkt an dem Stromshunt Rshunt gemessen. Die Messung über der Diode DZl nutzt den Effekt, dass der Lampenstrom solange über den Pfad durch den Widerstand Rk fließt, bis der Lampenstrom soweit angestiegen ist, dass die Spannung über dem Widerstand Rk die Durchlaßspannung der Diode DZl übersteigt und diese den Stromfluß übernimmt (wobei der Stromshunt Rshunt einen geringeren Widerstand als der Widerstand Rk aufweist) . Die Diode DZ2 ist optional und dient der Spannungsbegrenzung.
Gerade die erweiterte Erfassung mit der Auswertung der Nulldurchgänge (mehrerer) zur Bestimmung und Kompensation des DC-Anteils sind Vorteile, die sich bei Einsatz eines digitalen Systems realisieren lassen. Der DC-Anteil kann sich gerade abhängig vom Helligkeitspegel (Dimmpegel) , Umgebungstemperatur der Lampe, Lampenexemplar, Lampentype (zB abhaengig von der verwendeten Technologie: Coldspot-, Amalgam-, Energy- Saving-, Long-Life- Varianten) und Abhängig von der Lampenalterung ändern, daher ist eine aktive Erfassung und Kompensation erforderlich.
Einen besonderen Vorteil der Erfindung stellt der Umstand dar, dass es auch in bereits existierenden Betriebsgeräten eingesetzt werden kann. Dies ist insbesondere dadurch möglich, da diese zumeist bereits mit einer Vorrichtung zum Erfassen der Lampenspannung und des Lampenstroms ausgestattet sind. Es ist also lediglich notwendig, die Regeleinheit auszutauschen. Falls möglich ist es natürlich wünschenswert, stattdessen einfach die bereits bestehende Regeleinheit zu modifizieren. So ist es beispielsweise denkbar, dass die Regeleinheit entsprechend neu programmiert wird.
Abschließend soll noch einmal darauf hingewiesen werden, dass die Erfindung in einem wesentlich größeren Anwendungsbereich eingesetzt werden kann, als dies durch die Ausführungsbeispiele gezeigt ist.
So kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht nur ein kapazitiver Betrieb, bei dem der Strom der Spannung vorauseilt, sondern auch eine induktiver Betrieb, bei dem die Spannung dem Strom vorauseilt, erkannt werden. Beispielsweise kann ein solcher induktiver Betrieb unmittelbar nach dem Zünden einer Lampe zulässigerweise auftreten. Somit wird sich in diesem Fall ein negativer Phasenwinkel Φ ergeben. Gemäß einer Option wird ein derartiger negativer Phasenwinkel als Phasenwinkel 0° betrachtet. Anhand dessen können weitere Messungen entsprechend referenziert werden. Da unmittelbar nach einer Lampenzündung der induktive Betrieb zulässig ist, sollte eine Phasenwinkelkorrektur erst nach einer vorbestimmten Zeitdauer oder in einer vorbestimmten Betriebsphase, beispielsweise im stabilen Brennbetrieb, aktiviert werden. Allgemein ausgedrückt, kann das erfindungsgemäße Verfahren in jeder denkbaren elektrischen Schaltung eingesetzt werden, die mit Wechselstrom betrieben wird, und in der eine Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung auftritt. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann diese Phasenverschiebung zuverlässig ermittelt werden. Die ermittelte Phasenverschiebung kann für eine korrekte Regelung der Schaltung, aber auch für andere Zwecke sinnvoll sein. Da aufgrund von Bauteilen mit kapazitiven oder induktiven Eigenschaften in den meisten Schaltungen, durch eine Verkabelung wie beispielsweise einer Erdung praktisch in jeder Schaltung ein kapazitiver oder induktiver Betrieb auftreten kann, ist das erfindungsgemäße Verfahren dementsprechend praktisch in jeder Schaltung auf sinnvolle Weise einsetzbar.
Es kann sich dabei um eine Schaltung handeln, die zum Betreiben einer Last, wie einer Leuchte oder eines Elektromotors ausgelegt ist. Bezugnehmend auf den ersten Fall soll betont werden, dass jede Form von Leuchte denkbar ist. Beispielsweise ist so auch der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Betriebsgerät zum Betreiben von einer oder mehrerer LEDs und/oder einer oder mehrerer organischer LEDs denkbar. Beispielsweise können diese in mit Wechselstrom betriebene Schaltungen in entgegensetzte Richtungen geschaltet sein. Auch ist denkbar, dass ein Wechselstrom, dessen Stärke zu Regelungszwecken gemessen wird, zum Betreiben der Leds in einen Gleichstrom gewandelt wird.
Bei LEDs wird häufig eine Regelung, insbesondere eine Dimmung, über Einstellung des Tastverhältnisses einer PWM erreicht. Da LEDs häufig stromgeregelt werden, ist in diesem Fall für eine korrekte Regelung die Ermittlung des tatsächlichen Wirkstroms von ganz besonderer Bedeutung. Dabei kann beispielsweise gemäß der vorliegenden Erfindung eine Stromregelung dadurch korrigiert werden, dass das Tastverhältnis der PWM-Modulation gegenüber einem nicht korrigierten Stromerfassungswert erhöht wird, um den kapazitiven Strömen Rechnung zu tragen.
Bezugszeichen Uiamp Lampenspannung
I iamp Lampenstrom
IR Wirkanteil des Lampenstroms
Ic kapazitiver Anteil des Lampenstroms zcd Einheit zur Erkennung des Nulldurchgangs des Signals
C Zähler
Cl Regelschleife (Control loop)
At zeitliche Phasenverschiebeung zwischen U und I
Tv Sollwert (Target value)
avg Einheit zur Bestimmung des gemittelten
Stromwerts
fout gen Frequenz Generator
RE Regeleinheit
HB Halbbrücke
Riamp Lampe
Rl, R2 Spannungsteiler
Rshunt Messwiderstand
Li Induktivität
Cl Kondensator

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum geregelten AC-Betrieb eines
vorzugsweise dimmbaren Betriebsgeräts für
Leuchtmittel, wie bspw. LEDS, OLEDs oder
Gasentladungslampen,
wobei der zeitliche Abstand von signifikanten Punkten des Verlaufs des Stromes durch die Leuchtmittel sowie der Spannung über den Leuchtmitteln, unter
Berücksichtigung des DC-Anteils der Spannung über den Leuchtmitteln und/oder des DC-Anteils des Stroms durch die Leuchtmittel, für eine Cos (Φ) -Korrektur eines Istwerts und/oder eines Sollwerts der Regelung verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei die signifikanten Punkte der Scheitelpunkt oder ein Nulldurchgang gleichen Vorzeichens der Steigung des Verlaufs des Stromes durch die Leuchtmittel sowie der Spannung über den Leuchtmitteln ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zeitliche Abstand mit der Frequenz des AC- Betriebs verknüpft, bspw. multipliziert wird, um einen Korrekturfaktor zu ermitteln.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
bei dem diese Frequenz der Frequenz eines getakteten DC/AC-Konverters des Betriebsgeräts entspricht.
5. Verfahren nach Anspruch 3,
bei dem diese Frequenz aus dem Abstand zweier
signifikanter Punkte von Strom und/oder Spannung an den Leuchtmitteln ermittelt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Betrieb der Leuchtmittel leistungs- oder stromgeregelt ist. 1. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuergrösse des geregelten Betriebs eine Frequenzveränderung und/oder eine PWM-Modulation ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur cos (Φ) -Korrektur mehrere zeitliche Abstände signifikanter Punkte gemittelt werden oder gefiltert werden .
9. Verfahren nach Anspruch 8,
wobei die zeitliche Mittelung oder Filterung,
insbesondere eine Zeitkonstante davon, abhängig vom Betriebszustand eingestellt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
wobei die cos (Φ) -Korrektur abhängig vom
Betriebszustand ausgeführt wird und bspw. abhängig vom Betriebszustand aktiviert bzw. deaktiviert wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
bei dem die cos (Φ) -Korrektur digital ausgeführt wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
wobei der Nulldurchgang des Verlaufs des Stroms durch die Leuchtmittel mittels eines Bauteils mit Dioden- Kennlinie erfasst wird, wobei die Amplitude des
Stroms vorzugsweise über ein Bauteil mit Widerstands- Kennlinie erfasst wird.
13. Steuerschaltung, insbesondere eine integrierte Schaltung wie ein pC oder ASIC, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden
Ansprüche ausgelegt ist.
14. Betriebsgerät zum geregelten Betrieb von
Leuchtmitteln, vorzugsweise zum dimmbaren Betrieb von Leuchtmitteln,
aufweisend eine Steuerschaltung nach Anspruch 13.
15. Betriebsgerät gemäß Anspruch 14,
weiterhin aufweisend einen getakteten DC/AC- Konverter, wie eine Halb- oder Vollbrücke, und eine nachgeschaltete Resonanzschaltung aufweist, die die Leuchtmittel mit Wechselstrom betreiben.
16. Betriebsgerät gemäß Anspruch 14 oder 15,
wobei es sich bei der Ansteuerschaltung um eine
Schaltung, wie bspw. einen Buck-Konverter , einen Boost-Konverter , einen Flyback-Konverter oder aber auch um einen anderen Schaltregler wie beispielsweise eine Halb- oder Vollbrücke handelt, die zum Betreiben von einer oder mehrerer LEDs, insbesondere mit PWM ausgelegt ist.
17. Leuchte, auf weisend ein Betriebsgerät nach einem der Ansprüche 14 bis 16 sowie wenigstens ein angeschlossenes Leuchtmittel, wie bspw. eine LED, OLED oder Gasentladungslampe.
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