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Die
Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Regelung des Betriebs einer
Gasentladungslampe.
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Hintergrund
der vorliegenden Erfindung ist ganz allgemein die Leistungsregelung
von Gasentladungslampen, die mit Wechselspannung betrieben werden,
mittels eines vorgeschalteten Betriebsgeräts. Im Falle von Leuchtstofflampen
oder Hochdruck-Gasentladungslampen wird üblicherweise von einem Vorschaltgerät, insbesondere
einem elektronischen Vorschaltgerät gesprochen.
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Bekannt
ist es dabei, einem derartigen Betriebsgerät extern, beispielsweise über einen
angeschlossenen Datenbus Sollwerte zuzuführen, die eine anzusteuernde
Lampenleistung vorgeben.
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Das
Vorschaltgerät
wird dann einen Ansteuerwert für
die Lampenleistung erzeugen, wobei dieser Ansteuerwert im Fall von
mit Wechselspannung versorgten Gasentladungslampen beispielsweise
die Frequenz der zugeführten
Wechselspannung ist, um somit ein Dimmen unter Ausnutzung der bekannten Resonanzkurve
derartiger Lampen in einem Resonanzlastkreis auszunützen.
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Es
ist weiterhin bekannt, einen Parameter, wie beispielsweise die Lampenspannung
und/oder den Lampenstrom zu erfassen, der die Lampenleistung wiedergibt.
Ein derartiger Parameter wird also an das Betriebsgerät zurückgeführt und
dann mit dem extern vorgegebenen Sollwert verglichen. Daraus ergibt
sich wiederum eine Regeldifferenz, die durch einen mittels soft-
und/oder hardwareimplementierten Regelalgorithmus gewichtet wird,
um einen modifizierten Ansteuerwert für die Lampenleistung zu erzeugen.
Ziel einer derartigen Regelung ist es natürlich, die Regeldifferenz auf
Null zu führen,
so dass die tatsächlich
vorliegende Lampenleistung (so wie sie durch den entsprechenden
Parameter wiedergegeben ist) dem extern vorgegebenen Sollwert weitgehend
entspricht.
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Neben
der getreuen Wiedergabe des externen Sollwerts ist es natürlich auch
ein Ziel einer jeden Leistungsregelung für Gasentladungslampen einen stabilen
Betrieb auch bei unterschiedlichen Bedingungen, beispielsweise unterschiedlichen
Dimmstufen und unterschiedlichen Umgebungstemperaturen zu gewährleisten.
Bereits bei normalen Bedingungen (hohe Dimmwerte, übliche Umgebungstemperaturen)
ist diese Aufgabe aufgrund der extremen Nichtlinearität einer
Gasentladungslampe durchaus anspruchsvoll.
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Gerade
bei niedrigen Dimmwerten wird die Regelung durch die nichtlineare
Abhängigkeit
der Leistungsaufnahme von der Betriebsfrequenz erschwert. Geringste
Frequenzänderungen
könne daher
in diesem Fall starke Änderungen
der Lampenleistung bewirken.
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Die
Erfindung setzt an diesem Punkt an und schlägt eine Technik vor, um die
Leistungsregelung einer Gasentladungslampe auch unter den genannten
Bedingungen niedriger Dimmwerte/niedrige Temperaturen zu gewährleisten.
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Zentraler
Gedanke der Erfindung ist es dabei, dass bei derartigen Bedingungen
die genaue Einhaltung des extern vorgegebenen Sollwerts (Dimmwerts)
eine niedrigere Priorität
als dem Betrieb der Lampe bei einem stabilen Arbeitspunkt eingeräumt wird.
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Genauer
gesagt wird diese Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die
abhängigen
Ansprüche bilden
den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter
Weise weiter.
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Die
Erfindung sieht also gemäß einem
ersten Aspekt ein Verfahren zur Regelung des Betriebs einer Gasentladungslampe
vor. Dabei wird extern ein Sollwert für die Lampenleistung, also
ein Dimm-Sollwert vorgegeben. Es wird ein Parameter an der Lampe
erfasst, der ein Indiz für
die Lampenleistung ist. Dieser Parameter wird als Istwert zurückgeführt. Schließlich wird
ein Ansteuerwert für
die Lampenleistung abhängig
von der durch eine Reglerfunktion gewichteten Differenz des Sollwerts
und des genannten zurückgeführten Istwerts
erzeugt. Erfindungsgemäß wird dabei
der Sollwert modifiziert, wenn auf Grundlage der Reglerdifferenz
erkannt wird, dass Instabilitäten
in der Regelschleife vorliegen. Die Regelschleife umfasst insbesondere
den Lastkreis mit der Gasentladungslampe. Durch die Modifizierung
des Sollwerts wird also einem korrekten Betrieb mit stabilen Arbeitspunkt
eine höhere
Priorität
als der genauen Abbildung des extern vorgegebenen Sollwerts eingeräumt.
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Üblicherweise
wird die Modifikation des Sollwerts in einer Erhöhung des Sollwerts über den
extern vorgegebenen Wert hinaus bestehen, da regelmäßig eine
Erhöhung
des Sollwerts zu einem stabileren Betrieb bei höherer Dimmleistung führt.
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Eine
Instabilität
in der Regelschleife kann erkannt werden, wenn die Reglerdifferenz,
d.h. die Differenz zwischen Sollwert und Istwert, zeitliche Schwankungen
aufweist. Diese können
beispielsweise zyklischer Natur sein.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann eine Instabilität
der Regelschleife auch dann erkannt werden, wenn eine statische
Reglerdifferenz besteht, die durch die normale Reglerfunktion nicht
ausgeregelt werden kann.
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Die
Modifikation des Sollwerts kann auf niedrige externe Sollwerte und/oder
niedrige Temperaturen beschränkt
werden.
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Die
Modifikation des Sollwerts kann natürlich zurückgenommen werden, sobald die
Regelschleife wieder als stabil erkannt wird. Somit wird sich dann auch
die Lampenleistung dem extern vorgegebenen Sollwert annähern.
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Die
Modifikation des Sollwerts kann kontinuierlich durchgeführt werden.
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Die
Modifikation des Sollwerts kann mit einer Zeitkonstante ausgeführt werden,
die im Verhältnis zu
den Instabilitäten
der Regelschleife gross und der Dynamik der Regelschleife ist.
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Eine
derartige Reglerfunktion kann digital, aber auch analog bzw. hybrid
implementiert sein.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf einen Steuerbaustein
für ein
Lampenbetriebsgerät,
der für
ein derartiges Verfahren ausgelegt ist und beispielsweise ein ASIC
oder ein Mikrocontroller sein kann.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf Betriebsgeräte für Gasentladungslampen, wie
beispielsweise EVGs (elektronische Vorschaltgeräte für Leuchtstofflampen oder Hochdruck-Gasentladungslampen),
die einen derartigen Steuerbaustein aufweisen bzw. zur Unterstützung des
eingangs genannten Verfahrens geeignet sind.
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Schließlich bezieht
sich die Erfindung auch auf ein Computersoftware-Programmprodukt,
dass ein derartiges Verfahren implementiert, wenn es auf einer Recheneinrichtung
läuft.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung
sollen nunmehr Bezug nehmend auf die Figuren der in der Anlage beigefügten Zeichnungen
und anhand der folgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
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1 zeigt
dabei eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Reglerschaltung
und
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2 zeigt
zeitliche Abläufe
von Parametern in der Reglerschleife.
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In 1 ist
eine elektronische Reglerschaltung für den Betrieb einer Gasentladungslampe 2 mit dem
Bezugszeichen 1 versehen. Diese Reglerschaltung 1 kann
analog und/oder digital implementiert sein. Beispielsweise können die
dargestellten Funktionen durch einen Mikrocontroller und insbesondere durch
ein ASIC implementiert werden. Die Lampe 2 ist Teil eines
Lastkreises 3, der eine RL-Resonanzschaltung 4 aufweist.
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Aufgrund
der vom Betriebspunkt abhängigen Impedanz
einer Gasentladungslampe ist diese schematisch als sich veränderbarer
Widerstand dargestellt.
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Dem
Lastkreis 3 wird eine hochfrequente Wechselspannung zugeführt, die
am Mittenpunkt 5 einer Halbbrückenschaltung 6 mit
zwei elektronischen Schaltern (FETs) abgegriffen wird. Die Schalter
der Halbbrücke
sind wiederum mit einer DC-Versorgungsspannung Vbus versorgt.
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Wie
in der Figur weiterhin ersichtlich, ist die Schaltung 1,
die Teil eines Betriebsgeräts
für die Lampe 2 ist,
an eine Datenbusleitung 7 angeschlossen, die verschiedenartige
Befehle, insbesondere Sollwerte für die Leistung der Lampe 2 (sogenannte Dimmwerte)
einer Dimmschnittstelle 8 zuführen kann. Die Dimmschnittstelle 8 ist
mit einem Systemcontroller 9 verbunden und steht mit diesem
in bidirektionaler Kommunikation, wobei der System-Controller 9 über Firmware
implementierte Funktionen aufweist. Der System-Controller ist mit
einem Systemspeicher (system memory) 10 in bidirektionaler Kommunikation.
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Weiterhin
weist die Schaltung 1 wie üblich einen Systemtaktgeber
(System Clock) 11 auf.
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Vom
Lastkreis 3 wird ein Signal 12 abgegriffen, das
die aktuelle Leistung der Lampe 2 wiedergibt. Beispiele
für ein
derartiges Signal sind beispielsweise die Lampenspannung und/oder
der Lampenstrom.
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Dieses
Signal 12 wird der Schaltung 1 zugeführt und
dort durch einen AD-Converter 13 digitalisiert.
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Der
Systemcontroller 9 gibt abhängig von dem extern zugeführten Sollwert
(Dimmwert) einen Stellwert für
die Regelschaltung vor. Dieser vorgegebene Stellwert wird mit dem
erfassten und digitalisierten Signal 12 verglichen und
dann als Regeldifferenz einem Regler 14 zugeführt. In
dem Regler 14 ist ein an sich bekannter Regelalgorithmus
implementiert. Der Regler 14 erzeugt abhängig von
der erfassten Reglerdifferenz einen Ansteuerwert für eine Treiberschaltung 15,
die wiederum die Schalter der Halbbrückenschaltung 6 beispielsweise
mittels PWM-Modulation
ansteuert.
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Erfindungsgemäß hängt nunmehr
der Stellwert, der mit dem Istwert 12 verglichen wird,
nicht nur von dem extern vorgegebenen Wert von der Dimmschnittstelle 8 ab.
Vielmehr ist eine Reglerdifferenz-Erfassungseinheit 16 vorgesehen,
die die Reglerdifferenz auswertet und insbesondere den zeitlichen
Verlauf sowie die statischen Eigenschaften der Reglerdifferenz ermittelt.
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Beispielsweise
kann die Reglerdifferenz-Erfassungseinheit 16 dazu ausgelegt
sein, statisch nicht ausgeregelte Reglerdifferenzen zu ermitteln und/oder
Instabilitäten
der Reglerdifferenz, insbesondere zyklischer Art, zu erfassen und
ein dementsprechendes Reglerdifferenz-Erfassungssignal an den System-Controller 9 zu
senden.
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Wenn
also die Reglerdifferenz-Erfassungseinheit 16 derartige
Merkmale der Reglerdifferenz erfasst, kann der System-Controller 9 abhängig von den
erfassten Besonderheiten in der Reglerdifferenz den Stellwert abweichend
von dem über
die Dimmschnittstelle 8 empfangenen externen Sollwert vorgeben
und/oder Vorgaben für
die Reglerdifferenz-Erfassungsschaltung 16 machen.
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Die
Reglerdifferenz-Erfassungseinheit 16 kann im übrigen auch
Teil des Controllers 9 sein in Form eines Auswertealgorithmus
implementiert sein.
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Allerdings
kann die Reglerdifferenz-Erfassungseinheit 16 auch als
(insbesondere festverdrahtete) Logikschaltung oder als Hybrideinheit
ausgebildet sein.
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Bevorzugt
wird die Regeldifferenz in einem ersten Schritt von einer festverdrahtete
Logikschaltung in Bezug auf die Amplitude und die zeitlichen Änderungen
gefiltert (siehe Signalverlauf „Gefiltert" in 2). D.h.,
erst wenn eine Änderung über einem definierten
Schwellenwert während
einer definierten Zeitdauer besteht, wird ein Signal „unzulässige Reglerdifferenz" gesetzt.
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Dieses
Signal wird dann von der Firmware des Controllers 9 ausgewertet
und bei gesetztem Signal der Sollwert hochgezählt und bei nicht gesetztem
Signal heruntergezählt.
Die Schrittweite und die Taktrate des Zählens kann einstellbar sein,
bspw. in Abhängigkeit
von der Lampenleistung.
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Im übrigen kann
der System-Controller 9 auch ggf. die Eigenschaften, insbesondere
die dynamischen Eigenschaften der in dem Regler 14 implementierten
Reglerfunktion einstellen. Gerade zu diesem Zweck kann er beispielsweise
Parametersätze in
dem Systemspeicher 10 zugreifen.
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Wenn
die Lampe 2 bei niedrigen Temperaturen und/oder niedrigen
Dimmwerten betrieben wird, ist es ein bekanntes Phänomen, dass
die Regelschleife instabil wird, was sich darin äußert, dass eine statische,
nicht ausregelbare Reglerdifferenz entsteht und/oder die Regeldifferenz
hohe Instabilitäten (Schwankungen)
aufweist.
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Ein
Beispiel dafür
ist in 2 dargestellt. In 2 ist angenommen,
dass zu einem Zeitpunkt t1 der externe vorgegebene
Sollwert von einem höheren
Dimmwert S2 auf einen niedrigen Dimmwert S1 geändert wird.
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Bei
diesem Sollwertsprung ergibt sich eine übliche und als solche unproblematische
verhältnismäßig kurzzeitige
Reglerdifferenz, die wie in 2 ersichtlich
ausgeregelt werden kann. Allerdings treten bei dem Betrieb bei niedrigem
Sollwert, d.h. nach dem Zeitpunkt t1, beginnend
etwa mit dem Zeitpunkt t2 Stabilitäten in der
Reglerdifferenz auf, die sich resonanzartig in steigenden im wesentlichen
zyklischen Amplituden aufschwingen können.
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Die
Reglerdifferenz kann wie in 2 dargestellt
gefiltert werden, wobei zu dem Zeitpunkt t2 der gefilterte
Reglerdifferenzwert einen vorgegebenen Sollwert überschreitet. Zu einem Zeitpunkt
t3, bei dem also anhand eines erneuten Überschreitens
des zulässigen
Maximalwerts für
die Reglerdifferenz eine zyklische Instabilität der Reglerdifferenz und somit eine
Instabilität
der Reglerschleife erkannt wird, veranlasst der System-Controller 9,
dem ein entsprechendes gefiltertes Signal von der Reglerdifferenz-Erfassungseinheit 16 zugeführt wird,
dass der Sollwert über
den eigentlich extern vorgegebenen Sollwert S1 hinaus erhöht wird,
um eine Stabilisierung der Regelschleife zu erzielen. Im dargestellten Beispiel
sie angenommen, dass sich durch die Erhöhung bis zu einem Zeitpunkt
t4 tatsächlich
wie anhand des gefilterten Reglerdifferenzsignals erkannt, eine Stabilisierung
der Regelschleife ergeben hat. Allerdings wird zu einem Zeitpunkt
t5 festgestellt, dass die Zurücknahme
des Sollwerts zwischen dem Zeitpunkt t4 und
t5 durch den System-Controller 9,
um also die Leistung der Lampe 2 wieder näher an den
extern vorgegebenen Dimmwert 8 zu bringen, sich die Regelschleife
wieder destabilisiert hat.
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Dies
ist ein Anlaß für den System-Controller 9,
wiederum kontinuierlich (und nicht etwa durch einen Sollwertsprung)
in einem Zeitraum zwischen den Zeitpunkten t5 und
t6 den Sollwert über den extern vorgegebenen
Sollwert hinaus zu erhöhen.
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Es
ist festzuhalten, dass die von dem System-Controller 9 ausgeführte Modulation
des Sollwerts in beiden Richtungen (d.h. sowohl in der Änderung
abweichend vom extern vorgegeben Wert wie auch beider Annäherung)
kontinuierlich ausgeführt wird.
Die Zeitkonstante ist verhältnismässig gross
(im Vergleich zu den typischen Instabilitäten der Regelschleife bzw.
der Dynamik der Regelschleife), so dass laufend überprüft werden kann, ob der Sollwert weiter
an den extern vorgegeben Wert angenähert, also üblicherweise weiter erniedrigt
werden kann.