DE102010063867A1

DE102010063867A1 - Zündregelung und Zünderkennung von Gasentladungslampen

Info

Publication number: DE102010063867A1
Application number: DE201010063867
Authority: DE
Inventors: Christian Nesensohn; Amir Tojaga; Dietmar Klien
Original assignee: Tridonic GmbH and Co KG
Current assignee: Tridonic GmbH and Co KG
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2012-06-28
Also published as: WO2012083324A1

Abstract

Verfahren zum Zünden mindestens einer Gasentladungslampe mittels eines Wechselrichters, der einen die Gasentladungslampe aufweisenden Lastkreis mit AC-Spannung versorgt, wobei der Lastkreis einen Resonanzkreis aufweist, wobei das Verfahren aufweist: – Aktivieren eines Lampenstrom-Regelkreises, der direkt oder indirekt den Lampenstrom durch die Gasentladungslampe erfasst und diesen auf einen vorgegeben Sollwert für den Lampenstrom regelt, wobei der Lampenstrom-Regelkreis die Frequenz des Wechselrichters von einer höheren Frequenz aus in Richtung der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises verringert, bis die Gasentladungslampe zündet, um unmittelbar nach der Zündung den dann fließenden Lampenstrom auf den Sollwert zu regeln.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und insbesondere ein Vorschaltgerät zur Regelung eines Lampenstroms für Gasentladungslampen, das ein verlässliches Zünden der Gasentladungslampen ohne Lichtblitz gewährleistet. Die Erfindung betrifft weiter eine Schaltung zur Durchführung des Verfahrens.
In bekannten Zündschaltungen ( EP 1 901 591 B1 ) wird eine Spannung über eine Gasentladungslampe überwacht. Wenn die überwachte Spannung abfällt, wird die Zündung der Gasentladungslampe erkannt und eine Steuerschaltung regelt auf einen Sollwert, der beispielweise einem Dimmwert entspricht.
Dies hat jedoch den Nachteil, dass eine Reaktion auf eine erkannte Zündung, d. h. das Regeln auf den Dimmwert, sehr schnell sein muss, um einen Lichtblitz zu vermeiden. Die Lichtblitzbildung hängt dabei alleine von der Regelgeschwindigkeit ab, mit der eine Steuerschaltung einen Wechselrichter, der die Lampe mit Wechselspannung versorgt, von der Zündfrequenz auf die Frequenz für den Betrieb regelt. Die Frequenz für den Betrieb kann dabei die sein, die für einen sog. „1%-Start” einzustellen ist. Unter „1%-Start” ist dabei zu verstehen, dass ein Lampenstrom eingestellt wird, der unter Berücksichtigung der bekannten Lampenphysik einem Lichtleistungswert von 1% entspricht.
Insbesondere wenn mehrere Lampen über eine Zündungsschaltung gezündet werden sollen, sollen die Lampen möglichst ohne einen Lichtblitz gezündet werden, wobei jedoch auch die Zündung der Lampen verlässlich erkannt werden soll.
Die Erfindung Stellt sich daher die Aufgabe, ein Vorschaltgerät, ein Verfahren zum Zünden mindestens einer Gasentladungslampe sowie eine Schaltung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen, wie sie mit den unabhängigen Ansprüchen beansprucht sind. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
In einem Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Zünden mindestens einer Gasentladungslampe mittels eines Wechselrichters, der einen die Gasentladungslampe aufweisenden Lastkreis mit AC-Spannung versorgt, wobei der Lastkreis einen Resonanzkreis aufweist, bereitgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweisen kann: Aktivieren eines Lampenstrom-Regelkreises, der direkt oder indirekt den Lampenstrom durch die Gasentladungslampe erfassen kann und diesen auf einen vorgegeben Sollwert für den Lampenstrom regeln kann, wobei der Lampenstrom-Regelkreis die Frequenz des Wechselrichters von einer höheren Frequenz aus in Richtung der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises verringern kann, bis die Gasentladungslampe zündet, um unmittelbar nach der Zündung den dann fließenden Lampenstrom auf den Sollwert zu regeln.
Der Lampenstrom kann an einem Messwiderstand an der kalten Seite der Gasentladungslampe erfasst werden.
Mindestens zwei Gasentladungslampen können parallel über den Wechselrichter versorgt werden und über den Messwiderstand kann ein Summenstrom der einzelnen Lampenströme erfasst werden.
Die Versorgungspannung jeder Gasentladungslampe kann mit einem Gleichspannungsanteil (DC-Anteil/-Offset) beaufschlagt werden.
Ein Gleichspannungsanteil kann für jede Gasentladungslampe erfasst werden, um einen Zustand (gezündet/nicht gezündet) der jeweiligen Gasentladungslampe zu bestimmen und/oder den Lampenstrom abhängig von dem erfassten Gleichspannungsanteil regeln zu können.
Der Sollwert kann abhängig von dem bestimmten Zustand der Gasentladungslampen erhöht werden, um über einen Symmetriertrafo eine Spannung an einer nichtgezündeten Gasentladungslampe zu erhöhen.
Der Sollwert kann einem Lampenstrom entsprechen, der zu einem Lichtleistungswert von 1% an der mindestens einen Gasentladungslampe führt.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Vorschaltgerät für mindestens eine Gasentladungslampe, mit einem Wechselrichter, der einen die Gasentladungslampe aufweisenden Lastkreis mit AC-Spannung versorgt, wobei der Lastkreis einen Resonanzkreis aufweist, und einer Steuerschaltung, wobei die Steuerschaltung, insbesondere μC oder ASIC, in einem Lampenstrom-Regelkreises direkt oder indirekt den Lampenstrom durch die Gasentladungslampe erfassen kann und diesen auf einen vorgegeben Sollwert für den Lampenstrom regeln kann, wobei die Steuerschaltung in dem Lampenstrom-Regelkreis die Frequenz des Wechselrichters von einer höheren Frequenz aus in Richtung der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises verringern kann, bis die Gasentladungslampe zündet, um unmittelbar nach der Zündung den dann fließenden Lampenstrom auf den Sollwert zu regeln.
Das Vorschaltgerät kann Wiederstände aufweisen, über die eine Versorgungspannung jeder Gasentladungslampe mit einem Gleichspannungsanteil beaufschlagt werden kann.
Das Vorschaltgerät kann einen Symmetrietrafo aufweisen und die Steuerschaltung kann den Sollwert abhängig von dem bestimmten Zustand der Gasentladungslampen erhöhen, um über den Symmetrietrafo eine Spannung an einer nichtgezündeten Gasentladungslampe zu erhöhen.
In noch einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung eine Schaltung, insbesondere μC oder ASIC, bereit, die zur Durchführung eines Verfahrens, wie es oben beschrieben ist, ausgebildet ist.
Weitere Aspekte der Erfindung werden mit Blick auf die Zeichnungen im Folgenden beschrieben.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 zeigt exemplarisch eine Schaltbild zur Erläuterung der Erfindung.
2 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der Phasen 1 und 2 des erfinderischen Verfahrens.
3 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der Phasen 1, 2 und 3 des erfinderischen Verfahrens.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, dass eine Steuerschaltung mit dem Sollwert (von z. B. 1% des Lampenstroms) vor Zündung der Lampen aktiviert und initialisiert wird.
Zu Beginn einer ersten Phase sind daher die Lampen aus und die Steuerschaltung versucht den Lampenstrom auf den Sollwert zu regeln. Sie verringert dabei die Frequenz, mit der ein Wechselrichter getaktet/betrieben wird, über den die Lampen mit Wechselstrom versorgt werden. Dadurch steigt die Spannung an den Lampen.
Ist die Spannung groß genug zünden die Lampen und der Strom durch die Lampen beginnt zu fließen. Die Steuerschaltung ist zu diesem Zeitpunkt bereits aktiv und ist daher in der Lage, den Lampenstrom sehr schnell auf den Sollwert zu regeln. Dadurch kann ein Lichtblitz vermieden werden. Eine weitere Verbesserung kann noch dadurch erreicht werden, dass beide Frequenzen, die Zündfrequenz und die Frequenz für den Betrieb, so gewählt sind, dass sie nahe beieinander liegen. Die Steuerschaltung ist jedenfalls bei solch niedrigen Dimmwerten (im Bereich von 1%) sehr schnell.
Zu Beginn einer zweiten Phase wird die Zündung erkannt. Dies erfolgt durch Überwachen eines DC-Offsets/Gleichspannungsanteils der Lampenspannung. Wenn alle Lampenspannungen/jede Lampenspannung unter einem vorbestimmten Niveau liegen/liegt, erkennt die Steuerschaltung dass alle Lampen gezündet haben. Dies hat den Vorteil, dass in Anordnungen, in denen nicht der Lampenstrom jeder Lampe oder der Summenstrom aller Lampen erfasst werden kann, dennoch eine Zündungserkennung für alle Lampen möglich ist.
In der zweiten Phase wird erkannt, ob eine Lampe nicht gezündet hat. Wird dies erkannt, so leitet die Steuerschaltung eine dritte Phase ein.
In der dritten Phase erhöht die Steuerschaltung den Sollwert für den Lampenstrom, um den Strom in der gezündeten Lampe/den gezündeten Lampen zu steigern. Mindestens ein Symmetrietransformer sorgt dafür, dass eine hohe Spannung an der/den Lampe(n) anliegt, die noch nicht gezündet hat/haben. Der Sollwert wird erhöht, solange bis die DC-Spannung der/den nichtgezündeten Lampe(n) unter einen Schwellwert fällt. Fällt die DC-Spannung unter den Schwellwert, so signalisiert dies, dass eine Zündung erfolgt ist.
In 1 ist eine exemplarische erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit zwei Lampen Lamp1, Lamp2 gezeigt.
In der Schaltungsanordnung bilden die Induktivität L1, die Kapazität Cr und die Kapazitäten Cs1, Cs2 einen Schwingkreis für die Wandlung einer Rechteckspannung, die von einem Wechselrichter erzeugt wird, in eine Sinuswelle.
Die Amplitude hängt dabei von der Frequenz f_HB der Halbbrücke ab. Die Lampenströme für die Lampen Lamp1, Lamp2 werden durch einen Transformer (Symmetrietrafo Lsym) symmetrisch gehalten.
In dem gezeigten Beispiel wird der Lampenstrom beider Lampen über den Shunt-Widerstand Rshunt ermittelt und über einen AD-Wandler an den Regler übermittelt. Die Steuerschaltung regelt die Wechselrichterfrequenz abhängig von dem ermittelten Lampenstrom und einem Sollwert für den Lampenstrom.
Die Widerstände Rdc1 und Rdc2 dienen dazu, die Lampenspannung mit einem Gleichspannungs-/-stromanteil zu beaufschlagen. Die Lampenspannungen Vlamp1 und Vlamp2 werden einschließlich ihres DC-Offsets durch einen einfachen Spannungsteiler ermittelt.
Mit Blick auf 2 wird nun das Schaltungsverhalten beschrieben. 2 zeigt das Verhalten der beiden Lampen aus 1 wenn beide Lampen Zünden.
In der ersten Phase muss die Zündspannung an den Lampen bereitgestellt werden. Dies erfolgt durch Starten des Reglers, der dann versucht auf den Sollwert für den Lampenstrom zu regeln. Da die Lampen noch nicht gezündet haben, wird die Steuerschaltung keinen Strom an dem Shunt messen und daher die Frequenz der Halbbrücke verringern. In der Folge beginnt die Steuerschaltung zu arbeiten und die Spannung Vlamp an den Lampen wird erhöht, bis die Lampen zünden. Haben beide Lampen gezündet, wird ein Strom an dem Shunt gemessen und die Steuerschaltung wird auf den Sollwert der Lampenströme (I_lamp1, I_lamp2) sofort und direkt regeln, da keine Zeit für die Erkennung einer Zündung benötigt wird. Die Zündung wird vielmehr durch das Abfallen der DC-Spannung VlampDC direkt erkannt. Die Überprüfung, ob tatsächlich alle Lampen gezündet haben, findet dann in der zweiten Phase statt. Da die Steuerschaltung bei der Zündung bereits aktiv ist, kann sie sehr schnell auf den Betriebszustand regeln.
In der zweiten Phase wird eine DC-Spannung der Lampen ermittelt. Die DC-Spannung der Lampenspannungen Vlamp1 und Vlamp2 ist bei nichtgezündeten Lampen wegen des unendlichen Widerstands der Lampen maximal. Der Widerstand einer gezündeten Lampe verringert sich und die DC-Spannung wird folglich fallen. Wie oben bereits beschrieben kann somit eine Zündung einer Lampe erkannt werden, wenn die DC-Spannung der Lampe unter einen Schwellwert fällt.
Unter normalen Umständen werden alle Lampen in der ersten Phase gezündet. Liegen allerdings besondere Umstände vor, z. B. wenn eine Lampe defekt oder kalt ist, eine falsche Lampe angeschlossen ist oder eine Lampe nicht richtig verbunden oder eingesetzt ist, werden nicht alle Lampen gezündet. In der dritten Phase (3) wird der Sollwert der Steuerschaltung daher erhöht, um die weiteren Lampen doch noch zu zünden.
Die dritte Phase wird dabei z. B. nur eingeleitet, wenn in der zweiten Phase erkannt wurde, dass eine Lampe nicht gezündet hat. Wenn der Sollwert für die Steuerschaltung erhöht wird, wird auch der Strom in der gezündeten Lampe erhöht. Daher steigt die Differenz der Lampenströme zwischen beiden Lampen an, wodurch an dem Symmetrie-Transformer/Symmetrietrafo eine Asymmetrie entsteht. Über den Symmetrietrafo wird dann die Spannung an der nichtgezündeten Lampe erhöht. Der Sollwert wird dabei erhöht, bis die zweite Lampe auch zündet. Wenn auch die zweite Lampe gezündet hat und dies erkannt wurde, kann der Sollwert für den Regler auf den initialen Wert zurückgesetzt werden.
3 zeigt das Verhalten, wenn eine Lampe nicht zur selben Zeit wie die andere(n) gezündet wurde. In der zweiten Phase wird erkannt, dass die Lampe Lamp2 nicht gezündet hat, die Steuerschaltung also so regelt, dass beide Lampenströme über die gezündete Lampe fließen.
Wenn also eine der Lampen zündet, nimmt deren DC-Anteil der Lampenspannung sprunghaft ab. Dagegen wird der DC-Anteil der Lampenspannung der nicht gezündeten Lampe nicht abnehmen. Dies führt dazu, dass der Sollwert für den Lampenstrom (regulator target) solange erhöht wird, bis anhand des DC-Anteils dieser nicht gezündeten Lampe das Zünden dieser Lampe erkannt wird. Unmittelbar nach Erkennung des Zündens der zweiten Lampe (sprunghafter Abfall des DC-Anteils der Lampenspannung dieser Lampe) wird dann der Sollwert für den Lampenstrom (regulator target) wieder ggf. sprunghaft auf den vorherigen, sehr niedrigen Wert (beispielsweise 1%) zurückgesetzt.
In der ersten Phase kann die Steuerschaltung direkt oder indirekt die Wechselrichterfrequenz von oben her kommend in Richtung der Resonanzfrequenz solange verringern, bis die Zündung der Lampe oder der mehreren Lampen erkannt wird. Vorzugsweise erfolgt die Zündung der Lampe bei einer Wechselrichterfrequenz, die auch nach dem Zünden einem niedrigen Dimmwert entspricht. Es wird also der Lampenstrom-Regelkreis zum Regeln der Zündung verwendet.
Wenn eine der in 1 gezeigten parallel geschalteten Lampen während des Betriebs durch einen Unterbrechungsfehler ausfällt, wird sich der separat zu einem Lampensummenstrom erfasste Gleichspannungsanteil der jeweiligen Lampe (Erfassung wie Lamp1, Lamp2) erhöhen, insbesondere verdoppeln. Dies kann in die Regelung dahingehend einfließen, dass dann der Sollwert für den Summenstrom für die verbleibende Lampe reduziert wird, d. h. bei zwei Lampen, von denen eine ausgefallen ist, insbesondere halbiert wird.
Vorzugsweise wird in der dritten Phase der Sollwert für den Lampensummenstrom erhöht, um so über den Symmetrietrafo Lsym mehr Leistung zu der nichtgezündeten Lampe zu bringen und diese doch noch zum Zünden zu veranlassen. Wenn dies nach einer vorgegebenen Zeitdauer nicht erfolgreich ist, können beide Lampen abgeschaltet werden, indem der Betrieb des Wechselrichters gestoppt wird.
Messungen haben gezeigt, dass der Zündansatz gemäß der vorliegenden. Erfindung dazu führt, dass die Steuerschaltung einen etwaigen Lichtblitz sehr kurz halten kann, da er sehr schnell auf den niedrigen Sollwert zurückregelt.
Es ist natürlich zu verstehen, dass sich das erfindungsgemäße Verfahren auch für mehr als zwei parallel geschaltete Lampen einsetzen lässt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1901591 B1 [0002]

Claims

Verfahren zum Zünden mindestens einer Gasentladungslampe (Lamp1) mittels eines Wechselrichters, der einen die Gasentladungslampe aufweisenden Lastkreis mit AC-Spannung versorgt, wobei der Lastkreis einen Resonanzkreis aufweist, wobei das Verfahren aufweist: – Aktivieren eines Lampenstrom-Regelkreises, der direkt oder indirekt den Lampenstrom durch die Gasentladungslampe (Lamp1) erfasst und diesen auf einen vorgegeben Sollwert für den Lampenstrom regelt, wobei der Lampenstrom-Regelkreis die Frequenz des Wechselrichters von einer höheren Frequenz aus in Richtung der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises verringert, bis die Gasentladungslampe (Lamp1) zündet, um unmittelbar nach der Zündung den dann fließenden Lampenstrom auf den Sollwert zu regeln.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Lampenstrom an einem Messwiderstand (Rshunt) an der kalten Seite der Gasentladungslampe (Lamp1) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens zwei Gasentladungslampen (Lamp1, Lamp2) parallel über den Wechselrichter versorgt werden und über den Messwiderstand (Rshunt) ein Summenstrom der einzelnen Lampenströme erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Versorgungspannung jeder Gasentladungslampe (Lamp1, Lamp2) mit einem Gleichspannungsanteil beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei ein Gleichspannungsanteil (Vlamp1, Vlamp2) für jede Gasentladungslampe (Lamp1, Lamp2) erfasst wird, um einen Zustand der jeweiligen Gasentladungslampe (Lamp1, Lamp2) zu bestimmen und/oder den Lampenstrom abhängig von dem erfassten Gleichspannungsanteil (Vlamp1, Vlamp2) zu regeln.
Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei der Sollwert abhängig von dem bestimmten Zustand der Gasentladungslampen (Lamp1, Lamp2) erhöht wird, um über einen Symmetriertrafo (Lsym) eine Spannung an einer nichtgezündeten Gasentladungslampe (Lamp2) zu erhöhen.
Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei der Sollwert einem Lampenstrom entspricht, der zu einem Lichtleistungswert von 1% an der mindestens einen Gasentladungslampe (Lamp1) führt.
Vorschaltgerät für mindestens eine Gasentladungslampe (Lamp1), mit einem Wechselrichter, der einen die Gasentladungslampe aufweisenden Lastkreis mit AC-Spannung versorgt, wobei der Lastkreis einen Resonanzkreis aufweist, und einer Steuerschaltung (SS), wobei die Steuerschaltung (SS) in einem Lampenstrom-Regelkreises direkt oder indirekt den Lampenstrom durch die Gasentladungslampe (Lamp1) erfasst und diesen auf einen vorgegeben Sollwert für den Lampenstrom regelt, wobei die Steuerschaltung (SS) in dem Lampenstrom-Regelkreis8 die Frequenz des Wechselrichters von einer höheren Frequenz aus in Richtung der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises verringert, bis die Gasentladungslampe (Lamp1) zündet, um unmittelbar nach der Zündung den dann fließenden Lampenstrom auf den Sollwert zu regeln.
Schaltung, insbesondere μC oder ASIC, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.