EP0965251A1 - Verfahren und vorrichtung zum regeln des betriebsverhaltens von gasentladungslampen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum regeln des betriebsverhaltens von gasentladungslampen

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EP0965251A1
EP0965251A1 EP98909447A EP98909447A EP0965251A1 EP 0965251 A1 EP0965251 A1 EP 0965251A1 EP 98909447 A EP98909447 A EP 98909447A EP 98909447 A EP98909447 A EP 98909447A EP 0965251 A1 EP0965251 A1 EP 0965251A1
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EP
European Patent Office
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gas discharge
target
discharge lamp
value
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EP98909447A
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Siegfried Luger
Alfred TRÖSTL
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Tridonic Bauelemente GmbH
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Tridonic Bauelemente GmbH
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    • Y10S315/07—Starting and control circuits for gas discharge lamp using transistors

Definitions

  • the present invention relates to a method for regulating the operating behavior of gas discharge lamps according to the preamble of claim 1 and a device for operating gas discharge lamps, in particular an electronic ballast, according to the preamble of claim 5.
  • Fig. 4 shows a known device according to the preamble of claim 5 for operating gas discharge lamps.
  • This referred to as electronic ballast device comprises firstly a rectifier arrangement 4, a Ne t z crispnaps converts into a rectified DC voltage which is fed to an inverter. 5
  • the inverter 5 generally has two switches connected in series between a positive supply voltage and ground, which are controlled alternately.
  • the connection point between the two alternately controlled switches, which are usually formed by MOS field-effect transistors, is connected to a load circuit which essentially contains a series resonance circuit with a coil 6 and a capacitor 7 and at least one gas discharge lamp 10.
  • the gas discharge lamp 10 is connected to the series resonance circuit via a coupling capacitor 8.
  • the rectified intermediate circuit voltage supplied by the rectifier 4 is converted into a high-frequency, clocked alternating voltage which is output by the inverter 5 to the series resonant circuit.
  • the gas discharge lamp 10 is ignited by shifting the frequency of the AC voltage supplied by the inverter 5 into the vicinity of the resonance frequency of the series resonance circuit with the coil 6 and the capacitor 7. In this case, a voltage surge occurs in the voltage applied to the capacitor 7, which leads to the ignition of the gas discharge lamp 10.
  • a heating transformer 9A-C is also present in FIG.
  • the heating transformer 9A-C serves to preheat the lamp filaments of the gas discharge lamp 10, the heating voltage having a frequency which is clearly below or above the resonance frequency. In this way it is avoided that the gas discharge lamp 10 ignites with cold lamp filaments, whereby the life of the gas discharge lamp 10 can be extended.
  • a heating capacitor can also be connected in parallel to the gas discharge lamp 10.
  • the use of a heating transformer with secondary windings 9B or 9C connected to the lamp filaments of the gas discharge lamp 10 has the advantage that energy can still be supplied to the lamp filaments even after the gas discharge lamp 10 has been ignited.
  • the series resonance circuit with the coil 6 and the capacitor 7 and the gas discharge lamp 10 are part of a control system 2, which in turn is part of a control circuit, the behavior of which is determined by a controller 1.
  • the device shown in FIG. 4 serves to regulate the brightness of the gas discharge lamp 10 as a function of an externally predetermined dimming setpoint SOLL, which is compared in an comparator 3 designed as an adder with an actual dimming value ACTUAL, the resulting difference signal DIFF is fed to the controller 1, which generates a control signal STELL for a specific controlled variable of the controlled system 2 as a function of the control difference DIFF.
  • the manipulated variable signal can relate to the frequency and / or the pulse duty factor of the clocked alternating voltage supplied by the inverter 5.
  • a resistor 12 is provided to determine the actual brightness value of the gas discharge lamp 10, which resistor is connected in series with the lower lamp filament of the gas discharge lamp 10.
  • the voltage drop across the resistor 12 is a direct measure of the lamp current flowing across the gas discharge path of the gas discharge lamp 10, which in turn is directly related to the degree of dimming or the brightness of the gas discharge lamp 10.
  • the actual value of the degree of dimming of the gas discharge lamp 10 can be detected by ascertaining the voltage drop across the resistor 12.
  • the basic structure of the ballast shown in FIG. 4 is already known, for example, from DE 40 18 127 AI. It proposes to record the actual value of an operating variable of the electronic ballast, to form the difference value between the detected actual value and a predetermined target value and to supply this difference value to a controller which, depending on the difference value, has a manipulated value, for example for the AC voltage of the inverter applied to the series resonance circuit generated in order to regulate the lamp brightness of the gas discharge lamp controlled via the series resonance circuit. Because of the series resonance circuit with the coil 6 and the capacitor 7 present in the controlled system 2 shown in FIG. 4, the controlled system 2 essentially exhibits a PT 2 behavior, ie the controlled system 2 acts as a second-order delay element.
  • a PID controller is advantageously used, ie a controller that has both proportional amplifying and integrating and differentiating properties.
  • a PI controller is generally used as controller 1 for the controlled system 2 shown in FIG. 4.
  • a regulator 1 is selected with a low brightness of the gas discharge lamp 10, i.e. with a high degree of dimming, the proportion of which is so high that the gas discharge lamp 10 can be ignited even at low brightness values without flashing light.
  • a high proportion i.e. Gain of the regulator 1
  • a method for regulating the operating behavior of gas discharge lamps is already known from DE 43 31 952 AI, wherein a parameter of the regulator device used is set as a function of a predetermined setpoint.
  • a controller device consisting of two blocks is used, one block forming the actual controller and the second block following the first block forming a limiter which limits the output signal of the controller to a maximum value.
  • the actual value of the lamp output of the gas discharge lamp is recorded and fed to the controller, which also receives a predetermined setpoint and, depending on the difference between the actual value and the setpoint, generates a manipulated value for the duty cycle of a switching regulator of the electronic ballast.
  • This manipulated value is fed to the limiter, which limits the manipulated value with respect to an adjustable maximum value, the maximum value of the limiter being set as a function of the specified target value. In particular, the maximum value of the limiter is reduced when the setpoint is low.
  • the present invention has for its object to provide a method and an apparatus for regulating the operating behavior of gas discharge lamps using a regulator with a proportional component, the regulation being better adaptable to the needs.
  • the gas discharge lamps should also have a high degree of dimming, i.e. low lamp brightness, can be reliably ignited without lower dimming levels, i.e. larger lamp powers, instabilities occur.
  • the setpoint specified for the control circuit for example the dimming setpoint
  • the proportional component i.e. the gain factor of the controller is set and adjusted. So for starting gas discharge lamps at low brightness values, i.e. high degrees of dimming, a high proportion, i.e. a high amplification factor is necessary in order to be able to ignite the gas discharge lamp without flashing light. With increasing brightness of the gas discharge lamp, i.e.
  • the proportional portion of the controller is reduced and in extreme cases even set to zero, in which case the controller works as a pure I controller.
  • the proportional component of the controller in critical dimming ranges in which a low proportional component, ie a low amplification factor, could lead to instability of the control loop, the proportional component of the controller can be increased in a targeted manner.
  • the aim is to select and set the ideal proportional portion for each individual load case, which can be detected and specified in addition to a predetermined dimming setpoint and also by changing operating state parameters of the control loop.
  • the method and electronic ballast according to the invention are used in particular wherever lighting with low brightness, i.e. high degrees of dimming is desired, such as in movie theaters or the like, since, according to the invention, it is reliably possible to ignite gas discharge lamps even at a low level of brightness without flashing light.
  • Fig. 3 shows a second embodiment of the electronic ballast according to the invention.
  • FIG. 4 shows a known electronic ballast with a PI controller for regulating the operating behavior of a gas discharge lamp present in a controlled system.
  • 1 shows a first exemplary embodiment of the electronic ballast according to the invention for operating gas discharge lamps.
  • the electronic ballast shown in FIG. 1 has - as already explained with reference to FIG. 4 - a control circuit which contains a controller 1, a controlled system 2 and a comparator 3.
  • the components corresponding to the components shown in FIG. 4 are provided with identical reference numerals, and a repeated description of these components is omitted.
  • the embodiment of the electronic ballast according to the invention shown in FIG. 1 differs from the known electronic ballast shown in FIG. 4 mainly in the design of the regulator 1.
  • the regulator 1 used in the electronic ballast according to the invention is also designed as a PI controller, which thus has a proportionally amplifying as well as integrating behavior.
  • the PI controller 1 can advantageously be supplemented by a differentiating element, so that the PI controller becomes a PID controller which, although more complex, is more suitable for controlling the behavior of the controlled system which has a PT 2 behavior is.
  • the externally specified Dirnm setpoint can come from an external dimmer or, for example, also from a light sensor that monitors a specific workstation illuminated by the lamp 10.
  • the PI controller 1 has an adjusting device 16, which could optionally also be arranged outside the PI controller 1.
  • This setting device 16 is supplied with the externally predetermined nominal value desired.
  • the setting device 16 adjusts the proportional component of the PI element 14 of the PI controller 1 as a function of the Dirnm setpoint SOLL.
  • the target dimming value TARGET is compared in a comparator 3 with the actual dimming value ACTUAL, the resulting difference value DIFF in addition to the P element 14 and also an I element 13 of the PI controller 1 is supplied.
  • the P control element 14 and the I control element 13 each generate a corresponding control value depending on the difference value supplied, the control values thus generated being added on the output side by an adder 15 and being output as the control signal STELL of the PI controller 1.
  • the detection of the actual value of the lamp brightness 10, i.e. the degree of dimming, in particular - as already explained with reference to FIG. 4 - by determining the voltage drop across a resistor 12, which is connected in series with the lower lamp filament of the gas discharge lamp 10 to ground.
  • the voltage drop across this resistor 12 is a measure of the lamp current flowing over the gas discharge path of the gas discharge lamp 10, which increases with increasing lamp brightness.
  • the setting of the P component within the PI controller 1 with the aid of the setting device 16 takes place as a function of the predetermined Dirnm setpoint SHOULD, as shown in FIG.
  • the proportional portion within the PI controller for such low brightness values must be chosen large according to the invention.
  • this high proportional component or gain factor were to be maintained even with large brightness values, ie low dimming levels, the high loop current or high lamp power flowing in the controlled system 2 in this case could lead to instabilities in the control loop.
  • the proportional component ie the gain factor of the PI controller 1
  • the proportional component of the PI controller 1 can be set linearly as a function of the predetermined Dirnm setpoint SHOULD.
  • the setting device 16 adjusts the proportional portion of the proportional control element 14 in accordance with the characteristic curve shown in FIGS. 2a and 2b, depending on the dimming setpoint SHOULD applied to it. In this way it is possible according to the invention to select and set the ideal proportional portion or gain factor for each load case, ie for each dimming value.
  • 2c shows the characteristics of the lamp resistance R L of the lamp current I L corresponding to the characteristics of FIGS. 2a and 2b, depending on the lamp brightness of the gas discharge lamp 10 or the predetermined dirnm setpoint SHOULD.
  • 2c and 2d in particular show that with increasing lamp brightness, the lamp current rises over the gas discharge path of the gas discharge lamp 10 and, accordingly, the resistance of the gas discharge lamp also drops with the desired lamp brightness.
  • Fig. 3 shows a second embodiment of the electronic ballast according to the invention.
  • the PI controller 1 is divided into two control units 17 and 18.
  • the first control unit 18 is controlled purely by software and is in particular in the form of a programmable or programmed microprocessor.
  • the second control unit 17 is constructed purely in terms of hardware by combining known standard switching rods and is in particular in the form of an application-specific integrated circuit (ASIC).
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • the two control units 17 and 18 are connected to one another by a bidirectional transmission line 19.
  • the first control unit 18 receives exclusively externally specified control information, such as, in particular, the externally specifiable dimming setpoint SHOULD.
  • the second control unit 17 receives only internal operating state parameters, such as the lamp current i L , which is also a measure of the degree of dimming or the lamp brightness of the gas discharge lamp 10. 3, the second control unit 17 receives the instantaneous value of the heating current i H , which flows through the primary winding 9A of the heating transformer.
  • a resistor 11 is connected between the primary winding 9A of the heating transformer and ground, so that the voltage drop across this resistor 11 is a measure of the heating current i H flowing through the primary winding 9A.
  • the second control unit 17 can be supplied with further internal operating state parameters, such as, for example, the actual values of the lamp voltage or the DC voltage supplied by the rectifier 4.
  • the operation of the split PI controller 1 shown in Fig. 3 is as follows.
  • the second control unit 17 receives and stores the actual values of the operating state parameters applied to it.
  • the first control unit 18 then reads from the Corresponding memory of the second control unit 17 determines the corresponding actual values of the aforementioned internal operating state parameters and, depending on the actual values of the internal operating state parameters transmitted via the connection line 19 and the external control information present at the first control unit 18, in particular the dimming setpoint SHOULD, determines corresponding control value information .
  • the first control unit 18 thus realizes the actual function of the PI controller 1.
  • the functions of the setting device 16 of the P element 14, of the I element 13 and of the adder 15 are implemented in the first control unit 18.
  • the P component within the PI controller function is thus set as a function of the dimming setpoint SHOULD applied to it.
  • the first regulating unit 18 transmits this manipulated variable information via the bidirectional connecting line 19 to the second regulating unit 17, which in turn generates the actual manipulated variable signal on the basis of this manipulated variable information and the change in the corresponding controlled variable, for example the frequency or the duty cycle from the inverter 5 supplied AC voltage.
  • the division of the PI controller 1 shown in FIG. 3 into a purely software-controlled control unit 18 and a purely hardware-based control unit 17 makes it possible, on the one hand, to ensure sufficient flexibility to adapt to possible switching changes due to the software implementation of the first control unit 18 and on the other hand, with the aid of the second control unit 17 constructed in terms of hardware, a sufficiently high speed is ensured on account of its hardware structure.
  • the first control unit 18 is therefore responsible for the slow control processes and the second control unit 17 for the fast control processes. If the PI controller 1 as a whole were constructed purely in terms of hardware, there would not be sufficient flexibility for changes in the circuitry.
  • the processing speed of the PI controller 1 would not be fast enough in the case of a purely software configuration for fast regulating or control processes.
  • the solution shown in FIG. 3 thus provides the best possible compromise between sufficient flexibility on the one hand and a sufficiently high processing speed on the other hand.

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  • Discharge-Lamp Control Circuits And Pulse- Feed Circuits (AREA)
  • Circuit Arrangements For Discharge Lamps (AREA)
  • Lighting Device Outwards From Vehicle And Optical Signal (AREA)

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zum Regeln des Betriebsverhaltens mindestens einer Gasentladungslampe (10). Die Regelung erfolgt mit Hilfe eines Reglers (1), dessen Proportionalanteil abhängig von einem extern anliegenden Sollwert (SOLL) eines Betriebsparameters der Gasentladungslampe (10) eingestellt wird. Insbesondere betrifft der Sollwert (SOLL) die gewünschte Helligkeit der Gasentladungslampe (10), wobei für niedrige Helligkeits-Sollwerte der Proportionalanteil des Reglers (1) hoch und für große Helligkeit-Sollwerte der Gasentladungslampe (10) gering eingestellt wird. Auf diese Weise ist es möglich, die Gasentladungslampe (10) auch bei geringen Helligkeitswerten zuverlässig ohne dem Auftreten eines Lichtblitzes zu zünden und zugleich Instabilitäten bei hohen Helligkeitswerten der Gasentladungslampe (10) zu vermeiden.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Regeln des Betriebsverhaltens von Gasentladungslampen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln des Betriebsverhaltens von Gasentladungslampen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Vorrichtung zum Betreiben von Gasentladungslampen, insbesondere ein elektronisches Vorschaltgerät, nach dem Oberbegriff des Anspruches 5.
Fig. 4 zeigt eine bekannte Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 5 zum Betreiben von Gasentladungslampen. Diese als elektronisches Vorschaltgerät bezeichnete Vorrichtung umfaßt zunächst eine Gleichrichteranordnung 4, die eine Netzwechselspannung in eine gleichgerichtete Zwischenkreisspannung umwandelt, die einem Wechselrichter 5 zugeführt wird. Der Wechselrichter 5 weist in der Regel zwei zwischen eine positive Versorgungsspannung und Masse in Serie geschaltete Schalter auf, die abwechselnd angesteuert werden. Der Verbindungspunkt zwischen den beiden alternierend angesteuerten Schaltern, die gewölmlich durch MOS-Feldeffekttransistoren gebildet sind, ist mit einem Lastkreis verbunden, der im wesentlichen einen Serienresonanzkreis mit einer Spule 6 und einem Kondensator 7 sowie mindestens eine Gasentladungslampe 10 beinhaltet. Die Gasentladungslampe 10 ist über einen Koppelkondensator 8 mit dem Serienresonanzkreis verbunden.
Durch das abwechselnde Ein- und Ausschalten der beiden Schalter des Wechselrichters 5 wird die von dem Gleichrichter 4 gelieferte gleichgerichtete Zwischenkreisspannung in eine hochfrequente, getaktete Wechselspannung umgewandelt, die von dem Wechselrichter 5 an den Serienresonanzkreis abgegeben wird. Die Gasentladungslampe 10 wird gezündet, indem die Frequenz der von dem Wechselrichter 5 gelieferten Wechselspannung in die Nähe der Resorianzfrequenz des Serienresonanzkreises mit der Spule 6 und dem Kondensator 7 verschoben wird. In diesem Fall tritt in der an dem Kondensator 7 anliegenden Spannung eine Spannungsüberhöhung auf, die zu dem Zünden der Gasentladungslampe 10 fuhrt. Um die Lebensdauer der Gasentladungslampe zu verlängern, ist in Fig. 4 zudem ein Heiztransformator 9A-C vorhanden, dessen Primärwicklung 9A mit dem Serienresonanzkreis verbunden und im wesentlichen parallel zur Gasentladungslampe 10 geschaltet ist und dessen Sekundärwicklungen 9B und 9C jeweils parallel zu einer der beiden Lampenwendeln der Gasentladungslampe 10 geschaltet sind. Der Heiztransformator 9A-C dient zum Vorheizen der Lampenwendeln der Gasentladungslampe 10, wobei die Heizspannung eine Frequenz aufweist, die deutlich unter - bzw. oberhalb der Resonanzfrequenz liegt. Auf diese Weise wird vermieden, daß die Gasentladungslampe 10 mit kalten Lampenwendeln zündet, wodurch die Lebensdauer der Gasentladungslampe 10 verlängert werden kann. Alternativ zu dem Heiztransformator 9A-C kann auch ein Heizkondensator parallel zu der Gasentladungslampe 10 geschaltet sein. Die Verwendung eines Heiztransformators mit an den Lampenwendeln der Gasentladungslampe 10 angeschlossenen Sekundärwicklungen 9B bzw. 9C weist jedoch den Vorteil auf, daß den Lampenwendeln auch nach Zünden der Gasentladungslampe 10 noch Energie zugeführt werden kann.
Der Serienresonanzkreis mit der Spule 6 und dem Kondensator 7 sowie die Gasentladungslampe 10 sind Bestandteil einer Regelstrecke 2, die wiederum Bestandteil eines Regelkreises ist, dessen Verhalten durch einen Regler 1 bestimmt wird. Insbesondere dient die in Fig. 4 gezeigte Vorrichtung zum Regeln der Helligkeit der Gasentladungslampe 10 abhängig von einem extern vorgegebenen Dimm-Sollwert SOLL, der in einem als Addierer ausgebildeter Vergleicher 3 mit einem Dimm-Istwert IST verglichen wird, wobei das sich daraus ergebende Differenzsignal DIFF dem Regler 1 zugeführt ist, der abhängig von der Regeldifferenz DIFF ein Stellwertsignal STELL für eine bestimmte Regelgröße der Regelstrecke 2 erzeugt. Insbesondere kann das Stellwertsignal die Frequenz und/oder das Tastverhältnis der von dem Wechselrichter 5 gelieferten getakteten Wechselspannung betreffen. Bei dem in Fig. 4 gezeigten elektronischen Vorschaltgerät ist zur Ermittlung des Helligkeits-Istwerts der Gasentladungslampe 10 ein Widerstand 12 vorgesehen, der in Serie mit der unteren Lampenwendel der Gasentladungslampe 10 geschaltet ist. Die an dem Widerstand 12 abfallende Spannung ist direkt ein Maß für den über die Gasentladungsstrecke der Gasentladungslampe 10 fließenden Lampenstrom, der wiederum unmittelbar mit dem Dimmgrad bzw: der Helligkeit der Gasentladungslampe 10 zusammenhängt. Demzufolge kann der Istwert des Dimmgrades der Gasentladungslampe 10 durch Ermitteln der an dem Widerstand 12 abfallenden Spannung erfaßt werden.
Der grundsätzliche Aufbau des in Fig. 4 gezeigten Vorschaltgeräts ist beispielsweise bereits aus der DE 40 18 127 AI bekannt. Darin wird vorgeschlagen, den Istwert einer Betriebsgröße des elektronischen Vorschaltgeräts zu erfassen, den Differenzwert zwischen dem erfaßten Istwert und einem vorgegebenen Sollwert zu bilden und diesen Differenzwert einem Regler zuzuführen, der abhängig von dem Differenzwert einen Stellwert beispielsweise für die an den Serienresonanzkreis angelegte Wechselspannung des Wechselrichters erzeugt, um auf diese Weise die Lampenhelligkeit der über den Serienresonanzkreis angesteuerten Gasentlandungslampe zu regeln. Wegen des in der in Fig. 4 gezeigten Regelstrecke 2 vorhandenen Serienresonanzkreises mit der Spule 6 und dem Kondensator 7 weist die Regelstrecke 2 im wesentlichen ein PT2- Verhalten auf, d.h. die Regelstrecke 2 wirkt als Verzögerungsglied zweiter Ordnung. Es ist bekannt, daß Regelstrecken mit verzögertem P-Verhalten einen PI-Regler benötigen, um ein möglichst rasches Einschwingen der Regelstrecke zu gewährleisten und Regelkreis- Instabilitäten, die durch zunehmende Schwingneigung der Regelstrecke entstehen können, entgegenzuwirken. Vorteilhafterweise wird dabei ein PID-Regler eingesetzt, d.h. ein Regler, der sowohl proportional verstärkende als auch integrierende und differenzierende Eigenschaften aufweist. Da ein derartiger PID-Regler jedoch sehr komplex aufgebaut ist, wird der Einfachheit halber in der Regel ein PI-Regler als Regler 1 für die in Fig. 4 gezeigte Regelstrecke 2 verwendet.
Beim Zünden der Gasentladungslampe 10 steigt der mit Hilfe des Istwertsignals IST erfaßte Lampenstrom sprungartig an, wodurch in der Gasentladungslampe 10 ein Lichtblitz erzeugt wird, der jedoch vermieden werden soll. Es ist daher empfehlenswert, daß bei einer geringen Helligkeit der Gasentladungslampe 10, d.h bei einem hohen Dimmgrad, ein Regler 1 gewählt wird, dessen Proportionalanteil so hoch ist, daß ein Zünden der Gasentladungslampe 10 auch bei geringen Helligkeitswerten ohne Lichtblitz durchgeführt werden kann. Ein derartig hoher Proportionalanteil, d.h. Verstärkung des Reglers 1 , würde jedoch bei großen Lampenströmen und bei großer Lampenleismng, d.h. bei geringer Dimmung, zu Instabilitäten des in Fig. 4 gezeigten Regelkreises innerhalb der Regelstrecke 2 führen.
Aus der DE 43 31 952 AI ist bereits ein Verfahren zum Regeln des Betriebsverhaltens von Gasentladungslampen bekannt, wobei ein Parameter der dabei verwendeten Reglervorrichtung abhängig von einem vorgegebenen Sollwert eingestellt wird. Insbesondere wird gemäß dieser Druckschrift eine aus zwei Blöcken bestehende Reglervorrichtung verwendet, wobei der eine Block den eigentlichen Regler und der dem ersten Block nachgeschaltete zweite Block einen Begrenzer bildet, der das Ausgangssignal des Reglers auf einen Maximalwert begrenzt. Mit Hilfe einer Erfassungsschaltung wird der Istwert der Lampenleismng der Gasentladungslampe erfaßt und dem Regler zugeführt, der zudem einen vorgegebenen Sollwert empfängt und abhängig von der Differenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert einen Stellwert für das Tastverhältnis eines Schaltreglers des elektronischen Vorschaltgeräts erzeugt. Dieser Stellwert wird dem Begrenzer zugeführt, der den Stellwert bezüglich eines einstellbaren Maximalwerts begrenzt, wobei der Maximalwert des Begrenzers abhängig von dem vorgebenen Sollwert eingestellt wird. Insbesondere wird bei einem niedrigen Sollwert der Maximalwert des Begrenzers verringert. Die Verwendung eine Reglers mit Proportionalanteil und die damit verbundenen und zuvor erläuterten Probleme sind jedoch aus dieser Druckschrift nicht bekannt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regeln des Betriebsverhaltens von Gasentladungslampen unter Verwendung eines Regers mit einem Proportionalanteil zu schaffen, wobei die Regelung besser an die Bedürfnisse angepaßt werden kann.
Insbesondere sollen die Gasentladungslampen auch bei einem hohen Dimmgrad, d.h. geringer Lampenhelligkeit, zuverläßig gezündet werden können, ohne daß bei geringeren Dimmgraden, d.h. größeren Lampenleistungen, Instabilitäten auftreten.
Die oben genannte Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und hinsichtlich der Vorrichtung durch ein elektronisches Vorschaltgerät nach Anspruch 5 gelöst.
Die Unteransprüche beschreiben jeweils vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Die oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der dem Regelkreis vorgegebene Sollwert, beispielsweise der Dimm-Sollwert, direkt dem Regler zugeführt wird, um die Eigenschaften des Reglers abhängig von dem Sollwert anzupassen. Insbesondere wird abhängig von dem Sollwert der Proportionalanteil, d.h. der Verstärkungsfaktor, des Reglers eingestellt und angepaßt. So ist für einen Start von Gasentladungslampen bei geringen Helligkeitswerten, d.h. hohen Dimmgraden, ein hoher Proportionalanteil, d.h. ein hoher Verstärkungsfaktor notwendig, um die Gasentladungslampe ohne Lichtblitz zünden zu können. Mit steigender Helligkeit der Gasentladungslampe, d.h. mit abnehmendem Dimmgrad, wird der Proportionalanteil des Reglers reduziert und im Extremfall sogar auf Null gesetzt, wobei in diesem Fall der Regler als reiner I-Regler arbeitet. Durch Herabsetzen des Proportionalanteils des Reglers bei zunehmenden Lampenhelligkeiten werden Instabilitäten des Regelkreises selbst bei großen Lampenleistungen oder Lampenströmen vermieden.
Generell kann erfindungsgemäß in kritischen Dimmbereichen, in denen ein geringer Proportionalanteil, d.h. ein geringer Verstärkungsfaktor, zur Instabilität des Regelkreises führen könnte, der Proportionalanteil des Reglers gezielt erhöht werden. Allgemein wird erfindungsgemäß somit angestrebt, für jeden individuellen Lastfall, der neben über einem vorgegebenen Dimm-Sollwert auch über eine Änderung von Betriebszustandsparametern des Regelkreises erfaßt und spezifiziert werden kann, den jeweils idealen Proportionalenanteil auszuwählen und einzustellen.
Neben der Einstellung bestimmter Betriebsparameter des Reglers, insbesondere des Proportionalanteils des Reglers, abhängig von dem Sollwert des Regelkreises ist es somit auch denkbar, die entsprechenden Betriebsparameter des Reglers abhängig von bestimmten Istwerten ausgewählter Betriebszustandsparameter, z.B. des Lampenstromes oder der Lampenspannung, einzustellen. Neben dem Proportionalanteil des Reglers ist es erfindungsgemäß auch möglich, andere Reglerparameter, wie z.B. den integrierenden Anteil usw. , abhängig von dem vorgegebenen Sollwert anzupassen.
Das erfindungsgemäße Verfahren und elektronische Vorschaltgerät findet insbesondere überall dort Anwendung, wo eine Beleuchtang mit geringen Helligkeiten, d.h. hohen Dimmgraden, gewünscht ist, wie beispielsweise in Kinosälen oder dgl. , da erfindungsgemäß ein Zünden von Gasentladungslampen auch bei einem niedrigen Helligkeitsgrad ohne Lichtblitz zuverlässig möglich ist.
Der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektronischen Vorschaltgerätes,
Fig. 2a und 2b zeigen Kurvenverläufe zur Einstellung des Proportionalanteils des Reglers abhängig von der Lampenhelligkeit,
Fig. 2c und 2d zeigen Verläufe des Lampenwiderstandes bzw. des Lampenstromes abhängig von der Lampenhelligkeit,
Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektronischen Vorschaltgerätes, und
Fig. 4 zeigt ein bekanntes elektronisches Vorschaltgerät mit einem PI-Regler zum Regeln des Betriebsverhaltens einer in einer Regelstrecke vorhandenen Gasentladungslampe . Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektronischen Vorschaltgeräts zum Betreiben von Gasentladungslampen.
Das in Fig. 1 gezeigte elektronische Vorschaltgerät weist - wie bereits anhand Fig. 4 erläutert - einen Regelkreis auf, der einen Regler 1, eine Regelstrecke 2 sowie einen Vergleicher 3 beinhaltet. Die den in Fig. 4 gezeigten Bauelementen entsprechenden Bauelemente sind mit identischen Bezugszeichen versehen, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Bauelemente verzichtet wird.
Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektronischen Vorschaltgerätes unterscheidet sich von dem in Fig. 4 gezeigten bekannten elektronischen Vorschaltgerät vorwiegend in der Ausgestaltung des Reglers 1. Wie der in Fig. 4 gezeigte Regler ist auch der bei dem erfindungsgemäßen elektronischen Vorschaltgerät verwendete Regler 1 als PI-Regler ausgestaltet, der somit sowohl ein proportional verstärkendes als auch integrierendes Verhalten aufweist. Vorteilhafterweise kann der PI-Regler 1 durch ein Differenzierglied ergänzt werden, so daß aus dem PI-Regler ein PID-Regler wird, der zwar aufwendiger aufgebaut ist, jedoch besser zur Regelung des Verhaltens der Regelstrecke, die ein PT2- Verhalten aufweist, geeignet ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Dimmung der Gasentladungslampe erläutert. Es ist jedoch durchaus denkbar, abweichend von der Regelung der Lampenhelligkeit den erfindungsgemäßen Grundgedanken, nämlich die Anpassung der Betriebsparameter des Reglers abhängig von einem extern vorgegebenen Sollwert, auch auf die Regelung von anderen Regelgrößen anzuwenden.
Der extern vorgegebene Dirnm-Sollwert kann von einem externen Dimmer oder beispielsweise auch von einem Lichtsensor, der einen bestimmten von der Lampe 10 beleuchteten Arbeitsplatz überwacht, stammen.
Erfindungsgemäß wird nunmehr insbesondere vorgeschlagen, den Proportionalanteil des in Fig. 1 gezeigten PI-Reglers 1 abhängig von dem extern vorgegebenen Dirnm-Sollwert SOLL einzustellen. Zu diesem Zweck weist der PI-Regler 1 eine Einstellvorrichtung 16 auf, die wahlweise auch außerhalb des PI-Reglers 1 angeordnet sein könnte. Dieser Einstellvorrichtung 16 ist der extern vorgegebene Dirnm-Sollwert SOLL zugeführt. Die Einstellvorrichtung 16 stellt abhängig von dem Dirnm-Sollwert SOLL den Proportionalanteil des PI-Gliedes 14 des PI-Reglers 1 ein. Der Dimm-Sollwert SOLL wird in einem Vergleicher 3 mit dem Dimm-Istwert IST verglichen, wobei der sich daraus ergebende Diffenzwert DIFF neben dem P-Glied 14 auch einem I-Glied 13 des PI-Reglers 1 zugeführt wird. Das P-Regelglied 14 bzw. das I-Regelglied 13 erzeugt jeweils abhängig von dem zugeführte Differenzwert einen entsprechenden Stellwert, wobei die somit erzeugten Stellwerte ausgangsseitig von einem Addierer 15 addiert werden und als Stellwertsignal STELL des PI-Reglers 1 ausgegeben werden.
Die Erfassung des Istwertes der Lampenhelligkeit 10, d.h. des Dimmgrads, erfolgt insbesondere - wie bereits anhand Fig. 4 erläutert - durch Ermitteln der an einem Widerstand 12 abfallenden Spannung, die in Serie mit der unteren Lampenwendel der Gasentladungslampe 10 an Masse angeschlossen ist. Die an diesem Widerstand 12 abfallende Spannung ist ein Maß für den über die Gasentladungsstrecke der Gasentladungslampe 10 fließenden Lampenstrom, der mit zunehmender Lampenhelligkeit ansteigt. Somit kann durch Überwachen der an dem Widerstand 12 abfallenden Spannung die Lampenhelligkeit der Gasentladungslampe 10 bzw. deren Dimmgrad erfaßt werden. Die Einstellung des P-Anteiles innerhalb des PI-Reglers 1 mit Hilfe der Einstellvorrichtung 16 erfolgt abhängig von dem vorgegebenen Dirnm-Sollwert SOLL wie in Fig. 2a oder 2b gezeigt.
Um ein sicheres Zünden der Gasentladungslampe 10 auch bei geringen Helligkeitswerten, d.h. bei hohen Dimmgraden, ohne Erzeugung eines Lichtblitzes in der Gasentladungslampe 10 gewährleisten zu können, muß erfindungsgemäß der Proportionalanteil innerhalb des PI-Reglers für derartig niedrige Helligkeitswerte groß gewählt werden. Würde jedoch dieser hohe Proportionalanteil bzw. Verstärkungsfaktor auch bei großen Helligkeitswerten, d.h. geringen Dimmgraden, beibehalten werden, könnte es aufgrund des in diesem Fall in der Regelstrecke 2 fließenden hohen Lampenstroms bzw. der hohen Lampenleistung zu Instabilitäten des Regelkreises kommen. Aus diesem Grund wird mit steigendem Lampenstrom, d.h. mit steigender Lampenhelligkeit, der Proportionalanteil, d.h. der Verstärkungsfaktor des PI-Reglers 1 reduziert, wobei der Proportionalanteil im Extremfall sogar auf Null gesetzt wird, so daß in diesem Fall der PI-Regler 1 als reiner I-Regler wirkt. Wie in Fig. 2a gezeigt, kann die Einstellung des Proportionalanteils des PI-Reglers 1 abhängig von dem vorgegebenen Dirnm-Sollwert SOLL linear erfolgen. Es ist jedoch auch denkbar; die Einstellung des Proportionalanteils abhängig von der Lampenhelligkeit bzw. dem Dirnm-Sollwert SOLL in Stufen vorzunehmen, wie dies in Fig. 2b gezeigt ist. In jedem dieser Fälle stellt die Einstellvorrichtung 16 abhängig von dem an ihr anliegenden Dimm-Sollwert SOLL den Proportionalanteil des Proportional-Regelgliedes 14 gemäß der in Fig. 2a bzw. 2b gezeigten Kennlinie ein. Auf diese Weise ist es erfindungsgemäß möglich, für jeden Lastfall, d.h. für jeden Dimmwert, den idealen Proportinalanteil bzw. Verstärkungsfaktor auszuwählen und einzustellen.
Fig. 2c zeigt den Kennlinien von Fig. 2a und 2b entsprechende Verläufe des Lampenwiderstandes RL des Lampenstromes IL abhängig von der Lampenhelligkeit der Gasentladungslampe 10 bzw. dem vorgegebenen Dirnm-Sollwert SOLL. Aus Fig. 2c bzw. 2d ist insbesondere ersichtlich, daß mit zunehmender Lampenhelligkeit der Lampenstrom über die Gasentladungsstrecke der Gasentladungslampe 10 steigt und dementsprechend der Widerstand der Gasentladungslampe gleichermaßen mit der Soll-Lampenhelligkeit fällt.
Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektronischen Vorschaltgerätes.
Bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der PI-Regler 1 in zwei Regeleinheiten 17 und 18 aufgeteilt. Die erste Regeleinheit 18 ist rein softwaremäßig gesteuert und liegt insbesondere in Form eines programmierbaren bzw. programmierten Mikroprozessors vor. Die zweite Regeleinheit 17 ist rein hardwaremäßig durch Kombination bekannter Standardschaltangen aufgebaut und insbesondere in Form einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) ausgebildet. Die beiden Regeleinheiten 17 und 18 sind durch eine bidirektionale Übertragungsie itang 19 miteinander verbunden. Die erste Regeleinheit 18 empfängt ausschLießlich extern vorgegebene Regelinformationen, wie insbesondere den extern vorgebbaren Dimm- Sollwert SOLL. Die zweite Regeleinheit 17 empfängt hingegen ausschließlich interne Betriebszustandsparameter, wie beispielsweise den Lampenstrom iL , der zugleich ein Maß für den Dimmgrad bzw. die Lampenhelligkeit der Gasentladungslampe 10 ist. Zudem empfängt gemäß Fig. 3 die zweite Regeleinheit 17 den augenblicklichen Wert des Heizstroms iH, der über die Primärwicklung 9A des Heiztransformators fließt. Zu diesem Zweck ist zwischen die Primärwicklung 9A des Heiztransformators und Masse ein Widerstand 11 geschaltet, so daß die an diesem Widerstand 11 abfallende Spannung ein Maß für den über die Primärwicklung 9A fließenden Heizstrom iH ist. Der zweiten Regeleinheit 17 können weitere interne Betriebszustandsparameter, wie beispielsweise die Istwerte der Lampenspannung oder der von dem Gleichrichter 4 gelieferten Gleichspannung, zugeführt werden.
Die Funktion des in Fig. 3 gezeigten aufgeteilten PI-Reglers 1 ist folgendermaßen. Die zweite Regeleinheit 17 empfängt und speichert die Istwerte der an ihr anliegenden Betriebszustandsparameter. Die erste Regeleinheit 18 liest daraufhin aus dem entsprechenden Speicher der zweiten Regeleinheit 17 die entsprechenden Istwerte der zuvor genannten internen Betriebszustandsparameter aus und ermittelt abhängig von den über die Verbindungsleitang 19 übertragenen Istwerten der internen Betriebszustandsparameter sowie den an der ersten Regeleinheit 18 anliegenden externen Regelinformationen, insbesondere dem Dimm-Sollwert SOLL, entsprechende Stell Wertinformationen. Die erste Regeleinheit 18 realisiert somit die eigentliche Funktion des PI-Reglers 1. Insbesondere sind in der ersten Regeleinheit 18 die Funktionen der Einstellvorrichtung 16 des P-Glieds 14, des I-Gliedes 13 sowie des Addierers 15 implementiert. In der ersten Regeleinheit 18 wird somit abhängig von dem an ihr anliegenden Dimm-Sollwert SOLL der P- Anteil innerhalb der PI-Reglerfunktion eingestellt. Nach Erzeugen der Stellwertinformationen durch die erste Regeleinheit 18 überträgt die erste Regeleinheit 18 diese Stellwertinformationen über die bidirektionale Verbindungsleitang 19 an die zweite Regeleinheit 17, die wiederum aufgrund dieser Stellwertinformationen das eigentliche Stellwertsignal erzeugt und die Veränderung der entsprechenden Regelgröße, beispielsweise der Frequenz oder des Tastverhältnisses der von dem Wechselrichter 5 gelieferten Wechselspannung, herbeiführt.
Die in Fig. 3 gezeigte Aufteilung des PI-Reglers 1 in eine rein softwaremäßig gesteuerte Regeleinheit 18 und eine rein hardwaremäßig realisierte Regeleinheit 17 ermöglicht es, daß einerseits aufgrund der softwaremäßigen Realisierung der ersten Regeleinheit 18 eine ausreichend große Flexibilität zur Anpassung an mögliche Schaltangsänderungen gewährleistet ist und andererseits mit Hilfe der hardwaremäßig aufgebauten zweiten Regeleinheit 17 eine ausreichend hohe Schnelligkeit aufgrund deren hardwaremäßigen Aufbaus sichergestellt ist. Die erste Regeleinheit 18 ist somit für die langsamen Regelvorgänge und die zweite Regeleinheit 17 für die schnellen Regelvorgänge zuständig. Wäre der PI-Regler 1 im Ganzen rein hardwaremäßig aufgebaut, wäre keine ausreichende Flexibilität für schaltungstechnische Änderungen gegeben. Andererseits wäre die Verarbeitangsgeschwindigkeit des PI-Reglers 1 bei einer rein softwaremäßigen Ausgestaltung für schnelle Regel- bzw. Steuervorgänge nicht schnell genug. Die in Fig. 3 gezeigte Lösung liefert somit den bestmöglichen Kompromiß zwischen einer ausreichenden Flexibilität einerseits und einer genügend hohen Verarbeitangsgeschwindigkeit anderserseits.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Regeln des Betriebsverhaltens mindestens einer Gasentladungslampe (10), wobei mit Hilfe eines Reglers (1) abhängig von einem Differenzwert (DIFF) zwischen einem vorgegebenen Sollwert (SOLL) und einem Istwert (IST) eines bestimmten Betriebsparameters (iL) der mindestens einen Gasentladungslampe (10) ein Stellwert (STELL) für mindestens eine bestimmte Regelgröße zum Regeln des Betriebsverhaltens der mindestens einen Gasentladungslampe (10) erzeugt wird, und wobei der Regler (1) einen Proportionalanteil oder Verstärkungsfaktor besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des Proportionalanteils oder des Verstärkungsfaktors des Reglers (1) abhängig von dem vorgegebenen Sollwert (SOLL) eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (1) die Helligkeit der mindestens einen Gasentladungslampe (10) regelt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Proportionalanteil oder Verstärkungsfaktor des Reglers (1) mit steigendem Helligkeits-Sollwert (SOLL) verringert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des Proportionalanteils oder des Verstärkungsfaltors des Reglers (1) abhängig von dem Helligkeits-Sollwert (SOLL) linear oder in Stufen erfolgt.
5. Elektronisches Vorschaltgerät zum Betreiben mindestens einer Gasentladungslampe (10), mit einer Reglervorrichtang (1), die abhängig von einem Differenzwert (DIFF) zwischen einem vorgebbaren Sollwert (SOLL) und einem Istwert (IST) eines Betriebsparameters (iL) der mindestens einen Gasentladungslampe (10) einen Stellwert (STELL) für mindestens eine Regelgröße zum Regeln des Betriebsverhaltens der mindestens einen Gasentladungslampe (10) erzeugt, wobei die Reglervorrichtang (1) einen Proportionalanteil oder Verstärkungsfaktor besitzt, und mit einer Regelstrecke (2), die einen Serienresonanzkreis (6,7) sowie daran angeschlossen die mindestens eine Gasentladungslampe (10) aufweist, gekennzeichnet durch
Einstellmittel (16) zum Einstellen des Proportionalanteils oder des Verstärkungsfaktors der Reglervorrichtang (1) abhängig von dem vorgebbaren Sollwert (SOLL).
6. Elektronisches Vorschaltgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reglervorrichtang (1) die Einstellmittel (16) umfassen, und daß der Sollwert (SOLL) der Reglervorrichtang (1) zugeführt ist.
7. Elektronisches Vorschaltgerät nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reglervorrichtang (1) die Helligkeit der mindestens einen Gasentladungslampe (10) regelt, und daß der Sollwert (SOLL) ein Sollwert für die Helligkeit der mindestens einen Gasentladungslampe (10) ist.
8. Elektronisches Vorschaltgerät nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Istwerterfassungsvorrichtang (12), die den Istwert (IST) der Helligkeit der mindestens einen Gasentladungslampe (10) durch Ermitteln des Lampenstromes (iL) oder einer dem Lampenstrom (iL) entsprechenden Größe erfaßt.
9. Elektronisches Vorschaltgerät nach Anspruch 5 und Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellmittel (16) den Proportionalanteil oder Verstärkungsfaktor der Reglervorrichtang (1) derart abhängig von dem vorgebbaren Helligkeit-Sollwert (SOLL) für die mindestens eine Gasentladungslampe (10) einstellen, daß der Proportionalanteil oder Verstärkungsfaktor mit steigendem Helligkeit-Sollwert (SOLL) abfällt und mit abnehmendem Helligkeit-Sollwert (SOLL) zuniinmt.
10. Elektronisches Vorschaltgerät nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellmittel (16) den Proportionalanteil oder Verstärkungsfaktor der
Reglervorrichtang (1) linear abhängig von dem vorgebbaren Sollwert (SOLL) einstellen.
11. Elektronisches Vorschaltgerät nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellmittel (16) den Proportionalanteil oder Verstärkungsfaktor der Reglervorrichtang (1) in Stufen abhängig von dem vorgebbaren Sollwert (SOLL) einstellen.
12. Elektronisches Vorschaltgerät nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Reglervorrichtang (1) ein Regelverhalten eines PI- oder PID-Reglers aufweist.
13. Elektronisches Vorschaltgerät nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Reglervorrichtang (1) einer Kombination aus einer rein softwaremäßig gesteuerten ersten Einheit (18) und einer damit verbundenen rein hardwaremäßig aufgebauten zweiten Einheit (17) entspricht.
14. Elektronisches Vorschaltgerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der ersten Einheit (18) externe Regelinformationen (SOLL) und der zweiten Einheit (17) interne Betriebszustandsinformationen (iL, iH) zugeführt sind.
15. Elektronisches Vorschaltgerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der ersten Einheit (18) der Sollwert (SOLL) und der zweiten Einheit (17) der Istwert (IST) zugeführt ist, daß die erste Einheit (18) die Einstellmittel (16) umfaßt, daß die erste Einheit (18) mit der zweiten Einheit (17) über eine bidirektionale Verbindungsleitung (19) verbunden ist, und daß die erste Einheit (18) abhängig von den ihr zugeführten externen Regelinformationen mit dem Sollwert (SOLL) und den über die Verbindungsleitang (19) von der zweiten Einheit (17) empfangenen internen Betriebszustandsinformationen (iL, iH) mit dem Istwert (IST) die dem Stellwert (STELL) entsprechenden Stellwertinformationen ermittelt und an die zweite Einheit (17) überträgt, welche abhängig von diesen Stellwertinformationen ein Stellwertsignal (STELL) für die Regelgröße erzeugt.
16. Elektronisches Vorschaltgerät nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einheit (18) ein programmierbarer Mikroprozessor und die zweite Einheit (17) eine anwenderspezifische integrierte Schaltung (ASIC) ist.
17. Elektronisches Vorschaltgerät nach einem der Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelgröße die Frequenz und/oder das Tastverhältnis einer an dem Serienresonanzkreis (6,7) anliegenden Betriebswechselspannung betrifft.
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