AT16238U1

AT16238U1 - Verfahren zum Betrieb von Leuchtmitteln bei niedrigen Außentemperaturen

Info

Publication number: AT16238U1
Application number: ATGM29/2018U
Authority: AT
Original assignee: Tridonic Gmbh & Co Kg
Priority date: 2018-02-06
Filing date: 2018-02-06
Publication date: 2019-05-15
Also published as: WO2019154580A1

Abstract

Die Erfindung behandelt ein Verfahren zum Betrieb von mindestens einem Leuchtmittel (3), das eine temperaturabhängige charakteristische Strom-/ Spannungskennlinie U(I) aufweist, mit einem LED-Konverter (2), wobei eine Regelschaltung (14) des LED-Konverters (2) als Stellgröße die Betriebsfrequenz der primärseitigen Schaltung (11) des LED-Konverters (2) steuert, wobei zur Vermeidung eines instabilen Arbeitspunktes als Stellgröße ein vorgegebener Maximalwert der Betriebsfrequenz eingestellt wird, wenn niedrige Außentemperaturen vorliegen.

Description

Beschreibung

VERFAHREN ZUM BETRIEB VON LEUCHTMITTELN BEI NIEDRIGEN AUßENTEMPERATUREN [0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für den Betrieb von Leuchtmittel, insbesondere bei niedrigen Außentemperaturen nach Anspruch 1, einer Regelschaltung nach Anspruch 8, einem Betriebsgerät nach Anspruch 9 und einer Leuchte nach Anspruch 10.

[0002] Es ist bekannt, dass bei niedrigen Umgebungstemperaturen der Betrieb von Leuchtmittel insbesondere bei niedrigen Dimmstufen instabil werden kann, d.h. es kann durch Steuerung oder Regelung der Arbeitspunkt auf der U/I-Kennlinie des Leuchtmittels nur schwer gehalten werden.

[0003] Die Instabilität kann zu Helligkeitsschwankungen oder gar zum Erlöschen des Leuchtmittels führen.

[0004] Weiterhin ist bekannt, dass die Lichteffizienz des Leuchtmittels bei tiefen Temperaturen stark abnimmt, sodass die Lichtabgabe stark reduziert wird.

[0005] Zur Vermeidung dieser Probleme könne Gegenmaßnahmen ergriffen werden, was indessen voraussetzt, dass seitens einer Regelschaltung erkannt wird, dass niedrige Umgebungstemperaturen an dem Leuchtmittel vorliegen.

[0006] Eine direkte Temperaturmessung ist jedoch nur sehr schwierig möglich, da üblicherweise eine Temperaturmessung eher im Bereich eines Betriebsgerätes als im eigentlich relevanten Bereich des Leuchtmittels selbst erfolgen kann.

[0007] Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass zur Stabilisierung der instabilen Arbeitspunkte Regelungen verwendet werden, die einen vorgegeben Arbeitspunkt halten sollen.

[0008] Bei extrem tiefen Temperaturen treten jedoch extrem hohe Lampenspannungen auf. Dadurch wird ein Halten des Arbeitspunktes unmöglich, es werden außerdem verschiedene Normen verletzt. Beispielsweise kann, basierend auf Spannungsfestigkeiten der Klemmanschlüsse oder der Zuleitungen, eine bestimmte maximal zulässige Klemmenspannung überschritten werden.

[0009] Die Erfindung hat sich daher zur Aufgabe gemacht, eine Lösung für oben genannte Probleme bereit zu stellen.

[0010] Die Grundidee der Erfindung ist die Messung einer Größe, welche korreliert zu tiefen Temperaturen ist.

[0011] Die Erfindung schlägt also ein Verfahren zum Betrieb von Leuchtmittel vor, die eine temperaturabhängige charakteristische Strom-/ Spannungskennlinie U(l) aufweisen. Dabei wird zur Vermeidung eines instabilen Arbeitspunktes bei niedrigen Außentemperaturen ein Überschreiten eines vorgegebenen Maximalwerts der Betriebsfrequenz davon verhindert, indem der Leuchtmittelstrom erhöht wird.

[0012] Der vorgegebene Maximalwert der Betriebsfrequenz bzw. dessen Gradientenbetrag ist vorzugsweise stromabhängig.

[0013] Der vorgegebene Maximalwert kann also von einer Grenzkennlinie G'(l) definiert werden.

[0014] Die Grenzkennlinie G'(l) stellt dabei vorzugsweise eine adaptive Schwelle in Abhängigkeit des Stromes mit Berücksichtigung der Lampencharakteristik dar. Diese kann so ausgelegt sein, dass eine charakteristische Kennlinie U(l) eines Leuchtmittels bei Zimmertemperatur durch diese nicht eingeschränkt wird.

[0015] Die Schwelle des Maximalwertes der Betriebsfrequenz ist veränderbar. Die Schwelle kann über eine Schnittstelle eines Betriebsgerätes veränderbar eingestellt werden.

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Patentamt [0016] Außerdem kann eine Messung erfolgen, die zumindest entscheiden kann, ob sehr hohe Außentemperaturen, beispielsweise 35°C, oder sehr niedrige Außentemperaturen, beispielsweise -10°C, vorliegen.

[0017] Vorzugsweise erfolgt eine Erhöhung des Lampenstroms bzw. Begrenzung der maximalen Betriebsfrequenz nur dann, wenn keine sehr hohen Außentemperaturen vorliegen, beispielsweise Außentemperaturen von < 10 °C.

[0018] In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Regelschaltung, vorzugsweise eine integrierte Schaltung, die zur Durchführung eines der erfindungsgemäßen Verfahren ausgebildet ist.

[0019] Die Erfindung betrifft auch ein Betriebsgerät für Leuchtmittel, das eine solche Regelschaltung aufweist.

[0020] Schließlich betrifft die Erfindung eine Leuchte, die das oben beschriebene Betriebsgerät und wenigstens eine angeschlossene Leuchtmittel aufweist.

[0021] Nachfolgend soll die Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert werden. Es zeigen:

[0022] Fig. 1	ein Strom-Spannungs-Diagramm mit Kennlinien einer Gasentladungslampe bei unterschiedlichen Außentemperaturen,
[0023] Fig. 2	ein Strom-Spannungs-Diagramm mit Kennlinien einer LED bei unterschiedlichen Außentemperaturen,

[0024] FIG. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Beleuchtungssystems mit einem LED-Konverter nach einem Ausführungsbeispiel.

[0025] Fig. 1 zeigt ein Strom-Spannungs-Diagramm mit Kennlinien einer Gasentladungslampe bei unterschiedlichen Außentemperaturen, genauer gesagt bei 22°C, bei 10°C und bei -15°C. Unter Außentemperatur wird die Umgebungstemperatur der Gasentladungslampe verstanden.

[0026] 22°C stellt dabei in etwa die gewöhnliche Temperatur in einem Zimmer dar. 10°C und 15°C sind dagegen Temperaturen, wie sie beim Einsatz im Freien vorkommen können.

[0027] Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass sich alle Kennlinien an einem Punkt P_s schneiden. Dies bedeutet, dass für die Gasentladungslampe bei alle Temperaturen dieser Arbeitspunkt P_A = P_s(ls, U_s) gültig ist.

[0028] Außerdem kann. Fig. 1 entnommen werden, dass für Stromwerte I > l_s die Spannung mit steigendem Strom abnimmt. In diesem Bereich sind die Kennlinien also fallend. Dabei ist die Spannung bei sehr niedrigen Temperaturen, beispielsweise bei -15°C niedriger als bei höheren, wie 10°C.

[0029] Für Stromwerte I < l_s dagegen ergibt sich ein uneinheitliches Bild. Für 22°C Außentemperatur nimmt die Spannung mit steigendem Strom vorerst zu, um dann in der Nähe des Schnittpunktes P_s wieder leicht abzunehmen. Für kleinere Außentemperaturen ist die Kennlinie jedoch in diesem Bereich durchgehend fallend. Dabei ist die negative Steigung, d.h. der negative Gradient, bei besonders tiefen Außentemperaturen besonders groß. Gleichzeitig ist also bei niedrigen Temperaturen die Spannung der Gasentladungslampe bei kleinem Lampenstrom besonders hoch. Unter Spannung wird hier die Lampenbrennspannung verstanden. Daraus ergibt sich, dass sich insbesondere für sehr niedrige Temperaturen bei kleinem Lampenstrom eine unzulässig hohe Lampenbrennspannung ergibt.

[0030] Eine Dimmung der Gasentladungslampe erfolgt über eine Einstellung des Lampenstroms. Für einen niedrigen Dimmpegel wird also der Lampenstrom reduziert, für einen hohen der Lampenstrom erhöht. Das bedeutet, dass ein niedriger Dimmpegel auf einer Kennlinie von Fig. 1 weiter links ist, ein hoher dagegen weiter rechts liegt.

[0031] Erfindungsgemäß kann also nun eine unzulässig hohe Betriebsfrequenz dadurch vermieden werden, dass der Dimmpegel erhöht wird. Alternativ kann auch die Betriebsfrequenz

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Patentamt auf einen maximalen Wert begrenzt werden.

[0032] Dadurch wird nämlich ebenfalls der Arbeitspunkt P_A auf einer Kennlinie weiter nach rechts geschoben. Grundsätzlich kann ein Arbeitspunkt dadurch in einen unzulässigen Bereich gelangen, indem die Dimmung auf einen zu niedrigen Pegel eingestellt wird, insbesondere bei niedrigen Außentemperaturen. Es ist jedoch auch möglich, dass ein Arbeitspunkt dadurch in einen unzulässigen Bereich gelangt, dass die Außentemperatur fällt, während der Dimmpegel konstant bleibt.

[0033] Zur Kompensierung tritt also eine Regelung in Kraft, die solange höhere Dimmpegel ansteuert, bis die Betriebsfrequenz wieder unter den Maximalwert unterschritten wird. Diese Hochregelung des Dimmpegels hat Priorität beispielsweise über einen von außen eingehenden Dimmpegelbefehl. Im Zuge einer Regelung wird somit die Betriebsfrequenz immer unterhalb der maximal zulässigen Betriebsfrequenz gehalten. Dadurch werden niedrige Dimmpegel also nicht grundsätzlich vermieden, sondern nur bei unzulässig hohen Betriebsfrequenzen.

[0034] Die maximal zulässige Betriebsfrequenz kann in der einfachsten Ausführung ein konstanter Wert sein, beispielsweise 120 kHz.

[0035] Fig. 2 zeigt im Weiteren ein Strom-Spannungs-Diagramm mit Kennlinien einer Leuchtdiode bei unterschiedlichen Außentemperaturen T1, T2, T3, T4, T5 wobei die höchste Temperatur T1 ist und niedrigste Temperatur T 5 ist. Es ist daraus ersichtlich, dass die Kennlinien bei niedrigen Temperaturen eine größere Flussspannung U_F aufweisen als bei hohen Temperaturen.

[0036] Die Grenzkennlinie G' (I) kann einen stromabhängigen Maximalwert der Betriebsfrequenz welcher über eine Grenzkennlinie G' (I) definiert wird aufweisen. Ein oberer Wert der Grenzkennlinie G' begrenzt die maximal zulässige Betriebsfrequenz auf ca. 100 - 120 kHz (Grenzkennlinie G2). Diese Schwelle ist in diesem Ausführungsbeispiel lediglich bei kleinen Dimmbereichen < 30 % aktiv, d.h. lediglich in diesem Bereich wirkt sie begrenzend. Alternativ kann diese Schwelle jedoch auch für den gesamten Dimmbereich gelten, d.h. unabhängig vom Stromwert zu sein.

[0037] Weiterhin können die Werte der Grenzkennlinie G' (I) über den Dimmbereich varieren, so kann beispielsweise bei höheren Dimmwerten eine andere Betriebsfrequenz als Maximalwert herangezogen werden, beispielsweise 90 kHz als bei niedrigen Dimmwerten (Grenzkennlinie G1).

[0038] Der Verlauf der Grenzkennlinie G' (I) kann eine Stufenfunktion, eine fallende lineare Funktion, usw. sein.

[0039] Der Verlauf der Grenzkennline G' (I) bzw. der Maximalwert der Betriebsfrequenz kann über eine Schnittstelle eines Betriebsgerätes 2 einstellbar veränderbar sein.

[0040] Bei sehr niedrigen Temperaturen ist indessen zu beachten, dass der Wirkungsgrad des Leuchtmittels stark abnimmt, sodass die tatsächlich abgegebene Lichtleistung bei einem identischen Arbeitspunkt niedriger ist als bei höheren Temperaturen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird jedoch diese zu niedrige Lichtleistung kompensiert.

[0041] Vorteilhafterweise weist die Grenzkennlinien G' (I) eine Form auf, die der Form der Lampencharakteristik angepasst ist. Außerdem sind diese möglichst so ausgelegt, dass eine charakteristische Kennlinie U(l) des Leuchtmittels bei Zimmertemperatur durch diese nicht eingeschränkt wird.

[0042] Vorzugsweise wird dementsprechend in dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Temperaturmessung durchgeführt. Diese hat jedoch lediglich zu bestimmen, ob es sich bei der Außentemperatur um eine sehr hohe oder seht tiefe Temperatur handelt. Die Temperaturmessung kann mit einem außerhalb des Betriebsgerätes 2 angeordneten Temperatursensor 8 erfolgen der mit der Regelschaltung 14 verbunden ist. Alternativ kann der Temperatursensor 8 auch in der Regelschaltung 14 integriert angeordnet sein.

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Patentamt [0043] So ist es möglich, die Aktivierung des maximalen Wertes der Betriebsfrequenz, flexibel zu gestalten. Bei sehr hohen Temperaturen, beispielsweise >= 30 °C, soll das Limit deaktiviert sein, hingegen bei sehr geringen Temperaturen, beispielsweise < 10 °C aktiv sein.

[0044] Dadurch kann eine Begrenzung der Betriebsfrequenz erst bei einer Außentemperatur von < 10 °C erfolgen.

[0045] Dank des Verfahrens kann so völlig frei festgelegt werden, ab welcher Temperatur welche Dimmpegel zugelassen werden sollen.

[0046] Durch die oben angeführte Vorgehensweise kann wie gesagt der instabile Betrieb bei niedrigen Temperaturen und niedrigen Dimmpegeln vermieden werden.

[0047] Alternativ kann es auch Temperaturbereiche geben die Betriebsfrequenzen aufweisen die oberhalb der von der Grenzkennlinie G' (I) definierten Maximalwerte liegt und somit in diesem Bereich eine unzulässige Grenzverletzung aufweist. Diese Temperaturbereiche könnten beispielsweise im Bereich von 25 °C liegen, da eine Begrenzung in diesem Temperaturbereich nicht notwendig ist, kann eine Grenzverletzung zugelassen werden.

[0048] Es kann auch eine Grenzkennlinie G' (I) definiert werden, bei der ein minimaler Strom l_Fkonstant gehalten wird. Der minimale Stromwert l_F welcher über die Grenzkennlinie G' (I) definiert wird, kann ein konstanter Wert sein oder über den Dimmlevelwert abhängig sein. Die Grenzkennlinie G' (I) kann auch eine Stufenfunktion sein oder eine halbrunde Form aufweisen. Die Grenzkennlinie G' (I) kann auch erst ab einer minimalen Temperatur aktiviert sein.

[0049] FIG. 3 zeigt ein Beleuchtungssystem 1, bei dem ein Betriebsgerät 2 nach einem Ausführungsbeispiel LEDs 3 mit Energie versorgt. Das Betriebsgerät 2 kann als LED- Konverter ausgestaltet sein oder als Vorschaltgerät für Gasentladungslampen. Der LED-Konverter 2 kann als Konstantstromquelle ausgebildet sein. Der LED-Konverter 2 kann so ausgestaltet sein, dass die Helligkeit der LEDs 3 über Befehle, die beispielsweise über einen Bus 4 oder drahtlos übertragen werden, einstellbar ist. Der LED- Konverter 2 kann eine entsprechende Schnittstelle zur Kommunikation mit einem zentralen Steuergerät umfassen und eingerichtet sein, um über die Schnittstelle Dimmbefehle zu empfangen und um über die Schnittstelle Informationen über den Betriebszustand des LED-Konverters 2 und/oder der LEDs 3 auszugeben.

[0050] Der LED-Konverter 2 kann als SELV-Gerät ausgestaltet sein, bei der eine primärseitige Schaltung (beispielsweise eine nicht-SELV-Seite) und eine sekundärseitige Schaltung (beispielsweise eine SELV-Seite) galvanisch getrennt sind. Der LED-Konverter 2 kann einen AC/DC-Wandler 10 umfassen. Der AC/DC-Wandler 10 kann eingerichtet sein, um eingangsseitig mit einer Netzspannung gekoppelt zu werden. Der AC/DC-Wandler 10 kann als so genannte Glättungsschaltung oder Schaltung zur Leistungsfaktorkorrektur (PFC) ausgestaltet sein. Der AC/DC-Wandler 10 stellt eine Busspannung Vbus an einen Wandler bereit, der eine eingangsbzw. primärseitige Schaltung 11 und eine davon galvanisch getrennte ausgangs- bzw. sekundärseitige Schaltung 13 aufweist.

[0051] Eine galvanische Trennung wird durch einen Transformator 12 oder anderen Umsetzer erreicht.

[0052] Der LED-Konverter 2 ist so ausgestaltet, dass eine vom LED-Konverter 2 an die LEDs bereitgestellte Stromstärke auf einen Sollwert geregelt wird. Die Regelung erfolgt dabei basierend auf einer in der primärseitigen Schaltung 11 erfassten Regelgröße, die insbesondere ein Peakstrom durch einen Widerstand oder eine zu diesem Peakstrom proportionale Größe sein kann. Zusätzlich zum Ausgansstrom kann auch eine Ausgangsleistung eingestellt werden. Zur Regelung des Ausgansstroms abhängig von der in der primärseitigen Schaltung erfassten Regelgröße ist die Regelschaltung 14 entsprechend mit der primärseitigen Schaltung 11 gekoppelt, um die Regelgröße oder Informationen über einen Vergleich der Regelgröße mit einer Referenz zu empfangen. Die Regelschaltung 14, welche insbesondere als integrierte Schaltung ausgestaltet sein kann, steuert eine Halbbrückenschaltung der primärseitigen Schaltung 11 abhängig von dem Vergleich der Regelgröße mit der Referenz. Die Regelschaltung 14 kann

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Patentamt insbesondere eine Frequenz, mit der zwei Schalter der Halbbrückenschaltung geschaltet werden, abhängig von dem Vergleich der Regelgröße mit der Referenz ändern. Die Regelschaltung 14 kann zusätzlich weitere Funktionen erfüllen, wie die Anpassung der Referenz abhängig von einem Dimmbefehl, die Erkennung der mit dem LED-Konverter 2 verbundenen Last, insbesondere zur Erkennung einer Anzahl von LEDs oder der Ausgangsleistung, und/oder die Erkennung von Fehlerzuständen. Die Regelschaltung 14 kann auch mit dem AC/DC-Wandler gekoppelt sein, um beispielsweise die Busspannung anzupassen.

[0053] Wie in FIG. 3 schematisch dargestellt ist, kann bei dem LED-Konverter 2 der Ausgansstrom, der an die LEDs 3 bereitgestellt wird, geregelt werden, ohne dass dafür eine Messung auf der SELV-Seite durchgeführt werden muss und/oder ohne dass ein entsprechendes Messergebnis über die SELV-Barriere zurückgeführt werden muss. Die Regelschaltung 14 ist so eingerichtet, dass sie abhängig von einem primärseitig gemessenen Peakstrom wenigstens eine Komponente der primärseitigen Schaltung 11 steuert, um den Ausgangsstrom, der von dem Betriebsgerät 2 an die LEDs 3 bereitgestellt wird, auf einen gewünschten Wert zu regeln.

[0054] Optional kann der LED-Konverter 2 noch einen Temperatursensor 8 aufweisen. Dieser kann für das oben beschriebene Verfahren eingesetzt werden. Vorzugsweise ist auch der Temperatursensor 8 mit der Regelschaltung 14 verbunden.

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Claims

Ansprüche

1. Verfahren zum Betrieb von mindestens einem Leuchtmittel (3) , das eine temperaturabhängige charakteristische Strom-/ Spannungskennlinie U(l) aufweist, mit einem LEDKonverter (2), wobei eine Regelschaltung (14) des LED-Konverters (2) als Stellgröße die Betriebsfrequenz der primärseitigen Schaltung (11) des LED-Konverters (2) steuert, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung eines instabilen Arbeitspunktes als Stellgröße ein vorgegebener Maximalwert der Betriebsfrequenz eingestellt wird, wenn niedrige Außentemperaturen vorliegen.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Maximalwert der Betriebsfrequenz stromabhängig ist und der vorgegebene Maximalwert von einer Grenzkennlinie G'(I) definiert wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Maximalwerts der Betriebsfrequenz eine veränderbare Schwelle darstellt.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwelle des Maximalwerts der Betriebsfrequenz in Abhängigkeit des Stromes mit Berücksichtigung der Lampencharakteristik veränderbar ist und dieser Maximalwert der Betriebsfrequenz so ausgelegt ist, dass eine charakteristische Kennlinie U(l) eines Leuchtmittels (3) bei Zimmertemperatur durch dies nicht eingeschränkt wird.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwelle des Maximalwerts der Betriebsfrequenz über eine Schnittstelle eines Betriebsgerät (2) für das mindestens eine Leuchtmittel (3) veränderbar ist.
6. Verfahren gemäß vorherigem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messung, vorzugsweise mit einem Temperatursensor (8), erfolgt, die zumindest entscheiden kann, ob sehr hohe Außentemperaturen, beispielsweise 35°C, oder sehr niedrige Außentemperaturen, beispielsweise - 10°C, vorliegen.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Begrenzung der Betriebsfrequenz nur dann erfolgt, wenn eine Außentemperatur von < 10 °C vorliegt.
8. Regelschaltung, vorzugsweise eine integrierte Schaltung, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
9. Betriebsgerät für mindestens ein Leuchtmittel (3), aufweisend eine Regelschaltung (14) nach Anspruch 8.
10. Leuchte, aufweisend ein Betriebsgerät (2) nach Anspruch 9 und mindestens ein Leuchtmittel (3).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Fig. 1

Fig. 2 ^UF

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Fig. 3

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