Schaltungsanordnung und Verfahren zum Betreiben von mindestens zwei unterschiedlichen Typen von Entladungslampen

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben von mindestens zwei unterschiedlichen Typen von Entladungslampen, für deren Betrieb ein unterschiedlicher Lampenstrom erforderlich ist, mit einem Eingang mit einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluss zum Koppeln mit einer Gleichspannungsquelle, einer Brückenschaltung mit einem ersten und einem zweiten elektro- nischen Schalter, wobei der erste und der zweite elektronische Schalter unter Ausbildung eines ersten Brückenmittelpunkts seriell zwischen den ersten und den zweiten Eingangsanschluss gekoppelt sind, wobei der erste und der zweite elektronische Schalter jeweils eine Steuerelektro- de, eine Bezugselektrode und eine Arbeitselektrode aufweisen, einem Ausgang mit einem ersten und einem zweiten Aus- gangsanschluss zum Bereitstellen einer Betriebsspannung für die mindestens eine Entladungslampe, einer Lampendrossel, die seriell zwischen den ersten Brückenmittelpunkt und den ersten Ausgangsanschluss gekoppelt ist, einem Resonanzkondensator, der zwischen den ersten Ausgangsanschluss und den zweiten Eingangsanschluss gekoppelt ist, einem Koppelkondensator, der zwischen den zweiten Ausgangsanschluss und den zweiten Eingangsanschluss gekoppelt ist, einer Auswertevorrichtung mit einem Eingang und einem Ausgang, wobei der Eingang der Auswertevorrichtung mit einem Auskoppelpunkt gekoppelt ist und die Auswertevorrichtung ausgelegt ist, an ihrem Ausgang eine mit dem Lampenstrom korrelierte Größe bereitzustellen, und einem Steuer- Vorrichtung, die einen ersten Eingang und einen ersten und einen zweiten Ausgang umfasst, wobei der erste Eingang der Steuervorrichtung mit dem Ausgang der Auswertevorrichtung gekoppelt ist, wobei der erste Ausgang der Steuervorrich- tung mit der Steuerelektrode des ersten elektronischen Schalters und der zweite Ausgang des Steuervorrichtung mit der Steuerelektrode des zweiten elektronischen Schalters gekoppelt ist, wobei die Steuervorrichtung ausgelegt ist, den Lampenstrom durch Variation zumindest der Frequenz der an ihrem ersten und zweiten Ausgang bereitgestellten Signale zu regeln. Sie betrifft überdies ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben mindestens einer Entladungslampe an einer derartigen Schaltungsanordnung.

Stand der Technik

Hoch- und Niederdruckentladungslampen werden für einen effektiven Betrieb an elektronischen Vorschaltgeräten betrieben. Diese Geräte sorgen dafür, dass die Lampe gezündet und anschließend mit dem für die Lampe charakteristischen Strom betrieben wird. Multilampengeräte sind für den Betrieb von unterschiedlichen Lampen ausgelegt, das heißt es besteht die Möglichkeit, unter Lampen mit unterschiedlichen Betriebsdaten zu wählen und diese dann an ein und demselben elektronischen Vor schal t gerät zu betreiben. Dabei sind aus dem Stand der Technik unterschiedliche Prinzipien bekannt, wonach derartige Multi- lampengeräte arbeiten:

Beim festfrequenten Betrieb wird nach Erkennen des Lampentyps, beispielsweise durch Durchfahren einer Messroutine, eine dem erkannten Lampentyp zugeordnete feste Betriebsfrequenz für die Schalter der Brückenschaltung ein- gestellt. Diese werden dann im Sinne einer Steuerung, das heißt ohne Rückkopplung, mit einer festen Betriebsfrequenz angesteuert. Infolge der Abhängigkeit des am Ausgang des Multilampengeräts bereitgestellten Lampenstroms von der Betriebsfrequenz kann so ein bestimmter Lampenstrom eingestellt werden. Infolge von Toleranzen der Betriebsparameter einer einzelnen Lampe ergeben sich dabei jedoch unerwünschte Schwankungen des Lampenstroms. Überdies funktioniert dieser festfrequente Betrieb nur bei hoher Zwischenkreisspannung, sobald Lampenströme in einem Bereich von 100% bis 300% eines minimalen Lampenstroms benötigt werden. Eine hohe Zwischenkreisspannung erfordert entsprechend ausgelegte Bauteile, was mit zusätzlichen Kosten und unerwünscht hohen Verlusten einhergeht.

Gemäß einem zweiten Prinzip ist seriell zum Koppelkondensator oder zur Entladungslampe ein Shuntwiderstand angeordnet, wobei die über dem Shuntwiderstand abfallende Spannung ein Maß für den Lampenstrom darstellt. Da die über dem Shuntwiderstand abfallende Spannung vor ihrer Weiterverarbeitung in der Steuervorrichtung einer Gleichrichtung unterzogen werden muss, ist darauf zu achten, dass diese Spannung größer 0,7 V ist, da erst dann die Gleichrichtung über Dioden funktioniert. Das nach der Gleichrichtung erhaltene Signal wird dann zur Regelung des Lampenstroms verwendet, das heißt die Steuervorrichtung variiert die Betriebsfrequenz, mit der die Schalter der Brückenschaltung angesteuert werden, im Hinblick auf den gemessenen Lampenstrom. Aufgrund der vergleichsweise hohen Spannung, die am Shuntwiderstand zum Funktionieren dieses Prinzips abfallen muss, ergibt sich eine verlust- reiche Messung und insbesondere bei hohen Lampenströmen ein schlechter Gesamtwirkungsgrad.

Gemäß einem dritten bekannten Prinzip wird der Lampenstrom mittels eines AC-Strommessverstärkers geregelt. Da- zu wird die über einem Shuntwiderstand abfallende Spannung zunächst einem AC-Verstärker zugeführt, was dazu führt, dass der Shuntwiderstand kleiner dimensioniert werden kann. Dadurch ergeben sich weniger Verluste. Anschließend wird das Ausgangssignal des AC-Verstärkers gleichgerichtet. Da der Verstärker zu diesem Zweck eine große Bandbreite aufweisen muss, die insbesondere Frequenzen im Bereich von 10 kHz bis 150 kHz abdeckt, ergibt sich ein hoher Aufwand, der mit hohen Kosten verbunden ist .

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine eingangs genannte Schaltungsanordnung derart weiterzubilden, das sie einen zuverlässigen Betrieb unterschiedlicher Lampentypen, das heißt Lampentypen, die einen unterschiedlichen Lampenstrom benötigen, bei nied- rigen Kosten ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 9.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass diese Aufgabe gelöst werden kann, wenn die über dem Koppelkondensator abfallende Spannung zur Ermittlung eines mit dem Lampenstrom korrelierten Werts ausgewertet wird. Dazu wird als Auskoppelpunkt, der mit dem Eingang der Auswertevorrichtung gekoppelt ist, der Anschluss des Koppelkondensators gewählt, der mit dem zweiten Ausgangs- anschluss der Schaltungsanordnung gekoppelt ist. Der Spannungshub am Koppelkondensator, d.h. der Wechselspan- nungsanteil, ist proportional zum Lampenstrom. Je kleiner der gewählte Koppelkondensator ist, umso größer ist die über dem Koppelkondensator abfallende Spannung. Üblicherweise ist es völlig unproblematisch, eine Dimensionierung für den Koppelkondensator zu finden, die zu einem Span- nungshub am Koppelkondensator führt, der ohne Zwischenschaltung eines Verstärkers eine Gleichrichtung zulässt. Dadurch erlaubt die vorliegende Erfindung eine Regelung des Lampenstroms und damit die Vermeidung von Schwankungen des Lampenstroms ohne Verwendung eines aufwendigen Verstärkers und ohne Verwendung eines Shuntwiderstands . Sie ermöglicht daher den Betrieb unterschiedlicher Lampentypen an ein und demselben elektronischen Vorschaltge- rät mit hoher Zuverlässigkeit und bei geringen Kosten.

Besonders bevorzugt stellt der Auskoppelpunkt den Punkt dar, an dem der zweite Ausgangsanschluss mit dem Koppelkondensator gekoppelt ist. Dadurch lässt sich ein maximaler Spannungshub am Koppelkondensator erzielen.

Bevorzugt umfasst die Auswertevorrichtung einen Gleichrichter, der zwischen den Auskoppelpunkt und den ersten Eingang der Steuervorrichtung gekoppelt ist. Dieser ermöglicht die Gleichrichtung des ausgekoppelten Signals. Bevorzugt ist weiterhin zwischen dem Auskoppelpunkt und dem Gleichrichter ein Auskoppelkondensator vorgesehen. Dieser kann sehr klein dimensioniert sein, beispielsweise 3,3 nF. Dadurch wird lediglich die dem Lampenstrom proportionale Rippel-Spannung, das heißt nur der Wechsel- Spannungsanteil, am Koppelkondensator erfasst und zur Ermittlung einer dem Lampenstrom proportionalen Größe verwendet .

Zur Anpassung des ausgekoppelten Signals an den gewünsch- ten Eingangspegel der Steuervorrichtung kann weiterhin ein Spannungsteiler vorgesehen sein. Die Auswertevorrichtung umfasst weiterhin bevorzugt eine Mittelwertbildevorrichtung, die seriell zum Gleichrichter gekoppelt ist. Damit wird der Steuervorrichtung ein Signal zugeführt, das dem Mittelwert des Lampenstroms proportional ist. Damit kann der Lampenstrom besonders zuverlässig gemessen und damit geregelt werden.

Bevorzugt umfasst der Gleichrichter eine erste und eine zweite Diode, der Spannungsteiler einen ersten und einen zweiten ohmschen Widerstand und die Mittelwertbildevorrichtung den zweiten ohmschen Widerstand des Spannungsteilers und einen Hilfskondensator, wobei eine Serienschaltung aus Auskoppelkondensator, erstem ohmschen Widerstand und erster Diode parallel zum Koppelkondensator gekoppelt ist, wobei zwischen den Verbindungspunkt des ersten ohmschen Widerstands mit der ersten Diode einerseits und den ersten Eingang der Steuervorrichtung die zweite Diode gekoppelt ist, wobei eine Serienschaltung aus dem zweiten ohmschen Widerstand und dem Hilfskonden- sator parallel zum ersten Eingang der Steuervorrichtung gekoppelt ist. Durch diese Maßnahme lässt sich der zweite ohmsche Widerstand einerseits für den Spannungsteiler, andererseits für die Mittelwertbildevorrichtung verwenden, so dass sich eine besonders aufwandsarme und ver- lustarme Realisierung ergibt. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Schaltungsanordnung weiterhin einen Boost-Konverter mit einem Boostschalter, einer Boostinduktivität und einer Boostdi- ode, wobei der Boost-Konverter zwischen den Eingang der Schaltungsanordnung und die Brückenschaltung gekoppelt ist, wobei die am Ausgang des Boost-Konverters bereitgestellte Spannung die Zwischenkreisspannung ist, wobei ein mit der Zwischenkreisspannung korreliertes Signal an einen zweiten Eingang der Steuervorrichtung gekoppelt ist, wobei die Steuervorrichtung einen dritten Ausgang aufweist, der mit dem Boostschalter gekoppelt ist, und die Steuervorrichtung ausgelegt ist, den Lampenstrom durch Variation von weiterhin der Zwischenkreisspannung zu regeln. Durch diese Weiterbildung wird die Möglichkeit be- reitgestellt, den Lampenstrom nicht nur über die Betriebsfrequenz, mit der die Schalter der Brückenschaltung angesteuert werden, sondern auch über die Zwischenkreisspannung zu regeln. Damit können insbesondere auch Schwankungen der Netzspannung ausgeglichen werden.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung (en)

Im Nachfolgenden wird nunmehr ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschreiben. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung; und Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der an die Schalter der Brückenschaltung von Fig. 1 angelegten Signale.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt in schemat ischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanord- nung. Diese umfasst einen Eingang mit einem ersten El und einem zweiten Eingangsanschluss E2, zwischen denen eine Netzspannung U _N angelegt ist. Auf den Eingang El, E2 folgt ein Gleichrichter GL, der zur Gleichrichtung der Netzspannung U _N ausgelegt ist. Nach dem Gleichrichter GL ist ein Boost-Konverter vorgesehen, der eine Boostdrossel L _B , eine Boostdiode D _B und einen Boostschalter S _B umfasst. Am Ausgang des Boost-Konverters ist ein Speicherkondensator Cl vorgesehen, der den nachfolgenden Schaltungsteil mit einer Zwischenkreisspannung U _Zw versorgt. Der nach- folgende Schaltungsteil umfasst eine Halbbrückenschaltung mit einem ersten Sl und einem zweiten Halbbrückenschalter S2. Zwischen den Schaltern Sl und S2 ist ein erster Halbbrücken-Mittelpunkt BMl gebildet. Zwischen dem Halbbrücken-Mittelpunkt BMl und einem ersten Ausgangsanschluss Al der Schaltungsanordnung ist eine Lampendrossel L _D gekoppelt. Zwischen dem ersten Ausgangsanschluss Al und einem zweiten Ausgangsanschluss A2 , zwischen denen eine Ausgangsspannung U _A bereitgestellt wird, ist eine Entladungslampe La gekoppelt, die im Betrieb vom Lampenstrom IL _a durchflössen wird. Der erste Lampenanschluss Al ist über einen Resonanzkondensator C _R mit einem Bezugspotential gekoppelt, während der zweite Lampenanschluss A2 ü- ber einen Koppelkondensator C _K i ebenfalls mit dem Bezugspotential gekoppelt ist. Der Koppelkondensator C _K i wird von einem Strom I _C κi durchflössen, der im wesentlichen dem Lampenstrom I _La entspricht. Zwischen dem auf hohen Potential liegenden Anschluss des Schalters Sl und dem zweiten Ausgangsanschluss A2 kann optional ein zweiter Koppelkon- densator C _K 2 vorgesehen sein.

Die über dem Kondensator C _K i abfallende Spannung U _C κi wird einer Auswertevorrichtung 10 zugeführt, deren Ausgang mit einem MikroController 12 gekoppelt ist. Die Auswertevorrichtung 12 umfasst einen Auskoppelkondensator C _m , der sicherstellt, dass nur der Wechselspannungsanteil der Spannung U _C κi ausgekoppelt wird. Dieser Wechselspannungsanteil der Spannung U _C κi dem Lampenstrom I _La proportional. Dieser Wechselspannungsanteil wird anschließend unter Verwendung eines Spannungsteilers R3, R4 heruntergeteilt und mittels eines Einweggleichrichters, der die Dioden Dl und D2 umfasst, gleichgerichtet. Ein Kondensator C2, der dem ohmschen Widerstand R4 parallelgeschaltet ist, ermöglicht die Realisierung einer Mittelwertbildung.

Der MikroController 12 ist ausgelegt, aus dem an seinem Eingang TEl angelegten Signal eine Größe zu berechnen, aus der sich der Wert des Lampenstroms I _La ergibt. Dies ist weiter unten noch ausführlicher dargestellt. Auf der Basis des ermittelten Lampenstroms I _La steuert er über seine Ausgänge TAI, TA2 die Schalter Sl und S2 der HaIb- brücke an. Insbesondere ist der MikroController 12 ausgelegt, die Frequenz fi der an den Ausgängen TAI, TA2 bereitgestellten Signale zur Regelung des Lampenstroms I _La auf den Nennwert des Lampenstroms, der für den Typ der am Ausgang Al, A2 angeschlossenen Entladungslampe La maßgeb- lieh ist, zu variieren. Dazu ist im MikroController 12 eine entsprechende Look-Up-Table vorgesehen, in der für verschiedene Lampentypen zumindest der Nennwert des Lampenstroms eingetragen ist.

Vorliegend wird dem MikroController 12 überdies unter Verwendung eines Spannungsteilers mit den ohmschen Wider- ständen Rl, R2 an seinem Eingang TE2 eine Größe bereitgestellt, aus der sich der aktuelle Wert der Zwischenkreis- spannung U _Zw ergibt. Der MikroController 12 ist weiterhin ausgelegt, durch Variation der Frequenz £ ₂ des an seinem Ausgang TA3 bereitgestellten Signals weiterhin die Zwi- schenkreisspannung U _Zw in Hinblick auf den Typ der Lampe La zu variieren.

Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung den zeitlichen Verlauf der Signale am Schalter Sl beziehungsweise S2. Die Anschaltzeit t _on sowie die Ausschaltzeit t _O ff sind eingetragen. Auf dieser Basis lässt sich der Lampenstrom ILa wie folgt abschätzen:

* La ~ *CKl ^{~ '} UCKlAC '

wobei U _C KIA _C den Wechselspannungsanteil der Spannung U _C κi darstellt .

Aus Fig. 2 folgt:

f- \

Dadurch ergibt sich:

Mit K = K-C _1n folgt I _La »I _an = ^{K 'U<xlÄC} t„„ + 1 off

U _TEl berechnet sich zu:

TT _ ^ CKXAC ^' R^

^TEl 2 • 1,11 • (R3 + R4)

wobei sich der Faktor 1/2 aufgrund der Einweggleichrich- tung mit den Dioden Dl und D2 ergibt. Der Faktor 1/1,11 berücksichtigt den Übergang vom sinusförmigen Strom zum Mittelwert des Stroms. Der Faktor R4/(R3+R4) berücksichtigt den Einfluss des Spannungsteilers R3, R4.

M ^Ll i±t L U ^J CKlAC - -I ¹ La ^°" ⁺ „^

Ä

ergibt sich:

_ττ I _Lg -R4-{t _on +t _off )

^TEl K-2-\,U-(R3 + R4)

R4-(t _on +t _off )

K ^■ 2 ^■ 1,11 • (R3 + R4)