DE102005058222A1

DE102005058222A1 - Verfahren zur Fehlerdetektion beim Betrieb von Hochdruckentladungslampen an EVGs

Info

Publication number: DE102005058222A1
Application number: DE102005058222A
Authority: DE
Inventors: Stefan Boldt; Joachim MÜHLSCHLEGEL
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2005-12-06
Filing date: 2005-12-06
Publication date: 2007-06-14
Also published as: EP1958488A1; CA2630909A1; US20090179571A1; JP2009518791A; CN101356860A; WO2007065814A1

Abstract

Bei einem Betrieb einer Hochdruckentladungslampe an einem mit einem Mikroprozessor betriebenen EVG wird ein Zustandsautomat verwendet, um bestimmte Fehlfunktionen auszuschließen.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Fehlerdetektion beim Betrieb von Hochdruckentladungslampen an EVGs, insbesondere an EVGs mit einem integriertem Mikroprozessor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es handelt sich dabei insbesondere um Metallhalogenidlampen, insbesondere für Allgemeinbeleuchtung, oder auch um Natriumhochdrucklampen. Der Begriff EVG steht für Elektronisches Vorschaltgerät.

Stand der Technik

Aus der EP-A 1 476 003 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe bekannt, bei dem eine Detektionseinrichtung eine Fehlfunktion zu verhindern sucht.

Darstellung der Erfindung

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, das eine verbesserte Fehlerdetektion gewährleistet und insbesondere die Nachteile des Stand der Technik vermeidet.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.

Der Betrieb von Halogenmetalldampflampen gliedert sich grob in verschiedene Zustände, die zeitlich in einer bestimmten Ablauf befinden. Gibt es eine Abweichung von dieser Ablauffolge, so ist die Lampe defekt und dem EVG ist es nicht möglich, in den darauf folgenden logisch richtigen Zustand zu wechseln. Dies wird als verbotener Zustand bezeichnet und in diesem schaltet das EVG die Lampe bis zum nächsten Netz-Reset ab. Bewirkt wird damit, dass defekte Lampen und Lampen am Lebensdauerende nicht weiterbetrieben werden. Dadurch können Gefährdungen, wie die Beschädigung von Leuchten und Fassungen durch Außenkolbenentladungen und „incandescent Mode" nicht auftreten (Brandgefahr). Der Unterschied dieser Strategie zu den im am Markt befindlichen EVG benutzten Strategien ist, dass nicht nur Spannungs- oder Zeitgrenzen zu einer Abschaltung führen, sondern dass ein Zustandsautomat benutzt wird, der nur eine ganz bestimmte Ablauffolge zulässt. Die Wechsel der Zustände des Automaten wird zwar ebenfalls von Spannungs- und Zeitparametern gesteuert, entscheidend ist aber die Reihenfolge der Zustände. Bisherige EVG können den sogenannten „incandescent mode" nicht detektieren, da sich dieser elektrisch wie eine Entladung einer hochgebrannten Lampe verhält. Durch diese Strategie kann der „incandescent mode" erst gar nicht entstehen, da Außenkolbenentladungen zu einer sofortigen Abschaltung führen. Dabei ist weiterhin die Sicherheit gegeben, gute Lampen nicht aus Versehen abzuschalten. Vorraussetzung ist, dass das EVG über einen Mikroprozessor verfügt. In diesem kann der Zustandsautomat implementiert werden. Die Schaltungstechnik (Hochsetzsteller, Tiefsetzsteller, Halbbrücke, Vollbrücke etc.) wird dadurch nicht beeinflusst.

Der erste Zustand ist die Zündung. In dem Zustand Zündung befindet sich das EVG nach dem Einschalten der Netzspannung. In diesem Zustand wird durch Abgabe von Zündspannung versucht, die Lampe zu zünden. Dabei ist es unerheblich, ob das Gerät über Puls- oder Resonanzzündung verfügt. Der Zustand Zündung kann nur durch eine der folgenden Bedingungen verlassen werden:

– Netzspannung aus,
– Zündtimer abgelaufen (beispielsweise nach 18 Min.),
– Übergang in Zustand Hochlauf nur, wenn die Brennspannung in einem Zielfenster liegt, beispielsweise zwischen 10 und 35 V beträgt.

Der zweite Zustand ist der Hochlauf, also das Einstellen eines Anlaufstroms. In den Zustand Hochlauf gelangt das EVG nur nach Durchlaufen des ersten Zustands, also nur aus dem Zustand Zündung. In diesem Zustand wird ein Hochlauftimer gestartet und die zeitabhängigen Grenzen der Spannung mit der Lampenspannung verglichen. Werden die zeitabhängigen Grenzen verletzt, ist dies ein Übergang in einen verbotenen Zustand, der zum Abschalten des EVGs führt. Der Zustand Hochlauf kann nur durch folgende Bedingungen verlassen werden:

– Netzspannung aus,
– ggf. Berücksichtigung interner EVG-Parameter wie beispielsweise der im EVG erreichten Temperatur,
– Übergang in den nächsten Zustand Normalbetrieb nach einem Zeitfenster, insbesondere frühestens nach 15 s und spätestens nach 160 s, und außerdem, wenn die Brennspannung einen Schwellwert übersteigt, insbesondere wenn sie über 70 V beträgt. Steigt die Brennspannung bereits vor Beginn des Zeitfensters, beispielsweise bereits nach 5 s, über den Schwellwert, hier also auf über 70 V, geht der Automat in den Verbotenen Zustand über. Dieser frühzeitige Fehler wird als incandescent mode bezeichnet.

Der dritte Zustand ist der Normalbetrieb. In den Zustand Normalbetrieb gelangt das EVG nur nach Durchlaufen des Zustands Hochlauf. Im Normalbetrieb wird ständig die Brennspannung der Lampe kontrolliert. Wird ein maximal zulässiger Wert nach oben überschritten, wird ein Timer gestartet, der die Lampe nach einem Zeitfenster, beispielsweise nach 18 Min., abschaltet. Wird ein minimal zulässiger Wert unterschritten, wird die Lampe sofort abgeschaltet. Dies verhindert den Betrieb einer Außenkolbenentladung.

Der Zustand Normalbetrieb kann nur verlassen werden, wenn:

– Netzspannung aus;
– ggf. Berücksichtigung interner EVG-Parameter wie beispielsweise der im EVG erreichten Temperatur;
– Verletzung der Spannungsgrenzen: Überschreitung des maximal zulässigen Werts, beispielsweise einer Spannungsgrenze von 120 V, nach oben führt zu einer Timerabschaltung, beispielsweise nach 18 Minuten. Eine Unterschreitung des minimal zulässigen Werts, beispielsweise einer Spannungsgrenze von 70 V, führt zum sofortigen Übergang in den Verbotenen Zustand und damit zur Abschaltung.

Darüber hinaus kennt das EVG einen vierten Zustand, den sogenannten verbotenen Zustand. In den verbotenen Zustand kommt das EVG, wenn die Bedingungen für einen Zustandswechsel wie oben beschrieben, nicht erfüllt werden. Dies ist entweder eine Verletzung einer Spannungsgrenze oder eine Kombination von Zeit- und Spannungsgrenze. Im verbotenen Zustand wird das EVG abgeschaltet und erst nach Weg- und Zuschaltung des Netzes kann ein anderer Zustand erreicht werden.

Die Zustände können nur in der Reihenfolge 1–3 durchfahren werden. Dies ist der Fall für eine normale, nicht defekte Lampe. Ein Wechsel von 1 nach 3 (gleichbedeutend mit dem Auftreten des incandescent mode) oder von 3 nach 2 (gleichbedeutende mit einer Außenkolbenentladung) ist nicht erlaubt und führt unweigerlich in den verbotenen Zustand.

Im einzelnen verwendet das neue Verfahren zum Betrieb von Hochdruckentladungslampen folgende, in Zustände gegliederte Schritte:

– Zünden der Lampe;
– Einstellen eines Anlaufstroms, der so gering gewählt ist, dass Elektroden einer angeschlossenen Lampe nicht beschädigt werden;
– Normalbetrieb, wobei eine Detektionseinrichtung feststellt, ob der eingestellte Anlaufstrom die Lampe in einen Zustand versetzt, bei dem die Lampe die Soll-Leistung aufnimmt, und wobei der Anlaufstrom erhöht wird, für den Fall dass detek tiert wird, dass der eingestellte Anlaufstrom nicht ausreicht, um die Lampe in einen Zustand zu versetzen, bei dem sie die Soll-Leistung aufnimmt, wobei ein Zustandsautomat den Betrieb steuert.

Ein Zustandsautomat ist ein Automat, der abhängig von seinem Speicher (innerer Zustand) unterschiedlich auf gleiche Eingangsgrößen reagieren kann.

Bei Entladungslampen für die Allgemeinbeleuchtung gibt es einen Lampendefekt, der als "incandescent mode" bezeichnet wird. Dieser entsteht, wenn das Entladungsgefäß undicht wird und Füllung und Füllgas in den Außenkolben gelangen. Bei dem Start einer solchen Lampe kann nun eine Außenkolbenentladung entstehen. Durch dieser Entladung wird Material der Stromzuführung im Außenkolben verdampft, welches sich auf der Innenwand des Außenkolbens niederschlägt. Dort bildet es leitfähige Beläge. Sind die leitfähigen Beläge so angeordnet, dass sie Verbindung zu den Stromzuführungen haben, kommt es zum "incandescent mode". Der "incandescent mode" ist ein Glühen dieses Belags durch den Stromfluss. Dieser Modus ist in der Regel anhand der elektrischen Parameter nicht unterscheidbar von einer Lampe im normalen hochgebrannten Zustand, da er weder Asymmetrien noch Brennspannungen hat, die sich von einem Normalbetrieb unterscheiden.

Bisher ist es nicht möglich, diesen Zustand zu unterbinden, da bekannte Verfahren zum Betreiben derartiger Lampen nur momentane Spannungs- und Stromwerte messen und auf diese anhand von Grenzwerten und Steigungen von Kennlinien reagieren. Mit einem Zustandsautomaten ist es jedoch möglich, auch diesen unerwünschten Zustand zu unterbinden.

Der Zustandsautomat muss dabei die gleichen Verfahren, wie im Stand der Technik beschrieben, benutzen, um seinen Zustand festzulegen. Durch die Festlegung einer ganz bestimmten Reihenfolge des Durchlaufens dieser Zustände kann erst der incandescent mode bzw. seine Entstehung unterbunden werden. Also führt das Auftreten einer gleichen Eingangsgröße, z.B.: Brennspannung wie im Normalbetrieb), aber ein momentaner innerer Zu stand des Automaten, der keinen Folgezustand "hochgebrannte Lampe" zulässt, zur Abschaltung.

Da dieser Zustand "incandescent mode" bisher nicht erkannt werden konnte, wurde unter anderem aus diesem Grunde den Leuchtenherstellern empfohlen, keine Kunststofffassungen für Entladungslampen einzusetzen, da diese beim "incandescent mode" schmelzen oder gar brennen können. Diese Beschränkung kann jetzt entfallen, wodurch billigere Fassungen verwendet werden können.

Als Anwendungsfeld kommen Metallhalogenidlampen und Natriumhochdrucklampen in Betracht, die ein Entladungsgefäß in einem Außenkolben besitzen.

Der Zustandautomat kann die drei Zustände voneinander unterschieden. insbesondere stellt er sicher, dass der Übergang von Zustand 1 nach Zustand 3 ausgeschlossen ist. Insbesondere stellt er auch sicher, dass der Übergang von Zustand 3 nach Zustand 2 ausgeschlossen ist.

Die Erfindung umfasst auch ein Betriebsgerät zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe, wobei das Betriebsgerät insbesondere ein EVG ist, das mit einem Mikroprozessor betrieben wird, mit folgenden Merkmalen:

– eine Regeleinrichtung;
– eine Stelleinrichtung;
– eine Detektionseinrichtung;
– eine Steuereinrichtung; wobei das Betriebsgerät zusätzlich einen Zustandsautomaten umfasst, der in der Detektionseinrichtung untergebracht ist, oder mit dieser zusammenwirkt. Der Zustandsautomat kann beispielsweise im Mikrokontroller integriert sein. Er kann insbesondere im Steuergerät untergebracht sein, beispielsweise als ASIC oder Steuer-IC.

Die Regeleinrichtung ist dazu geeignet, die Leistung der angeschlossenen Lampe auf eine Soll-Leistung zu regeln. Die Stelleinrichtung ist dazu geeignet, einen Lampenstrom der Lampe auf einen Grenzwert zu begrenzen. Die Detektionseinrichtung ist so ausgelegt, dass sie an eine Steuereinrichtung ein Signal gibt, falls eine Grenzwerteinstellung zu gering ist, um eine angeschlossene Lampe in einen Zustand zu versetzen, bei dem die Lampe die Soll-Leistung aufnimmt. Die Steuereinrichtung gibt der Stelleinrichtung den Grenzwert vor und sie erhöht ggf. den Grenzwert, falls die Detektionseinrichtung ein Signal an die Steuereinrichtung sendet. Einzelheiten sind beispielsweise in EP-A 1 476 003 zu finden.

Bei diesem Betrieb einer Hochdruckentladungslampe an einem mit einem Mikroprozessor betriebenen EVG wird also ein Zustandsautomat verwendet um bestimmte Fehlfunktionen auszuschließen.

Eine fehlerlose Lampe (ohne Incandescent-Mode oder andere Fehler) zeichnet sich dadurch aus, dass sich die Brennspannung beim Hochlauf der Lampe stetig und in bestimmten Bereichen sogar monoton steigend verhält. Während des Hochlaufs wird der Lampenstrom vom EVG vorgegeben. Normalerweise wird der Lampenstrom näherungsweise konstant und näherungsweise stetig vorgegeben. Dabei ändert sich die Brennspannung der Lampe so langsam, dass der zeitliche Verlauf der Brennspannung von einem Mikrokontroller ohne technische Schwierigkeiten gemessen werden kann. Kurze zeitliche Änderungen der Brennspannung, die im Zeitbereich kleiner 0,2 ms bis kleiner 20 ms auftreten, werden bei der Messung durch zeitliche Mittelung bzw. durch Tiefpassfilterung unterdrückt. Die Mittelung bzw. Tiefpassfilterung kann dabei analog und oder digital vorgenommen werden.

Als notwendige Bedingungen für die Erkennung einer fehlerfreien Lampe werden eines oder mehrere der folgenden drei Kriterien herangezogen:

1) Stetigkeit der Brennspannung beim Hochlauf d.h. es dürfen keine Sprünge im zeitlichen Verlauf auftreten, welche größer als ein bestimmter Betrag sind. Kurzzeitige Sprünge werden ausgefiltert.
2) Bei diesem Kriterium wird der erste steile Anstieg der Lampenspannung, der im Bereich 10s bis 30s nach dem Start der Lampe einsetzt, ausgenutzt.

Das EVG, insbesondere eine Auswerteeinheit im Mikrokontroller, muss einen Zeit-Abschnitt mit geeigneter Länge finden, in dem die Lampenspannung streng monoton ist und die Steigung der Lampenspannung über der Zeit in einem bestimmten Wertebereich liegt.

Ein konkretes Ausführungsbeispiel für einen Wertebereich für eine 35 W-Lampe ist ein Zeitfenster, das 4 s lang ist. In diesem Zeitfenster soll die Steigung der Lampenspannung für die gesamte Dauer des Zeitfensters im Bereich 1,5V/s bis 6V/s liegen.

3) Positive Steigung der Lampenspannung beim Anlauf, d.h. in einem bestimmten Zeitbereich nach dem Lampenstart. Dabei erfolgt bevorzugt eine geeignete Mittelung über die Bereiche hinweg, in denen die Steigung der Lampenspannung für kurze Zeit negativ oder null ist am einfachsten werden diese Bereiche ausgefiltert.

Figuren
Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
1 das Brennspannungsverhalten im Anlauf eines Bündels von Systemen von EVG und Lampe;
2 das Anlaufverhalten einer Lampe über die Zeit;
3 zeigt das Flussdiagramm mit allen Zuständen.
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
1 zeigt die Brennspannung (in Volt) im Anlauf am EVG von insgesamt 77 Metallhalogenidlampen. Es sind Lampentypen von 35–150 W mit Entladungsgefäß aus Quarzglas sowie mit zylindrischem und bauchigem keramischen Entladungsgefäß vertreten. Auch alle Brennlagen wurden variiert. Da diese Messungen das gesamte Spektrum der Halogenmetalldampflampen abdeckt, kann man aus diesen Kurven auf die Spannungs- und Zeitgrenzen schließen, die zu einer Abschaltung führen müssen. Eine fehlerlose Lampe, also ohne Incandescent-Mode oder andere Fehler, zeichnet sich dadurch aus, dass sich die Brennspannung beim Hochlauf der Lampe stetig und in bestimmten Bereichen sogar monoton steigend verhält
In 2 ist beispielhaft der Anlauf der Brennspannung einer einzelnen Halogenmetalldampflampe als Funktion der Zeit dargestellt. Kurve A definiert den Zustand "Zündung", der auf maximal 18 Minuten begrenzt ist. Kurve B definiert das Zeitfenster des zweiten Zustands "Hochlauf'; es beträgt minimal 15 s und maximal 160 s. Hier ist zusätzlich die zeitabhängige Spannungsober- und untergrenze BO bzw. BU für den Zustand "Hochlauf' eingezeichnet. Danach schließt sich der dritte Zustand Normalbetrieb N an. Hier sind die Ober- und Untergrenzen NO und NU nicht zeitabhängig. Die Zündung selbst und ihre Zeitgrenze ist nicht dargestellt, lediglich mit den Rauten das Zeitfenster symbolisiert und mit der Linie Z der Spannungsbereich, in dem die Zündung stattfindet. Das tatsächliche Brennverhalten der Lampe ist mit LP bezeichnet. Diese Figur verdeutlicht am Beispiel einer Metallhalogenidlampe die beiden erlaubten Zustandswechsel von Zustand 1→2 (Linie ZW 12) und von Zustand 2→3 (Linie ZW 23). Andere Wechsel sind nicht gestattet.
Alle Werte der Untergrenze BU für den zeitabhängigen Hochlauf der Lampe werden im Speicher eines Mikroprozessors als Tabelle abgelegt. Die Obergrenzen BO und NO sowie die Untergrenze im Normalbetrieb NU sind Einzelwerte, die nicht zeitabhängig sind.
3 zeigt das Flussdiagramm mit allen Zuständen. Nach dem Einschalten der Netzspannung startet eine Zeitfenster für den Zündtimer. Die Lampe geht in den Zustand 1 über. Wenn alle Kriterien erfüllt sind, geht die Lampe in den Zustand 2 über, nachdem ein Zeitfenster für den Hochlauftimer gestartet wurde. Wenn alle Kriterien erfüllt sind, geht die Lampe in den Zustand 3 über, den Normalbetrieb. Das Verhalten im Fehlerfall führt zum Zustand 4, dem verbotenen Zustand, der zum Abschalten der Lampe führt.

Claims

Verfahren zum Betrieb von Hochdruckentladungslampen mit folgenden Schritten: – Zünden der Lampe; – Einstellen eines Anlaufstroms, der so gering gewählt ist, dass Elektroden einer angeschlossenen Lampe nicht beschädigt werden; – Normalbetrieb, wobei eine Detektionseinrichtung feststellt, ob der eingestellte Anlaufstrom die Lampe in einen Zustand versetzt, bei dem die Lampe die Soll-Leistung aufnimmt, und wobei der Anlaufstrom erhöht wird, für den Fall dass detektiert wird, dass der eingestellte Anlaufstrom nicht ausreicht, um die Lampe in einen Zustand zu versetzen, bei dem sie die Soll-Leistung aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zustandsautomat den Betrieb steuert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustandautomat die drei Zustände voneinander unterschieden kann.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustandsautomat den Übergang von Zustand 1 nach Zustand 3 verbietet.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustandsautomat den Übergang von Zustand 3 nach Zustand 2 verbietet.
Betriebsgerät zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe mit folgenden Merkmalen: – eine Regeleinrichtung; – eine Stelleinrichtung; – eine Detektionseinrichtung; – eine Steuereinrichtung; dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsgerät zusätzlich einen Zustandsautomaten umfasst.