EP2005804A1 - Schaltungsanordnung und verfahren zum betreiben einer entladungslampe - Google Patents

Schaltungsanordnung und verfahren zum betreiben einer entladungslampe

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EP2005804A1
EP2005804A1 EP07727864A EP07727864A EP2005804A1 EP 2005804 A1 EP2005804 A1 EP 2005804A1 EP 07727864 A EP07727864 A EP 07727864A EP 07727864 A EP07727864 A EP 07727864A EP 2005804 A1 EP2005804 A1 EP 2005804A1
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EP
European Patent Office
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lamp
discharge lamp
frequency
designed
circuit
Prior art date
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EP07727864A
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English (en)
French (fr)
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EP2005804B1 (de
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Wolfgang Langgassner
Marcus Skatulla
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Osram GmbH
Original Assignee
Osram GmbH
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Publication date
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Publication of EP2005804B1 publication Critical patent/EP2005804B1/de
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05B41/00—Circuit arrangements or apparatus for igniting or operating discharge lamps
    • H05B41/14—Circuit arrangements
    • H05B41/26—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from DC by means of a converter, e.g. by high-voltage DC
    • H05B41/28—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from DC by means of a converter, e.g. by high-voltage DC using static converters
    • H05B41/282—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from DC by means of a converter, e.g. by high-voltage DC using static converters with semiconductor devices
    • H05B41/2825—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from DC by means of a converter, e.g. by high-voltage DC using static converters with semiconductor devices by means of a bridge converter in the final stage
    • H05B41/2828—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from DC by means of a converter, e.g. by high-voltage DC using static converters with semiconductor devices by means of a bridge converter in the final stage using control circuits for the switching elements
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B41/00—Circuit arrangements or apparatus for igniting or operating discharge lamps
    • H05B41/14—Circuit arrangements
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    • H05B41/39—Controlling the intensity of light continuously
    • H05B41/392—Controlling the intensity of light continuously using semiconductor devices, e.g. thyristor
    • H05B41/3921—Controlling the intensity of light continuously using semiconductor devices, e.g. thyristor with possibility of light intensity variations
    • H05B41/3925—Controlling the intensity of light continuously using semiconductor devices, e.g. thyristor with possibility of light intensity variations by frequency variation

Definitions

  • the present invention relates to a circuit arrangement for operating a discharge lamp with an inverter which is designed to provide at its output a signal with a predeterminable frequency, at least one terminal for the discharge lamp, at least one lamp inductor connected between the output of the inverter and the at least one connection for the discharge lamp is coupled, at least one capacitor, which is coupled to the lamp inductor, a drive device for driving the inverter with the signal with the predetermined frequency, a control device for controlling a dependent of the lamp current control parameter to a predetermined value due to a change the predeterminable frequency, wherein the regulating device has a first time constant, wherein the discharge lamp has a second time constant, with which they respond to a change of the predeterminable frequency with a change of a dependent on the lamp current Pa Due to the temperature-dependent UI characteristic of the discharge lamp and the frequency-dependent UI characteristic of a resonant circuit comprising at least the capacitor and the lamp inductor, the circuit arrangement has at least one region with a first and a second
  • the time constant of the lamp was 10 ⁇ s
  • the control device was designed as a digital control device with a time constant of 50 ⁇ s.
  • maintaining the frequency f constant, in accordance with keeping the voltage Uf constant results in a discharge of the discharge lamp, as can be seen from the return of the current I L and an increase in the voltage U L.
  • the control device only reacts with a frequency reduction when the discharge lamp has already gone out. This leads to a renewed ignition of the -A-
  • a control device which is suitable for operating the lamp in the unstable operating range is characterized in the prior art in that the regulation takes place more quickly than the lamp can react due to its inertia.
  • a control device for operating the discharge lamp for example at the point Pio-i, initially increased the frequency f starting from the operating point P10-2. Then, due to its inertia, the discharge lamp does not decrease abruptly, but continuously, ie with a certain time constant, the lamp current and its power to the working point P 10 - to achieve.
  • control device falls below the set for the point P 10 - 1 lamp current, it lowers the frequency until the lamp current to be set is exceeded again and thus the frequency is increased again. If the control device is fast enough, the discharge lamp is operated dynamically within a small working range around the operating point Pio-i. With decreasing control speed, the working area thus traversed becomes ever larger, until finally two stable operating points are achieved. The larger this work area becomes, the greater the crest factor of the lamp current, which leads to premature aging of the lamp. In addition, flicker and flicker appear.
  • the control device If the control device is fast enough, it can be achieved that the lamp is in the desired working range between two stable, depending on the frequency f working point. operated.
  • the desired desired working range can thus be set if a control device is used whose time constant is significantly smaller than the time constant which is predetermined by the discharge lamp, ie with which the discharge lamp to a change in frequency with a change in the lamp current or the Lamp power reacts.
  • An alternative to preventing the lamp from operating or operating in the unstable operating range is that the dimming range of the discharge lamp is limited downwards, for example to 3, 10 or 30% of the maximum power converted in the lamp.
  • the object of the present invention therefore consists in developing the circuit arrangement mentioned at the beginning or the method mentioned at the outset in such a way that the operation of a discharge lamp in the desired working range is also made possible with slower and thus more cost-effective control devices.
  • the present invention is based on the recognition that the operation with slow control devices, ie with control devices having a time constant which is much the same as the time constant, by the Given the response time of the discharge lamp is predetermined for a Frequenzand- tion, when the drive device is designed, the frequency at which the inverter is operated, continuously, ie continuously and / or in jumps, to vary in such a way that the Circuit arrangement is operated in the unstable work area. It is further based on the finding that the articular frequency changes quasi an artificially slowing the reaction time of the lamp in the range of unstable desired working range is achieved, whereby slower control devices more time to determine the manipulated variable is maintained before one of the undesirable stable operating points is reached.
  • the manipulated variables of the regulating device can be, for example, the lamp power P, the lamp voltage U L or the lamp current I L.
  • the control device preferably regulates the corresponding mean values with regard to the temporal variation of the frequency.
  • the optimum time periods with which the inverter is driven with the respective frequency depend on the response time of the lamp. If, as mentioned, the time constant of the lamp is smaller than the time between two frequency changes, the stable operating points can be set. If the time constant of the lamp is greater than the time between two frequency changes, the stable operating points are no longer reached, whereby the operating range of the lamp increases as the rate of change increases. Density, ie decreasing duration, during which the respective frequency is applied, moves ever closer to the target working point within the unstable work area. With respect to the unstable operating point Pio-i, see Fig. 1, this is no longer taken fixed, but constantly exceeded and fallen below. In other words, if the changes happen so quickly that the lamp can no longer follow them due to their inertia, tilting to a stable operating point is no longer possible.
  • the center frequency is changed in a simple exemplary embodiment, in which switching back and forth between two frequencies, which then affects the two actual operating frequencies with which the lamp is operated.
  • the drive device is accordingly designed to operate the discharge lamp at a first predeterminable frequency at least during a first period of time and at a second predeterminable frequency for at least a second period of time.
  • the drive device is designed to operate the discharge lamp during at least one further time duration with at least one further predeterminable frequency. This includes the case of operating the discharge lamp at a plurality of predeterminable frequencies, the associated time periods being equal or unequal. It is preferable if the periods are repeated cyclically.
  • the drive device can also be designed to keep the specific, predetermined frequencies associated durations constant during operation of the discharge lamp or to vary.
  • the drive device is preferably designed to vary the predefinable frequency (s) in such a way that operation of the discharge lamp in a stable operating point is prevented. This will allow the lamp to operate in the desired unstable working range between the two stable operating points.
  • the time duration (s) can be varied accordingly so that operation of the discharge lamp in a stable operating point is prevented.
  • the drive device is designed to vary the predefinable frequency (s) and / or the duration (n) in such a way that the set operating point moves dynamically between the first and the second stable operating point.
  • the control parameter of the control device is preferably the actual value of the lamp current and / or the actual value of the lamp power and / or the actual value of the lamp voltage.
  • the control device is preferably designed to supply a dimming signal which corresponds to a nominal value of the lamp current or the lamp power or the lamp voltage, wherein the control device is assigned a table or a formulaic relationship, so that on the basis of at least the dimming signal and the actual value of the lamp current or Lamp power or the lamp voltage the predetermined frequencies and / or the predetermined periods are available. It is special preferred if the table or formula relationship continues to take into account the crest factor.
  • control device is designed to work with a step size of 10 ⁇ s and greater, in particular with a step size of 50 ⁇ s.
  • FIG. 1 shows a UI characteristic field in which three temperature-dependent UI characteristics of a discharge lamp and a plurality of frequency-dependent UI characteristics of a resonant circuit of a circuit arrangement known from the prior art for operating a discharge lamp are shown;
  • FIG. 2 shows the time profile of the lamp current I L , the lamp voltage U L and a voltage U f correlated with the frequency f in a circuit arrangement known from the prior art; 3 shows a schematic representation of the structure of an embodiment of a circuit arrangement according to the invention;
  • Fig. 5 shows the time course of the lamp current I L , the lamp voltage U L and a frequency f correlated voltage U f in one embodiment of a circuit arrangement according to the invention.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of the structure of an embodiment of a circuit arrangement according to the invention.
  • the so-called intermediate circuit voltage U zw is applied to the series connection of the two switches S 1, S 2 in a half-bridge arrangement.
  • this is approximately 100 to 450 V and is usually generated from the mains voltage via a rectifier and a smoothing capacitor.
  • the half-bridge center HB is connected to a first terminal of the lamp LA via a lamp inductor L D.
  • a capacitor C 1 is connected to this connection, which forms a resonant circuit together with the lamp inductor L D and is designed, in particular, to ignite the lamp LA.
  • the current flowing through the lamp LA is denoted by I L , the voltage drop across the lamp is U L.
  • the other terminal of the lamp LA is connected via the primary inductance Ll of a transformer Tr on the one hand via a NEN coupling capacitor C ⁇ i connected to the intermediate circuit voltage U zw , on the other hand via a coupling capacitor C ⁇ 2 with a reference potential, in this case ground.
  • the first lamp terminal is connected via a first voltage divider comprising the resistors Rl and R2, the second terminal of the lamp LA via a second voltage divider comprising the resistors R3 and R4 to the reference potential.
  • the respective taps of the two voltage dividers are connected to a measuring device 10 for determining a voltage, which is correlated with the lamp voltage U L.
  • the measuring device 10 can furthermore be designed to determine the power P converted in the lamp from the lamp current I L and the lamp voltage U L.
  • the crest factor can be determined from the lamp current I L.
  • One of several alternatives for determining the lamp output is to couple a shunt resistor between the switch S2 of the half-bridge arrangement and the reference potential and to calculate the power converted in the lamp from the voltage dropping across this shunt resistor.
  • a reference value device 12 provides a setpoint value for the lamp current I L and / or for the lamp voltage U L and / or for the lamp power P, specifically as a function of a dimming signal S 0 supplied via an interface.
  • FIG. 4 shows the time sequence of the frequency variation for a simple exemplary embodiment.
  • the switches Sl, S2 of the half-bridge are operated at a frequency I 1 during the time t 2 minus ti at a frequency f 2 .
  • this variation of the frequency is reflected in the time course of the lamp current I L :
  • the lamp current I L has the frequency f 1 , during the time t 2 minus t i the higher frequency f 2 on.
  • both the time periods as well as the frequencies fi and f 2 can ti and t 2 are varied.
  • the invention includes other frequencies and corresponding time periods.
  • a constant variation of the frequency (corresponding to each individual frequency infinitesimal small associated time) is also included.
  • 5 shows the time profile of the lamp current I L , the lamp voltage U L and a voltage Uf, which is correlated with the frequency f, for an exemplary embodiment of a circuit arrangement according to the invention.
  • the time course of the voltage U f is shown as triangular, it is actually rectangular. The triangular shape is due to the limited slope of the D / A converter used in the embodiment. A comparison with FIG.
  • the drive device (18) is designed to vary the predefinable frequency during operation of the discharge lamp (LA) in such a way that the circuit arrangement is operated in the unstable operating range. It also relates to a method for operating a discharge lamp (LA) on such a circuit arrangement.

Landscapes

  • Circuit Arrangements For Discharge Lamps (AREA)
  • Discharge-Lamp Control Circuits And Pulse- Feed Circuits (AREA)

Description

Beschreibung
Schaltungsanordnung und Verfahren zum Betreiben einer Entladungslampe
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Entladungslampe mit einem Wechselrichter, der ausgelegt ist, an seinem Ausgang ein Signal mit einer vorgebbaren Frequenz bereitzustellen, min- destens einem Anschluss für die Entladungslampe, mindestens einer Lampendrossel, die zwischen den Ausgang des Wechselrichters und den mindestens einen Anschluss für die Entladungslampe gekoppelt ist, mindestens einem Kondensator, der mit der Lampendrossel gekoppelt ist, einer Ansteuervorrichtung zur Ansteuerung des Wechselrichters mit dem Signal mit der vorgebbaren Frequenz, einer Regelvorrichtung zum Regeln eines vom Lampenstrom abhangigen Regelparameters auf einen vorgebbaren Wert infolge einer Änderung der vorgebbaren Frequenz, wobei die Regelvor- richtung eine erste Zeitkonstante aufweist, wobei die Entladungslampe eine zweite Zeitkonstante aufweist, mit der sie auf eine Änderung der vorgebbaren Frequenz mit einer Änderung eines vom Lampenstrom abhangigen Parameters reagiert, wobei die Schaltungsanordnung aufgrund der temperaturabhangigen UI-Kennlinie der Entladungslampe und der frequenzabhangigen UI-Kennlinie eines Schwingkreises, der zumindest den Kondensator und die Lampendrossel um- fasst, zumindest einen Bereich mit einem ersten und einem zweiten stabilen Arbeitspunkt und zwischen dem ersten und dem zweiten stabilen Arbeitspunkt einen instabilen Arbeitsbereich im UI-Kennlinienfeld aufweist. Sie betrifft überdies ein Verfahren zum Betreiben einer Entladungslampe an einer derartigen Schaltungsanordnung.
Stand der Technik
Zur Darlegung der der Erfindung zugrunde liegenden Problematik wird zunächst auf das in Fig. 1 dargestellte UI- Kennlinienfeld verwiesen, das die Abhängigkeit von Lampenstrom IL und Lampenspannung UL zum einen von der Frequenz f, mit der der Wechselrichter betrieben wird, zum anderen von der Umgebungstemperatur T wiedergibt. Da eine Entladungslampe zur Verhinderung von Schaltverlusten üb- licherweise im induktiven Betrieb betrieben wird, führt eine Erhöhung der Frequenz f, mit der der Wechselrichter betrieben wird, zum Dimmen, d. h. zur Absenkung des Lampenstroms bzw. der in der Lampe umgesetzten Leistung. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel entspricht die nied- rigste Frequenz f einer Frequenz von 40 kHz, die höchste Frequenz f einer Frequenz von 72 kHz. Betrachtet man sich in Fig. 1 beispielsweise die temperaturabhängige UI- Kennlinie der Entladungslampe für T = 35° C, so führt eine Erhöhung Δf der Frequenz f ausgehend von einem ersten stabilen Arbeitspunkt P35-1 zu einem zweiten stabilen Arbeitspunkt P35-2 • Dies liegt daran, dass sich beim Arbeitspunkt P35-2 die temperaturabhängige UI-Kennlinie der Entladungslampe mit der frequenzabhängigen UI-Kennlinie des Schwingkreises im Punkt P35-2 schneidet, wodurch ein Arbeitspunkt, gekennzeichnet durch einen bestimmten Lampenstrom IL und durch eine bestimmte Lampenspannung UL, definiert ist. Dies gilt in entsprechender Weise für die temperaturabhängige UI-Kennlinie der Entladungslampe für T = 20° C und für jedes beliebige Δf . Anders ist dies für Kennlinien bei niedrigerer Temperatur, siehe beispielsweise die Kennlinie für T = 10° C in Fig. 1: Ausgehend von einem Arbeitspunkt P10-2 ermöglicht eine minimale Erhöhung der Frequenz f nicht mehr, dass sich der Lampen- ström und damit die Leistung entsprechend minimal verringert, sondern sich sprunghaft der stabile Arbeitspunkt P10-4 einstellt (siehe die zugehörige Kennlinie) , was quasi einem Ausgehen der Entladungslampe entspricht. Die gleiche Problematik in entgegen gesetzter Richtung findet man im Arbeitspunkt P10-3. Hier ergibt eine minimale Verringerung der Frequenz f einen Sprung in den Arbeitspunkt P10-5 und damit eine Erhöhung des Lampenstroms. Damit ist die Einstellung eines Arbeitspunkts, wie zum Beispiel des zwischen den Punkten P10-2 und P10-3 gelegenen Punkts Pio-i/ und damit ein kontinuierliches Dimmen in diesem Bereich nur noch erschwert, häufig sogar gar nicht mehr möglich.
Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf des Lampenstroms IL, der Lampenspannung UL sowie einer Spannung Uf, die mit der Frequenz f korreliert ist. In dem dargestellten Beispiel betrug die Zeitkonstante der Lampe 10 μs, während die Regelvorrichtung als digitale Regelvorrichtung ausgeführt war mit einer Zeitkonstante von 50 μs . Wie diese Darstellung erkennen lässt, führt ein Konstanthalten der Frequenz f - entsprechend einem Konstanthalten der Spannung Uf - zu einem Ausgehen der Entladungslampe, wie an dem Zurückgehen des Stroms IL und einem Ansteigen der Spannung UL erkennbar ist. Weiterhin erkennbar ist, dass die Regelvorrichtung erst dann mit einer Frequenzernied- rigung reagiert, wenn die Entladungslampe bereits ausgegangen ist. Dies führt zu einem erneuten Zünden der Ent- -A-
ladungslampe, wobei diese jedoch innerhalb von ca. 950 μs wieder zum Erloschen kommt.
Eine Regelvorrichtung, die geeignet ist, die Lampe in dem instabilen Arbeitsbereich zu betreiben, zeichnet sich im Stand der Technik dadurch aus, dass die Regelung schneller erfolgt als die Lampe infolge ihrer Trägheit reagieren kann. Unter nochmaliger Bezugnahme auf die Kennlinie für T = 100C von Fig. 1 wurde eine Regelvorrichtung, um die Entladungslampe zum Beispiel im Punkt Pio-i zu betrei- ben, ausgehend vom Arbeitspunkt P10-2 zunächst die Frequenz f erhohen. Daraufhin verringert die Entladungslampe aufgrund ihrer Trägheit nicht sprunghaft, sondern kontinuierlich, d.h. mit einer bestimmten Zeitkonstante, den Lampenstrom bzw. ihre Leistung, um den Arbeitspunkt P10-4 zu erreichen. Bemerkt die Regelvorrichtung eine Unterschreitung des für den Punkt P10-1 einzustellenden Lampenstroms, erniedrigt sie die Frequenz bis der einzustellende Lampenstrom wieder überschritten wird und damit die Frequenz erneut erhöht wird. Ist die Regelvorrichtung schnell genug, wird die Entladungslampe dynamisch innerhalb eines kleinen Arbeitsbereiches um den Arbeitspunkt Pio-i betrieben. Mit abnehmender Regelgeschwindigkeit wird der so durchfahrene Arbeitsbereich immer großer, bis schließlich zwei stabile Arbeitspunkte erreicht werden. Je großer dieser Arbeitsbereich wird, umso großer wird der Crestfaktor des Lampenstroms, der zu einer vorzeitigen Alterung der Lampe fuhrt. Überdies können Flimmer- und Flackererscheinungen auftreten.
Ist die Regelvorrichtung schnell genug, kann erreicht werden, dass die Lampe in dem Sollarbeitsbereich zwischen zwei stabilen, von der Frequenz f abhangigen Arbeitspunk- ten betrieben wird. Der gewünschte Sollarbeitsbereich lasst sich demnach einstellen, wenn eine Regelvorrichtung verwendet wird, deren Zeitkonstante deutlich kleiner ist als die Zeitkonstante, die durch die Entladungslampe vor- gegeben ist, d. h. mit der die Entladungslampe auf eine Änderung der Frequenz mit einer Änderung des Lampenstroms bzw. der Lampenleistung reagiert. Eine Alternative zur Verhinderung des Ausgehens der Lampe oder des Betriebs im instabilen Arbeitsbereich besteht darin, dass der Dimmbe- reich der Entladungslampe nach unten begrenzt wird, beispielsweise auf 3, 10 oder 30 % der maximal in der Lampe umgesetzten Leistung.
Schnelle Regelvorrichtungen, gleichgültig ob sie analog oder digital ausgeführt sind, verbrauchen mehr Energie, sind aufwandig aufgebaut und daher teuer.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, die eingangs genannte Schaltungsanordnung bzw. das eingangs genannte Verfahren derart weiterzubilden, dass der Betrieb einer Entladungslampe in dem gewünschten Ar- beitsbereich auch mit langsameren und dadurch kostengünstigeren Regelvorrichtungen ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird gelost durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 14.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass der Betrieb mit langsamen Regelvorrichtungen, d. h. mit Regelvorrichtungen, die eine Zeitkonstante aufweisen, die großer gleich der Zeitkonstante ist, die durch die Reaktionszeit der Entladungslampe für eine Frequenzande- rung vorgegeben ist, ermöglicht wird, wenn die Ansteuervorrichtung ausgelegt ist, die Frequenz, mit der der Wechselrichter betrieben wird, fortwahrend, d.h. kontinu- ierlich und/oder in Sprüngen, zu variieren und zwar derart, dass die Schaltungsanordnung in dem instabilen Arbeitsbereich betrieben wird. Sie basiert weiterhin auf der Erkenntnis, dass durch die erfindungsgemaßen Frequenzanderungen quasi eine kunstliche Verlangsamung der Reaktionszeit der Lampe im Bereich des instabilen Sollarbeitsbereichs erreicht wird, wodurch langsameren Regelvorrichtungen mehr Zeit zur Ermittlung der Stellgroße gewahrt wird, bevor einer der unerwünschten stabilen Arbeitspunkte erreicht wird. Die Stellgroßen der Regelvor- richtung können beispielsweise die Lampenleistung P, die Lampenspannung UL oder der Lampenstrom IL sein. Im Rahmen der erfindungsgemaßen Schaltungsanordnungen regelt die Regelvorrichtung im Hinblick auf die zeitliche Variation der Frequenz bevorzugt auf die entsprechenden Mittelwer- te.
Für die Art der Variation der Frequenz sind eine Vielzahl von Realisierungen möglich: Dabei sind die optimalen Zeitdauern, mit denen der Wechselrichter mit der jeweiligen Frequenz angesteuert wird, von der Reaktionszeit der Lampe abhangig. Ist, wie erwähnt, die Zeitkonstante der Lampe kleiner als die Zeitdauer zwischen zwei Frequenzanderungen, können sich die stabilen Arbeitspunkte einstellen. Ist die Zeitkonstante der Lampe großer als die Zeitdauer zwischen zwei Frequenzanderungen, werden die stabi- len Arbeitspunkte nicht mehr erreicht, wobei sich der Arbeitsbereich der Lampe mit zunehmender Anderungsgeschwin- digkeit, d. h. kleiner werdender Dauer, wahrend der die jeweilige Frequenz angelegt wird, immer dichter um den Sollarbeitspunkt innerhalb des instabilen Arbeitsbereichs bewegt. In Bezug auf den instabilen Arbeitspunkt Pio-i, siehe Fig. 1, wird dieser nicht mehr fix eingenommen, sondern fortwahrend über- und unterschritten. Mit anderen Worten: Gehen die Änderungen so schnell vonstatten, dass die Lampe ihnen aufgrund ihrer Trägheit nicht mehr folgen kann, ist das Kippen in einen stabilen Arbeitspunkt nicht mehr möglich.
Wird der Sollwert des Regelparameters geändert, wird demnach in einem einfachen Ausfuhrungsbeispiel, bei dem zwischen zwei Frequenzen hin- und hergeschaltet wird, die Mittenfrequenz geändert, was sich dann auf die beiden tatsachlichen Betriebsfrequenzen auswirkt, mit denen die Lampe betrieben wird.
Bei einem bevorzugten Ausfuhrungsbeispiel ist demnach die Ansteuervorrichtung ausgelegt, die Entladungslampe zumindest wahrend einer ersten Zeitdauer mit einer ersten vor- gebbaren Frequenz und zumindest wahrend einer zweiten Zeitdauer mit einer zweiten vorgebbaren Frequenz zu betreiben. In Erweiterung des Ausfuhrungsbeispiels ist es selbstverständlich möglich, dass die Ansteuervorrichtung ausgelegt ist, die Entladungslampe wahrend mindestens ei- ner weiteren Zeitdauer mit mindestens einer weiteren vorgebbaren Frequenz zu betreiben. Dies schließt den Fall ein, die Entladungslampe mit einer Vielzahl von vorgebbaren Frequenzen zu betreiben, wobei die zugehörigen Zeitdauern gleich oder ungleich sein können. Dabei ist bevor- zugt, wenn die Zeitdauern zyklisch wiederholt werden. Die Ansteuervorrichtung kann auch ausgelegt sein, die bestimmten, vorgebbaren Frequenzen zugeordneten Zeitdauern während des Betriebs der Entladungslampe konstant zu halten oder zu variieren. Bevorzugt ist die Ansteuervorrich- tung ausgelegt, die vorgebbare (n) Frequenz (en) derart zu variieren, dass ein Betrieb der Entladungslampe in einem stabilen Arbeitspunkt verhindert wird. Dadurch wird ermöglicht, dass die Lampe in dem gewünschten instabilen Arbeitsbereich zwischen den beiden stabilen Arbeitspunk- ten betrieben wird. Alternativ oder zusätzlich zur Variation der vorgebbare (n) Frequenz (en) kann bzw. können die Zeitdauer (n) entsprechend variiert werden, so dass ein Betrieb der Entladungslampe in einem stabilen Arbeitspunkt verhindert wird.
Insbesondere ist bevorzugt, wenn die Ansteuervorrichtung ausgelegt ist, die vorgebbare (n) Frequenz (en) und/oder die Zeitdauer (n) derart zu variieren, dass sich der eingestellte Arbeitspunkt dynamisch zwischen dem ersten und dem zweiten stabilen Arbeitspunkt bewegt.
Der Regelparameter der Regelvorrichtung ist bevorzugt der Istwert des Lampenstroms und/oder der Istwert der Lampenleistung und/oder der Istwert der Lampenspannung. Die Regelvorrichtung ist bevorzugt zur Zuführung eines Dimmsignals ausgelegt, das einem Sollwert des Lampenstroms oder der Lampenleistung oder der Lampenspannung entspricht, wobei der Regelvorrichtung eine Tabelle oder ein formelmäßiger Zusammenhang zugeordnet ist, so dass auf der Basis zumindest des Dimmsignals und des Istwerts des Lampenstroms oder der Lampenleistung oder der Lampenspan- nung die vorgebbaren Frequenzen und/oder die vorgebbaren Zeitdauern bereitstellbar sind. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn die Tabelle oder der formelmäßige Zusammenhang weiterhin den Crestfaktor berücksichtigt.
Bei bevorzugten Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtungen ist die Regelvorrichtung ausge- legt, mit einer Schrittweite von 10 μs und größer, insbesondere mit einer Schrittweite von 50 μs, zu arbeiten.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Schaltungsanord- nung vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend, soweit anwendbar, für das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Entladungslampe .
Kurze Beschreibung der Zeichnung (en)
Im Nachfolgenden wird nunmehr ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein UI-Kennlinienfeld, in dem drei temperaturabhängigen UI-Kennlinien einer Entladungslampe und eine Vielzahl von frequenzabhängigen UI-Kennlinien eines Schwingkreises einer aus dem Stand der Technik bekannten Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Entladungslampe eingezeichnet sind;
Fig. 2 den zeitlichen Verlauf des Lampenstroms IL, der Lampenspannung UL und einer mit der Frequenz f korrelierten Spannung Uf bei einer aus dem Stand der Technik bekannten Schaltungsanordnung; Fig. 3 in schematischer Darstellung den Aufbau eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
Fig. 4 die Variation der Frequenz über der Zeit sowie den entsprechenden zeitlichen Verlauf des Lampenstroms IL bei einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung; und
Fig. 5 den zeitlichen Verlauf des Lampenstroms IL, der Lampenspannung UL und einer mit der Frequenz f korrelierten Spannung Uf bei einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung den Aufbau eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Dabei liegt an der Serienschaltung der zwei Schalter Sl, S2 in Halbbrückenanordnung die so genannte Zwischenkreisspannung Uzw an. Diese beträgt je nach Ausführungsform ca. 100 bis 450 V und wird üblicherweise aus der Netzspannung über einen Gleichrichter und einen Glättungskondensator erzeugt. Der Halbbrückenmit- telpunkt HB ist über eine Lampendrossel LD mit einem ersten Anschluss der Lampe LA verbunden. Mit diesem An- schluss ist überdies ein Kondensator Cl verbunden, der zusammen mit der Lampendrossel LD einen Schwingkreis bildet und insbesondere zur Zündung der Lampe LA ausgelegt ist. Der durch die Lampe LA fließende Strom ist mit IL bezeichnet, die an der Lampe abfallende Spannung mit UL. Der andere Anschluss der Lampe LA ist über die Primärinduktivität Ll eines Transformators Tr einerseits über ei- nen Koppelkondensator Cκi mit der Zwischenkreisspannung Uzw verbunden, andererseits über einen Koppelkondensator Cκ2 mit einem Bezugspotential, vorliegend Masse. Der erste Lampenanschluss ist über einen ersten Spannungsteiler umfassend die Widerstände Rl und R2, der zweite Anschluss der Lampe LA über einen zweiten Spannungsteiler umfassend die Widerstände R3 und R4 mit dem Bezugspotential verbunden. Die jeweiligen Abgriffe der beiden Spannungsteiler sind zur Ermittlung einer Spannung, die mit der Lampen- Spannung UL korreliert ist, mit einer Messvorrichtung 10 verbunden. Diese misst neben dem Istwert der Spannung UL über der Lampe LA durch Auswertung des Signals des von der Sekundärinduktivität L2 des Transformators Tr gelieferten Signals den Istwert des Lampenstroms IL. Die Mess- Vorrichtung 10 kann weiterhin ausgelegt sein, aus dem Lampenstrom IL und der Lampenspannung UL die in der Lampe umgesetzte Leistung P zu ermitteln. Aus dem Lampenstrom IL kann überdies der Crestfaktor ermittelt werden. Eine von mehreren Alternativen zur Ermittlung der Lampenleis- tung besteht darin, zwischen den Schalter S2 der Halbbrückenanordnung und das Bezugspotential einen Shunt- Widerstand zu koppeln und aus der an diesem Shunt- Widerstand abfallenden Spannung die in der Lampe umgesetzte Leistung zu berechnen.
Eine Referenzwertvorrichtung 12 stellt einen Sollwert für den Lampenstrom IL und/oder für die Lampenspannung UL und/oder für die Lampenleistung P bereit, und zwar in Abhängigkeit eines über eine Schnittstelle zugeführten Dimmsignals S0. Eine Vergleichsvorrichtung 14, der der Istwert der entsprechenden Größe (n) IL, UL, P über die Messvorrichtung 10 sowie der entsprechende Sollwert über die Referenzwertvorrichtung 12 zugeführt wird, entnimmt in Abhängigkeit dieser Werte aus einer Tabelle 16, mit welchen Frequenzen und welchen den jeweiligen Frequenzen zugeordneten Zeitdauern die Schalter Sl, S2 der Halbbru- ckenanordnung anzusteuern sind. Anstelle einer Tabelle kann der Vergleichsvorrichtung 14 auch ein entsprechender formelmaßiger Zusammenhang zugeordnet sein. Diese Information wird an die Ansteuervorrichtung 18 bereitgestellt, die daraufhin die Schalter Sl, S2, insbesondere zyklisch sich wiederholend bis zu einer Änderung des Signals S0, entsprechend ansteuert.
Fig. 4 zeigt für ein einfaches Ausfuhrungsbeispiel die zeitliche Abfolge der Frequenzvariation. Wahrend der Zeitdauer ti minus t0 werden die Schalter Sl, S2 der Halbbrücke mit einer Frequenz I1 betrieben, wahrend der Zeitdauer t2 minus ti mit einer Frequenz f2. Diese Variation der Frequenz schlagt sich, wie in Fig. 4 dargestellt, im zeitlichen Verlauf des Lampenstroms IL nieder: Wahrend der Zeitdauer ti minus to weist der Lampenstrom IL die Frequenz fi, wahrend der Zeitdauer t2 minus ti die höhere Frequenz f2 auf. Wie in der Darstellung von Fig. 4 oben gekennzeichnet, können sowohl die Zeitdauern ti als auch t2 variiert werden, ebenso die Frequenzen fi und f2.
Wie bereits weiter oben erwähnt, ist von der Erfindung mitumfasst, weitere Frequenzen und entsprechende Zeitdauern hinzuzunehmen. Hierbei ist insbesondere auch eine standige Variation der Frequenz (entsprechend einer jeden Einzelfrequenz infinitesimal kleinen zugeordneten Zeitdauer) mitumfasst. Insbesondere können auch Frequenzen gewählt werden, die im stationären Betrieb das Ausgehen der Lampe bedeuten wurden. Fig. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf des Lampenstroms IL, der Lampenspannung UL sowie einer Spannung Uf, die mit der Frequenz f korreliert ist, für ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Wenn- gleich der zeitliche Verlauf der Spannung Uf als dreieck- förmig dargestellt ist, ist er tatsächlich rechteckig. Die Dreiecksform ergibt sich aufgrund der begrenzten Flankensteilheit des im Ausführungsbeispiel verwendeten D/A-Wandlers . Ein Vergleich mit Fig. 2, bei der der Lam- penstrom IL in derselben Auflösung dargestellt ist, zeigt, dass nunmehr mit einem deutlich kleineren Strom IL von 14,7 mA ein stabiler Betrieb ermöglicht wird. Während bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 5 die Frequenz zwischen ca. 91 kHz und 101 kHz gewechselt wurde, lag diese bei dem Beispiel von Fig. 2 bei ca.lO7kHz.
-21 -
Zusammenfassung
größer gleich der zweiten Zeitkonstante ist; und die Ansteuervorrichtung (18) ausgelegt ist, die vorgebbare Frequenz während des Betriebs der Entladungslampe (LA) derart zu variieren, dass die Schaltungsanordnung in dem instabilen Arbeitsbereich betrieben wird. Sie betrifft überdies ein Verfahren zum Betreiben einer Entladungslampe (LA) an einer derartigen Schaltungsanordnung.
(Fig. 3)

Claims

- 14-Ansprüche
1. Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Entladungslampe (LA) mit
- einem Wechselrichter, der ausgelegt ist, an seinem Ausgang ein Signal (S0) mit einer vorgebbaren Frequenz bereitzustellen;
- mindestens einem Anschluss für die Entladungslampe
(LA),
- mindestens einer Lampendrossel (L0) , die zwischen den Ausgang des Wechselrichters und den mindestens einen Anschluss für die Entladungslampe (LA) gekoppelt ist;
- mindestens einem Kondensator (Ci) , der mit der Lampendrossel (LD) gekoppelt ist;
- einer Ansteuervorrichtung (18) zur Ansteuerung des Wechselrichters mit dem Signal (S0) mit der vorgebba- ren Frequenz;
- einer Regelvorrichtung (10, 12, 14, 16) zum Regeln eines vom Lampenstrom (IL) abhangigen Regelparameters auf einen vorgebbaren Wert infolge einer Änderung der vorgebbaren Frequenz, wobei die Regelvorrichtung (10, 12, 14, 16) eine erste Zeitkonstante aufweist; wobei die Entladungslampe (LA) eine zweite Zeitkonstante aufweist, mit der sie auf eine Änderung der vorgebbaren Frequenz mit einer Änderung eines vom Lampenstrom (IL) abhangigen Parameters reagiert; wobei die Schaltungsanordnung aufgrund der temperatur- abhangigen UI-Kennlinie der Entladungslampe (LA) und der frequenzabhangigen UI-Kennlinie eines Schwingkreises, der zumindest den Kondensator (Ci) und die Lampendrossel (L0) umfasst, zumindest einen Bereich mit einem ersten und einem zweiten stabilen Arbeitspunkt -15-
und zwischen dem ersten und dem zweiten stabilen Arbeitspunkt einen instabilen Arbeitsbereich im UI- Kennlinienfeld aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zeitkonstante größer gleich der zweiten Zeitkonstante ist; und die Ansteuervorrichtung (18) ausgelegt ist, die vorgebbare Frequenz während des Betriebs der Entladungslampe (LA) derart zu variieren, dass die Schaltungs- anordnung in dem instabilen Arbeitsbereich betrieben wird.
2. Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuervorrichtung (18) ausgelegt ist, die Entladungslampe (LA) zumindest während einer ersten
Zeitdauer (ti) mit einer ersten vorgebbaren Frequenz
(fi) und zumindest während einer zweiten Zeitdauer
(t2) mit einer zweiten vorgebbaren Frequenz (f2) zu betreiben .
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuervorrichtung (18) ausgelegt ist, die Entladungslampe (LA) während mindestens einer weiteren Zeitdauer mit einer weiteren vorgebbaren Frequenz zu betreiben.
4. Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuervorrichtung (18) ausgelegt ist, die Zeitdauern zyklisch zu wiederholen. -16-
5. Schaltungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauern gleich oder ungleich sind.
6. Schaltungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuervorrichtung (18) ausgelegt ist, die bestimmten vorgebbaren Frequenzen (fi; f2) zugeordne- ten Zeitdauern (ti; t2) während des Betriebs der Entladungslampe (LA) konstant zu halten oder zu variieren .
7. Schaltungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuervorrichtung (18) ausgelegt ist, die vorgebbare (n) Frequenz (en) derart zu variieren, dass ein Betrieb der Entladungslampe (LA) in einem stabilen Arbeitspunkt verhindert wird.
8. Schaltungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuervorrichtung (18) ausgelegt ist, die Zeitdauer (n) (ti; t2) derart zu variieren, dass ein Betrieb der Entladungslampe (LA) in einem stabilen Arbeitspunkt verhindert wird.
9. Schaltungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, - 17-
dass die Ansteuervorrichtung (18) ausgelegt ist, die vorgebbare (n) Frequenz (en) (fi; f2) und/oder die Zeitdauer (n) (ti; t2) derart zu variieren, dass sich der eingestellte Arbeitspunkt dynamisch zwischen dem ers- ten und dem zweiten stabilen Arbeitspunkt bewegt.
10. Schaltungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelparameter der Regelvorrichtung (10, 12, 14, 16) der Istwert des Lampenstroms (IL) und/oder der Istwert der Lampenleistung (P) und/oder der Istwert der Lampenspannung (UL) ist.
11. Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelvorrichtung (10, 12, 14, 16) zur Zuführung eines Dimmsignals (SD) ausgelegt ist, das einem Sollwert des Lampenstroms (IL) oder der Lampenleistung (P) oder der Lampenspannung (UL) entspricht, wobei der Regelvorrichtung (10, 12, 14, 16) eine Ta- belle (16) oder ein formelmäßiger Zusammenhang zugeordnet ist, so dass auf der Basis zumindest des Dimmsignals (S0) und des Istwerts des Lampenstroms (IL) oder der Lampenleistung (P) oder der Lampenspannung (UL) die vorgebbaren Frequenzen (fi, f2) und/oder die vorgebbaren Zeitdauern (ti, t2) bereitstellbar sind.
12. Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Tabelle (16) oder der formelmäßige Zusammenhang weiterhin den Crestfaktor berücksichtigt. - 18 -
13. Schaltungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelvorrichtung (10, 12, 14, 16) ausgelegt ist, mit einer Schrittweite von 10 μs und großer, insbesondere mit einer Schrittweite von 50 μs, zu arbeiten .
14. Verfahren zum Betreiben einer Entladungslampe (LA) an einer Schaltungsanordnung mit einem Wechselrichter, der ausgelegt ist, an seinem Ausgang ein Signal (S0) mit einer vorgebbaren Frequenz bereitzustellen, mindestens einem Anschluss für die Entladungslampe (LA) , mindestens einer Lampendrossel (LD) , die zwischen den Ausgang des Wechselrichters und den mindestens einen Anschluss für die Entladungslampe (LA) gekoppelt ist, mindestens einem Kondensator (Ci) , der mit der Lampendrossel (LD) gekoppelt ist, einer Ansteuervorrichtung (18) zur Ansteuerung des Wechselrichters mit der vorgebbaren Frequenz, einer Regelvorrichtung (10, 12, 14, 16) zum Regeln eines vom Lampenstrom (IL) abhangigen Regelparameters auf einen vorgebbaren Wert infolge einer Änderung der vorgebbaren Frequenz, wobei die Regelvorrichtung (10, 12, 14, 16) eine erste Zeitkonstante aufweist, wobei die Entladungslampe (LA) ei- ne zweite Zeitkonstante aufweist, mit der sie auf eine Änderung der vorgebbaren Frequenz mit einer Änderung eines vom Lampenstrom (IL) abhangigen Parameters reagiert, wobei die Schaltungsanordnung aufgrund der tem- peraturabhangigen UI-Kennlinie der Entladungslampe (LA) und der frequenzabhangigen UI-Kennlinie eines Schwingkreises, der zumindest den Kondensator (Ci) und -19-
die Lampendrossel (L0) umfasst, zumindest einen Bereich mit einem ersten und einem zweiten stabilen Arbeitspunkt und zwischen dem ersten und dem zweiten stabilen Arbeitspunkt einen instabilen Arbeitsbereich im UI-Kennlinienfeld aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zeitkonstante größer gleich der zweiten Zeitkonstante ist; und die vorgebbare Frequenz während des Betriebs der Ent- ladungslampe (LA) derart variiert wird, dass die Schaltungsanordnung in dem instabilen Arbeitsbereich betrieben wird.
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