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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Entladungslampe. Weiterhin werden entsprechend ein Betriebsgerät und eine Leuchte vorgeschlagen.
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Hochdruckentladungslampen benötigen für ihren ordnungsgemäßen Betrieb einen definierten energetischen Haushalt. Ist dieser gestört, kommt es zu Veränderungen im Betriebsverhalten der Hochdruckentladungslampe, beispielsweise zu einer Verkürzung der Lampenlebensdauer aufgrund von Elektrodenerosion oder Flickern verursacht durch einen undefinierten Entladungsbogenansatz.
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DE 10 2004 020 397 A1 zeigt ein Verfahren zum Betrieb einer Hochdruckentladungslampe mit einem zeitlich periodisch verlaufenden, bipolaren Versorgungsstrom und einer vorgegebenen elektrischen Leistung, wobei der Hochdruckentladungslampe in periodisch wiederkehrenden Zeitintervallen unmittelbar nach dem Nulldurchgang des Versorgungsstroms eine zusätzliche elektrische Leistung zugeführt wird, um den Lampenbetrieb zu stabilisieren, und wobei die zeitlich gemittelte Gesamtleistung der vorgegebenen elektrischen Leistung entspricht.
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Zur Vermeidung von Flickererscheinungen einer Entladungslampe, insbesondere einer quecksilberfreien Gasentladungs- oder Xenonlampe, wird ein Kommutierungs(im)pulsmodus eingesetzt. Der Kommutierungspuls kann vor und nach dem Nulldurchgang oder auch nur unmittelbar nach dem Nulldurchgang der Kommutierenden Größe einsetzen. Aufgabe dieses Kommutierungsimpulsstroms ist sowohl die Erhöhung der Zwischenkreisspannung, also einer Spannung über der Lampe, unmittelbar während bzw. nach dem Nulldurchgang (Erreichen einer erneuten Zündspitze durch eine schnelle Veränderung der Spannung) als auch die Bereitstellung eines überhöhten Stroms bzw. einer Überlast unmittelbar nach einer Wiederzündung des Lichtbogens bei vorherigem Übergang in eine Niedrigstromphase nach der Kommutierung.
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Um schnellstmöglich einen stabilen Lichtbogenansatz zu erreichen, wird durch einen kurzzeitig überhöhten Strom bzw. eine Überlast die Elektrode schnell aufgeheizt (thermisches Emissionsvermögen der Elektrode).
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Die während des Kommutierungspulses umgesetzte erhöhte elektrische Leistung wird von einer Versorgungsschaltung bzw. einem Konverter über einen Zwischenkreis mit einem Sieb- bzw. Stützkondensator und einer Brückenschaltung der Lampe bereitgestellt. Übernimmt der Konverter die Energiebereitstellung, so wird der plötzliche Energieanstieg mittels eines weiteren Kondensators, der vor dem Konverter angeordnet ist, gepuffert. Für beide Kondensatoren bedeutet der Kommutierungspuls eine erhöhte Wechselstrombelastung und erfordert somit den Einsatz teurer und großer Kondensatoren.
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Weiterhin führt der erhöhte Stromfluss während der Kommutierungspulse zu einer erhöhten Wärmeentwicklung im gesamten System (die Verlustleistung entspricht dem Quadrat des fließenden Stroms multipliziert mit dem Widerstand), insbesondere aber in den aktiven Bauelementen (z. B. Transistoren der Brückenschaltung). Daher werden Bauelemente höherer Leistungsklassen, höheren Temperaturbereichs oder aber erweiterte Kühlmaßnahmen eingesetzt.
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Durch den erhöhten Stromfluss während der Kommutierungspulse kommt es ebenfalls zu einer verstärkten elektromagnetischen Abstrahlung, die entsprechend (z. B. mittels Filter, Schirmung etc.) begrenzt werden muss.
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All diese Effekte führen dazu, dass sich das elektronische Betriebsgerät (auch bezeichnet als Vorschaltegerät) verteuert sowie der erforderliche Bauraum steigt.
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Bekannte elektronische Betriebsgeräte für Entladungslampen stellen einen konstanten Kommutierungspuls bereit. Dies führt bei neuen Lampen, die eine niedrige Brennspannung und somit einen niedrigen Innenwiderstand aufweisen, zu einem unnötig hohen Kommutierungsimpulsstrom. Dabei ist es von Nachteil, dass die Schaltung bzw. die Bauteile der Schaltung des Betriebsgeräts dauerhaft für diesen hohen Strom ausgelegt sein müssen.
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Mit zunehmender Alterung der Entladungslampe steigt deren Innenwiderstand und damit die Brennspannung an, der Kommutierungsimpulsstrom sinkt. Hierbei ist es insbesondere von Nachteil, dass die Sieb- bzw. Stützkondensatoren für den maximalen Kommutierungsimpulsstrom sowie die effektive Wechselstrombelastung (falls die Lampe neu ist und nur eine geringe Impedanz aufweist) ausgelegt sein müssen. Entsprechendes gilt für die Auslegung der aktiven Bauelemente (z. B. Transistoren der Brückenschaltung, Transistoren des Konverters) sowie für die benötigten EMV-Maßnahmen. Dies verteuert das elektronische Betriebsgerät und vergrößert das von diesem benötigte Volumen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine Möglichkeit zu schaffen, einen effizienten Kommutierungsimpulsstrom bereitzustellen, der wirksam ein Flickern einer Entladungslampe verhindert.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zum Betreiben einer Entladungslampe angegeben,
- – bei dem die Entladungslampe mit einem Kommutierungsimpulsstrom betrieben wird, wobei die Amplitude des Kommutierungsimpulsstroms geregelt wird.
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Bei dem Kommutierungsimpulsstrom handelt es sich um ein Impulssignal, das dem Kommutierungssignal zum Betrieb der Entladungslampe überlagert werden kann. Insbesondere erfolgt mittels des Kommutierungspulses eine Erhöhung der Zwischenkreisspannung sowie eine Leistungsüberhöhung an der Entladungslampe.
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Die Anpassung des Kommutierungsimpulsstroms hat den Vorteil, dass gezielt durch Alterung der Entladungslampe bedingten Effekten begegnet werden kann. Beispielsweise steigt die Impedanz der Entladungslampe mit zunehmendem Alter bzw. mit zunehmender Einsatzdauer an. Durch den amplitudengeregelten bzw. erhöhten Kommutierungsimpulsstrom ist es möglich, einem z. B. von dem menschlichen Auge wahrnehmbaren Flickern der Entladungslampe entgegenzuwirken. Die effektiv nutzbare Lebensdauer der Entladungslampe kann somit deutlich verlängert werden, da die Entladungslampe länger gleichmäßig leuchtet und somit später ausgetauscht werden muss.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Kommutierungsimpulsstrom dann eingesetzt wird, wenn er benötigt wird. Dies ermöglicht, dass die Bauteile der Leuchte bzw. des elektronischen Betriebsgeräts für die Entladungslampe nicht für den Dauerbetrieb eines maximalen Kommutierungsimpulsstroms ausgelegt sein müssen. Der maximale Kommutierungsimpulsstrom tritt lediglich am Ende der Lebensdauer der Entladungslampe für eine (bezogen auf die gesamte nutzbare Dauer der Entladungslampe) verhältnismäßig kurze Zeit auf, eine stärkere Beanspruchung der Bauteile erfolgt nur während dieser Zeit.
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Eine Weiterbildung ist es, dass die Amplitude des Kommutierungsimpulsstroms abhängig von einer Impedanz und/oder einer Brennspannung der Entladungslampe geregelt wird.
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Eine andere Weiterbildung ist es, dass die Amplitude der Entladungslampe mit steigender Brennspannung und/oder steigender Impedanz der Entladungslampe erhöht wird.
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Insbesondere ist es eine Weiterbildung, dass die Amplitude des Kommutierungsimpulsstroms so eingestellt wird, dass ein Flickern der Entladungslampe vom menschlichen Auge nicht wahrnehmbar ist.
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Auch ist es eine Weiterbildung, dass bei einer Brennspannung der Entladungslampe unterhalb einer vorgegebenen Brennspannung der Kommutierungsimpulsstrom abgeschaltet wird.
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Umgekehrt kann der Kommutierungsimpulsstrom erst ab Erreichen der vorgegebenen Brennspannung zugeschaltet bzw. erhöht werden.
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Dies ermöglicht z. B. einen vollständigen Verzicht auf den Kommutierungsimpulsstrom für den Fall, dass dieser noch nicht benötigt wird (z. B. bei einer neuen Lampe).
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Ferner ist es eine Weiterbildung dass ein Strom durch die Entladungslampe und/oder eine Spannung an der Entladungslampe zur Einstellung des Kommutierungsimpulsstroms ausgewertet wird/werden.
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Bei dem Strom durch die Entladungslampe kann es sich um einen Teilstrom oder einen im Wesentlichen proportionalen Anteil des Stroms durch die Entladungslampe handeln. Insbesondere ist der Strom geeignet, um eine Veränderung des Stroms durch die Entladungslampe feststellen zu können.
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Bei der Spannung an der Entladungslampe kann es sich um eine (proportionale) Spannung oder eine Teilspannung oder einen im Wesentlichen proportionalen Anteil der Spannung an der Entladungslampe handeln. Insbesondere ist die Spannung geeignet, um eine Veränderung der Brennspannung der Entladungslampe detektieren zu können.
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Im Rahmen einer zusätzlichen Weiterbildung wird/werden der Strom durch die Entladungslampe und/oder die Spannung an der Entladungslampe mittels eines integrierenden Reglers (I-Regler), insbesondere eines solchen mit einem proportionalen Anteil (PI-Regler), zur Einstellung des Kommutierungsimpulsstroms ausgewertet.
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Beispielsweise kann der (P)I-Regler eine Einheit zur Pulsweitenmodulation ansteuern, die die Helligkeit der Gasentladungslampe beeinflusst.
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Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass der Strom durch die Entladungslampe und/oder die Spannung an der Entladungslampe mittels einer Verarbeitungseinheit ausgewertet wird/werden derart, dass eine Stromüberhöhung oder eine Leistungsüberhöhung eingestellt wird.
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Bei der Verarbeitungseinheit kann es sich z. B. um einen Mikrokontroller oder um einen Mikroprozessor handeln. Hierbei sei angemerkt, dass der Mikroprozessor ein beliebiger Rechner oder Prozessor mit entsprechender Hardware und/oder Software (bzw. Firmware) sein kann. Auch kann der Mikroprozessor als FPGA oder ASIC ausgeführt sein.
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Eine Ausgestaltung ist es, dass die Stromüberhöhung oder die Leistungsüberhöhung anhand der Verarbeitungseinheit mittels einer Brückenschaltung der Entladungslampe bereitgestellt wird.
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Bei der Brückenschaltung kann es sich z. B. um eine Halbbrücke oder eine Vollbrücke handeln.
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Eine alternative Ausführungsform besteht darin, dass die Stromüberhöhung oder die Leistungsüberhöhung mittels einer Pulsweitenmodulation zur Ansteuerung der Entladungslampe eingestellt wird.
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Eine nächste Ausgestaltung ist es, dass die Entladungslampe eine Gasentladungslampe, eine Hochdruckentladungslampe, insbesondere eine quecksilberfreie Entladungslampe oder eine Xenonlampe ist.
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch eine Vorrichtung zur Ansteuerung einer Entladungslampe umfassend eine Verarbeitungseinheit, die derart eingerichtet ist, dass das hierin beschriebene Verfahren durchführbar ist.
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Hierbei sei angemerkt, dass es sich bei der Verarbeitungseinheit z. B. um einen Mikrokontroller oder einen Mikroprozessor handeln kann. Die Verarbeitungseinheit kann insbesondere einen I-Regler oder einen PI-Regler aufweisen. Anhand der Verarbeitungseinheit kann eine Brückenschaltung zum Betrieb der Entladungslampe angesteuert erden. Auch kann mittels der Verarbeitungseinheit eine Einheit zur Pulsweitenmodulation der Entladungslampe angesteuert werden. Insbesondere detektiert die Verarbeitungseinheit als Eingangsgrößen einen Strom(anteil), der durch die Entladungslampe fließt bzw. eine Spannung, die (zumindest anteilig) an der Entladungslampe abfällt. Die Verarbeitungseinheit kann eine Stromüberhöhung oder eine Leistungsüberhöhung anhand der Eingangsgrößen einstellen, und somit abhängig von der detektierten Spannung und/oder dem detektierten Strom die Amplitude des Kommutierungsimpulsstroms verändern.
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Auch. wird die oben genannte Aufgabe gelöst mittels eines Betriebsgeräts (auch bezeichnet als elektronisches Vorschaltgerät) umfassend die hierin beschriebene Vorrichtung.
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Weiterhin wird die obige Aufgabe gelöst mittels einer Leuchte umfassend die beschriebene Vorrichtung bzw. das beschriebene Betriebsgerät.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung dargestellt und erläutert.
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Es zeigt:
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1 ein schematisches Schaltbild zum Betrieb einer Entladungslampe, insbesondere einer Hochdruckentladungslampe, mit einem amplitudengeregelten Kommutierungspulssignal.
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Bei der Entladungslampe handelt es sich z. B. um eine Hochdruckentladungslampe, eine quecksilberfreie Gasentladungslampe oder eine Xenonlampe Flickererscheinungen einer Entladungslampe treten insbesondere mit fortgeschrittener Lebensdauer der Lampe auf. In diesem Zustand hat die Entladungslampe eine höhere Impedanz und weist damit eine höhere Brennspannung auf als eine neuwertige Entladungslampe. Mit der gestiegenen Brennspannung folgt bei gleicher Leistung ein niedrigerer Strom, der eine reduzierte Elektrodentemperatur bewirkt, die wiederum eine thermische Emission der Elektroden behindert.
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Ein Betrieb mit Kommutierungs(im)pulsen (die dem Ansteuersignal (Kommutierungssignal bzw. Kommutierungsstrom) der Entladungslampe überlagert werden können) ermöglicht ein stabilisierendes Verhalten der Entladungslampe gegenüber Flickererscheinungen.
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Allerdings benötigen Entladungslampen mit niedriger Brennspannung (also z. B. Entladungslampen, die noch neu sind) nur eine sehr geringe Amplitude des Kommutierungsspulstrom bzw. kann bei einer ausreichend schnellen Änderung (du/dt) der kommutierenden Spannung auf einen gesonderten Kommutierungsimpulsstrom) vollständig verzichtet werden.
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Erst mit zunehmendem Alter der Entladungslampe ist ein entsprechend hoher Kommutierungsimpulsstrom erforderlich, um der gestiegenen Impedanz der Entladungslampe entgegenzuwirken.
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Somit wird insbesondere vorgeschlagen, die Amplitude des Kommutierungsimpulsstroms derart anzupassen, dass bei niedriger Brennspannung (niedrigem Innenwiderstand bzw. niedriger Impedanz) der Entladungslampe ein geringer Kommutierungsimpulsstrom eingestellt wird. Dieser geringe Kommutierungsimpulsstrom ist für einen flickerstabilisierten Betrieb der Entladungslampe ausreichend.
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Alternativ kann bei niedriger Brennspannung und z. B. ausreichend schneller Änderung der kommutierenden Spannung auf den Kommutierungsimpulsstrom vollständig verzichtet werden.
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Steigt die Brennspannung an, kann die Amplitude des Kommutierungsimpulsstroms erhöht werden.
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Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass kein hoher Kommutierungsimpulsstrom bereitgestellt wird, wenn die Entladungslampe diesen nicht benötigt.
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Weiterhin ist es von Vorteil, dass die zeitliche Veränderung der kommutierenden Spannung (du/dt) bzw. des kommutierenden Stroms (di/dt) nicht unnötig erhöht wird und somit EMV-Störungen reduziert bzw. verhindert erden. Der Kommutierungsimpulsstrom belastet erst am Ende der Lebensdauer der Entladungslampe das elektronische Betriebsgerät bzw. die Bauteile des elektronischen Betriebsgeräts.
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Somit ergibt sich als ein weiterer Vorteil, dass die Bauteile hinsichtlich z. B. effektiver Wechselstromfestigkeit, maximaler Impulsstromfestigkeit, Temperaturbeständigkeit, etc. sowie die EMV-Maßnahmen lediglich auf einen Kommutierungsimpulsstrom ausgelegt werden können, der am Ende der Laufzeit der Entladungslampe fließt. Dies ermöglicht den Einsatz deutlich preisgünstigerer Bauteile bei geringen Anforderungen an das von dem elektronischen Betriebsgerät benötigte Volumen.
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Beispielsweise kann die Amplitude des Kommutierungsimpulsstroms bzw. eine Leistung des Kommutierungspulses und somit die Veränderung der kommutierenden Spannung beeinflusst werden mittels einer Steuerung oder mittels eines Regelkreises mit einer entsprechenden Charakteristik.
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Eine Eigenschaft bzw. ein Zustand der Entladungslampe kann über eine Lampenspannung bzw. einen Lampenstroms bzw. durch eine Kombination dieser Parameter bestimmt werden.
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Beispielsweise kann eine Überhöhung (d. h. eine Beeinflussung der Amplitude des Kommutierungsimpulsstroms bzw. der Kommutierungsimpulsleistung) für eine quecksilberfreie Entladungslampe wie folgt ermittelt werden: Überhöhung = (Ist – Nominal)·Faktor (1).
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Bei der Überhöhung kann es sich z. B. um eine Stromüberhöhung ”I_Überhöhung” oder eine Leistungsüberhöhung ”P_Überhöhung” handeln.
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Hierbei kann der genannte Faktor bei einer Regelung mittels einer Strom-Sollwertvorgabe so gewählt werden, dass für die größtmögliche Überhöhung bei maximaler Lampenspannung Umax bzw. bei minimalem Lampenstrom Imin mindestens gilt: Überhöhungmax = 1,4·IUmax; Überhöhungmax = 1,4·IImin.
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Der Faktor bei Regelung mittels Leistungs-Sollwertvorgabe kann so gewählt werden, dass für die größtmögliche Überhöhung bei maximaler Lampenspannung Umax bzw. bei minimalem Lampenstrom mindestens gilt: Überhöhungmax = 1,7·IUmax; Überhöhungmax = 1,7·IImin.
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Hierbei sei angemerkt, dass die Leistungsüberhöhung nicht proportional zu der Stromüberhöhung ist, da die Lampenimpedanz (während der Kommutierung) variieren kann und somit die Spannung U und der Strom I nicht parallel verlaufen.
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Beispielsweise kann das Betriebsgerät einen integrierenden Regler (I-Regler) oder einen PI-Regler (d. h. einen I-Regler mit einem Proportionalanteil) aufweisen. Die Regelstrecke des I-Reglers (oder des PI-Reglers) wertet eine Spannung an der Entladungslampe aus, die Leistung wird über einen Stromsollwert eingestellt.
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Beispielhaft wird nachfolgend von einem D4 System mit einer Leistung von 35W ausgegangen. Es gelten:
größte zugelassene Überhöhung: 1,5·IUmax.
UNominal = 33 V
Umax = 65 V
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Damit folgt ein Strom bei Umax
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Als maximal zugelassene Stromüberhöhung bei Umax ergibt sich I_Überhöhunggmax[Umax = 65 V] = 0,54 A·1,5 = 0,81 A.
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Damit ergibt sich der Faktor aufgrund Gleichung (1) zu Faktor = Überhöhung / Ist – Nominal = 0,81 A / 65 V – 33 V = 0,025 A / V (2).
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Somit folgt eine Stromüberhöhung in Abhängigkeit von der Ist-Spannung gemäß I_Überhöhung = (Ist – 33V)·0,025 A / V (3).
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1 zeigt ein schematisches Schaltbild zum Betrieb einer Entladungslampe 118, insbesondere einer Hochdruckentladungslampe, mit einem amplitudengeregelten Kommutierungsimpulssignal.
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Eine Versorgungsspannung 120 ist eingangsseitig mit einem Filter 101 verbunden. Ein Ausgang des Filters 101 ist über eine Primärseite eines Transformators 102 mit dem Drain-Anschluss eines n-Kanal Mosfets 103 verbunden und der andere Ausgang des Filters 101 ist mit dem Source-Anschluss des Mosfets 103 verbunden.
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Die Sekundärseite des Transformators 102 ist einerseits mit der Anode einer Diode 104 und andererseits mit einem Knoten 122 verbunden. Die Kathode der Diode 104 ist mit einem Knoten 121 verbunden. Zwischen dem Knoten 121 und dem Knoten 122 ist ein Kondensator 109 angeordnet.
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Der Knoten 121 ist über einen Widerstand 111 mit einem Knoten 123 verbunden und der Knoten 122 ist über einen Widerstand 110 mit einem Knoten 124 verbunden. Der Knoten-123 ist über einen Widerstand 112 mit dem Knoten 124 verbunden.
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Der Knoten 121 ist mit dem Drain-Anschluss eines n-Kanal Mosfets 113 und mit dem Drain-Anschluss eines n-Kanal Mosfets 115 verbunden. Der Knoten 124 ist mit dem Source-Anschluss eines n-Kanal Mosfets 114 und mit dem Source-Anschluss eines n-Kanal Mosfets 116 verbunden. Der Source-Anschluss des Mosfets 113 und der Drain-Anschluss des Mosfets 114 sind mit einem Knoten 125 verbunden. Der Source-Anschluss des Mosfets 115 und der Drain-Anschluss des Mosfets 116 sind mit einem Knoten 126 verbunden. Zwischen den Knoten 125 und 126 ist eine Reihenschaltung umfassend ein Zündelement 117 und die Entladungslampe 118 angeordnet.
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Die Schaltung umfasst weiterhin einen Mikrokontroller 108 mit einem PI-Regler 106 und einer Implementierung der Gleichung (1) bzw. (3) angedeutet als Einheit 107.
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Der Knoten 123 liefert als Eingangssignal für den PI-Regler 106 einen Strom durch die Entladungslampe und der Knoten 124 liefert als Eingangssignal für den PI-Regler 106 und für die Einheit 107 eine Spannung an der Entladungslampe. Anhand dieser Spannung (”Ist”-Wert in Gleichung (3)) ermittelt die Einheit 107 die Stromüberhöhung gemäß Gleichung (3) und stellt diese dem PI-Regler 106 bereit. Der PI-Regler 106 steuert eine Einheit zur Pulsweitenmodulation 105 entsprechend an, die einerseits mit dem Gate-Anschluss des Mosfets 103 und andererseits mit dessen Source-Anschluss verbunden ist.
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Weiterhin ist der Mikrokontroller 108 mit einer Ansteuereinheit 119 verbunden anhand derer die in 1 gezeigte Vollbrücke, also die Gate-Anschlüsse der Mosfets 113 bis 116, angesteuert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004020397 A1 [0003]