WO2012062346A1 - Schaltungsanordnung und verfahren zur schnellen kommutierung beim rechteckbetrieb von hochdruckentladungslampen - Google Patents

Schaltungsanordnung und verfahren zur schnellen kommutierung beim rechteckbetrieb von hochdruckentladungslampen Download PDF

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WO2012062346A1
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WO
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switch
lamp
commutation
com
pressure discharge
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PCT/EP2010/066966
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Herbert Kaestle
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Osram Ag
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    • H05B41/2882—Load circuits; Control thereof the control resulting from an action on the static converter
    • H05B41/2883—Load circuits; Control thereof the control resulting from an action on the static converter the controlled element being a DC/AC converter in the final stage, e.g. by harmonic mode starting

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement and method for rapid commutation in the rectangular operation of high-pressure discharge lamps.
  • the invention relates to an electronically controlled operation of high-pressure discharge lamps with a fast commutation sequence.
  • the invention is based on a circuit arrangement for rapid commutation in the rectangular operation of high-pressure discharge lamps according to the preamble of the main claim.
  • High-pressure discharge lamps In particular of high-pressure discharge lamps with a ceramic discharge vessel, a relatively low-frequency rectangular lamp power supply with fast commutation is usually used.
  • High-pressure discharge lamps generally have two rod-shaped electrodes arranged in the discharge vessel, which are often equipped with coiled attachments for conditioning the bend attachment.
  • the current commutation serves to prevent the one-sided electrode wear and must be accomplished with sufficiently fast polarity reversal, so that the lamp does not go out during commutation.
  • the commutation time is typically in the range of less than 100 is.
  • the commutation frequency is generally chosen so that, on the one hand, the short-term discontinuities during the commutation process do not manifest as flickering in the light and, on the other hand, the acoustic emissions from both the hot lamp and the operating equipment do not fall within the audible range.
  • This requirement can best be achieved with a commutation frequency in the range between 50 Hz and 200 Hz.
  • the commutation frequency should not be set above the audio hearing range at more than 20 kHz, so that the acoustic resonances of the discharge arc, which are in the range between 20 kHz and 150 kHz for conventional lamp geometries, are not arbitrarily excited during operation of the lamp.
  • a further constraint to the rectangular operating a high pressure discharge lamp is to minimize the harnessfre ⁇ -frequency ripple on the square-wave lamp current, so that thereby the acoustic modes in the discharge arc of the Lamp can not be arbitrarily excited, which, as already mentioned, can lead to arc instabilities.
  • the rectangular in standard operation of a high-pressure discharge lamp allowable limit for the naval flickreqente residual ripple is in the range of less than 2%.
  • the forming high-frequency ripple of a standard operating device with rectangular lamp current form is essentially the remaining residual ripple, which originates from the internal high-frequency operating method of the switching converter.
  • the visible remaining residual ripple depends directly on the time constant of the smoothing devices, which depends essentially on the size of the smoothing capacitor used at the output of the lamp circuit.
  • a high time constant for strong smoothing of the lamp current leads in the same way to slowing down the natural commutation time or to increase the circuit ⁇ expenses for the implementation of an actively controlled commutation.
  • Fig. 1 is a schematic circuit topology of an electronic operating unit for operating a standard high-pressure discharge lamp according to the prior art is Darge ⁇ provides, in which the amount of the residual ripple of the lamp current was brought into line with the achievable commutation.
  • the intermediate circuit voltage U ZK of 400 VDC is provided by a network power factor correction unit (not shown) via a DC link capacitor C ZK .
  • the half-bridge circuit is designed as a deep-set half-bridge with the transistors Q1_HIGH and Q2_LOW.
  • high-frequency pulse-width modulation is superimposed on the low-frequency operation at approximately 100 Hz in order to be able to reduce the input voltage of the half-bridge to the required lamp voltage.
  • the high-pressure discharge lamp 5, hereinafter also referred to as a lamp, is operated in the two phases, the forward phase and the reverse phase, to the average voltage U C B, which adjusts itself constant at the blocking capacitor C B in the amount of 200VDC.
  • the differential voltage U L occurring at the lamp is + 100V in forward operation and -100V in reverse operation.
  • the current I L occurring at the lamp is in the two operating phases corresponding to Lamp voltage also inverted in each case.
  • the smoothing of the generated operating voltage at the output of the switching converter depends on the operating frequency and the LC time constant of the switching converter.
  • the state of charge of the converter capacitor C from the intermediate circuit capacitor CZK is charged via the inductance L resonantly to the voltage value 300V.
  • a large LC time constant has a long resonant Umla- dezeit and thus a correspondingly slow commutation ⁇ time result.
  • the time constant of fo 10 kHz results in a residual ripple of less than 2% at an operating frequency of approx.
  • the smoothing requirements and the commutation times conflict with this switching arrangement and must be compensated appropriately.
  • an ignition transformer with a switching transistor for generating one or more ignition pulses is introduced into the lamp circuit.
  • the fillings of these novel lamps usually show one increased sensitivity to excite bend-stabilizing acoustic eigenmodes, thereby increasing the smoothness requirements of the output circuit
  • a circuit arrangement for fast commutation in the rectangular operation of high-pressure discharge lamps comprising a Wegstende half-bridge arrangement with a half-bridge, a lamp inductor, a converter capacitor, a blocking capacitor, a first switch for coupling the half-bridge arrangement with the Lamp, a second switch for performing the forward current commutation and for initiating a forward phase, a third switch for performing the reverse current commutation and for initiating a reverse phase.
  • the circuit arrangement further comprises a starting inductance and a starting capacitor.
  • a simplified ignition of Hochdruckentla ⁇ tion lamp can be realized in conjunction with the circuit ⁇ arrangement according to the invention.
  • the circuit arrangement further comprises a power factor correction circuit.
  • the object of the method is achieved by a method for operating a high-pressure discharge lamp by means of a circuit arrangement having a half-bridge arrangement with a half-bridge and a lamp inductor, a converter capacitor and a blocking capacitor, with the following steps:
  • FIG. 1 shows a circuit topology according to the state of the art, in which the magnitude of the residual current of the lamp current can be compared with the achievable one
  • Fig. 2 shows a Serithsan extract m according to the invention
  • 3a is an overall view of the functionality of the switching ⁇ arrangement for the rectangular operation
  • 3b shows a detailed switching sequence of the commutation in the forward mode
  • Fig. 4 shows a circuit arrangement according to the invention in a second embodiment to achieve a fast Lampenstromkommutation exclusively for the remindykommuttechnik for initiating the stationary backward phase in a ballast for rectangular operation.
  • FIG. 2 shows a circuit arrangement according to the invention, in which the deep-setting half-bridge is decoupled from the smoothing characteristic of the internal switching converter and both characteristics can be set independently of one another.
  • the lamp itself is operated at the mid voltage level at 200VDC on block capacitor C B.
  • Lamp circuit and thus the lamp during the relatively long reloading of the converter capacitor C of Heidelbergkon ⁇ verters (more than 100 ⁇ is) are temporarily coupled away.
  • the forward commutation is understood to mean the commutation from the reverse phase to the forward phase, during which the lamp current has to be changed from a negative value to a positive value.
  • the switch-on duration of the forward commutation is selected such that the commutation current that arises is the Arnold Böcklin lamp heats up sufficiently so that the subsequent ⁇ sequent feeding back of the lamp can be accomplished to a converter capacitor C of the switching converter without danger of extinction running.
  • Backward commutation is understood to mean the commutation from the forward phase to the backward phase at which the lamp current must be changed from a positive value to a negative value.
  • a negative current I L is fed to the block capacitor through the lamp 5 to the ground in the present circuit arrangement ⁇ via the switch Q_COM_BW starting from U C B.
  • the switching duration of the reminding commutation current is chosen so that the up-adjusting commutation current sufficiently heats up the air, so that this can be accomplished at ⁇ closing feeding back of the lamp to a converter capacitor C of the switching converter without a Lampenerlöschen.
  • the duty cycle of the injected current for the forward and rural negligencemuttechnik is chosen such that the commutation current is adjusting heating the electrodes of the lamp Arnold Böcklin sufficient for the subsequent ⁇ sequent feeding back of the lamp to a converter capacitor C of the switching converter without danger running a Lampenerlö ⁇ schens can be accomplished.
  • the typical current run times for the lamp current commutation are approximately 20 ⁇ s and the switch-off or return lamp to the switch converter output for the continuation of the stationary forward or reverse operation can be after approximately 50 ⁇ s to 70 ⁇ s ⁇ is done.
  • a resonant ignition sequence can be rea ⁇ linstrument.
  • the lamp can still continue high-frequency drive via the still uncoupled half-bridge in a warm-up phase as needed until a coupling to the switching converter for receiving the
  • Rectangle mode is displayed.
  • Fig. 3a shows the relevant signals to explain the operation of the circuit arrangement according to the invention.
  • the top curve 1 shows the constant intermediate circuit voltage U ZK in the amount of 400VDC, which is provided by the beaufak ⁇ torkorrekturscrien C_PFC.
  • Curve 2 shows the constant mean voltage U C B of
  • the voltage values of 300 V and 100 V are alternately produced and provided at its converter capacitor C alternately at a rate of 100 Hz, with which the lamp is fed in the two operating phase phases, forward operation and reverse operation.
  • Curve 3 shows this alternating voltage U c at the capacitor C.
  • the coupled to the output of the switching converter lamp is operated on the constant 20 OV voltage across the blocking capacitor C B out and thus experiences the differential voltage U L between C B and C, which is inverted in each case at 100V in each phase of operation.
  • the curve 5 shows the self-adjusting lamp current I L analog to the lamp voltage U L at curve. 4
  • Fig. 3b shows a detailed switching sequence of the circuit arrangement according to the invention in the commutation in the forward mode.
  • the curve 1 shows the switching state or the gate voltage UQ_TRANS of the coupling transistor
  • Curve 2 shows the switching state or the gate voltage UQ_COM_FW of the switching transistor Q_COM_FW.
  • the curve 3 shows the switching state or the gate voltage UQ_COM_BW of the switching transistor Q_COM_BW.
  • the curve 4 shows the pulsed lamp current I L on the lamp for initiating the forward operation. Which a ⁇ Deputy generating current pulse to the lamp produced as a result of the coupling of the lamp circuit through the switching transistor
  • the curve 5 shows the pulse-shaped lamp current I L in the forward commutation in higher temporal resolution.
  • the current direction at the lamp changes from -1A to + 2.5A within 20usec, which corresponds to a current commutation time of less than 20 is.
  • the curve 6 shows the switching state or the gate voltage UQ_COM_FW of the switching transistor Q_COM_FW in higher zeitli ⁇ cher resolution.
  • the forward commutation process is terminated after 70 is, in which the switch Q_COM_FW is opened again, wherein the lamp circuit is again coupled to the output capacitor C of the buck converter by the switch Q_COM_FW is closed again.
  • FIG. 3c shows a detailed switching sequence of the inventive circuit arrangement during the commutation in reverse operation.
  • the curve 1 shows the switching state or the gate voltage UQ_TRANS of the coupling transistor
  • the Lam ⁇ pen Vietnamese via the coupling transistor Q_TRANS from the output of the switching converter for about 70 ⁇ is separated.
  • the curve 2 shows the switching state or the gate voltage UQ_COM_FW of the switching transistor Q_COM_FW.
  • the curve 3 shows the switching state or the gate voltage UQ_COM_BW of the switching transistor Q_COM_BW.
  • the curve 4 shows the pulse-shaped lamp current I L for initiating the reverse operation.
  • the curve 5 shows the pulse-shaped lamp current I L in the reverse commutation in higher temporal resolution.
  • the current direction at the lamp changes from + 1A to -2.5A within 20usec, which corresponds to a current commutation time of less than 20 is.
  • the curve 6 shows the switching state or the gate voltage UQ_COM_BW of the switching transistor Q_COM_BW in higher zeitli ⁇ cher resolution.
  • the backward commutation process is terminated after 70 is, in which the switch Q_COM_BW is reopened, the lamp circuit is again coupled to the output capacitor C of the buck converter by the switch Q_COM_FW is closed again.
  • this switching arrangement thus also has one switch less and is more cost-effective to manufacture.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Circuit Arrangements For Discharge Lamps (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur schnellen Kommutierung beim Rechteckbetrieb von Hochdruckentladungslampen, aufweisend: - eine Halbbrückenanordnung mit einer Halbbrücke und einer Lampendrossel, - einen ersten Schalter zur Kopplung der Halbbrückenanordnung mit der Lampe, - einen zweiten Schalter zum Vollzug der Vorwärtsstromkommutierung und zur Einleitung einer Vorwärtsphase, - einen dritten Schalter zum Vollzug der Rückwärtsstromkommutierung und zur Einleitung einer Rückwärtsphase, - einen Blockkondensator. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe mittels einer Schal- tungsanordnung mit einer Halbbrückenanordnung mit einer Halbbrücke und einer Lampendrossel sowie einem Blockkondensator, gekennzeichnet durch folgende Schritte: - vor dem Einleiten einer Kommutierung abkoppeln der Halbbrückenanordnung von der Hochdruckentladungslampe durch Öffnen eines ersten Schalters, - Vollzug der Vorwärtskommutierung durch Schließen eines zweiten Schalters zur Einleitung einer Vorwärtsphase und durch Öffnen eines dritten Schalters, oder Vollzug der Rückwärtskommutierung durch Schließen eines dritten Schal- ters zur Einleitung einer Rückwärtsphase und durch Öffnen eines zweiten Schalters, - Ankoppeln der Halbbrückenanordnung an die Hochdruckentladungslampe durch Schließen des ersten Schalters, - Öffnen des zweiten Schalters und des dritten Schalters.

Description

Beschreibung
Schaltungsanordnung und Verfahren zur schnellen Kommutierung beim Rechteckbetrieb von Hochdruckentladungslampen
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und Verfahren zur schnellen Kommutierung beim Rechteckbetrieb von Hochdruckentladungslampen. Die Erfindung betrifft insbeson- dere einen elektronisch gesteuerten Betrieb von Hochdruckentladungslampen mit schneller Kommutierungssequenz.
Hintergrund
Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zur schnellen Kommutierung beim Rechteckbetrieb von Hochdruck- entladungslampen nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Zum Betrieb von Hochdruckentladungslampen, insbesondere von Hochdruckentladungslampen mit einem keramischen Entladungsgefäß, wird meist eine relativ niederfrequente rechteckför- mige Lampenstromversorgung mit schneller Kommutierung ver- wendet. Hochdruckentladungslampen haben in der Regel zwei im Entladungsgefäß gegenüber angebrachte stabförmige Elekt¬ roden, die zur Konditionierung des Bogenansatzes oft mit gewendelten Aufsätzen bestückt sind. Die Stromkommutierung dient zur Verhinderung der einseitigen Elektrodenabnutzung und muss mit hinreichend schneller Umpolung bewerkstelligt werden, damit die Lampe während der Kommutierung nicht erlöscht .
Bei Standard-Hochdruckentladungslampen liegt die Kommutierungszeit typischerweise im Bereich kleiner 100 is . Die Kommutierfrequenz wird im Allgemeinen so gewählt, dass einerseits die kurzzeitigen Diskontinuitäten während des Kommutierungsvorgangs sich nicht als Flackern im Licht zeigen und anderseits die akustischen Emissionen sowohl von der heißen Lampe als auch von dem betreibenden Betriebsgerät möglichst nicht in den hörbaren Bereich fallen.
Diese Anforderung lässt sich am besten mit einer Kommu- tierfrequenz im Bereich zwischen 50 Hz und 200 Hz realisieren .
Die besten Ergebnisse erzielt man, wenn man die Kommu- tierfrequenz bei 100 Hz (europäisch) oder bei 120Hz (amerikanisch) auf das Netz synchronisiert und sich damit die niederfrequenten und leicht sichtbaren Mischungsmoden zwischen dem allfälligen 100 Hz-Ripple beziehungsweise 120Hz- Ripple der Netzversorgung und den Schwankungen der Kommutierungsübergänge unterdrücken lassen.
Die Kommutierfrequenz sollte aber auch nicht über den Audiohörbereich bei mehr als 20 kHz gelegt werden, damit beim Betrieb der Lampe die akustischen Eigenresonanzen des Ent- ladungsbogens , die bei gängigen Lampengeometrien im Bereich zwischen 20 kHz und 150 kHz liegen, nicht willkürlich angeregt werden.
Eine resonante Anregung des Lichtbogens würde in den meis¬ ten Fällen zu Bogenfluktuation und Bogeninstabilitäten führen, die zum Flackern, letztlich zum Erlöschen oder gar zur Zerstörung der Lampe führen können.
Eine weitere Randbedingung zum rechteckigen Betrieb einer Hochdruckentladungslampe ist die Minimierung des hochfre¬ quenten Ripples auf dem rechteckförmigen Lampenstrom, damit hierdurch die akustischen Moden im Entladungsbogen der Lampe nicht willkürlich angeregt werden, was wie bereits erwähnt zu Bogeninstabilitäten führen kann.
Der bei rechteckigem Standard-Betrieb einer Hochdruckentla¬ dungslampe zulässige Grenzwert für die hochfreqente Rest- welligkeit liegt im Bereich kleiner als 2%.
Der sich ausbildende hochfrequente Ripple eines Standard- Betriebsgerätes mit rechteckförmiger Lampenstromform ist im Wesentlichen der verbleibende Restripple, der vom internen hochfrequenten Betriebsverfahren des Schaltkonverters her- rührt .
Der sichtbare verbleibende Restripple hängt dabei direkt von der Zeitkonstante der Glättungsvorrichtungen ab, was im Wesentlichen von der Größe des verwendeten Glättungskonden- sators am Ausgang des Lampenstromkreises abhängt.
An dieser Stelle verdeutlicht sich der Umstand, dass bei einem Standard-Betriebsgerät mit rechteckförmiger Lampen- stromform zum Betrieb einer Hochdruckentladungslampe die Implementierung einer hinreichend starken Lampenstromglät- tung der Anforderung einer hinreichend schnellen Stromkom- mutierung entgegen steht.
Eine hohe Zeitkonstante zur starken Glättung des Lampenstroms führt in gleicher Weise zur Verlangsamung der natürlichen Kommutierungszeit bzw. zur Erhöhung des Schaltungs¬ aufwands für die Implementierung eines aktiv gesteuerten Kommutierungsvorgangs.
Bei einem Standard-Betriebsgerät mit rechteckförmiger Lam- penstromform zum Betrieb von Standard- Hochdruckentladungslampen wird daher in der Regel ein Ausgleich zwischen der Glättungsanforderung (Restripple klei- ner als 2%) und der Kommutierungszeit (Kommutierungszeit t_com kleiner als 100 ]is) angestrebt. In Fig. 1 ist eine schematische Schaltungstopologie eines elektronischen Betriebsgerätes zum Betrieb einer Standard- Hochdruckentladungslampe nach dem Stand der Technik darge¬ stellt, bei der der Betrag der Restwelligkeit des Lampen- Stroms mit der erreichbaren Kommutierungszeit in Einklang gebracht wurde .
Die Zwischenkreisspannung UZK von 400 VDC wird von einer Netzleistungsfaktorkorrektureinheit (nicht gezeigt) über einen Zwischenkreiskondensator CZK bereitgestellt.
Die Halbrückenschaltung ist als tiefsetzende Halbbrücke mit den Transistoren Q1_HIGH und Q2_LOW ausgeführt. Bei einer tiefsetzenden Halbbrücke wird dem niederfrequenten Betrieb bei ca. 100Hz eine hochfrequente Pulsweitenmodulation überlagert, um die Eingangsspannung der Halbbrücke auf die erforderliche Lampenspannung heruntersetzen zu können.
Dieser Betrieb ist im Stand der Technik weithin bekannt und wird hier deshalb nicht näher erläutert. An der Halbbrücke wird an dessen Ausgang alternativ im 100Hz-Takt für den Vorwärtsbetrieb (Schalter Ql_High wird mit langen Pulswei- ten getaktet, Schalter Q2_Low wird mit kurzen Pulsweiten getaktet) eine Spannung von +300V und für den Rückwärtsbe¬ trieb (Schalter Q2_LOW wird mit langen Pulsweiten getaktet, Schalter Ql_High wird mit kurzen Pulsweiten getaktet) eine Spannung von +100V bereitgestellt.
Die Hochdruckentladungslampe 5, im Folgenden auch als Lampe bezeichnet, wird in den beiden Phasen, der Vorwärtsphase und der Rückwärtsphase, auf die mittlere Spannung UCB hin betrieben, die sich am Blockkondensator CB in Höhe von 200VDC konstant einstellt. Die an der Lampe auftretende Differenzspannung UL beträgt im Vorwärtsbetrieb +100V und im Rückwärtsbetrieb -100V. Der an der Lampe auftretende Strom IL ist in den beiden Betriebsphasen entsprechend der Lampenspannung ebenfalls jeweils invertiert. Die Glättung der erzeugten Betriebsspannung am Ausgang des Schaltkonverters hängt von der Betriebsfrequenz und der LC- Zeitkonstante des Schaltkonverters ab.
Zur Minimierung des verbleibenden hochfrequenten
Schaltripples auf der Lampenspannung UL, sollte die Zeit¬ konstante (beziehungsweise die aus dieser Zeitkonstante herleitbare Frequenz fo) der Schaltkonverterbauteile ver¬ glichen mit der Betriebsfrequenz fbetrieb möglichst groß wählt werden: fbetrieb : =60 kHz .
Figure imgf000007_0001
Bei der Vorwärtskommutierung wird der Ladezustand des Konverterkondensators C vom Zwischenkreiskondensator CZK aus über die Induktivität L resonant bis auf den Spannungswert 300V aufgeladen.
Bei der Rückwätskommutierung wird der Ladezustand des Konverterkondensators C umgekehrt über die Induktivität L resonant bis auf den Spannungswert 100V in den Zwischen¬ kreiskondensator CZK zurückgeladen. Der resonante Umlade- Vorgang läuft im Idealfall bei hinreichend hohen Bauteile¬ güten dissipationsfrei ab. Die Kommutierungszeiten für die resonanten Umladevorgänge hängen im Wesentlichen von der LC-Zeitkonstante des Schaltkonverters ab.
Eine große LC-Zeitkonstante hat eine lange resonante Umla- dezeit und damit eine entsprechend langsame Kommutierungs¬ zeit zur Folge. Die Resonanzfrequenz des LC-Kreises von fo := = 10-KHz entspricht einer Umlade- bzw. Kommutie-
2·π A)0.5-mH-500nF
rungszeit von 100 ]is .
Die Zeitkonstante von fo=10kHz führt bei einer Betriebs- frequenz von ca. fbetrieb : =60kHz zur einer Restwelligkeit von kleiner 2%. Die Glättungsanforderungen und die Kommutierungszeiten stehen sich bei dieser Schaltanordnung entgegen und müssen zweckmäßig ausgeglichen werden.
Zur Erzeugung der Zündspannung ist in den Lampenkreis se- riell ein Zündtrafo mit Schalttransistor zur Erzeugung eines oder mehrerer Zündpulse eingebracht.
Mit dem oben beschriebenen einfachen Rechteckbetrieb können in der Regel die meisten standardisierten Hochdruckentladungslampen betrieben werden, ohne dass es dabei zu nen- nenswerten Bogeninstabilititäten und Bogenauslenkungen kommt .
Anders dagegen verhält es sich beim Betrieb von quecksil¬ berfreien molekularstrahlungsdominierten Hochdruckentladungslampen oder auch von gesättigten kapillarfreien Hoch- druckentladungslampen, bei denen die verwendeten Lampenfüllungen oft hohe Temperaturleitfähigkeit aufweisen, was zur schnellen Auskühlung der Elektroden und des Lampenplasmas während der Stromkommutierung und damit auch zur spontanen Erlöschung der Lampen an dieser Stelle führen kann.
Die Anforderung an die Stromkommutierungszeit beim Betrieb dieser neuartigen Lampen ist damit hoch und liegt im Bereich kleiner 40μ3.
Zusätzlich zur Anforderung der schnellen Stromkommutierung zeigen die Füllungen dieser neuartigen Lampen meist eine erhöhte Empfindlichkeit zur Anregung bogendestabilisieren- der akustischer Eigenmoden, wodurch sich die Anforderungen an das Glättungsvermögen des Ausgangskreises erhöhen
(Ripplegrenzwerte kleiner als 1%) , was aber, wie bereits erwähnt, aus technischer Sicht der schnellen Kommutierung entgegensteht .
Des weiteren werden beim Betrieb derartiger Lampen meist zur Stabilisierung des Entladungsbogens gezielt besondere Modulations-Betriebsverfahren benötigt, was aus schaltungs- technischer Sicht bezüglich der Größe der Zeitkonstanten des internen Schaltkonverters bzw. der Glättungseigenschaf- ten des Ausgangskreises zusätzliche definierte Randbedin¬ gungen darstellt, die ebenfalls mit den hohen Anforderungen einer schnellen Kommutierung nur schwer vereinbar sind. Aufgabe
Es ist Aufgabe der Erfindung eine Schaltungsanordnung zur schnellen Kommutierung beim Rechteckbetrieb von Hochdruckentladungslampen bereitzustellen, mit der die Glättung des Lampenstroms aus dem Tiefsetzsteller beliebig groß ein- stellbar ist, wobei aber die Stromkommutierungen unabhängig davon mit hoher Geschwindigkeit vollzogen werden können.
Darstellung der Erfindung
Die Lösung der Aufgabe bezüglich der Schaltungsanordnung erfolgt erfindungsgemäß mit einer Schaltungsanordnung zur schnellen Kommutierung beim Rechteckbetrieb von Hochdruckentladungslampen, aufweisend eine tiefsetzende Halbbrückenanordnung mit einer Halbbrücke, einer Lampendrossel, einem Konverterkondensator, einem Blockkondensator, einen ersten Schalter zur Kopplung der Halbbrückenanordnung mit der Lampe, einen zweiten Schalter zum Vollzug der Vor- wärtsstromkommutierung und zur Einleitung einer Vorwärtsphase, einen dritten Schalter zum Vollzug der Rück- wärtsstromkommutierung und zur Einleitung einer Rückwärts- phase. Durch diese Maßnahme kann die Halbbrücke wie im
Stand der Technik langsam umgeladen werden, da j a der Lampenkreis über ersten Schalter von der Halbbrücke weggekop¬ pelt ist. Wenn die langsame Umladung an der Halbbrücke abgeschlossen ist, dann kann der Lampenkreis wieder ange- koppelt werden. Durch den zweiten Schalter wird die Lampe erfindungsgemäß einer sehr schnellen Kommutierung unterzogen .
Bevorzugt weist die Schaltungsanordnung weiterhin eine Zündinduktivität und einen Zündkondensator auf. Mit dieser kann im Zusammenspiel mit der erfindungsgemäßen Schaltungs¬ anordnung eine vereinfachte Zündung der Hochdruckentla¬ dungslampe realisiert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Schaltungsanordnung weiterhin eine Leistungsfaktorkorrek- turschaltung auf. Mit dieser können auch Lampen höherer
Leistung unter Einhaltung aller vorgeschriebenen Vorschriften an einem öffentlichen Versorgungsnetz betrieben werden.
Die Lösung der Aufgabe bezüglich des Verfahrens erfolgt erfindungsgemäß mit einem Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe mittels einer Schaltungsanordnung mit einer Halbbrückenanordnung mit einer Halbbrücke und einer Lampendrossel, einem Konverterkondensator sowie einem Blockkondensator, mit folgenden Schritten:
- vor dem Einleiten einer Kommutierung abkoppeln der Halb- brückenanordnung von der Hochdruckentladungslampe durch Öffnen eines ersten Schalters, - Vollzug der Vorwärtskommutierung durch Schließen eines zweiten Schalters zur Einleitung einer Vorwärtsphase und durch Öffnen eines dritten Schalters, oder Vollzug der Rückwärtskommutierung durch Schließen eines dritten Schal- ters zur Einleitung einer Rückwärtsphase und durch Öffnen eines zweiten Schalters,
- Ankoppeln der Halbbrückenanordnung an die Hochdruckentladungslampe durch Schließen des ersten Schalters,
- Öffnen des zweiten Schalters und des dritten Schalters. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur schnellen Kommutierung beim Rechteckbetrieb von Hochdruckentladungs¬ lampen ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identi¬ schen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
Fig.l eine Schaltungstopologie nach dem Stand der Tech nik dargestellt, bei der der Betrag der Restwel- ligkeit des Lampenstroms mit der erreichbaren
Kommutierungszeit in Einklang gebracht wurde,
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Sehaltungsanordnung m
einer ersten Ausführungsform, bei der die tiefsetzende Halbbrücke von der Glättungseigenschaft des internen Schaltkonverters entkoppelt wird und beide Charakteristika unabhängig voneinander eingestellt werden können,
Fig. 3a eine Gesamtansicht zur Funktionalität der Schalt¬ anordnung für den Rechteckbetrieb,
Fig. 3b eine detaillierte Schaltsequenz der Kommutierung in den Vorwärtsbetrieb,
Fig. 3c eine detaillierte Schaltsequenz der Kommutierung in den Rückwärtsbetrieb,
Fig. 4 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer zweiten Ausführungsform zur Erzielung einer schnellen Lampenstromkommutation ausschließlich für die Rückwärtskommutierung zur Einleitung der stationären Rückwärtsphase bei einem EVG für Rechteckbetrieb .
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, bei der die tiefsetzende Halbbrücke von der Glättungseigen- schaff des internen Schaltkonverters entkoppelt wird und beide Charakteristika unabhängig voneinander eingestellt werden können.
Die von der Zwischenkreisspannung versorgte Tiefsetzer- Schaltkonverteranordnung stellt wie nach dem Stand der Technik jeweils für den Vorwärtsbetrieb und den Rückwärts¬ betrieb auf dem Konverterkondensator C die beiden unterschiedlichen Spannungswerte von 300V bzw. 100V bereit.
Die Umladung des Konverterkondensators C auf die beiden Spannungswerte erfolgt wie nach Stand der Technik resonant über die Zeitkonstanten des LC-Kreises, die möglichst groß gewählt werden kann um am Ende eine ausreichend gute Glät¬ tung des Lampenbetriebsstroms zu gewährleisten.
Die Lampe selbst wird auf den mittleren Spannungspegel bei 200VDC am Blockkondensator CB betrieben.
Insbesondere kann nun mittels des Schalters Q_TRANS der
Lampenkreis und damit die Lampe während der relativ langen Umladevorgänge des Konverterkondensators C des Schaltkon¬ verters (mehr als 100 \is) kurzzeitig weggekoppelt werden.
Während der Zeit der Abkopplung kann nun die Lampe unter Umgehung der langsamen Zeitkonstante des Konverters wahl¬ weise entweder zur Einleitung der Vorwärtsphase direkt über den Schalter Q_COM_FW an die Zwischenkreisspannung von 400V gelegt werden, oder zur Einleitung der Rückwärtsphase direkt über den Schalter Q_COM_BW auf GND gelegt werden.
Bei der Einleitung der Vorwärtsphase, bei der der Schalter Q_COM_FW auf UZK=400VDC leitend geschaltet wird, wird über die eingebrachte Zünddrossel L_Zünd unmittelbar ein kräfti¬ ger Lampenstrom in Vorwärtsrichtung in Gang gesetzt, dessen Höhe neben der vorherrschenden Lampenimpedanz von der Größe der Induktivität der Zünddrossel L_zünd und der Einschalt¬ dauer abhängt.
Unter der Vorwärtskommutierung wird die Kommutierung von der Rückwärtsphase in die Vorwärtsphase verstanden, bei der der Lampenstrom von einem negativen Wert zu einem positiven Wert gewechselt werden muss.
Bei der Vorwärtsphase wird in der vorliegenden Schaltungs¬ anordnung über den Schalter Q_COM_FW ein positiver Strom IL ausgehend von der Zwischenkreisspannung UZK durch die Lampe 5 auf UCB am Blockkondensator CB geleitet
Die Einschaltdauer der Vorwärtskommutierung wird so gewählt, dass der sich einstellende Kommutierungsstrom die Lampe kurzeitig ausreichend aufheizt, damit das anschlie¬ ßende Zurückkoppeln der Lampe an einen Konverterkondensator C des Schaltkonverters ohne Gefahrlaufens des Erlöschens bewerkstelligt werden kann.
In gleicher Weise wird für die Einleitung der Rückwärtsphase, bei der der Schalter Q_COM_BW auf GND leitend geschaltet wird, ebenfalls über die eingebrachte Zünddrossel ein kräftiger Lampenstrom in Rückwärtsrichtung in Gang gesetzt, dessen Höhe ebenfalls neben der vorherrschenden Lampenimpedanz von der Induktivität der Zünddrossel L_ZÜND und der Einschaltdauer abhängt.
Unter der Rückwärtskommutierung wird die Kommutierung von der Vorwärtsphase in die Rückwärtsphase verstanden, bei der der Lampenstrom von einem positiven Wert zu einem negativen Wert gewechselt werden muss.
Bei der Rückwärtsphase wird in der vorliegenden Schaltungs¬ anordnung über den Schalter Q_COM_BW ein negativer Strom IL ausgehend von UCB am Blockkondensator durch die Lampe 5 auf Masse geleitet.
Auch hierbei wird dessen Schaltdauer der Rückwärtskommutie¬ rung so gewählt, dass der sich einstellende Kommutie¬ rungsstrom die Lampe ausreichend aufheizt, damit das an¬ schließende Zurückkoppeln der Lampe an einen Konverterkondensator C des Schaltkonverters ohne ein Lampenerlöschen bewerkstelligt werden kann.
Die Einschaltdauer des eingeprägten Stromes für die Vorwärts- und Rückwärtskommutierung wird so gewählt, dass der sich einstellende Kommutierungsstrom die Elektroden der Lampe kurzeitig ausreichend aufheizt, damit das anschlie¬ ßende Zurückkoppeln der Lampe an einen Konverterkondensator C des Schaltkonverters ohne Gefahrlaufen eines Lampenerlö¬ schens bewerkstelligt werden kann.
Wird eine Zündinduktivität von typischerweise ImH zugrunde gelegt, betragen die typischen Stromanlaufzeiten für die Lampenstromkommutierung ca. 20 \is und die Abschaltung, bzw. das Zurückkoppeln Lampe an den Schaltkonverterausgang zur Fortführung des stationären Vorwärtsbetriebs bzw. Rückwärtsbetriebs kann nach ca. 50 \is bis 70 \is erfolgen.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanord- nung ist der, dass mit den drei Entkopplungsschaltern
Q_TRANS, Q_COM_FW und Q_COM_BW zusammen mit L_ZÜND für den Lampenstart weiterhin auch eine resonante Zündsequenz rea¬ lisiert werden kann.
Hierzu wird zum Zünden der Lampe der Lampenkreis über
Q_TRANS vom Tiefset zerschaltkonverter abgekoppelt wodurch mit den beiden Schaltern Q_COM_FW und Q_COM_BW über die Zünddrossel L_ZÜND und des Zündkondensators C_ZÜND ein Halbbrückenbetrieb für eine resonante Zündsequenz reali¬ siert werden kann. Solche Schaltungsanordnungen zur Zündung von Hochdruckentladungslampen sind im Stand der Technik bekannt und werden daher hier nicht näher erläutert.
Nachdem die Lampe gezündet hat, lässt sich die Lampe über die immer noch abgekoppelte Halbbrücke in einer Warmup- Phase je nach Bedarf weiterhin hochfrequent antreiben, bis ein Ankoppeln an den Schaltkonverter zur Aufnahme des
Rechteckbetriebs angezeigt ist.
Fig. 3a zeigt die relevanten Signale zur Erläuterung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
Die oberste Kurve 1 zeigt die konstante Zwischenkreisspan- nung UZK in der Höhe von 400VDC, die von der Leistungsfak¬ torkorrekturschaltung über C_PFC bereitgestellt wird. Kurve 2 zeigt die konstante mittlere Spannung UCB von
200VDC, die sich am Blockkondensator CB einstellt, auf welche hin die Lampe betrieben wird.
Über den Tiefsetzer-Schaltkonverter werden an seinem Kon- verterkondensator C abwechselnd im Takt von 100Hz die Spannungswerte von 300V und 100V erzeugt und bereitgestellt, mit denen die Lampe in den beiden Betriebsphasenhasen, Vorwärtsbetrieb und Rückwärtsbetrieb gespeist wird.
Die Kurve 3 zeigt diese wechselnde Spannung Uc am Kondensa- tor C.
Die an den Ausgang des Schaltkonverters angekoppelte Lampe wird auf die konstante 20 OV-Spannung am Blockkondensator CB hin betrieben und erfährt damit die Differenzspannung UL zwischen CB und C, die in beiden Betriebsphasen jeweils zu einander invertiert bei 100V liegt.
Die Kurve 5 zeigt den sich einstellenden Lampenstrom IL analog zur Lampenspannung UL bei Kurve 4.
Fig. 3b zeigt eine detaillierte Schaltsequenz der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung bei der Kommutierung in den Vorwärtsbetrieb. Die Kurve 1 zeigt den Schaltzustand bzw. die Gatespannung UQ_TRANS des Koppeltransistors
Q_TRA S . Zu Beginn des Kommutierungsvorgangs wird der Lam¬ penkreis über den Koppeltransistor Q_TRANS vom Ausgang des Schaltkonverters für ca. 70 is getrennt.
Die Kurve 2 zeigt den Schaltzustand bzw. die Gatespannung UQ_COM_FW des Schalttransistors Q_COM_FW. Während der Kom¬ mutierung in den Vorwärtsbetrieb wird der Lampenkreis über den Schalttransistor Q_COM_FW für ca. 70 is an die Zwi- schenkreisspannung von 400VDC angekoppelt und ermöglicht damit einen schnellen und starken Lampenstrom in Vorwärtsrichtung . Die Kurve 3 zeigt den Schalt zustand bzw. die Gatespannung UQ_COM_BW des Schalttransistors Q_COM_BW. Während der Kom¬ mutierung in den Vorwärtsbetrieb bleibt der Schalttransis¬ tor Q_COM_BW geschlossen.
Die Kurve 4 zeigt den pulsförmigen Lampenstrom IL an der Lampe zur Einleitung des Vorwärtsbetriebes. Der sich ein¬ stellende Strompuls an der Lampe entsteht infolge der An- kopplung des Lampenkreises über den Schalttransistor
Q_COM_FW an die positive Zwischenkreisspannung von 400VDC unter Umgehung der den Strom bremsenden Lampendrossel L.
Die Kurve 5 zeigt den pulsförmigen Lampenstrom IL bei der Vorwärtskommutierung in höherer zeitlicher Auflösung.
Die Stromrichtung an der Lampe ändert sich innerhalb von 20usec von -1A auf + 2.5A, was einer Stromkommutierungszeit von unter 20 is entspricht.
Die Kurve 6 zeigt den Schalt zustand bzw. die Gatespannung UQ_COM_FW des Schalttransistors Q_COM_FW in höherer zeitli¬ cher Auflösung.
Der Vorwärtskommutierungsvorgang wird nach 70 is beendet in dem der Schalter Q_COM_FW wieder geöffnet wird, wobei der Lampenkreis wieder an den Ausgangskondensator C des Tiefsetzers angekoppelt wird, indem der Schalter Q_COM_FW wieder geschlossen wird.
Fig. 3c zeigt eine detaillierte Schaltsequenz der erfin- dungsgemäßen Schaltungsanordnung bei der Kommutierung in den Rückwärtsbetrieb. Die Kurve 1 zeigt den Schalt zustand bzw. die Gatespannung UQ_TRANS des Koppeltransistors
Q_ RA S . Zu Beginn des Kommutierungsvorgangs wird der Lam¬ penkreis über den Koppeltransistor Q_TRANS vom Ausgang des Schaltkonverters für ca. 70 \is getrennt. Die Kurve 2 zeigt den Schalt zustand bzw. die Gatespannung UQ_COM_FW des Schalttransistors Q_COM_FW. Während der Kom¬ mutierung in den Rückwärtsbetrieb bleibt der Schalttransis¬ tor Q_COM_FW geschlossen. Die Kurve 3 zeigt den Schalt zustand bzw. die Gatespannung UQ_COM_BW des Schalttransistors Q_COM_BW. Während der Kom¬ mutierung in den Rückwärtsbetrieb wird der Lampenkreis über den Schalttransistor Q_COM_BW für ca. 70 is an 0V=GND angekoppelt und ermöglicht damit einen schnellen und starken Lampenstrom in Rückwärtsrichtung.
Die Kurve 4 zeigt den pulsförmigen Lampenstrom IL zur Einleitung des Rückwärtsbetriebes. Der zur Einleitung des Rückwärtsbetrieb sich einstellende Strompuls an der Lampe entsteht infolge der Ankopplung des Lampenkreises über den Schalttransistors Q_COM_BW an 0V=GND.
Die Kurve 5 zeigt den pulsförmigen Lampenstrom IL bei der Rückwärtskommutierung in höherer zeitlicher Auflösung.
Die Stromrichtung an der Lampe ändert sich innerhalb von 20usec von +1A auf -2.5A, was einer Stromkommutierungszeit von unter 20 is entspricht.
Die Kurve 6 zeigt den Schalt zustand bzw. die Gatespannung UQ_COM_BW des Schalttransistors Q_COM_BW in höherer zeitli¬ cher Auflösung.
Der Rückwärtskommutierungsvorgang wird nach 70 is beendet in dem der Schalter Q_COM_BW wieder geöffnet wird, wobei der Lampenkreis wieder an den Ausgangskondensator C des Tiefsetzers angekoppelt wird, indem der Schalter Q_COM_FW wieder geschlossen wird.
Fig. 4 zeigt eine vereinfachte Schaltanordnung, mit der in einem EVG für Rechteckbetrieb nur die schnelle Rück- wärtskommutierung zur Einleitung der stationären Rückwärtsphase möglich ist.
Mit dem fehlenden Schalter Q_COM_FW hat diese Schaltanordnung damit auch einen Schalter weniger und ist kostengüns- tiger in der Herstellung.

Claims

Patentansprüche
Schaltungsanordnung zur schnellen Kommutierung beim Rechteckbetrieb von Hochdruckentladungslampen, aufweisend :
- eine Halbbrückenanordnung mit einer Halbbrücke (Q1_HIGH, Q2_LOW) ,
- eine Lampendrossel (L) ,
- einen Konverterkondensator (C) ,
- einen ersten Schalter (UQ_TRANS) zur Kopplung der Halbbrückenanordnung mit der Lampe,
- einen zweiten Schalter (Q_COM_FW) zum Vollzug einer Vorwärts-Stromkommutierung und zur Einleitung einer Vorwärtsphase,
- einen dritten Schalter (Q_COM_BW) zum Vollzug einer Rückwärts-Stromkommutierung und zur Einleitung einer Rückwärtsphase,
- einen Blockkondensator (CB) .
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung weiterhin eine Zündinduktivität (L_ZÜND) und einen Zünd¬ kondensator (C_ZÜND) aufweist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung wei¬ terhin eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung aufweist.
Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe (5) mittels einer Schaltungsanordnung mit einer Halbbrückenanordnung mit einer Halbbrücke
(Q1_HIGH, Q2_LOW) und einer Lampendrossel (L) , einem Konverterkondensator C, sowie einem Blockkon- densator (CB) , gekennzeichnet durch folgende
Schritte :
- vor dem Einleiten einer Kommutierung abkoppeln der Halbbrückenanordnung von der Hochdruckentladungslampe (5) durch Öffnen eines ersten Schalters (UQ_TRANS) ,
- Vollzug einer Vorwärtskommutierung durch durch Öffnen eines dritten Schalters (Q_COM_BW) und durch Schließen eines zweiten Schalters (Q_COM_FW) zur Einleitung einer Vorwärtsphase, oder Vollzug einer Rückwärtskommutierung durch durch Öffnen des zweiten Schalters (Q_COM_FW) und durch Schließen des dritten Schalters (Q_COM_BW) zur Einleitung einer Rückwärtsphase,
- Ankoppeln der Halbbrückenanordnung an die Hochdruckentladungslampe (5) durch Schließen des ersten Schalters (UQ_TRANS) ,
- Öffnen des zweiten Schalters (Q_COM_FW) und des dritten Schalters (Q COM BW) .
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