WO2012083323A2 - Verfahren und vorrichtung zum betreiben einer gasentladungslampe - Google Patents
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- H05B41/298—Arrangements for protecting lamps or circuits against abnormal operating conditions
- H05B41/2988—Arrangements for protecting lamps or circuits against abnormal operating conditions for protecting the lamp against abnormal operating conditions
Definitions
- Gas discharge lamp The present invention relates to a method and a device for operating at least one
- the two semiconductor power switches are driven by digital inverter control signals, wherein for the control signals in each case a duty cycle of more or less than 50% is applied within a Tastperiode.
- the duty cycle is defined as the quotient of the time period within the duty cycle in which the digital control signal assumes a high voltage value and the sum of the time duration of the high and a low voltage value with respect to a duty cycle of the control signal.
- a DC component of positive or negative polarity voltage on the gas discharge lamp drops.
- the effect of this DC component depends primarily on the total current through the gas discharge lamp.
- the total current through the Gas discharge lamp in turn depends on a set dimming level, the dimming level can be adjusted, for example, by the frequency of the AC voltage of a half-bridge inverter of the lamp ballast.
- the problem of such gas discharge lamps is therefore that not every set dimming level of the generated DC component also unfolds the desired effect, for example, suppresses the banding described above.
- the object of the present invention is therefore to make the suppression of banding (whining) or flickering of gas discharge lamps even more efficient and flexible.
- a corresponding method according to the invention should be suitable for efficiently suppressing whining or flickering for a large number of types of gas discharge lamps and for all operating states.
- the method according to the invention should simply make it possible to set the right balance between the best possible visual appearance of the gas discharge lamp (effect of the DC component) and the life of the lamp.
- the present invention particularly aims at a combination of the two abovementioned possibilities in order to generate DC voltages or currents.
- the DC component should be able to be specifically tailored to a gas discharge lamp to be operated.
- the present invention relates to a method for operating a gas discharge lamp, wherein the gas discharge lamp is operated with AC voltage and a DC component of the current through the gas discharge lamp and / or a DC component of the voltage at the gas discharge lamp is set by the following steps: direct or indirect measurement of the DC component and changing the DC component by adjusting the amplitude and / or the polarity of an asymmetry of duty cycles of two digital control signals for two connected in a half-bridge in series semiconductor power switch an inverter that supplies the gas discharge lamp with AC voltage.
- a DC component can be combined by asymmetrical duty cycles and a fixed DC component, for example by suitable resistors.
- the method can directly or indirectly measure the DC component of the lamp voltage, and is thus applicable to a wide variety of lamp types, even if they are connected with different resistances.
- a DC component of the desired effect can be set independently of a DC component which already flows through the lamp when the semiconductor power switches are driven symmetrically.
- the asymmetry becomes at each dimming level of the gas discharge lamp chosen so that set the desired effects.
- the effect of the DC component means in particular an optical effect, ie, for example, how efficiently the banding and flickering of the gas discharge lamp can be suppressed.
- the effect of the DC component depends directly on the dimming level, which is why it can be restored at various dimming levels of the lamp by readjusting the asymmetry.
- the DC component is changed until a nominal value of the DC component is established.
- the desired effect of the DC component on the lighting operation of the gas discharge lamp can thereby be made.
- the setpoint value may be, for example, a minimum necessary DC component in order to prevent a so-called wallowing of the lamp.
- the setting criterion for the asymmetry in terms of polarity and amplitude is therefore an externally specified minimum DC component, regardless of the set dimming level of the gas discharge lamp.
- an at least sufficiently large DC component is necessary to prevent whale aging. If the DC component of the gas discharge lamp drops below the setpoint value, the asymmetry of the duty cycles can be further changed until the minimum DC component of the voltage is again applied to the gas discharge lamp.
- an automatic control can be used, or it can be issued a warning signal indicating a drop below the setpoint.
- the setpoint is determined based on a dimming level of the gas discharge lamp, wherein the Dimming level is determined by the frequency of the alternating currents supplied by the inverter.
- the dimming level Depending on the frequency of the AC voltage from the inverter results for the gas discharge lamp due to their inductance another effective resistance, whereby at different frequencies different total currents flow through the gas discharge lamp and thus the dimming level can be adjusted.
- the effect of the DC component by a gas discharge lamp depends on the dimming level, that is on the frequency of the half-bridge inverter.
- a setpoint based on the dimming level a desired effect of the DC component can be obtained by varying the amplitude and / or the polarity of the asymmetry of the duty cycles for each dimming level
- Gas discharge lamp can be set separately.
- the banding in the lamp can thus be avoided even at low, particularly vulnerable dimming levels.
- the setpoint value is determined based on a lamp type of the gas discharge lamp and the lamp type is determined from the DC component of the current as a function of the set asymmetry of the duty cycles and the dimming level of the gas discharge lamp.
- the method can be used for a variety of different gas discharge lamps.
- different DC components flow through the gas discharge lamp, for example, depending on upstream resistors (Rdci, Rdc 2 ), which are provided for bridging the series capacitances (Csi, Cs 2 ) of the resonant circuit of the gas discharge lamp are.
- the lamp type can be determined from the measured DC component of the current. For this purpose, it is possible to fall back on stored findings or data of different lamp types, and it is possible to determine a suitable desired value on the basis of stored information.
- the desired value is determined based on the temperature of the surroundings of the gas discharge lamp.
- gas discharge lamps are particularly sensitive to the DC components of the current. A depletion of mercury in the lamp occurs much earlier at low temperatures and results in a highly unbalanced light output of the lamp. The reason is that at low ambient temperatures the lamp voltage changes drastically.
- the setpoint is dependent on the ambient temperature of the gas discharge lamp, such voltage changes can be compensated by a suitable readjustment of the DC component by changing the asymmetry of the control signals.
- the lamp voltage can also be measured continuously or repeatedly and the setpoint can be adapted adaptively to the measurement.
- the setpoint value is determined from at least one setpoint curve, the setpoint curve describing the setpoint value as a function of at least the dimming level and / or the ambient temperature.
- the setpoint curve is stored in a database and allows fast and efficient setting of a setpoint that takes into account the effects of the DC component at different dimming levels and different ambient temperatures of the gas discharge lamp.
- the DC component is measured continuously or repeatedly and set the target value based on at least one set of curves, wherein the at least one set of curves describes the DC component at least in dependence on the dimming level and the amplitude and / or polarity of the asymmetry of the duty cycles and when changing the Dimming level of the gas discharge lamp, the setpoint is newly set based on the at least one set of curves.
- Each set of curves may e.g. be described by one or more analytical equations or may contain numerical sequences or may be stored as a value table.
- the desired value is obtained based on a plurality of different sets of curves, each describing the DC component at least as a function of the dimming level and / or the amplitude and polarity of the gas discharge lamp, wherein a curve set to be used based on a measured DC component at a predetermined amplitude and Polarity of the asymmetry of the duty cycles and a predetermined dimming level is determined.
- different sets of curves are deposited, for example, for different lamp types, which the method uses to set the corresponding setpoint.
- the ambient temperature of the lamp is detected continuously or repeatedly and the desired value is obtained from a set of curves which describes the DC component as a function of the detected ambient temperature.
- the ambient temperature is an important factor in determining the appropriate DC level.
- the present invention further relates to an apparatus for operating a gas discharge lamp, wherein the gas discharge lamp is operated with AC voltage and the device is designed for adjusting a DC component of the current through the gas discharge lamp and / or a DC component of the voltage at the gas discharge lamp, wherein the device has a device for Direct or indirect measurement of the DC component, a device for changing the DC component by adjusting the amplitude and / or the polarity of an asymmetry of duty cycles of two digital control signals for two connected to a half-bridge in series semiconductor power switch one
- the apparatus may further comprise suitable means or means adapted to carry out the above-mentioned advantageous developments of the method.
- the device is suitable for operating various types of gas discharge lamps, at different ambient temperatures or
- the present invention further relates to a microcontroller adapted to carry out a method of operating a gas discharge lamp as described above, wherein the gas discharge lamp is operated with AC voltage and a DC proportion of the current through the gas discharge lamp is adjusted by the steps of the method.
- Fig. 1 shows a block diagram of an electronic lamp ballast for operating a gas discharge lamp.
- Fig. 2 shows a more detailed block diagram of the electronic ballast. And the gas discharge lamp.
- Fig. 3 shows the asymmetry of the duty cycles of the control signals and their effect on the lamp voltage.
- Fig. 5 shows a set of curves that the DC component of the lamp voltage different
- Fig. 1 shows a block diagram of an electronic ballast for a gas discharge lamp 1, with which the method of the present invention can be carried out.
- a gas discharge lamp 1 is supplied via an inverter 3 with an AC voltage VAC.
- the inverter 3 is fed by a DC voltage VDC, which is generated by a switching power supply 7.
- the switched-mode power supply 7 comprises a harmonic filter for sparking interference and for filtering mains harmonics of the AC voltage UAC supplied by the voltage source 9.
- the switched-mode power supply 7 comprises a rectifier circuit (AC / DC circuit), which converts the AC voltage UAC from the voltage source 9 into the rectified voltage VDC converts these to a power factor
- the power factor correction circuit 8 is used for harmonic filtering and smoothing the DC voltage supplied by the rectifier circuit 7 VDC and for compensating the reactive power consumed by the gas discharge lamp 1 in the firing or dimming operation.
- the power factor correction circuit 8 supplies the inverter (DC / AC circuit) 3 with the filtered and smoothed DC voltage VDC as the power supply voltage.
- the inverter 3 serves as a controllable AC voltage source, which supplies a high-frequency AC voltage VAC adjustable frequency f_HB for the operation of the gas discharge lamp 1.
- the inverter 3 is controlled by a regulator 5, preferably a PWM module.
- the frequency f_HB that is to say inversely the duty cycle of two control signals 2a and 2b can be set.
- the regulator 5 is further adapted to adjust the duty cycles di and d 2 of the control signals 2a and 2b, as will be described in more detail below.
- a resonant circuit 6 is connected upstream of the gas discharge lamp 1 and converts the rectangular AC voltage VAC supplied by the inverter 3 into a sinusoidal AC voltage whose amplitude depends on the frequency f_HB of the AC voltage VAC supplied from the inverter half-bridge 3.
- One Voltage divider 11 is optionally usable to detect the voltage drop across the gas discharge lamp 1.
- a control circuit 4 can measure the lamp current and can determine the current DC component of the current through the gas discharge lamp 1.
- the control circuit 4 is further adapted to control the regulator 5 so as to generate a certain frequency (ie a certain duty cycle) and certain duty ratios di or d 2 of the control signals 2a and 2b.
- the control circuit 4 can also access a database 10 (generally a memory device) in order to obtain suitable setpoint values for a DC component and to supply appropriate specifications to the regulator 5.
- the circuit shown in Fig. 1 is partially shown in Fig. 2 and in more detail.
- the inverter 3 consists of two series-connected semiconductor power switches 3a and 3b, via which the voltage VDC drops.
- the semiconductor power switch 3b is connected to ground potential and the semiconductor power switch 3a is connected to a node carrying the potential VDC.
- Circuit breaker 3a is controlled by a control signal 2a, wherein the control signal 2a is digital, ie, either a high voltage value or a low voltage value (eg zero) can assume.
- the semiconductor power switch 3b is controlled by the control signal 2b accordingly.
- the two control signals 2a and 2b are predetermined by the regulator 5. In this case, the durations of the high voltage value t e ini or t e in2 and the durations of the low voltage value tausl bZW. t AuS 2, whose sum determines the Tastperioden Tl or T2, and the duty cycle d x or d 2 are specified.
- duty cycles of 50% are normally applied to such inverters, but according to the present invention, the duty ratios di and d 2 are asymmetrically controlled, ie, duty ratios d i and d 2, respectively, of more or less than 50% are set.
- FIG. 3 shows in a voltage time diagram how the control signals 2a and 2b can be switched.
- the sampling period Ti of the semiconductor power switch 3a consists of the time of the high voltage value t e ini and the time of the low voltage value t from i- Accordingly, there is the sampling period T 2 of the second semiconductor power switch 3b from the time of the high voltage value t e i n 2 and the time of the low voltage value t of 2 ⁇ the control signals are approximately rectangular and the high and low voltage values of the two digital control signals 2a, 2b alternate in a regular, by the sampling periods Ti and T 2, that is dependent on the frequency f_HB of the inverter 3, alternately in a predetermined sequence.
- the control signal 2 b is at the high voltage value t e in 2 and vice versa.
- the duty cycle di or d 2 can take the same value in each cycle ⁇ or T or take a new value for each clock cycle.
- values are set differently from 50%. It can both the amplitude and the polarity of the duty cycle di or d 2 are set. The amplitude is determined by the value of the duty cycle di or d 2 . The greater the value deviates from 50%, the stronger the amplitude.
- the polarity is determined by the ratios of the time of high voltage values of the two semiconductor power switches 3a, 3b, that is, t e i n i / d in2 or the time of low voltage values, i.e., t au si / OFF2.
- This DC component can by the Setting the amplitude and / or the polarity of the duty cycles di or d 2 of the two control signals 2a and 2b are changed. Depending on requirements, the DC component can thus be changed.
- the AC voltage VAC generated by the inverter 3 is impressed in the resonant circuit 6 of the gas discharge lamp 1.
- the inductance Li, the capacitance Cr and the series capacitance Csi form the resonant circuit 6, which converts the rectangular AC voltage VAC of the half-bridge or the inverter 3 into a sinusoidal voltage, which is used to operate the gas discharge lamp 1.
- the amplitude of the sinusoidal voltage depends on the frequency f_HB of the rectangular AC voltage VAC supplied by the inverter 3.
- the gas discharge lamp 1 may also be a parallel connection of two gas discharge lamps or may comprise a plurality of gas discharge lamps connected in parallel or in series. In the case of two
- the resonance circuit 6 comprises a further series capacitance Cs 2 as shown.
- the series capacitances Csi and Cs 2 for the lamps of the gas discharge lamp 1 shown in FIG. 2 are bridged by resistors Rdci (for a first gas discharge lamp) and Rdc 2 (in the case of a second gas discharge lamp).
- Rdci for a first gas discharge lamp
- Rdc 2 in the case of a second gas discharge lamp
- the resistors Rdci for a first gas discharge lamp
- Rdc 2 in the case of a second gas discharge lamp
- the voltages dropping across the gas discharge lamp 1 can be measured by means of the voltage divider 11.
- the DC component of the voltage across the gas discharge lamp 1 can thus be measured.
- the DC component of the lamp current can be detected by the control circuit 4 with the aid of the shunt resistor 12.
- the measurement of the DC component can be carried out indirectly or directly, and it is not necessary to use the circuit shown in FIG. 2 for measuring the DC component of the current and / or the voltage.
- the control circuit 4 can determine a desired value and supply the regulator 5 with suitable specifications for duty cycles di or d 2 .
- the regulator 5 adjusts or changes the amplitude and / or polarity of the asymmetry of the control signals 2a and 2b.
- the control circuit 4 can constantly monitor the DC component of the current through the gas discharge lamp 1 and change it so that a minimum necessary setpoint value of the DC component always sets, so that banding or the so-called wallowing of the gas discharge lamp 1 is prevented. If the DC component falls below the setpoint, the control circuit changes the asymmetry of the duty cycles di or d 2 until the desired setpoint value is restored.
- the control circuit 4 can rely on stored knowledge or information, for example in a database 10 or generally a memory, in the example lamp types, setpoints, curves of the DC component and dependencies of the DC component of eg the dimming level of the gas discharge lamps 1 or the ambient temperature are stored.
- the database 10 may also contain knowledge about the effects of the DC content contained at various dimming levels or ambient temperatures.
- Such findings describe how efficiently, for example, can suppress banding at a certain DC component, at a certain dimming level and / or a certain ambient temperature.
- the findings of the impact of the DC component are described quantitatively or analytically or can be stored as tables drawn from experience.
- the control circuit 4 can determine the target value for the DC component based on, for example, the dimming level of the gas discharge lamp 1 and the regulator 5 control accordingly.
- the dimming level is thereby determined by the predetermined by the control circuit 4 to the regulator 5 Tastperiode or frequency, which then corresponds to the frequency f_HB, with the control signals 2a and 2b are switched, or the frequency corresponds to the inverter 3 AC voltage supplies the resonant circuit 6.
- the control circuit as described above via the voltage divider 11 and the shunt resistor 12, the DC component of the current and / or the voltage of the gas discharge lamp 1 and measure by means of a change in polarity and / or amplitude the duty cycles by the regulator 5 set the desired DC component.
- Fig. 4 shows how the DC component of the voltage depends on the dimming level of the gas discharge lamp 1 normalized to 1 and how it is changed by adjusting and changing the amplitude and / or polarity of the asymmetry of the duty ratios di and d 2 of the control signals 2a and 2b can.
- the curve denoted by C shows the DC component of the voltage when no asymmetry of the duty cycles di and d 2 of the control signals 2a and 2b is set. It can be seen that especially at low dimming levels very high DC voltages occur.
- the curve labeled A shows the effect of an asymmetry of the duty cycles di and d 2 with an amplitude of 600 ns and a negative polarity.
- the curve labeled B shows an asymmetry amplitude of 200 ns of negative polarity and the curve labeled D shows an asymmetry amplitude of 200 ns of positive polarity. It can be seen that the DC component can be changed by the amplitude and / or polarity of the asymmetry, which results in a DC component that changes depending on the dimming level can be compensated.
- the control circuit 4 can directly refer to such or similar curve sets stored in the database or calculate target value curves therefrom.
- the graph has been taken in the case of a T5 80W lamp, the dimming range covers 1-100%, the operating frequency varies in the range between about 42kHz (100% point) to about 105kHz (1% point), the Periods corresponding to from about 25us to just under.
- An asymmetry of -600ns corresponds to a duty cycle of about 44% at high frequency, ie shifted by 6% compared to the symmetrical case.
- Fig. 5 shows further exemplary curves of a set of curves, in which again the DC component of the voltage across the gas discharge lamp 1 in dependence on the normalized to 1 dimming level is shown.
- the curves are shown for each same gas discharge lamp 1 and there is no asymmetry of the duty cycles di and d 2 set.
- the gas discharge lamp 1 has different upstream resistances Rdci, resulting in different DC shares due to different DC paths.
- the resistance value Rdci 100 kO
- Fig. C Rdci 590 kO.
- the control circuit 4 can set the desired value for the voltage Setting the polarity and amplitude of the asymmetry of the duty cycles di and d 2 is used, based determine on the lamp type.
- the control circuit 4 can select the asymmetry (both amplitude and polarity) for each dimming level and for each lamp type such that a DC component with the desired effect results in the gas discharge lamp 1. Depending on the dimming level, there may be changes.
- the control circuit 4 can also continuously or repeatedly perform a measurement of the DC component and continuously readjust the desired value or the asymmetry to be set with respect to the measured DC component.
- the setpoint may be adjusted based on at least one set of curves contained in the database 10. As shown in FIGS. 4 and 5, a DC component as a function of the dimming level and asymmetry of the duty cycles can be evaluated and a corresponding desired value can be set based thereon. Based on, for example, the lamp type and different sets of curves can be evaluated to set the appropriate setpoint and control the regulator 5 accordingly.
- the curve sets can also be stored in the database 10 depending on the temperature. Especially at low ambient temperatures, the Change lamp voltage drastically, which can be detected by the control circuit 4.
- the control circuit 4 can also be provided or connected with a temperature sensor, which continuously or repeatedly transmits the ambient temperature of the gas discharge lamp 1. Based on the ambient temperature, a set of curves in the database 10 can be used to control the DC component by the amplitude and / or polarity of the asymmetry of the control signals 2a and 2b as a function of the ambient temperature.
- the control circuit 4 can cause the setpoint value to be adjusted based on one of the stored curve sets. As a simple example, it can be shown, for example, with reference to FIG. 4, how a constant DC component of about 0.5 V (represented by the broken line E) can be set as a setpoint. Then, the control circuit 4 can set the target value based on the set of curves from the four curves A to D. Between a dimming level of about 1 to 0.5, the control circuit advantageously controls the setpoint according to the curve B (and sets an asymmetry of -200 ns).
- a transition to curve A advantageously takes place (and a change in the amplitude of the asymmetry to -600 ns).
- a transition to curve C at about a dimming level of 0.3
- curve B at a dimming level of about 0.2
- back to curve A at a dimming level from about 0.15.
- the change between the curves holds the DC component in this case constant at about 0.5 V.
- the control circuit 4 is always capable of suitable values for the Asymmetry of the duty cycles (amplitude and / or polarity) to the regulator 5 to control the desired target value of the DC component.
- the DC component must be held not necessarily constant, but it can also be considered evidence on the effects at different dimming levels into account, for example, to change the set point in dimming level ⁇ changing.
- the DC component is then set to a nominal curve as a function of the dimming level.
- a regulation of the DC component to a desired value could also be achieved without setting the asymmetry, for example by setting the resistors Rdci or Rdc 2 .
- resistors Rdci or Rdc 2 for example, various resistors could be added to be switched off or switched off, or a continuously adjustable resistor could be used.
- a suitable resistance is assigned in advance of a particular gas discharge lamp 1, which is then no longer changeable in later operation. However, this can already be selected in advance on the basis of setpoint curves, so that a later adjustment of the amplitude and / or polarity of the asymmetry can provide the desired results.
- Both adjustment methods can be combined with one another so that the greatest possible flexibility with regard to the adjustment of the DC component can take place at different dimming levels of the gas discharge lamp 1. Since the invention also takes into account the ambient temperature of the gas discharge lamp 1 in this combination, a particularly good and efficient balance between an optimal visual appearance of the light of the gas discharge lamp, eg without Banding or flickering (which often requires a relatively high DC component) and the life of the lamp (usually at low DC ratio longer) are achieved.
- the control circuit 4 is able to set this balance based on the dimming level, the lamp type (i.e., the lamp's ink end) and the lamp and / or ambient temperature.
- the regulator 5 is preferably a PWM module and adjusts the asymmetry of the duty cycles di and d 2 in a fixed clock cycle by pulse width modulation.
- the duty cycles can be set variable in time and also randomly, so that a balance takes place in the time average.
- the duty cycles can also be kept constant at an asymmetric value.
- the duty cycles may be the same or independently adjusted to different values. It is also possible to set varying clock cycles.
- the pulse width modulator of the regulator 5 is advantageously followed by a driver.
- the control circuit can be realized, for example, by a microcontroller or integrated circuit, in particular ASIC, which performs all the operations described above.
- the DC component is measured indirectly or directly, and the amplitude and / or polarity of the asymmetry of the duty cycles di and d 2 is transmitted to the regulator 5.
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- Circuit Arrangements For Discharge Lamps (AREA)
Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Gasentladungslampe 1, wobei die Gasentladungslampe 1 mit Wechselspannung betrieben wird und ein DC-Anteil des Stroms durch die Gasentladungslampe 1 eingestellt werden kann. Dazu wird eine direkte oder indirekte Messung des DC-Anteils durchgeführt und basierend auf der Messung eine Veränderung des DC-Anteils vorgenommen. Die Veränderung des DC-Anteils kann durch Einstellung der Amplitude und/oder der Polarität einer Asymmetrie von Tastverhältnissen d1, d2 zweier digitaler Steuersignale 2a, 2b für zwei zu einer Halbbrücke in Serie geschalteter Halbleiter-Leistungsschalter 3a, 3b eines Wechselrichters 3, der die Gasentladungslampe 1 mit Wechselspannung versorgt, realisiert werden. Der DC-Anteil kann abhängig vom eingestellten Dimmpegel, dem Lampentyp, der Umgebungstemperatur oder anderen Betriebsparametern verändert oder auf einen Sollwert eingestellt werden. Der Sollwert kann aus einer Sollkurve bestimmt werden und kann basierend auf einem oder mehreren Kurvensätzen eingestellt werden, die den DC-Anteil wenigstens in Abhängigkeit des Dimmpegels und der Amplitude und/oder Polarität der Asymmetrie beschreiben.
Description
Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer
Gasentladungslampe Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben wenigstens einer
Gasentladungslampe, wobei insbesondere ein
Gleichstromanteil (DC-Anteil des Stroms) durch die wenigstens eine Gasentladungslampe eingestellt werden kann, um bspw. eine Streifenbildung bzgl . der Leuchtstärke der Lampe zu unterdrücken.
Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass bei Gasentladungslampen, die über ein elektronisches Lampenvorschaltgerät mit WechselSpannung (AC-Spannung) betrieben werden, ein Flackern oder Walmen, d.h. eine Streifenbildung, auftreten kann, das durch die Entstehung laufender Schichten im Füllgas der Gasentladungslampe verursacht wird. Ein solches Walmen tritt insbesondere bei niedrigen Betriebstemperaturen der Gasentladungslampe auf und ist besonders bei niedrigen Dimmpegeln (Helligkeitseinstellungen) der Gasentladungslampe stark ausgeprägt. Es sind aus dem Stand der Technik weiterhin verschieden Verfahren zum Ausgleichen der Streifenbildung in Gasentladungslampen bekannt, zum Beispiel indem eine Gleichspannung (DC-Spannung) an die wechselspannungs- betriebene Lampe angelegt wird oder indem ein bestimmter Anteil an DC-Strom in die Lampe eigespeist wird. Eine Möglichkeit einen DC-Anteil des Stroms durch die Lampe zu erzielen ist die hinter ein elektronisches Lampenvorschaltgerät geschalteten Kapazitäten durch geeignete Widerstände, bevorzugt hochohmig, zu überbrücken. Eine Möglichkeit eine DC-Spannung der
Gasentladungslampe zu erzeugen ist zum Beispiel in der EP1901592A1 beschrieben. Die Druckschrift beschreibt den Betrieb einer Gasentladungslampe mittels eines elektronischen Vorschaltgeräts . Das elektronische Vorschaltgerät enthält einen Wechselrichter mit zwei zu einer Halbbrücke in Serie geschalteter Halbleiter- Leistungsschalter 'zur Versorgung der Gasentladungslampe mit einer AC-Spannung. Die beiden Halbleiter- Leistungsschalter werden mit digitalen Wechselrichter- Steuersignalen angesteuert, wobei für die Steuersignale jeweils ein Tastverhältnis von mehr oder weniger als 50% innerhalb einer Tastperiode angelegt wird. Das Tastverhältnis ist definiert als der Quotient aus der Zeitdauer innerhalb der Tastperiode, in der das digitale Steuersignal einen hohen Spannungswert annimmt, und der Summe der Zeitdauer des hohen und eines niedrigen Spannungswerts bezogen auf eine Tastperiode des Steuersignals . Durch diese asymmetrische Ansteuerung der üblicherweise symmetrisch angesteuerten Halbleiter-Leistungsschalter kann das Auftreten laufender Schichten im Füllgas der Gasentladungslampe und damit das Walmen der Lampe verhindert werden. Durch die asymmetrischen Signale zum Steuern der Halbleiter-Leistungsschalter fällt nämlich aufgrund der nichtlinearen Strom-Spannungskennlinie der Gasentladungslampe ein DC-Anteil an Spannung positiver oder negativer Polarität an der Gasentladungslampe ab. Bei Gasentladungslampen, denen eine DC-Spannung durch geeignete Widerstände zugeführt wird, welche üblicherweise fest in der Lampe verbaut sind, hängt die Auswirkung dieses DC-Anteils vornehmlich vom Gesamtstrom durch die Gasentladungslampe ab. Der Gesamtstrom durch die
Gasentladungslampe hängt wiederum von einem eingestellten Dimmpegel ab, wobei der Dimmpegel z.B. durch die Frequenz der WechselSpannung eines Halbbrücken-Wechselrichters des Lampenvorschaltgeräts eingestellt werden kann. Das Problem solcher Gasentladungslampen ist demnach, dass nicht bei jedem eingestellten Dimmpegel der erzeugte DC-Anteil auch die gewünschte Wirkung entfaltet, die z.B. die oben beschriebene Streifenbildung unterdrückt. Die vorliegende Erfindung stellt sich damit zur Aufgabe, die Unterdrückung der Streifenbildung (das Walmen) oder des Flackerns von Gasentladungslampen noch effizienter und flexibler zu gestalten. Ein entsprechendes erfindungsgemäßes Verfahren soll dazu geeignet sein, für eine Vielzahl von Typen von Gasentladungslampen und für alle Betriebszustände das Walmen oder Flackern effizient zu unterdrücken. Weiterhin soll es das erfindungsgemäße Verfahren einfach ermöglichen, das richtige Gleichgewicht zwischen der bestmöglichen optischen Erscheinung der Gasentladungslampe (Auswirkung des DC-Anteils) und der Lebensdauer der Lampe einzustellen. Dabei ist zu beachten, dass schon bei geringen DC-Anteilen des Lampenstroms das Risiko besteht, dass durch eine Migration von Ladungsträgern in eine Richtung in der Lampe, eine Verarmung von Quecksilber auftreten kann, was das visuelle Erscheinungsbild ungünstig verändern kann und in weiterer Folge die Lampe schädigen und daher deren Lebenszeit verkürzen kann. Schließlich zielt die vorliegende Erfindung besonders auf eine Kombination der beiden oben genannten Möglichkeiten ab, um DC-Spannungen bzw. -ströme zu erzeugen. Der DC- Anteil soll gezielt auf eine zu betreibende Gasentladungslampe zugeschnitten werden können.
Die oben genannten Aufgaben der Erfindung werden durch die angehängten unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele, die den Gedanken der Erfindung weiterbilden, sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Gasentladungslampe, wobei die Gasentladungslampe mit Wechselspannung betrieben wird und ein DC-Anteil des Stroms durch die Gasentladungslampe und/oder ein DC-Anteil der Spannung an der Gasentladungslampe durch folgende Schritte eingestellt wird: direkte oder indirekte Messung des DC-Anteils und Veränderung des DC-Anteils durch Einstellung der Amplitude und/oder der Polarität einer Asymmetrie von Tastverhältnissen zweier digitaler Steuersignale für zwei zu einer Halbbrücke in Serie geschalteter Halbleiter- Leistungsschalter eines Wechselrichters, der die Gasentladungslampe mit Wechselspannung versorgt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann ein DC-Anteil durch asymmetrische Tastverhältnisse und ein fest eingestellter DC-Anteil, z.B. durch geeignete Widerstände, kombiniert werden. Das Verfahren kann je nach Lampenart direkt oder indirekt den DC-Anteil der Lampenspannung messen, und ist somit auf verschiedenste Lampenarten anwendbar, auch wenn diese mit unterschiedlichen Widerständen verschaltet sind. Durch die Veränderungen der Amplitude und/oder Polarität der Asymmetrie kann unabhängig von einem DC-Anteil, der schon bei symmetrischer Ansteuerung der Halbleiter-Leistungsschalter durch die Lampe fließt, ein DC-Anteil gewünschter Auswirkung eingestellt werden. Vorteilhafterweise wird die Asymmetrie bei jedem Dimmpegel der Gasentladungslampe
derart gewählt, dass sich die gewünschten Auswirkungen einstellen. Mit der Auswirkung des DC Anteils ist dabei insbesondere eine optische Auswirkung gemeint, d.h. z.B. wie effizient die Streifenbildung und das Flackern der Gasentladungslampe unterdrückt werden können. Die Auswirkung des DC-Anteils hängt direkt vom Dimmpegel ab, weshalb sie bei verschiedenen Dimmpegeln der Lampe durch Nachjustieren der Asymmetrie wiederhergestellt werden kann.
Vorteilhafterweise wird der DC-Anteil verändert, bis sich ein Sollwert des DC-Anteils einstellt. Wie oben beschrieben kann dadurch die gewünschte Auswirkung des DC- Anteils auf den Leuchtbetrieb der Gasentladungslampe vorgenommen werden.
Der Sollwert kann zum Beispiel ein minimal notwendiger DC- Anteil sein, um ein sogenanntes Walmen der Lampe zu verhindern. Das Einstellkriterium für die Asymmetrie hinsichtlich Polarität und Amplitude ist demnach ein von außen vorgegebener Mindest-DC-Anteil, unabhängig vom eingestellten Dimmpegel der Gasentladungslampe. Für jede Gasentladungslampe ist nämlich ein zumindest ausreichend großer DC-Anteil nötig, um Walmen zu verhindern. Sinkt der DC-Anteil der Gasentladungslampe unter den Sollwert, kann die Asymmetrie der Tastverhältnisse weiter verändert werden, bis wieder der Mindest-DC-Anteil der Spannung an der Gasentladungslampe anliegt. Dazu kann eine automatische Regelung verwendet werden, oder es kann ein Warnsignal ausgegeben werden, das ein Absinken unter den Sollwert anzeigt.
Vorteilhafterweise wird der Sollwert basierend auf einem Dimmpegel der Gasentladungslampe bestimmt, wobei der
Dimmpegel durch die Frequenz der vom Wechselrichter gelieferten Wechselströmungen festgelegt ist.
Je nach Frequenz der WechselSpannung aus dem Wechselrichter ergibt sich für die Gasentladungslampe aufgrund ihrer Induktivität ein anderer effektiver Widerstand, wodurch bei unterschiedlichen Frequenzen unterschiedliche Gesamtströme durch die Gasentladungslampe fließen und somit der Dimmpegel eingestellt werden kann. Die Auswirkung des DC-Anteils durch eine Gasentladungslampe hängt vom Dimmpegel ab, das heißt von der Frequenz des Halbbrücken-Wechselrichters. Durch einen Sollwert, der auf dem Dimmpegel basiert, kann eine gewünschte Auswirkung des DC-Anteils durch Veränderung der Amplitude und/oder der Polarität der Asymmetrie der Tastverhältnisse für jeden Dimmpegel der
Gasentladungslampe gesondert eingestellt werden. Insbesondere kann somit auch bei niedrigen, besonders anfälligen Dimmpegeln die Streifenbildung in der Lampe vermieden werden.
Vorteilhafterweise wird der Sollwert basierend auf einem Lampentyp der Gasentladungslampe bestimmt und der Lampentyp aus dem DC-Anteil des Stroms in Abhängigkeit der eingestellten Asymmetrie der Tastverhältnisse und des Dimmpegels der Gasentladungslampe bestimmt.
Durch Verknüpfen des Sollwerts und des Lampentyps wird das Verfahren für eine Vielzahl von unterschiedlichen Gasentladungslampen einsetzbar. Je nach Lampentyp fließen unterschiedliche DC-Anteile durch die Gasentladungslampe, z.B. abhängig von vorgeschalteten Widerständen (Rdci, Rdc2) , die zur Überbrückung der Serien-Kapazitäten (Csi, Cs2) des Resonanzkreises der Gasentladungslampe vorgesehen
sind. Als ein Beispiel des oben genannten Verfahrens, kann bei symmetrischer Ansteuerung der Halbleiter- Leistungsschalter (d.h. einer bestimmten eingestellten Asymmetrie) und einem fest eingestellten Dimmpegel, der Lampentyp aus dem gemessenen DC-Anteil des Stroms bestimmt werden. Dazu kann auf abgelegte Erkenntnisse beziehungsweise Daten verschiedener Lampentypen zurückgegriffen werden, und es kann anhand gespeicherter Informationen ein geeigneter Sollwert ermittelt werden.
Vorteilhafterweise wird der Sollwert basierend auf der Temperatur der Umgebung der Gasentladungslampe bestimmt. Besonders bei niedrigen Umgebungstemperaturen sind Gasentladungslampen nämlich besonders empfindlich gegenüber den DC-Anteilen des Stroms. Eine Verarmung von Quecksilber in der Lampe tritt bei niedrigen Temperaturen viel früher auf und eine stark unausgeglichene Lichtabgabe der Lampe ist die Folge. Der Grund ist, dass sich bei niedrigen Umgebungstemperaturen die Lampenspannung drastisch ändert. Ist der Sollwert allerdings von der Umgebungstemperatur der Gasentladungslampe abhängig, können solche Spannungsänderungen durch eine geeignete Nacheinstellung des DC-Anteils durch Veränderung der Asymmetrie der Steuersignale ausgeglichen werden. Die Lampenspannung kann dafür auch stetig oder wiederholt gemessen werden und der Sollwert adaptiv an die Messung angepasst werden.
Vorteilhafterweise wird der Sollwert aus wenigstens einer Sollkurve bestimmt, wobei die Sollkurve den Sollwert in Abhängigkeit von wenigstens dem Dimmpegel und/oder der Umgebungstemperatur beschreibt .
Die Sollkurve ist zum Beispiel in einer Datenbank hinterlegt und ermöglicht eine schnelle und effiziente Einstellung eines Sollwerts, der die Auswirkungen des DC- Anteils bei unterschiedlichen Dimmpegeln und unterschiedlichen Temperaturen der Umgebung der Gasentladungslampe berücksichtigt .
Vorteilhafterweise wird der DC-Anteil kontinuierlich oder wiederholt gemessen und der Sollwert basierend auf wenigstens einem Kurvensatz eingestellt, wobei der wenigstens eine Kurvensatz den DC-Anteil wenigstens in Abhängigkeit des Dimmpegels und der Amplitude und/oder Polarität der Asymmetrie der Tastverhältnisse beschreibt und bei Veränderung des Dimmpegels der Gasentladungslampe der Sollwert neu basierend auf dem wenigstens einen Kurvensatz eingestellt wird.
Dadurch kann ein geregelter Betrieb der Gasentladungslampe gewährleistet werden, bei der unabhängig vom eingestellten Dimmpegel der DC-Anteil so nachgeregelt wird, dass sich die jeweils gewünschte Auswirkung, z.B. eine unterdrückte Streifenbildung, einstellt. Jeder Kurvensatz kann z.B. durch eine oder mehrere analytische Gleichungen beschrieben sein oder kann numerische Folgen enthalten oder kann als Wertetabelle hinterlegt sein.
Vorteilhafterweise wird der Sollwert basierend auf mehreren unterschiedlichen Kurvensätzen gewonnen, die jeweils den DC-Anteil wenigstens in Abhängigkeit des Dimmpegels und/oder der Amplitude und Polarität der Gasentladungslampe beschreiben, wobei ein zu verwendender Kurvensatz basierend auf einem gemessenen DC-Anteil bei einer vorgegebenen Amplitude und Polarität der Asymmetrie der Tastverhältnisse und einem vorgegebenen Dimmpegel
bestimmt wird. Mit anderen Worten werden z.B. für verschiedene Lampentypen verschiedene Kurvensätze hinterlegt, auf die das Verfahren zurückgreift, um den entsprechenden Sollwert einzustellen. Dadurch kann besonders effizient eine Kombination eines konventionellen DC-Pfads und eines DC-Anteils durch Polarität und Amplitude der Asymmetrie der Tastverhältnisse kombiniert werden. Streifenbildung oder Flackern kann dann flexibler für verschiedene Lampentypen unterdrückt werden.
Vorteilhafterweise wird die Umgebungstemperatur der Lampe kontinuierlich oder wiederholt erfasst und der Sollwert aus einem Kurvensatz gewonnen, der den DC Anteils in Abhängigkeit von der erfassten Umgebungstemperatur beschreibt. Wie oben beschrieben ist die Umgebungstemperatur ein wichtiger Faktor zur Bestimmung des geeigneten DC-Anteils. Durch eine kontinuierliche Messung der Temperatur können dabei Schwankungen oder Veränderungen, die den Lampenbetrieb negativ beeinflussen, ausgeglichen werden.
Vorteilhafterweise wird die Asymmetrie der
Tastverhältnisse bei konstanter Frequenz des vom Wechselrichter gelieferten Wechselstroms durch Pulsbreitenmodulation der Steuersignale der
Halbleiterleistungsschalter verändert .
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Betreiben einer Gasentladungslampe, wobei die Gasentladungslampe mit WechselSpannung betrieben wird und die Vorrichtung zum Einstellen eines DC Anteils des Stroms durch die Gasentladungslampe und/oder eines DC- Anteiles der Spannung an der Gasentladungslampe ausgelegt ist, wobei die Vorrichtung aufweist eine Einrichtung zur
direkten oder indirekten Messung des DC Anteils, eine Einrichtung zur Veränderung des DC Anteils durch Einstellung der Amplitude und/oder der Polarität einer Asymmetrie von Tastverhältnissen zweier digitaler Steuersignale für zwei zu einer Halbbrücke in Serie geschalteter Halbleiter-Leistungsschalter eines
Wechselrichters, der die Gasentladungslampe mit Wechselspannung versorgt. Die Vorrichtung kann weiterhin geeignete Einrichtungen oder Mittel aufweisen, die zum Durchführen der oben genannten vorteilhaften Weiterbildungen des Verfahrens ausgelegt sind. Damit eignet sich die Vorrichtung zum Betreiben verschiedener Typen von Gasentladungslampen, bei verschiedenen Umgebungstemperaturen bzw.
Betriebszuständen. Eine Bildung von Streifen oder ein Flackern des Lampenlichts kann effizient und flexibel unterdrückt werden. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin einen Mikrokontroller, der dazu ausgelegt ist, ein Verfahren zum Betreiben einer Gasentladungslampe wie oben beschrieben auszuführen, wobei die Gasentladungslampe mit Wechselspannung betrieben wird und ein DC Anteil des Stroms durch die Gasentladungslampe durch die Schritte des Verfahrens eingestellt wird.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die angefügten Figuren genauer beschrieben.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines elektronischen Lampenvorschaltgeräts zum Betreiben einer Gasentladungslampe.
Fig. 2 zeigt ein detaillierteres Blockschaltbild des elektronischen Vorschaltgerats. Und der Gasentladungslampe .
Fig. 3 zeigt die Asymmetrie der Tastverhältnisse der Steuersignale und deren Auswirkung auf die Lampenspannung .
Fig. 4 zeigt einen Kurvensatz, der den DC-Anteil der Lampenspannung einer Gasentladungslampe in Abhängigkeit vom Dimmpegel und der Asymmetrie der Tastverhältnisse beschreibt.
Fig. 5 zeigt einen Kurvensatz, der den DC-Anteil der Lampenspannung verschiedener
Gasentladungslampen in Abhängigkeit vom Dimmpegel und dem Wert des Widerstands beschreibt . Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines elektronischen Vorschaltgerats für eine Gasentladungslampe 1, mit dem das Verfahren der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden kann. Im Allgemeinen wird dabei eine Gasentladungslampe 1 über einen Wechselrichter 3 mit einer Wechselspannung VAC versorgt. Der Wechselrichter 3 wird von einer Gleichspannung VDC gespeist, die von einem Schaltnetzteil 7 erzeugt wird. Das Schaltnetzteil 7 umfasst einen Oberwellenfilter zur Funkenstörung und zur Filterung von Netzoberwellen der von der Spannungsquelle 9 gelieferten WechselSpannung UAC. Des Weiteren umfasst das Schaltnetzteil 7 eine Gleichrichterschaltung (AC/DC Schaltung) , welche die Wechselspannung UAC aus der Spannungsquelle 9 in die gleichgerichtete Spannung VDC
umwandelt und diese einer Leistungsfaktor-
Korrekturschaltung 8 zuführt .
Die Leistungsfaktor-Korrekturschaltung 8 dient zur Oberwellenfilterung und Glättung der von der Gleichrichterschaltung 7 VDC gelieferten Gleichspannung sowie zur Kompensation der von der Gasentladungslampe 1 im Brenn- bzw. Dimmbetrieb aufgenommenen Blindleistung. Die Leistungsfaktor-Korrekturschaltung 8 führt dem Wechselrichter (DC/AC Schaltung) 3 die gefilterte und geglättete Gleichspannung VDC als VersorgungsSpannung zu. Der Wechselrichter 3 dient als steuerbare Wechselspannungsquelle, welche eine hochfrequente WechselSpannung VAC einstellbarer Frequenz f_HB zum Betrieb der Gasentladungslampe 1 liefert.
Der Wechselrichter 3 wird dazu von einem Regulator 5, vorzugsweise einem PWM- Modul, angesteuert. Mittels des Regulators 5 kann die Frequenz f_HB, das heißt im Umkehrschluss die Tastperiode zweier Steuersignale 2a und 2b eingestellt werden. Dadurch wird auch die vom Wechselrichter 3 ausgegebene Wechselspannung VAC eingestellt und folglich der Dimmpegel der Gasentladungslampe 1 verändert. Der Regulator 5 ist ferner dazu ausgelegt, die Tastverhältnisse di und d2 der Steuersignale 2a und 2b einzustellen, wie unten ausführlicher beschrieben werden wird.
Ein Resonanzschaltkreis 6 ist der Gasentladungslampe 1 vorgeschaltet und wandelt die rechteckige vom Wechselrichter 3 gelieferte Wechselspannung VAC in eine sinusförmige Wechselspannung um, deren Amplitude von der Frequenz f_HB der Wechselspannung VAC abhängt, die von der Wechselrichter-Halbbrücke 3 geliefert wird. Ein
Spannungsteiler 11 ist optional dazu verwendbar, die über der Gasentladungslampe 1 abfallende Spannung zu erfassen. Mittels des optionalen Shunt-Widerstands 12 kann eine Steuerschaltung 4 den Lampenstrom messen und kann den derzeitigen DC-Anteil des Stroms durch die Gasentladungslampe 1 bestimmen. Die Steuerschaltung 4 ist ferner dazu ausgelegt, den Regulator 5 zu steuern, so dass dieser eine bestimmte Frequenz (das heißt eine bestimmte Tastperiode) und bestimmte Tastverhältnisse di bzw. d2 der Steuersignale 2a und 2b erzeugt. Dazu kann die Steuerschaltung 4 auch auf eine Datenbank 10 (im Allgemeinen eine Speichervorrichtung) zurückgreifen, um geeignete Sollwerte für einen DC-Anteil zu gewinnen und entsprechende Vorgaben an den Regulator 5 zu liefern.
Die in Fig. 1 gezeigte Schaltung ist teilweise in Fig. 2 und mit mehr Detail gezeigt. Der Wechselrichter 3 besteht aus zwei in Serie geschalteten Halbleiter- Leistungsschaltern 3a bzw. 3b, über welche die Spannung VDC abfällt. Dafür ist der Halbleiter-Leistungsschalter 3b mit Erdpotential verbunden und der Halbleiter- Leistungsschalter 3a ist mit einem das Potential VDC führenden Knoten verbunden. Der Halbleiter-
Leistungsschalter 3a wird von einem Steuersignal 2a gesteuert, wobei das Steuersignal 2a digital ist, d.h. entweder einen hohen Spannungswert oder einen niedrigen Spannungswert (z.B. Null) annehmen kann. Der Halbleiter- Leistungsschalter 3b wird entsprechend durch das Steuersignal 2b gesteuert. Die beiden Steuersignale 2a und 2b werden von dem Regulator 5 vorgegeben. Dabei können die Zeitdauern des hohen Spannungswerts teini bzw. tein2 und die Zeitdauern des niedrigen Spannungswerts tausl bZW. tauS2 , deren Summe die Tastperioden Tl bzw. T2 bestimmt, und die Tastverhältnisse dx bzw. d2 vorgegeben werden. Im Stand
der Technik werden normalerweise Tastverhältnisse von 50 % an solchen Wechselrichtern angelegt, gemäß der vorliegenden Erfindung werden jedoch die Tastverhältnisse di bzw. d2 asymmetrisch gesteuert, d.h. es werden bevorzugt Tastverhältnisse di bzw. d2 von mehr oder weniger als 50 % eingestellt.
In Fig. 3 ist in einem Spannungszeitdiagramm zu sehen, wie die Steuersignale 2a und 2b geschaltet werden können. Die Tastperiode Ti des Halbleiter-Leistungsschalters 3a besteht dabei aus der Zeit des hohen Spannungswerts teini und der Zeit des niedrigen Spannungswerts tausi- Entsprechend besteht die Tastperiode T2 des zweiten Halbleiter-Leistungsschalters 3b aus der Zeit des hohen Spannungswerts tein2 und der Zeit des niedrigen Spannungswerts tauS2 · Die Steuersignale sind annähernd rechteckförmig und die hohen und niedrigen Spannungswerte der beiden digitalen Steuersignale 2a, 2b wechseln sich in regelmäßiger, durch die Tastperioden Ti bzw. T2, d.h. abhängig von der Frequenz f_HB des Wechselrichters 3, in vorgegebener Folge alternierend ab. Innerhalb der Ausschaltzeit taUsi des Steuersignals 2a ist das Steuersignal 2b auf dem hohen Spannungswert tein2 und umgekehrt .
Die Tastverhältnisse di = teini/Ti = 1- taugi/Τχ bzw.
= 1- taUs2/ 2 können für jeden der Halbleiter- Leistungsschalter 3a und 3b variable (auch zeitvariabel) eingestellt werden. Die Tastverhältnisse di bzw. d2 können in jedem Zyklus Τχ bzw. T den gleichen Wert annehmen oder für jeden Taktzyklus einen neuen Wert annehmen. Um eine Asymmetrie der Tastverhältnisse zu erzeugen werden Werte unterschiedlich von 50% eingestellt. Es kann sowohl die Amplitude als auch die Polarität der Tastverhältnisse di
bzw. d2 eingestellt werden. Die Amplitude wird durch den Wert der Tastverhältnisse di bzw. d2 festgelegt. Je stärker der Wert von 50 % abweicht, desto stärker ist die Amplitude. Die Polarität wird durch die Verhältnisse der Zeit hoher Spannungswerte der zwei Halbleiter- Leistungsschalter 3a, 3b, das heißt teini/tein2 bzw. der Zeit niedriger Spannungswerte, das heißt tausi/ aus2 festgelegt.
Asymmetrische Tastverhältnisse di bzw. d2 bewirken wie aus dem Stand der Technik bekannt aufgrund der nichtlinearen Strom-Spannungs-Kennlinie der Gasentladungslampe eine DC- Spannung, d.h. auch einen DC-Anteil des Stroms durch die Gasentladungslampe 1. Dieser DC-Anteil kann durch die Einstellung der Amplitude und/oder der Polarität der Tastverhältnisse di bzw. d2 der zwei Steuersignale 2a bzw. 2b verändert werden. Je nach Bedarf kann somit der DC- Anteil verändert werden.
Die durch den Wechselrichter 3 erzeugte Wechselspannung VAC wird in den Resonanzkreis 6 der Gasentladungslampe 1 eingeprägt. Die Induktivität Li, die Kapazität Cr und die Serien-Kapazität Csi bilden den Resonanzkreis 6, der die rechteckige Wechselspannung VAC der Halbbrücke bzw. des Wechselrichters 3 in eine sinusförmige Spannung umwandelt, welche zum Betrieb der Gasentladungslampe 1 verwendet wird. Die Amplitude der sinusförmigen Spannung hängt dabei von der Frequenz f_HB der vom Wechselrichter 3 gelieferten rechteckförmigen Wechselspannung VAC ab. Die Gasentladungslampe 1 kann wie in Fig. 2 gezeigt auch eine Parallelschaltung von zwei Gasentladungslampen sein, oder kann mehrere parallel oder seriell geschaltete Gasentladungslampen umfassen. Im Fall zweier
Gasentladungslampen wird die sinusförmige Spannung durch die Transformatoren Lsym symmetrisch an die beiden Lampen
(lampi und lamp2) geliefert. In diesem Fall umfasst der Resonanzkreis 6 wie gezeigt eine weitere Serien-Kapazität Cs2. Die Serien- Kapazitäten Csi und Cs2 für die in Fig. 2 gezeigten Lampen der Gasentladungslampe 1 sind durch Widerstände Rdci (für eine erste Gasentladungslampe) bzw. Rdc2 (im Falle einer zweiten Gasentladungslampe) überbrückt. Dadurch stellt sich ein DC-Anteil des Stroms durch die Gasentladungslampe 1 ein. Die Wechselspannung, die über die Gasentladungslampe 1 abfällt, ist dann um einen DC-Anteil verschoben. Die Widerstände Rdci (für eine erste Gasentladungslampe) bzw. Rdc2 (im Falle einer zweiten Gasentladungslampe) bilden einen konventionellen DC-Pfad. Die über der Gasentladungslampe 1 abfallenden Spannungen (in Fig. 2 bei zwei Gasentladungslampen die Spannungen Viampi Viamp2) können mittels des Spannungsteilers 11 gemessen werden. Auch der DC-Anteil der Spannung an der Gasentladungslampe 1 kann somit gemessen werden. Des Weiteren kann der DC-Anteil des Lampenstroms mit Hilfe des Shunt -Widerstands 12 von der Steuerschaltung 4 erfasst werden. Die Messung des DC- Anteils kann dabei indirekt oder direkt vorgenommen werden und es muss nicht zwangsläufig die in Fig. 2 gezeigte Schaltung zur Messung des DC-Anteils des Stroms und/oder der Spannung verwendet werden. Abhängig vom gemessenen DC- Anteil des Stroms kann die Steuerschaltung 4 einen Sollwert bestimmen und dem Regulator 5 geeignete Vorgaben für Tastverhältnisse di bzw. d2 zuführen. Auf Basis dieser Vorgabe stellt der Regulator 5 die Amplitude und/oder Polarität der Asymmetrie der Steuersignale 2a und 2b ein bzw. verändert diese.
Die Steuerschaltung 4 kann den DC-Anteil des Stroms durch die Gasentladungslampe 1 ständig überwachen und so verändern, dass sich immer ein minimal notwendiger Sollwert des DC-Anteils einstellt, damit eine Streifenbildung bzw. das sogenannte Walmen der Gasentladungslampe 1 verhindert wird. Fällt der DC-Anteil unter den Sollwert, so verändert die Steuerschaltung die Asymmetrie der Tastverhältnisse di bzw. d2, bis sich wieder der gewünschte Sollwert einstellt. Die Steuerschaltung 4 kann auf hinterlegte Erkenntnisse bzw. Informationen, zum Beispiel in einer Datenbank 10 oder allgemein einem Speicher, zurückgreifen, in der z.B. Lampentypen, Sollwerte, Verlaufskurven des DC-Anteils und Abhängigkeiten des DC-Anteils von z.B. dem Dimmpegel der Gasentladungslampen 1 oder der Umgebungstemperatur gespeichert sind. Insbesondere kann die Datenbank 10 auch Erkenntnisse über die Auswirkungen des DC-Anteils enthalten bei verschiedenen Dimmpegeln oder Umgebungstemperaturen enthalten. Solche Erkenntnisse beschreiben in etwa wie effizient z.B. Streifenbildung bei einem bestimmten DC-Anteil, bei einem bestimmten Dimmpegel und/oder einer bestimmten Umgebungstemperatur unterdrücken lassen. Die Erkenntnisse der Auswirkung des DC-Anteils sind dabei quantitativ oder analytisch beschrieben oder können als aus Erfahrungswerten erstellte Tabellen hinterlegt sein.
Ein gewisser DC-Anteil des Stroms erzielt nicht für jeden Lampentyp 1 und bei jedem Dimmpegel dieselbe Auswirkung, d.h. er kann zum Beispiel nicht bei jedem Dimmpegel das Flackern oder Walmen der Lampe gleich gut verhindern. Deshalb kann die Steuerschaltung 4 den Sollwert für den DC-Anteil z.B. basierend auf dem Dimmpegel der Gasentladungslampe 1 bestimmen und den Regulator 5
entsprechend steuern. Der Dimmpegel wird dabei durch die von der Steuerschaltung 4 an den Regulator 5 vorgegebenen Tastperiode oder der Frequenz bestimmt, die dann der Frequenz f_HB entspricht, mit der die Steuersignale 2a und 2b geschaltet werden, bzw. der Frequenz entspricht mit der der Wechselrichter 3 Wechselspannung an den Resonanzkreis 6 liefert. Um einen gewünschten DC-Anteil zu erhalten, kann die Steuerschaltung wie oben beschrieben über den Spannungsteiler 11 und den Shunt-Widerstand 12 den DC- Anteil des Stroms und/oder der Spannung der Gasentladungslampe 1 messen und mittels einer Veränderung der Polarität und/oder Amplitude der Tastverhältnisse durch den Regulator 5 den gewünschten DC-Anteil einstellen.
Fig. 4 zeigt zum Beispiel wie der DC-Anteil der Spannung vom auf 1 normierten Dimmpegel der Gasentladungslampe 1 abhängt und wie er durch Einstellen und Verändern der Amplitude und/oder Polarität der Asymmetrie der Tastverhältnisse di und d2 der Steuersignale 2a und 2b verändert werden kann. Die mit C bezeichnete Kurve zeigt den DC-Anteil der Spannung wenn keine Asymmetrie der Tastverhältnisse di und d2 der Steuersignale 2a und 2b eingestellt ist. Man sieht, dass insbesondere bei geringen Dimmpegeln sehr hohe DC-Spannungen auftreten. Die mit A bezeichnete Kurve zeigt die Auswirkung einer Asymmetrie der Tastverhältnisse di und d2 mit einer Amplitude von 600 ns und einer negativen Polarität. Die mit B bezeichnete Kurve zeigt eine Asymmetrie-Amplitude von 200 ns negativer Polarität und die mit D bezeichnete Kurve zeigt eine Asymmetrie-Amplitude von 200 ns positiver Polarität. Man sieht, dass der DC-Anteil durch die Amplitude und/oder Polarität der Asymmetrie verändert werden kann, womit ein sich abhängig vom Dimmpegel verändernder DC-Anteil
ausgeglichen werden kann. Um einen gewünschten Sollwert für den DC-Anteil in Abhängigkeit vom Dimmpegel einzustellen, kann die Steuerschaltung 4 auf solche oder ähnliche in der Datenbank gespeicherten Kurvensätze direkt zurückgreifen oder daraus Sollwertkurven errechnen.
Die Grafik ist in dem Fall an einer T5 80W Lampe aufgenommen worden, der Dimmbereich überstreicht 1-100%, die Betriebsfrequenz ändert sich in dem Bereich zwischen etwa 42kHz (100%-Punkt) bis auf etwa 105kHz ( 1%-Punkt) , die Periodendauern entsprechend von etwa 25us bis knapp lOus. Eine Asymmetrie von -600ns entspricht bei hoher Frequenz einem Tastverhältnis von etwa 44%, also um 6% gegenüber dem symmetrischen Fall verschoben.
Fig. 5 zeigt weitere beispielhafte Kurven eines Kurvensatzes, bei denen wieder der DC-Anteil der Spannung über der Gasentladungslampe 1 in Abhängigkeit vom auf 1 normierten Dimmpegel dargestellt ist. Die Kurven sind für jeweils dieselbe Gasentladungslampe 1 dargestellt und es ist keine Asymmetrie der Tastverhältnisse di und d2 eingestellt. Die Gasentladungslampe 1 besitzt jedoch unterschiedliche vorgeschaltete Widerstände Rdci, wodurch sich unterschiedliche DC-Anteile aufgrund unterschiedlicher DC-Pfade ergeben. Bei der Kurve A ist der Widerstandswert Rdci=100 kO, für Fig. B gilt Rdcx=330 k O und für Fig. C Rdci=590 kO.
Fig. 4 und 5 zeigen auch, wie eine Kombination des DC- Pfads über den Widerstand Rdci und eine Asymmetrie der Tastverhältnisse di und d2 eine große Einstellflexibilität des DC-Anteils an der Gasentladungslampe 1 ermöglichen. Außerdem wird klar, dass ein bestimmter Lampentyp bei einer bestimmten Asymmetrie der Tastverhältnisse di und
d2 und einem eingestellten Dimmpegel genau ermittelt werden kann, da der DC-Anteil des Stroms (oder der DC- Anteil der Spannung) ein eindeutiger Fingerabdruck der Lampe ist. Da die Steuerschaltung 4 dazu geeignet ist, sowohl die an der Lampe 1 abfallende Spannung und auch den durch die Lampe fließenden Strom zu messen und auszuwerten und mit der Datenbank 10 bzw. den dort hinterlegten Erkenntnissen abzugleichen, kann die Steuerschaltung 4 den Sollwert, der zur Einstellung der Polarität und Amplitude der Asymmetrie der Tastverhältnisse di und d2 herangezogen wird, basierend auf dem Lampentyp bestimmen. Die Steuerschaltung 4 kann für jeden Dimmpegel und für jeden Lampentyp die Asymmetrie (sowohl Amplitude als auch Polarität) derart auswählen, dass sich ein DC-Anteil mit gewünschter Auswirkung in der Gasentladungslampe 1 ergibt. Abhängig vom Dimmpegel kann es daher zu Veränderungen kommen. Die Steuerschaltung 4 kann auch kontinuierlich oder wiederholt eine Messung des DC- Anteils durchführen und bezüglich des gemessenen DC-Anteils kontinuierlich den Sollwert bzw. die einzustellende Asymmetrie nachregeln. Der Sollwert kann dabei basierend auf wenigstens einem Kurvensatz eingestellt werden, die in der Datenbank 10 enthalten ist. Wie in Fig. 4 und 5 gezeigt, kann dabei ein DC-Anteil in Abhängigkeit vom Dimmpegel und Asymmetrie der Tastverhältnisse ausgewertet werden und ein entsprechender Sollwert darauf basierend eingestellt werden. Basierend auf zum Beispiel dem Lampentyp können auch verschiedene Kurvensätze ausgewertet werden, um den entsprechenden Sollwert einzustellen und den Regulator 5 entsprechend zu steuern.
Die Kurvensätze können in der Datenbank 10 auch temperaturabhängig hinterlegt sein. Insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen kann sich die
Lampenspannung drastisch ändern, was von der Steuerschaltung 4 erfasst werden kann. Die Steuerschaltung 4 kann aber auch mit einem Temperatursensor versehen oder verbunden sein, welcher kontinuierlich oder wiederholt die Umgebungstemperatur der Gasentladungslampe 1 übermittelt. Basierend auf der Umgebungstemperatur kann auf einen Kurvensatz in der Datenbank 10 zurückgegriffen werden, um den DC-Anteil durch die Amplitude und/oder Polarität der Asymmetrie der Steuersignale 2a und 2b in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur zu steuern.
Wird ein Dimm-Vorgang der Gasentladungslampe 1 vorgenommen, so kann die Steuerschaltung 4 veranlassen, dass der Sollwert basierend auf einem der hinterlegten Kurvensätze angepasst wird. Als einfaches Beispiel kann zum Beispiel anhand von Fig. 4 gezeigt werden, wie ein konstanter DC-Anteil von etwa 0,5 V (durch die unterbrochene Linie E dargestellt) als Sollwert eingestellt werden kann. Dann kann die Steuerschaltung 4 den Sollwert basierend auf dem Kurvensatz aus den vier Kurven A bis D einstellen. Zwischen einem Dimmpegel von etwa 1 bis 0,5 regelt die Steuerschaltung den Sollwert vorteilhafterweise gemäß der Kurve B (und stellt eine Asymmetrie von -200 ns ein) . Bei einem Dimmpegel von etwa 0,4 findet vorteilhafterweise ein Übergang auf die Kurve A statt (und eine Veränderung der Amplitude der Asymmetrie auf -600 ns) . Bei weiter fortschreitend erniedrigtem Dimmpegel findet zunächst ein Übergang auf die Kurve C statt, etwa bei einem Dimmpegel von 0,3, dann auf die Kurve B, bei einem Dimmpegel von etwa 0,2, und schließlich wieder auf die Kurve A, bei einem Dimmpegel von etwa 0,15. Der Wechsel zwischen den Kurven hält den DC-Anteil in diesem Fall konstant auf etwa 0,5 V. Die Steuerschaltung 4 ist jederzeit in der Lage geeignete Werte für die
Asymmetrie der Tastverhältnisse (Amplitude und/oder Polarität) dem Regulator 5 zuzuführen, um den gewünschten Sollwert des DC-Anteils zu regeln. Natürlich muss der DC- Anteil nicht zwangsläufig konstant gehalten werden, sondern es können z.B. auch Erkenntnisse über die Auswirkungen bei verschiedenen Dimmpegeln in Betracht gezogen werden, um bei■ änderndem Dimmpegel auch den Sollwert zu verändern. Der DC-Anteil wird dann auf eine Sollkurve in Abhängigkeit vom Dimmpegel eingestellt.
Wie in Fig. 5 zu sehen ist, könnte eine Regelung des DC- Anteils auf einen Sollwert auch ohne Einstellung der Asymmetrie z.B. durch Einstellen der Widerstände Rdci bzw. Rdc2 erzielt werden. Dazu könnten zum Beispiel verschiedene Widerstände hinzu schaltbar bzw. abschaltbar bereitgestellt werden, oder es könnte ein kontinuierlich einstellbarer Widerstand verwendet werden. Meist wird jedoch im Vorfeld einer bestimmten Gasentladungslampe 1 ein geeigneter Widerstand zugeordnet, der dann im späteren Betrieb nicht mehr veränderbar ist. Dieser kann allerdings bereits im Vorfeld auf Basis von Sollwertkurven gewählt werden, so dass eine spätere Einstellung der Amplitude und/oder Polarität der Asymmetrie die gewünschten Ergebnisse liefern kann.
Es können beide Einstellverfahren miteinander kombiniert werden, so dass eine möglichst hohe Flexibilität bezüglich der Einstellung des DC-Anteils bei verschiedenen Dimmpegeln der Gasentladungslampe 1 stattfinden kann. Da die Erfindung bei dieser Kombination zusätzlich noch die Umgebungstemperatur der Gasentladungslampe 1 berücksichtigt, kann ein besonders gutes und effizientes Gleichgewicht zwischen einer optimalen visuellen Erscheinung des Lichts der Gasentladungslampe, z.B. ohne
Streifenbildung oder Flackern (was oftmals einen relativ hohen DC-Anteil bedingt) und der Lebendauer der Lampe (in der Regel bei niedrigem DC-Anteil länger) erzielt werden. Die Steuerschaltung 4 ist in der Lage, dieses Gleichgewicht basierend auf dem Dimmpegel, dem Lampentyp (das heißt auch der Lampenintendanz) und der Lampen- und/oder Umgebungstemperatur einzustellen.
Der Regulator 5 ist vorzugsweise ein PWM Modul und stellt die Asymmetrie der Tastverhältnisse di und d2 bei einem festen Taktzyklus durch Pulsbreitenmodulation ein. Die Tastverhältnisse können zeitlich variabel und dabei auch zufällig eingestellt werden, so dass im zeitlichen Mittel ein Ausgleich stattfindet. Die Tastverhältnisse können aber auch konstant auf einem asymmetrischen Wert gehalten werden. Die Tastverhältnisse können gleich sein oder unabhängig voneinander auf verschiedene Werte eingestellt bzw. geregelt werden. Es können auch variierende Taktzyklen eingestellt werden. Dem Pulsbreitenmodulator des Regulators 5 ist vorteilhafterweise ein Treiber nachgeschaltet. Die Steuerschaltung kann zum Beispiel durch einen Mikrokontroller oder integrierten Schaltkreis, insbesondere ASIC, realisiert werden, der alle oben beschriebenen Vorgänge übernimmt . Insbesondere wird der DC-Anteil indirekt oder direkt gemessen und die Amplitude und/oder Polarität der Asymmetrie der Tastverhältnisse di und d2 an den Regulator 5 übermittelt.
Claims
1. Verfahren zum Betreiben einer Gasentladungslampe (1) , wobei die Gasentladungslampe (1) mit Wechselspannung betrieben wird und ein DC-Anteil des Stroms durch die und/oder der Spannung an der Gasentladungslampe (1) durch folgende Schritte eingestellt wird:
- Direkte oder indirekte Messung des DC-Anteils, und
- Veränderung des DC-Anteils durch Einstellung der Amplitude und/oder der Polarität einer Asymmetrie von
Tastverhältnissen (di, d2) zweier digitaler Steuersignale (2a, 2b) für zwei zu einer Halbbrücke in Serie
geschalteter Halbleiter-Leistungsschalter (3a, 3b) eines Wechselrichters (3) , der die Gasentladungslampe (1) mit WechselSpannung versorgt.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der DC-Anteil verändert wird, bis sich ein Sollwert des DC-Anteils einstellt .
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei der Sollwert ein minimal notwendiger DC-Anteil ist, um ein sogenanntes Walmen der Gasentladungslampe (1) zu vermeiden.
4. Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei der Sollwert basierend auf einem Dimmpegel der Gasentladungslampe (1) bestimmt wird, wobei der Dimmpegel durch die Frequenz der vom Wechselrichter gelieferten Wechselspannung festgelegt ist .
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Sollwert basierend auf einem Lampentyp der
Gasentladungslampe (1) bestimmt wird und der Lampentyp aus dem DC-Anteil des Stroms in Abhängigkeit der eingestellten Asymmetrie der Tastverhältnisse (di, d2) und des
Dimmpegels der Gasentladungslampe (1) bestimmt wird.
6. Verfahren gemäß Anspruch 2 bis 5, wobei der Sollwert basierend auf der Temperatur der Umgebung der
Gasentladungslampe (1) bestimmt wird.
7. Verfahren gemäß Anspruch 4, 5 oder 6, wobei der Sollwert aus wenigstens einer Sollkurve bestimmt wird, wobei die Sollkurve den Sollwert in Abhängigkeit von wenigstens dem Dimmpegel und/oder der Umgebungstemperatur beschreibt .
8. Verfahren gemäß Anspruch 2 bis 7, wobei
der DC-Anteil kontinuierlich oder wiederholt gemessen wird;
der Sollwert basierend auf wenigstens einem
Kurvensatz eingestellt wird, wobei der wenigstens eine Kurvensatz den DC-Anteil wenigstens in Abhängigkeit des Dimmpegels und der Amplitude und/oder Polarität der
Tastverhältnisse beschreibt, und
bei Veränderung des Dimmpegels der Gasentladungslampe (1) der Sollwert neu basierend auf dem wenigstens einen Kurvensatz eingestellt wird.
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei
der Sollwert basierend auf mehreren unterschiedlichen Kurvensätzen eingestellt wird, die jeweils den DC-Anteil wenigstens in Abhängigkeit des Dimmpegels und der
Amplitude und/oder Polarität der Gasentladungslampe (1) beschreiben,
wobei ein zu verwendender Kurvensatz basierend auf einem gemessenen DC-Anteil bei einer vorgegebenen
Amplitude und Polarität der Asymmetrie der Tastverhältnisse (di, d2) und einem vorgegebenen
Dimmpegel bestimmt wird.
10. Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei
die Umgebungstemperatur der Gasentladungslampe (1) kontinuierlich oder wiederholt erfasst wird; und
der Sollwert basierend auf einem Kurvensatz des DC- Anteils in Abhängigkeit von der erfassten
Umgebungstemperatur eingestellt wird.
11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Asymmetrie der Tastverhältnisse (di, d2) bei konstanter Frequenz des vom Wechselrichter (1) gelieferten Wechselstroms durch Pulsbreitenmodulation der
Steuersignale (2a, 2b) der Halbleiter-Leistungsschalter (3a, 3b) verändert wird.
12. Vorrichtung zum Betreiben einer Gasentladungslampe (1) , wobei die Gasentladungslampe (1) mit Wechselspannung betrieben wird und die Vorrichtung zum Einstellen eines DC-Anteiles des Stroms durch die und/oder der Spannung an der Gasentladungslampe (1) ausgelegt ist, wobei die
Vorrichtung aufweist
eine Einrichtung (4) zur direkten oder indirekten Messung des DC-Anteils;
eine Einrichtung (5) zur Veränderung des DC-Anteils durch Einstellung der Amplitude und/oder der Polarität einer Asymmetrie von Tastverhältnissen (di, d2) zweier digitaler Steuersignale (2a, 2b) für zwei zu einer
Halbbrücke in Serie geschalteter Halbleiter- Leistungsschalter (3a, 3b) eines Wechselrichters (3) , der die Gasentladungslampe (1) mit WechselSpannung versorgt.
13. Vorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei der DC-Anteil durch eine Kombination eines konventionellen DC-Pfades, insbesondere durch einen Widerstand (Rdcx, Rdc2) , welcher die Serien-Kapazität ( Csi , Cs2) überbrückt, und eines DC- Anteils durch Polarität und Amplitude der Asymmetrie der Tastverhältnisse gebildet wird.
14. Mikrocontroller, der dazu ausgelegt ist ein Verfahren zum Betreiben einer Gasentladungslampe (1) gemäß den
Ansprüchen 1 bis 10 auszuführen, wobei die
Gasentladungslampe (1) mit WechselSpannung betrieben wird und ein DC-Anteil des Stroms durch die Gasentladungslampe (1) durch die Schritte des Verfahrens eingestellt wird.
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