DE102006042954A1

DE102006042954A1 - Zündung von Gasentladungslampen unter variablen Umgebungsbedingungen

Info

Publication number: DE102006042954A1
Application number: DE102006042954A
Authority: DE
Inventors: Dirk Dworatzek; David Dr. Buso
Original assignee: Tridonicatco GmbH and Co KG
Current assignee: Tridonic GmbH and Co KG
Priority date: 2006-09-13
Filing date: 2006-09-13
Publication date: 2008-03-27
Also published as: CN101146393A; ATE438286T1; CN101146393B; EP1901591A1; DE502007001177D1; EP1901591B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Betrieb von mit Wechselspannung betriebenen Lampen, insbesondere Leuchtstofflampen, wie z. B. Gasentladungslampen. Zur Regelung des Betriebs von mindestens einer mit Wechselspannung betriebenen Leuchtstofflampe werden folgende Schritte ausgeführt: - gezielte Überlagerung einer Gleichspannung an die Leuchtstofflampe, - Ermittlung des Gleichspannungsanteils der Leuchtstofflampe und - Regelung der Lampenleistung der Leuchtstofflampe mit einerseits dem ermittelten Gleichspannungsanteil als Regelgröße und andererseits einer variablen Gleichspannungs-Führungsgröße.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Betrieb von mit Wechselspannung betriebenen Lampen insbesondere Leuchtstofflampen, wie z.B. Gasentladungslampen. Die Erfindung betrifft die Regelung für derartige Lampen unter Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise der Umgebungstemperatur. Derartige Regelungen werden in Betriebsgeräten wie beispielsweise elektronischen Vorschaltgeräten verwendet.
Leuchtstofflampen, die mit dimmbaren elektronischen Vorschaltgeräten betrieben werden, können dementsprechend einerseits in der Nähe des Nominalbetriebs – und somit bei Nominalleistung – und andererseits mit gedimmter, d.h. reduzierter Lampenleistung betrieben werden. Der Betrieb mit Nominalleistung ist verhältnismäßig unproblematisch im Vergleich zu dem Betrieb mit reduzierter, insbesondere stark reduzierter Lampenleistung. Dementsprechend sind im Vergleich zu dem Betrieb mit Normalleistung die zulässigen Lampen-Umgebungstemperaturen im Dimmbetrieb wesentlich enger spezifiziert. Bei geringen Dimmwerten spielt nämlich die Lampen-Umgebungstemperatur eine größere Rolle für eine stabile Regelung der gedimmt betriebenen Leuchtstofflampen, d.h. eine Regelung mit konstanter Lichtleistung und insbesondere eine Regelung, die ein unerwünschtes Verlöschen der Lampe sicher verhindert.
Die stärkere Lampen-Umgebungstemperaturabhängigkeit bei niedrigen Dimmwerten ist u.a. dadurch verursacht, dass die Lampenspannung bei niedrigeren Umgebungstemperaturen und kleinen Lampenströmen (wie sie bei gedimmter Lampenleistung auftreten) stark ansteigt und ggf. unzulässig hohe Werte annehmen kann. Für dieses Phänomen ist natürlich die Temperatur in der unmittelbaren Umgebung der Lampe ausschlaggebend, die nicht zwangsläufig die Umgebungstemperatur eines ggf. räumlich und thermisch von der Lampe getrennten elektronischen Vorschaltgeräts sein muss. Somit kann die Temperatur des elektronischen Vorschaltgeräts auch nicht unmittelbar zur Beurteilung der Lampenumgebungstemperatur herangezogen werden.
Bei gewissen Anwendungsszenarien kann im übrigen nicht ausgeschlossen werden, dass der für geringe Dimmwerte enger spezifizierte zulässige Temperaturbereich verlassen wird, beispielsweise wenn dimmbare elektronische Vorschaltgeräte in Außenanwendungen und bei niedrigen Temperaturen im gedimmten Zustand betrieben werden.
Aus der noch nicht veröffentlichten Patentanmeldung DE 110 2005 018 763 ist es bereits bekannt, an eine Leuchtstofflampe gezielt eine Gleichspannung zusätzlich bspw. zu einer hochfrequenten AC-Spannung zu überlagern, um dann in einem weiteren Schritt die an der Lampe sich ergebende Gleichspannung regelungstechnisch auszuwerten. Dieser Gleichspannungsanteil wird der Leuchtstofflampe dadurch zugeführt, dass ein Gleichspannungspfad parallel zur Wechsel-Betriebsspannung für die Leuchtstofflampe vorgesehen ist. Die Erfassung des Gleichspannungsanteils der Leuchtstofflampenspannung erfolgt bei diesem Stand der Technik nur bei gezündeter Lampe. Vor der Zündung der Lampe ist dagegen ein anderer Regelkreis zum Betrieb der Leuchtstofflampe vorgesehen. Zum Zeitpunkt des Zündens der Lampe muss also auf die Erfassung und Auswertung des Gleichspannungsanteils umgeschaltet werden. Diese Umschaltung zwischen zwei Regelkreisen kann indessen insofern problematisch sein, als sie beispielsweise zu einem sichtbaren Lampenleistungssprung führen kann, der für das menschliche Auge sichtbar sein kann.
Weiterhin ist bei diesem Stand der Technik eine Zünderkennung durch Detektieren einer stark absinkenden Lampenspannung notwendig, um auf die Gleichspannungsauswertung und die entsprechende Regelungsschaltung umschalten zu können.
Die Erfindung hat sich dementsprechend zur Aufgabe gesetzt, eine verbesserte und vereinfachte Technik zur Regelung einer Leuchtstofflampe bereit zu stellen, die ein Verlöschen der Lampe auch unter Extrembedingungen sicher verhindern kann.
Die Erfindung setzt nunmehr an diesem Problem an und schlägt vor, bereits während des Zündvorgangs der Lampe die DC-Erfassung durchzuführen und regelungstechnisch auszuwerten.
Weiterhin ist es ein Aspekt der Erfindung, dass ein variabler DC-Wert als Sollwert vorgegeben werden kann, wobei der Sollwert vom aktuellen Betriebszustand der Lampe (beispielsweise Zünden, Brennbetrieb, etc.) abhängen kann.
Die Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche gelöst, wobei sich die Kombination der Ansprüche als besonders vorteilhafte Lösung der Aufgabenstellung auszeichnet.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Regelung des Betriebs von mindestens einer mit (typischerweise hochfrequenten) Wechselspannung betriebenen Leuchtstofflampe vorgesehen. Dabei wird der Wechselspannung gezielt eine Gleichspannung überlagert. Der Gleichspannungsanteil der Leuchtstofflampe wird ermittelt und als Regelgröße für den Betrieb der Lampe verwendet, wobei der Regelung der Lampenleistung eine variable Führungsgröße zugeführt wird.
Insbesondere wird die Regelung der Lampenleistung bereits vor ihrer Zündung vorgenommen werden und dann natürlich im Brennbetrieb fortgesetzt werden.
Die Gleichspannungs-Führungsgröße kann vom Betriebszustand der Lampe – wie beispielsweise Vorheizung, Zündung, oder Betrieb – abhängen und somit zeitlich veränderbar sein.
Der Lampenwiderstand kann vorzugsweise konstant gehalten werden.
Der Gleichspannungsanteil kann anhand eines an einem Spannungsteiler abgeleiteten Messsignals ermittelt werden.
Der Gleichspannungsanteil der Lampenspannung kann anhand der Abstände der Nulldurchgänge der Lampenspannung ermittelt werden.
Die Regelung des Lampenbetriebs kann digital erfolgen.
Ein extern vorgegebener Dimmwert kann zur Regelung der Lampenleistung berücksichtigt werden.
Die Leistung der Lampe kann abhängig von dem Wert des Gleichspannungsanteils der Lampenspannung auf einen Wert erhöht werden, der über dem extern vorgegebenen Dimmwert liegt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Betriebsgerät zur Ansteuerung von mindestens einer mit Wechselspannung betriebenen Leuchtstofflampe vorgesehen mit einer Schaltung zur gezielten Überlagerung einer Gleichspannung an die Leuchtstofflampen, einer Schaltung zur Ermittlung der Lampenspannung der Leuchtstofflampe, sowie einer Lampenregelungsschaltung, der einerseits der ermittelten Gleichspannungsanteil als Regelgröße und andererseits eine variable Gleichspannungs-Führungsgröße (als einstellbarer Sollwert) zugeführt werden.
Die Gleichspannungs-Führungsgröße kann als Digitalwert vorgegeben werden.
Insbesondere ist die Lampenregelungsschaltung dazu ausgelegt, die Lampenleistung bereits vor der Zündung der Leuchtstofflampe zu regeln.
Die Gleichspannungs-Führungsgröße kann vom Betriebszustand der Lampe – wie beispielsweise Vorheizung, Zündung, oder Betrieb – oder erfassten Betriebsparametern abhängen und somit zeitlich veränderbar sein.
Es können Mittel vorgesehen sein, die den Lampenwiderstand konstant halten.
Vorzugsweise ist ein Spannungsteiler zur Ermittlung des Gleichspannungsanteils vorgesehen.
Der Gleichspannungsanteil der Lampenspannung kann anhand der Abstände der Nulldurchgänge der Lampenspannung ermittelt werden.
Mittel können eingesetzt werden zur digitalen Regelung der Lampenleistung.
Die Lampenregelungsschaltung kann einen Eingang für extern vorgegebene Dimmwerte aufweisen.
Die Regelschaltung kann abhängig von dem Wert des Gleichspannungsanteils der Lampenspannung die Leistung der Lampe auf einen Wert erhöhen, der über dem extern vorgegebenen Dimmwert liegt.
Gemäß einem nächsten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein elektronisches Vorschaltgerät aufweisend eine oben beschriebene Schaltung vorgesehen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Leuchte mit einem derartigen Vorschaltgerät vorgesehen.
Weitere Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sollen nunmehr Bezug nehmend auf die Figuren der begleitenden Zeichnungen näher erläutert werden.
1a zeigt dabei eine schematische Darstellung relevanter Bauteile eines elektronischen Vorschaltgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung,
1b und 1c zeigen vereinfachte Schaltbilder zur Erläuterung des Hintergrunds der vorliegenden Erfindung,
2 und 3 dienen zur Erläuterung der indirekten digitalen Erfassung der Impedanz der Lampe, die dann als Parameter für die Lampentemperatur verwendet werden kann,
4 zeigt die Abhängigkeit der Lampenspannung vom Lampenspannung für verschiedene Lampentemperaturen,
5 zeigt die Abhängigkeit der Impedanz vom Lampenstrom für verschiedene Lampentemperaturen,
6 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen elektronischen Vorschaltgeräts, und
7 zeigt den Verlauf von verschiedenen Lampenparametern abhängig vom Betriebszustand der Lampe.
In 4 und 5 ist dargestellt, dass die Lampenspannung V_Dis bei niedrigen Temperaturen (s. Beispiel –15°C) im Bereich niedriger Dimmwerte (repräsentiert mittels des Lampenstroms I_Dis) sehr stark ansteigen kann und ggf. zulässige Grenzwerte übersteigen kann. In dem Referenzbeispiel von einer Lampentemperatur von 35°C tritt dieser Effekt weniger stark bzw. gar nicht auf. Gleichzeitig ist aber aus 4 zu sehen, dass die Lampenspannung V_Dis insgesamt kein eindeutiger Parameter für die Temperatur der Lampe ist. Wie ersichtlich kann im Bereich etwas höherer Lampenströme die in Lampenspannung V_Dis bei höheren Temperaturen (Beispiel 35°C) sogar diejenige bei niedrigen Temperaturen (Beispiel –15°C) übersteigen.
Die dargestellte Abhängigkeit der Lampenspannung liegt darin begründet, dass der Lampenwiderstand (d.h. die Impedanz der Entladestrecke der Lampe im jeweiligen Betriebspunkt) sowohl eine Abhängigkeit vom Entladestrom V_Dis wie auch von der Umgebungstemperatur T aufweist. In einem bestimmten Betriebspunkt, in welchem der Lampenstrom I_Dis vom Vorschaltgerät im wesentlichen konstant gehalten wird, besteht somit eine Abhängigkeit der Lampenimpedanz Z_Dis von der Umgebungstemperatur T.
Wie in 1b und 1c schematisch dargestellt, schlägt die vorliegende Erfindung nunmehr vor, der üblicherweise hochfrequenten Betriebsspannung für die Lampe U_HF gezielt eine DC-Spannung VDC aus einer hochohmigen Quelle zu lagern, so dass dann der DC-Anteil der an der Lampe anfallenden Spannung als Indikator dafür herangezogen werden kann, unter welchen Bedingungen die Lampe gerade betrieben wird:
Die Quellenspannung VDC der DC-Quelle wird gemäß dem Widerstandsverhältnis von Innenwiderstand der DC-Quelle Z_i zur Impedanz der Lampe Z_l im aktuellen Betriebspunkt aufgeteilt, wobei der Lampenwiderstand Z_l u.a. von der Umgebungstemperatur der Lampe T abhängt. Damit kann auch über das Widerstandsverhältnis ZL/(Zi + ZL)die Abhängigkeit des aus der Messung hergeleiteten DC-Anteils der Lampenspannung V_DC,ZL von der Umgebungstemperatur T der Lampe erfasst werden.
Wenn der DC-Anteil der Lampenspannung V_DC,ZL außerhalb eines definierten Bereichs liegt, und insbesondere wenn er über einem definierten Schwellenwert liegt, kann das elektronische Vorschaltgerät entsprechende Gegenmaßnahmen treffen. Sinnvollerweise wird der DC-Anteil der Lampenspannung V_DC,ZL über einen bestimmten Zeitbereich hinweg erfasst und dann gemittelt, um zeitlichen Ausgleichsvorgängen in der Lampe Rechnung zu tragen.
Wenn nunmehr dieser Mittelwert des DC-Anteils der Lampenspannung V_DC,ZL über einen zulässigen Schwellenwert hinaus ansteigt, kann das Vorschaltgerät bspw. selbsttätig die Lampenleistung erhöhen, und zwar soweit, bis der DC-Anteil der Lampenspannung V_DC,ZL wieder auf zulässige Werte, d.h. unterhalb des vorgegebenen Schwellenwerts gesunken ist. Unter 'selbsttätiger Erhöhung der Lampenleistung durch das EVG' ist dabei zu verstehen, dass das elektronische Vorschaltgerät die Lampenleistung auch über ggf. von außen zugeführte Sollwerte (Dimmbefehle, etc.) hinaus erhöht und somit der Stabilität der Lampenregelung eine höhere Priorität als der strikten Einhaltung von außen vorgegebener Sollwerte (Dimmbefehle, etc.) eingeräumt wird.
Diese Erhöhung der Lampenleistung kann erfindungsgemäß auf den Bereich geringer Dimmwerte beschränkt sein.
Wichtig ist dabei eine korrekte Einstellung der Zeitkonstanten der Regelung: Bekanntlich laufen in einer Leuchtstofflampe thermische Ausgleichsvorgänge ab, so dass die Zeitkonstante des Regelkreises in dem elektronischen Vorschaltgerät auf diese Vorgänge abgestimmt sein muss.
Wenn beispielsweise zeitlich folgend der DC-Anteil der Lampenspannung V_DC,ZL wieder absinkt, beispielsweise weil sich die Umgebungstemperatur der Lampe wieder erhöht hat, nimmt das elektronische Vorschaltgerät die Lampenleistung wieder zurück, bis entweder erneut der vorgegebene Schwellenwert für den DC-Anteil der Lampenspannung V_DC,ZL erreicht ist, oder nunmehr korrekt der vorgegebene Sollwert (Dimmbefehl, etc.) für die Lampenleistung erreicht wurde.
In 1a ist schematisch eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt.
Das erfindungsgemäße Vorschaltgerät weist einen Wechselrichter 1 auf mit zwei in Serie geschalteten, an einer Gleichspannungsquelle DC-Spannung angeschlossenen und abwechselnd getakteten Transistor-Schaltern S1 und S2. Das Schalten kann dabei durch eine Steuereinheit 2 erfolgen, die als digitale Schaltung oder integrierte Schaltung (IC) realisiert werden kann.
An dem Knotenpunkt der beiden Schalter S1 und S2 ist ein Lastkreis angeschlossen, der einen Resonanz-Lastkreis 3 und eine Lampe 4 aufweist. Der Resonanz-Lastkreis 3 besteht aus einer Induktivität L_R, einem Kondensator C_R und einem Koppelkondensator C_K.
Die Lampe 4, die schematisch mittels ihres Innenwiderstands R_disl bezeichnet ist, ist an den Resonanz-Lastkreis 3 angeschlossen und wird von der vom Wechselrichter 1 zur Verfügung gestellten hochfrequenten Wechselspannung betrieben. Die Lampe 4 kann insbesondere eine Leuchtstofflampe wie z.B. eine Gasentladungslampe sein.
Parallel zum Koppelkondensator C_K und zur Induktivität L_R ist optional eine Diode D in Serie mit einem vorzugsweise hochohmigen Widerstand R_DC geschaltet. Der Widerstand R_DC kann auch direkt and die DC-Busspannung angeschlossen werden.
Somit wird gezielt ein Gleichspannungsanteil V_DC auf die Wechsel-Betriebsspannung der Lampe 4 aufgeschlagen. Diese Gleichspannung kann auch in eine alternative Weise an die Wechselspannung der Leuchtstofflampe überlagert werden.
Wie in 1 ersichtlich, ist ein Spannungsteiler mit zwei Widerständen R1, R2 parallel zu der Lampe 4 geschaltet. An dem Schaltungsknoten zwischen den beiden Widerständen R1, R2 des Spannungsteilers wird ein Messsignal U_L abgegriffen, das der Spannung der Lampe 4 entspricht.
Dieses Messsignal U_L wird der Steuereinheit 2 und insbesondere einer Schaltung 5 und einem Sollwertgeber 6 zugeführt. Auf Grundlage dieses Messsignals U_L kann die Schaltung 5 beziehungsweise der Sollwert-Geber 6 die an der Lampe 4 abfallende Wechselspannung messen. Da aber diese Wechselspannung einen Gleichspannungsanteil enthält, wird auch von der Schaltung 5 bzw. vom Sollwert-Geber 6 ein Wert ausgewertet, der dem Gleichspannungsanteil der Lampenspannung entspricht.
Das vom Spannungsteiler erzeugte Messsignal U_L wird dem einen Eingang eines Sollwert-Gebers 6 zugeführt. Dieser Sollwertgeber 6 liefert einen Sollwert für den Gleichspannungsanteil der Lampenspannung in Abhängigkeit von der Lampenspannung, d.h. von dem Messsignal U_L und/oder in Abhängigkeit vom Betriebszustand (bspw. ungezündet/Brennbetrieb) der Lampe (variabler Sollwert).
Der Istwert bzw. die Regelgröße U_DC,ist und der Sollwert bzw. die Führungsgröße U_DC,soll werden einem DC-Regler 7 zugeführt, der je nach Regeldifferenz zwischen dem Soll- und dem Ist-Wert eine Stellgröße für die Regelung des Gleichspannungsanteils liefert. Diese Stellgröße kann sich z.B. auf die Taktfrequenz der beiden Schalter S1, S2 beziehen.
Wie schematisch in 1 dargestellt, können auch der Lampenregelungsschaltung weitere Betriebsparameter wie beispielsweise der Lampenstrom etc. sowie extern vorgegebene Sollwerte (Dimmbefehle, etc.) zugeführt werden.
Wie bereits erwähnt, kann gemäß der vorliegenden Erfindung der Lampenbetrieb digital ausgeführt werden.
Somit wird vorzugsweise auch der Gleichspannungsanteil der Lampenspannung digital ausgewertet. Dies soll nunmehr unter Bezugnahme auf 2 und 3 erläutert werden.
2 zeigt eine schaltungstechnische Realisierung dieses Ausführungsbeispiels mit einem Aufwärts/Abwärts-Zähler 107, der als eigentliches Eingangssignal ein Signal UZERO und des weiteren als Steuersignale ein hochfrequentes Referenztaktsignal CLK sowie ein Rücksetz- oder Reset-Signal empfängt. Das Signal UZERO nimmt während jeder positiven Halbwelle der am Anschluss VL anliegenden Lampenspannung einen positiven und ansonsten einen negativen Spannungspegel an und erfasst somit den Nulldurchgang der Lampenspannung. Der Zähler 107 wird bei Anliegen des Reset-Signals auf einen mittleren Zählerstand, z.B. auf den Ausgangszählerwert N₀ = 255, initialisiert. Der Zähler 107 wird bei Nulldurchgang der Lampenspannung gestartet und zählt während der nachfolgenden Halbwelle der Lampenspannung entweder nach oben oder nach unten. Erreicht das Messsignal, d.h. die Lampenspannung, nach einer Halbperiode wieder den Nulldurchgang, wird die Zählrichtung des Zählers 107 umgedreht. Nach Ablauf einer vollen Periode der Lampenspannung wird der aktuelle Zählerstand N des Zählers 103 einem Komparator zugeschaltet, der beispielsweise durch den bereits zuvor beschriebenen Komparator 103 gebildet sein kann. Dieser Komparator 103 vergleicht den aktuellen Zählerstand N mit dem Initialisierungswert bzw. dem ursprünglichen Zählerstand des Zählers 107. Wenn kein Gleichrichteffekt vorliegt, muss der Zählerstand N nach Erreichen des nächsten Nulldurchgangs der Lampenspannung wieder den Ausgangswert N₀ erreicht haben. Weicht hingegen der Zählerstand N von dem Ausgangswert N₀ ab, liegt ein Gleichspannungsanteil in der Lampenspannung vor. Vorteilhafterweise vergleicht der Komparator 103 den Zählerstand N mit dem Ausgangswert N₀ innerhalb bestimmter Toleranzgrenzen, um somit nicht voreilig auf das Vorliegen eines Gleichrichteffekts zu schließen. Das Ausgangssignal des Komparators 103 wird über ein durch ein Latch-Signal getaktetes D-Flip-Flop 108 der Messphasensteuerung 900 zugeführt, die – wie oben beschrieben worden ist – dieses Signal auswertet und insbesondere eine ereignisgefilterte Wertung durchführt, d.h. nur dann auf das Vorliegen eines Gleichspannungsanteil schließt, falls man von dem Komparator 103 beispielsweise 32 mal nacheinander jede 255. Periode der Lampenspannung ein Gleichspannungsanteil gemeldet wird.
Die Erfindung wird nun anhand des in 6 dargestellten Blockdiagramms weiter erläutert.
Das erfindungsgemäße System zur sicheren Zündung von bspw. Gasentladungslampen enthält zwei wesentliche Komponenten nämlich eine Steuereinheit oder einen Controller 11 sowie eine Regelstrecke 12, welche die oben bereits erwähnten Wechselrichter oder Halbbrücke 1, einen Resonanz-Lastkreis 3 und die Lampe 4 aufweist.
Die Steuereinheit 11 steuert im wesentlichen zwei Schalter des Wechselrichters 1 zur Bereitstellung einer hochfrequenten Wechselspannung zur Zündung bzw. zum Betrieb der Gasentladungslampe 4.
Die Leistung P_lamp und/oder die Spannung V_lamp der Gasentladungslampe 4 werden zunächst über verschiedene bekannte Verfahren erfasst. Die Lampenspannung V_lamp wird einer Einheit 14 zur Auswertung des Gleichspannungsanteils der Lampenspannung zugeführt. Diese Auswertung kann mittels verschiedener Verfahren durchgeführt werden, wie beispielsweise die oben im Zusammenhang mit 2 und 3 beschriebene Erfassung der Nulldurchgänge der Lampenspannung.
Der Ist-Gleichspannungsanteil der Lampenspannung wird mit einem Sollwert DC-Target verglichen und die Differenz V_DC_lamp von beiden Werten wird einem DC-Regler 18 zugeführt. Für den DC-Regler 18 kann insbesondere einer der folgenden Regler genommen werden: Proportional-Regler (P-Regler), Proportional-Integral-Regler (PI-Regler), Proportional-Integral-Differential-Regler (PID-Regler), Proportional-Differential-Regler (PD-Regler). Im beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der DC-Regler 18 vorzugsweise ein PI-Regler.
Wie im folgenden beschrieben wird das Ausgangssignal des DC-Reglers 18 als Sollwert einem weiteren Regelungskreis, nämlich einem Lampenleistungs-Regelkreis zugeführt.
Ein Analog-Digital-Umsetzer 13 wandelt die analog erfasste Lampenleistung P_lamp in ein digitales Signal um, das als Istwert mit der Stellgröße des DC-Reglers 18 als Solwert verglichen 15 wird. Das Ergebnis wird als Regeldifferenz einem Leistungsregler 17 zur Regelung der Lampenleistung zugeführt wird.
Als Stellgrösse steuert der Leistungsregler 17 bspw. die Frequenz der AC-Spannung der Lampe an. Üblicherweise wird dementsprechend die Frequenz des Wechselrichters angesteuert.
Es sind also zwei Regelkreise vorgesehen, wobei der äußere oder erste Regelkreis den DC-Regler 18 aufweist und den Sollwert DC-Target für den DC-Anteil an der Lampe 4 abhängig beispielsweise vom Betriebszustand oder aber auch von anderen Parametern aus dem Lampenkreis vorgibt. In diesem ersten Regelkreis ist ein innerer oder zweiter Regelkreis mit dem Leistungsregler 17 vorgesehen, der dann den Lampenbetrieb auf den (variabel vorgegebenen) DC-Anteil regelt.
Folgende Größen können den variablen DC-Anteil (Sollwert) beeinflussen, indem der DC-Sollwert DC-Target entsprechend verändert wird:

– Vorgabe eines ,dithering' oder sonstige regelmäßige oder zufällige Wechsel der DC-Sollwertvorgabe zur Verringerung beispielsweise von Quecksilbermigration,
– eine kontinuierliche Einstellung des Sollwerts im Gegensatz zu schaltbaren (stufenförmigen) Sollwertvorgaben,
– Lampenparameter, die beispielsweise auf einen Gleichrichtereffekt zurückschließen lassen, und
– der aktuelle Betriebszustand der Lampe (nicht in Betrieb, Vorheizung, Zündung, in Betrieb).

Der Gleichrichtereffekt kann z.B. an älteren Leuchtstofflampen auftreten und zu einer Überlastung des Vorschaltgeräts führen. Die Leuchtstofflampe wirkt dann ähnlich wie ein Gleichrichter und lässt den Lampenstrom in einer Richtung bevorzugt durch, während er in Gegenrichtung weniger gut durchgelassen wird. Eine derartige Stromverschiebung zwischen einzelnen Lampenzweigen kann durch die Auswertung der Impedanz d.h. des Gleichspannungsanteils der Lampenspannung erfasst werden. Der Leistung der Lampe 4 kann somit entsprechend geregelt werden.
7 zeigt, wie der DC-Anteil abhängig vom Betriebszustand der Lampe 4 gemacht werden kann.
Nach dem Einschalten des Vorschaltgerätes (t = t1) steigt die Lampenspannung in der Regel an sofern in der Schaltung kein Kurzschluss ist. Sobald die Lampenspannung eine bestimmte Sollwert-Vorheizspannung erreicht, wird diese eine Zeit lang konstant gehalten. Während dieser Vorheizzeit bleibt der DC-Anteil-Sollwert gleich.
Sobald bei t = t2 die Vorheizzeit erreicht wird, senkt die Steuereinheit 11 die Frequenz des Wechselrichters 1. Dies hat zur Folge, dass die Spannung an den Anschlüssen der Lampe 4 ansteigt. Solange diese Lampenspannung regelmäßig steigt, wird der DC-Anteil-Sollwert dementsprechend regelmäßig herabgesetzt. Diese Phase ist auf 7 zwischen t2 und t3 zu beobachten.
Wenn eine Zündung der Lampe 4 erfolgt, so sinkt die Lampenspannung bei t = t3 stark ab. Dies wird vom System durch die Erfassung der Lampenspannung erkannt, so dass nun der DC-Anteil-Sollwert auf ein niedrigeres und konstantes Niveau gehalten werden kann.
Die Aktivierung des Regelkreises zündet also die Lampe und hält sie in der kritischen Phase nach der Zündung sicher in Betrieb. Der innere Regelkreis erfasst die Lampenleistung und bildet so die Möglichkeit, eine definierte Leistung einzustellen. Des Weiteren ist der innere Regelkreis so ausgelegt, dass durch ihn instabile Arbeitspunkte des äußeren Kreises stabilisiert werden können. Das ist beim Betrieb bei geringen Temperaturen und destabilisierten Lampen (Ablagerung von Quecksilber) notwendig.
Die äußere Regelschleife hält die DC-Spannung der Lampe konstant, was deren Widerstand entspricht. Der Sollwert der DC-Regelschleife ist auf die 1% Nennleistung einer Neuen Lampe bei Nominaltemperatur eingestellt. Um die Lampe zu zünden werden beide Regelkreise geschlossen. Die Anfangsbedingungen sind hierbei eine maximale Frequenz für den Ausgang des Leistungsreglers 17 und eine minimale Leistung für den Ausgang des DC-Reglers 18. Die DC-Regelschleife wird nun die vorhandene Regeldifferenz verringern und die Lampe zünden. Nachdem gezündet wurde, wird über die Regelungen auf den DC-Sollwert gefahren.
In der Praxis zeigt sich, das über dieses Verfahren ein optimaler 1%-Start realisierbar ist. Hilfreich ist hierbei, dass schon vor dem Durchbrechen der Gasstrecke die teilweise Ionisation zu einer Reduktion des Lampenwiderstandes führt und somit sich positiv auf die Dynamik es Systems auswirkt. Die hier beschriebene Erfindung garantiert unter allen Bedingungen ein Höchstmaß an Qualität eines 1%-Starts.
Eine mögliche Realisierungsmethode der Lampenstromerfassung ist, wie dargestellt, die Auswertung der Lampenspannung. Die Voraussetzung hierfür ist allerdings ein konstanter DC-Strom, der der Lampe zugeführt werden muss. Die Auswertung der Nullstellen, genauer das Verhältnis zwischen T pos, Zeit während der das Signal positiv ist, und T neg, Zeit während der das Signal negativ ist, beinhaltet eine Information über den Lampenstrom, sowie die Information der Lampenspannung.
So ist es möglich im Betrieb der Lampe auf den Lampenstrom zu regeln und im Gasdefekt oder bei nicht vorhandener Lampe auf eine Lampenspannung zu regeln. Es handelt sich dann um eine Regelung der Zündspannung Lastkapazitätsunabhängig. Im Betrieb kann also auf den Strom geregelt werden:
wobei C und C1 jeweils eine Konstante ist, und im Falle eines Gasdefekts auf die Lampenspannung:
wobei C und C2 jeweils eine Konstante ist.
Durch die immer aktivierte Leistungsregelschleife wird das System stes stabil gehalten. Das bedeutet, dass auch bei nicht immer stabilen Arbeitspunkten (z.B. aktiver – passiver Zweipol, Lampe – Ausgangskreis), das System stabil gehalten wird. Durch die hohen Anforderungen bezüglich Ausregelgeschwindigkeit der inneren Regelschleife ist sichergestellt, dass die innere Schleife keinen Engpass bezüglich Ausregelzeit darstellt.
Ein weiterer Vorteil ist die permanent eingeschaltete Leistungsregelung schon vor der Zündung der Lampe, da das System hier schon vollständig arbeitet und initialisiert ist. Es müssen keine Umschaltungen und Initialisierungen vorgenommen werden. Der Zündzeitpunkt spielt in diesem System keine Rolle mehr. Er kann Lampenbedingt und Umgebungsbedingt stark variieren, was für einen optimalen Start von Nachteil wäre.
Wie bereits erwähnt können die elektrischen Eigenschaften von Gasentladungslampen unter variablen Umgebungsbedingungen wie beispielsweise die Umgebungstemperatur, dem Alterungszustand und der Brenndauer (Quecksilberionisation) stark schwanken. Eine derartige Veränderung der elektrischen Eigenschaften der Gasentladungslampe bedeutet eine Veränderung der Spannungs-/Strom-Charakteristik der Lampe.
Da ein gewisser Mindeststrom der Lampe sichergestellt werden muss, um die Gasstrecke im ionisierten Zustand zu belassen, und da dieser Mindeststrom wiederum vom Zustand der Lampe abhängig ist, vermeidet das erfindungsgemäßen Verfahren bzw. Betriebgerät ein Verlöschen der Gasentladungslampe, indem es ein Unterschreiten des umgebungsbedingungsabhängigen Mindestlampenstromes verhindert.
Das erfindungsgemäßen Verfahren bedient sich der Ermittlung der umgebungsabhängigen elektrischen Parameter und damit des Mindeststromes, wobei der Lampenwiderstand der elektrische Parameter ist, welcher diesen Rückschluss zulässt. Dieser Lampenwiderstand kann messtechnisch über verschiedene bekannte Verfahren bestimmt werden und bildet die konstant zu haltende Messgröße.
Ein Regelkreis ist erfindungsgemäß vorgesehen, um den Lampenwiderstand konstant zu halten (konstanter DC Strom, Messung der DC-Lampenspannung). Die Aktivierung des Regelkreises zündet die Lampe und hält sie in der kritischen Phase nach der Zündung sicher in Betrieb. Dadurch wird eine Regelung der Lampe erzielt, die bei verschiedenen Betriebszuständen der Lampe (wie beispielsweise Vorheizung, Zündung, Betrieb) angewendet wird, wobei der DC-Anteil der Lampenspannung ausgewertet wird. Die Regelparameter passen sich dabei an den Lampenzustand an, was durch die Kombination von Regelschleifen ermöglicht wird. Durch eine solche Regelung kann auf eine Zünderkennung verzichtet werden, trotzdem wird ein sauberer Start ohne Lichtblitz auch bei niedrigen Dimmleveln erreicht.

Claims

Verfahren zur Regelung des Betriebs von mindestens einer mit Wechselspannung betriebenen Leuchtstofflampe, aufweisend die folgenden Schritte: – gezielte Überlagerung einer Gleichspannung an die Leuchtstofflampe, – Ermittlung des Gleichspannungsanteils der Leuchtstofflampenspannung, und – Regelung der Lampenleistung der Leuchtstofflampe mit einerseits dem ermittelten Gleichspannungsanteil als Regelgröße und andererseits einer variablen analogen oder digitalen Gleichspannungs-Führungsgröße.
Verfahren zur Regelung des Betriebs von mindestens einer mit Wechselspannung betriebenen Leuchtstofflampe, aufweisend die folgenden Schritte: – gezielte Überlagerung einer Gleichspannung an die Leuchtstofflampe, Ermittlung des Gleichspannungsanteils der Leuchtstofflampenspannung, und – Regelung des Betriebs der Leuchtstofflampe zumindest vor der Zündung der Leuchtstofflampe auf Grundlage des ermittelten Gleichspannungsanteil als Regelgröße.
Verfahren zur Regelung des Betriebs von mindestens einer mit Wechselspannung betriebenen Leuchtstofflampe, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, aufweisend die folgenden Schritte vor der Zündung der Leuchtstofflampe: – gezielte Überlagerung einer Gleichspannung an die Leuchtstofflampe, Erfassung des Gleichspannungsanteils der Leuchtstofflampenspannung, und – Auswertung des Gleichspannungsanteils der Leuchtstofflampe als Eingangsgröße der Regelung der Lampenleistung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gleichspannungs-Führungsgröße vom Betriebszustand der Lampe – wie beispielsweise Vorheizung, Zündung, oder Betrieb – abhängt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Lampenwiderstand konstant gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gleichspannungsanteil anhand eines an einem Spannungsteiler abgeleiteten Messsignals ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gleichspannungsanteil der Lampenspannung anhand der Abstände der Nulldurchgänge der Lampenspannung ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Regelung der Lampenleistung digital erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Regelung der DC-Lampenspannung digital erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Anspüche, wobei ein extern vorgegebener Dimmwert zur Regelung der Lampenleistung berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei abhängig von dem Wert des Gleichspannungsanteils der Lampenspannung die Leistung der Lampe auf einen Wert erhöht wird, der über dem extern vorgegebenen Dimmwert liegt.
Betriebsgerät zur Ansteuerung von mindestens einer mit Wechselspannung betriebenen Leuchtstofflampe, aufweisend: – eine Schaltung zur gezielten Überlagerung einer Gleichspannung an die Leuchtstofflampen, – eine Schaltung zur Ermittlung der Lampenspannung der Leuchtstofflampe, und – eine Lampenregelungsschaltung zur Regelung der Lampenleistung der Leuchtstofflampe mit einerseits dem ermittelten Gleichspannungsanteil als Regelgröße und andererseits einer variablen analogen oder digitalen Gleichspannungs-Führungsgröße.
Betriebsgerät zur Ansteuerung von mindestens einer mit Wechselspannung betriebenen Leuchtstofflampe, aufweisend: – eine Schaltung zur gezielten Überlagerung einer Gleichspannung an die Leuchtstofflampen, – eine Schaltung zur Ermittlung der Lampenspannung der Leuchtstofflampe, und – eine Lampenregelungsschaltung zur Regelung Leuchtstofflampe zumindest vor der Zündung der Lampe mit dem ermittelten Gleichspannungsanteil als Regelgröße.
Betriebsgerät, insbesondere nach Anspruch 12 oder 13, zur Ansteuerung von mindestens einer mit Wechselspannung betriebenen Leuchtstofflampe, aufweisend: – eine Schaltung zur gezielten Überlagerung einer Gleichspannung an die Leuchtstofflampen, – eine Schaltung zur Ermittlung der Lampenspannung der Leuchtstofflampe, und – eine Lampenregelungsschaltung zur Regelung der Lampenleistung der Leuchtstofflampe, der den Gleichspannungsanteil der Leuchtstofflampe als Eingangsgröße zugeführt wird, wobei die Lampenregelungsschaltung dazu ausgelegt ist, die Lampenleistung bereits vor der Zündung der Leuchtstofflampe zu regeln.
Betriebsgerät nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Gleichspannungs-Führungsgröße vom Betriebszustand der Lampe – wie beispielsweise Vorheizung, Zündung, oder Betrieb – abhängt.
Betriebsgerät nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei Mittel der Lampenregelungsschaltung den Lampenwiderstand konstant halten.
Betriebsgerät nach einem der Ansprüche 12 bis 16, aufweisend einen Spannungsteiler zur Ermittlung des Gleichspannungsanteils.
Betriebsgerät nach einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei der Gleichspannungsanteil der Lampenspannung anhand der Abstände der Nulldurchgänge der Lampenspannung ermittelt wird.
Betriebsgerät nach einem der Ansprüche 12 bis 18, aufweisend Mittel zur digitalen Regelung der Lampenleistung.
Betriebsgerät nach einem der Ansprüche 12 bis 19, aufweisend Mittel zur digitalen Regelung der DC-Lampenspannung.
Betriebsgerät nach einem der Ansprüche 12 bis 20, wobei die Lampenregelungsschaltung einen Eingang für extern vorgegebene Dimmwerte aufweist.
Betriebsgerät nach einem der Ansprüche 12 bis 21, wobei die Regelschaltung abhängig von dem Wert des Gleichspannungsanteils der Lampenspannung die Leistung der Lampe auf einen Wert erhöht, der über dem extern vorgegebenen Dimmwert liegt.
Elektronisches Vorschaltgerät, aufweisend eine Schaltung nach einem der Ansprüche 12 bis 22.
Leuchte, aufweisend ein Vorschaltgerät nach Anspruch 23.