EP2526741B1

EP2526741B1 - Schaltungsanordnung und verfahren zur schnellen kommutierung beim rechteckbetrieb von hochdruckentladungslampen

Info

Publication number: EP2526741B1
Application number: EP10779504.9A
Authority: EP
Inventors: Herbert Kaestle
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2010-11-08
Filing date: 2010-11-08
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2030-11-08
Also published as: WO2012062346A1; EP2526741A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und Verfahren zur schnellen Kommutierung beim Rechteckbetrieb von Hochdruckentladungslampen. Die Erfindung betrifft insbesondere einen elektronisch gesteuerten Betrieb von Hochdruckentladungslampen mit schneller Kommutierungssequenz.

Hintergrund

Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zur schnellen Kommutierung beim Rechteckbetrieb von Hochdruckentladungslampen nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Zum Betrieb von Hochdruckentladungslampen, insbesondere von Hochdruckentladungslampen mit einem keramischen Entladungsgefäß, wird meist eine relativ niederfrequente rechteckförmige Lampenstromversorgung mit schneller Kommutierung verwendet. Hochdruckentladungslampen haben in der Regel zwei im Entladungsgefäß gegenüber angebrachte stabförmige Elektroden, die zur Konditionierung des Bogenansatzes oft mit gewendelten Aufsätzen bestückt sind. Die Stromkommutierung dient zur Verhinderung der einseitigen Elektrodenabnutzung und muss mit hinreichend schneller Umpolung bewerkstelligt werden, damit die Lampe während der Kommutierung nicht erlöscht.
Aus der DE 10 2009 016 579 A1 ist eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Hochdruckentladungslampe bekannt, die eine Halbbrücke aufweist, bei der der obere und der untere Schalter zum Zwecke der Begradigung des Entladungsbogens unabhängig voneinander ansteuerbar sind.
Aus der DE 10 2008 016 888 A1 ist eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Hochdruckentladungslampe bekannt, die einen Speicherkondensator zum Erhöhen der Kommutierspannung des Inverters der Schaltungsanordnung aufweist.
Aus der WO 2007 / 00 31 71 A1 ist eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe bekannt, die eine Regelschaltung aufweist, die in der Nähe des Nulldurchgangs der Versorgungsspannung Strompulse formt, um den Betrieb der Hochdruckentladungslampe zu stabilisieren.
Bei Standard-Hochdruckentladungslampen liegt die Kommutierungszeit typischerweise im Bereich kleiner 100 µs.
Die Kommutierfrequenz wird im Allgemeinen so gewählt, dass einerseits die kurzzeitigen Diskontinuitäten während des Kommutierungsvorgangs sich nicht als Flackern im Licht zeigen und anderseits die akustischen Emissionen sowohl von der heißen Lampe als auch von dem betreibenden Betriebsgerät möglichst nicht in den hörbaren Bereich fallen.
Diese Anforderung lässt sich am besten mit einer Kommutierfrequenz im Bereich zwischen 50 Hz und 200 Hz realisieren.
Die besten Ergebnisse erzielt man, wenn man die Kommutierfrequenz bei 100 Hz (europäisch) oder bei 120Hz (amerikanisch) auf das Netz synchronisiert und sich damit die niederfrequenten und leicht sichtbaren Mischungsmoden zwischen dem allfälligen 100 Hz-Ripple beziehungsweise 120Hz-Ripple der Netzversorgung und den Schwankungen der Kommutierungsübergänge unterdrücken lassen.
Die Kommutierfrequenz sollte aber auch nicht über den Audiohörbereich bei mehr als 20 kHz gelegt werden, damit beim Betrieb der Lampe die akustischen Eigenresonanzen des Entladungsbogens, die bei gängigen Lampengeometrien im Bereich zwischen 20 kHz und 150 kHz liegen, nicht willkürlich angeregt werden.
Eine resonante Anregung des Lichtbogens würde in den meisten Fällen zu Bogenfluktuation und Bogeninstabilitäten führen, die zum Flackern, letztlich zum Erlöschen oder gar zur Zerstörung der Lampe führen können.
Eine weitere Randbedingung zum rechteckigen Betrieb einer Hochdruckentladungslampe ist die Minimierung des hochfrequenten Ripples auf dem rechteckförmigen Lampenstrom, damit hierdurch die akustischen Moden im Entladungsbogen der Lampe nicht willkürlich angeregt werden, was wie bereits erwähnt zu Bogeninstabilitäten führen kann.
Der bei rechteckigem Standard-Betrieb einer Hochdruckentladungslampe zulässige Grenzwert für die hochfreqente Restwelligkeit liegt im Bereich kleiner als 2%.
Der sich ausbildende hochfrequente Ripple eines Standard-Betriebsgerätes mit rechteckförmiger Lampenstromform ist im Wesentlichen der verbleibende Restripple, der vom internen hochfrequenten Betriebsverfahren des Schaltkonverters herrührt.
Der sichtbare verbleibende Restripple hängt dabei direkt von der Zeitkonstante der Glättungsvorrichtungen ab, was im Wesentlichen von der Größe des verwendeten Glättungskondensators am Ausgang des Lampenstromkreises abhängt.
An dieser Stelle verdeutlicht sich der Umstand, dass bei einem Standard-Betriebsgerät mit rechteckförmiger Lampenstromform zum Betrieb einer Hochdruckentladungslampe die Implementierung einer hinreichend starken Lampenstromglättung der Anforderung einer hinreichend schnellen Stromkommutierung entgegen steht.
Eine hohe Zeitkonstante zur starken Glättung des Lampenstroms führt in gleicher Weise zur Verlangsamung der natürlichen Kommutierungszeit bzw. zur Erhöhung des Schaltungsaufwands für die Implementierung eines aktiv gesteuerten Kommutierungsvorgangs.
Bei einem Standard-Betriebsgerät mit rechteckförmiger Lampenstromform zum Betrieb von Standard-Hochdruckentladungslampen wird daher in der Regel ein Ausgleich zwischen der Glättungsanforderung (Restripple kleiner als 2%) und der Kommutierungszeit (Kommutierungszeit t_com kleiner als 100 µs) angestrebt.
In Fig. 1 ist eine schematische Schaltungstopologie eines elektronischen Betriebsgerätes zum Betrieb einer Standard-Hochdruckentladungslampe nach dem Stand der Technik dargestellt, bei der der Betrag der Restwelligkeit des Lampenstroms mit der erreichbaren Kommutierungszeit in Einklang gebracht wurde.
Die Zwischenkreisspannung U_ZK von 400 VDC wird von einer Netzleistungsfaktorkorrektureinheit (nicht gezeigt) über einen Zwischenkreiskondensator C_ZK bereitgestellt.
Die Halbrückenschaltung ist als tiefsetzende Halbbrücke mit den Transistoren Q1_HIGH und Q2_LOW ausgeführt. Bei einer tiefsetzenden Halbbrücke wird dem niederfrequenten Betrieb bei ca. 100Hz eine hochfrequente Pulsweitenmodulation überlagert, um die Eingangsspannung der Halbbrücke auf die erforderliche Lampenspannung heruntersetzen zu können. Dieser Betrieb ist im Stand der Technik weithin bekannt und wird hier deshalb nicht näher erläutert. An der Halbbrücke wird an dessen Ausgang alternativ im 100Hz-Takt für den Vorwärtsbetrieb (Schalter Q1_High wird mit langen Pulsweiten getaktet, Schalter Q2_Low wird mit kurzen Pulsweiten getaktet) eine Spannung von +300V und für den Rückwärtsbetrieb (Schalter Q2_LOW wird mit langen Pulsweiten getaktet, Schalter Q1_High wird mit kurzen Pulsweiten getaktet) eine Spannung von +100V bereitgestellt.
Die Hochdruckentladungslampe 5, im Folgenden auch als Lampe bezeichnet, wird in den beiden Phasen, der Vorwärtsphase und der Rückwärtsphase, auf die mittlere Spannung U_CB hin betrieben, die sich am Blockkondensator C_B in Höhe von 200VDC konstant einstellt. Die an der Lampe auftretende Differenzspannung U_L beträgt im Vorwärtsbetrieb +100V und im Rückwärtsbetrieb -100V. Der an der Lampe auftretende Strom I_L ist in den beiden Betriebsphasen entsprechend der Lampenspannung ebenfalls jeweils invertiert. Die Glättung der erzeugten Betriebsspannung am Ausgang des Schaltkonverters hängt von der Betriebsfrequenz und der LC-Zeitkonstante des Schaltkonverters ab.
Zur Minimierung des verbleibenden hochfrequenten Schaltripples auf der Lampenspannung U_L, sollte die Zeitkonstante (beziehungsweise die aus dieser Zeitkonstante herleitbare Frequenz fo) der Schaltkonverterbauteile verglichen mit der Betriebsfrequenz f_betrieb möglichst groß gewählt werden: $fo : = \frac{1}{2 \cdot π} \cdot \sqrt{\frac{1}{L \cdot C}} = \frac{1}{2 \cdot π} \cdot \sqrt{\frac{1}{0.5 \cdot mH \cdot nF}} = 10 \cdot KHz < < fbetrieb : = 60 kHz .$
Bei der Vorwärtskommutierung wird der Ladezustand des Konverterkondensators C vom Zwischenkreiskondensator C_ZK aus über die Induktivität L resonant bis auf den Spannungswert 300V aufgeladen.
Bei der Rückwätskommutierung wird der Ladezustand des Konverterkondensators C umgekehrt über die Induktivität L resonant bis auf den Spannungswert 100V in den Zwischenkreiskondensator C_ZK zurückgeladen. Der resonante Umladevorgang läuft im Idealfall bei hinreichend hohen Bauteilegüten dissipationsfrei ab. Die Kommutierungszeiten für die resonanten Umladevorgänge hängen im Wesentlichen von der LC-Zeitkonstante des Schaltkonverters ab.
Eine große LC-Zeitkonstante hat eine lange resonante Umladezeit und damit eine entsprechend langsame Kommutierungszeit zur Folge.
Die Resonanzfrequenz des LC-Kreises von $fo : = \frac{1}{2 \cdot π} \cdot \sqrt{\frac{1}{L \cdot C}} =$
$\frac{1}{2 \cdot π} \cdot \sqrt{\frac{1}{0.5 \cdot mH \cdot 500 nF}} = 10 \cdot KHz$
entspricht einer Umlade- bzw. Kommutierungszeit von 100 µs.
Die Zeitkonstante von fo=10kHz führt bei einer Betriebsfrequenz von ca. fbetrieb:=60kHz zur einer Restwelligkeit von kleiner 2%. Die Glättungsanforderungen und die Kommutierungszeiten stehen sich bei dieser Schaltanordnung entgegen und müssen zweckmäßig ausgeglichen werden.
Zur Erzeugung der Zündspannung ist in den Lampenkreis seriell ein Zündtrafo mit Schalttransistor zur Erzeugung eines oder mehrerer Zündpulse eingebracht.
Mit dem oben beschriebenen einfachen Rechteckbetrieb können in der Regel die meisten standardisierten Hochdruckentladungslampen betrieben werden, ohne dass es dabei zu nennenswerten Bogeninstabilititäten und Bogenauslenkungen kommt.
Anders dagegen verhält es sich beim Betrieb von quecksilberfreien molekularstrahlungsdominierten Hochdruckentladungslampen oder auch von gesättigten kapillarfreien Hochdruckentladungslampen, bei denen die verwendeten Lampenfüllungen oft hohe Temperaturleitfähigkeit aufweisen, was zur schnellen Auskühlung der Elektroden und des Lampenplasmas während der Stromkommutierung und damit auch zur spontanen Erlöschung der Lampen an dieser Stelle führen kann.
Die Anforderung an die Stromkommutierungszeit beim Betrieb dieser neuartigen Lampen ist damit hoch und liegt im Bereich kleiner 40µs.
Zusätzlich zur Anforderung der schnellen Stromkommutierung zeigen die Füllungen dieser neuartigen Lampen meist eine erhöhte Empfindlichkeit zur Anregung bogendestabilisierender akustischer Eigenmoden, wodurch sich die Anforderungen an das Glättungsvermögen des Ausgangskreises erhöhen (Ripplegrenzwerte kleiner als 1%), was aber, wie bereits erwähnt, aus technischer Sicht der schnellen Kommutierung entgegensteht.
Des weiteren werden beim Betrieb derartiger Lampen meist zur Stabilisierung des Entladungsbogens gezielt besondere Modulations-Betriebsverfahren benötigt, was aus schaltungstechnischer Sicht bezüglich der Größe der Zeitkonstanten des internen Schaltkonverters bzw. der Glättungseigenschaften des Ausgangskreises zusätzliche definierte Randbedingungen darstellt, die ebenfalls mit den hohen Anforderungen einer schnellen Kommutierung nur schwer vereinbar sind.

Aufgabe

Es ist Aufgabe der Erfindung eine Schaltungsanordnung zur schnellen Kommutierung beim Rechteckbetrieb von Hochdruckentladungslampen bereitzustellen, mit der die Glättung des Lampenstroms aus dem Tiefsetzsteller beliebig groß einstellbar ist, wobei aber die Stromkommutierungen unabhängig davon mit hoher Geschwindigkeit vollzogen werden können.

Darstellung der Erfindung

Die Lösung der Aufgabe bezüglich der Schaltungsanordnung erfolgt erfindungsgemäß mit einer Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1 zur schnellen Kommutierung beim Rechteckbetrieb von Hochdruckentladungslampen, aufweisend eine tiefsetzende Halbbrückenanordnung mit einer Halbbrücke, einer Lampendrossel, einem Konverterkondensator, einem Blockkondensator, einen ersten Schalter zur Kopplung der Halbbrückenanordnung mit der Lampe, einen zweiten Schalter zum Vollzug der Vorwärtsstromkommutierung und zur Einleitung einer Vorwärtsphase, einen dritten Schalter zum Vollzug der Rückwärtsstromkommutierung und zur Einleitung einer Rückwärtsphase. Durch diese Maßnahme kann die Halbbrücke wie im Stand der Technik langsam umgeladen werden, da ja der Lampenkreis über ersten Schalter von der Halbbrücke weggekoppelt ist. Wenn die langsame Umladung an der Halbbrücke abgeschlossen ist, dann kann der Lampenkreis wieder angekoppelt werden. Durch den zweiten Schalter wird die Lampe erfindungsgemäß einer sehr schnellen Kommutierung unterzogen.
Bevorzugt weist die Schaltungsanordnung weiterhin eine Zündinduktivität und einen Zündkondensator auf. Mit dieser kann im Zusammenspiel mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung eine vereinfachte Zündung der Hochdruckentladungslampe realisiert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Schaltungsanordnung weiterhin eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung auf. Mit dieser können auch Lampen höherer Leistung unter Einhaltung aller vorgeschriebenen Vorschriften an einem öffentlichen Versorgungsnetz betrieben werden.
Die Lösung der Aufgabe bezüglich des Verfahrens erfolgt erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß Anspruch 4 zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe mittels einer Schaltungsanordnung mit einer Halbbrückenanordnung mit einer Halbbrücke und einer Lampendrossel, einem Konverterkondensator sowie einem Blockkondensator, mit folgenden Schritten:

vor dem Einleiten einer Kommutierung abkoppeln der Halbbrückenanordnung von der Hochdruckentladungslampe durch Öffnen eines ersten Schalters,
Vollzug der Vorwärtskommutierung durch Schließen eines zweiten Schalters zur Einleitung einer Vorwärtsphase und durch Öffnen eines dritten Schalters, oder Vollzug der Rückwärtskommutierung durch Schließen eines dritten Schalters zur Einleitung einer Rückwärtsphase und durch Öffnen eines zweiten Schalters,
Ankoppeln der Halbbrückenanordnung an die Hochdruckentladungslampe durch Schließen des ersten Schalters,
Öffnen des zweiten Schalters und des dritten Schalters.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur schnellen Kommutierung beim Rechteckbetrieb von Hochdruckentladungslampen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:

Fig.1: eine Schaltungstopologie nach dem Stand der Technik dargestellt, bei der der Betrag der Restwelligkeit des Lampenstroms mit der erreichbaren Kommutierungszeit in Einklang gebracht wurde,
Fig. 2: eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer ersten Ausführungsform, bei der die tiefsetzende Halbbrücke von der Glättungseigenschaft des internen Schaltkonverters entkoppelt wird und beide Charakteristika unabhängig voneinander eingestellt werden können,
Fig. 3a: eine Gesamtansicht zur Funktionalität der Schaltanordnung für den Rechteckbetrieb,
Fig. 3b: eine detaillierte Schaltsequenz der Kommutierung in den Vorwärtsbetrieb,
Fig. 3c: eine detaillierte Schaltsequenz der Kommutierung in den Rückwärtsbetrieb,
Fig. 4: eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer zweiten Ausführungsform zur Erzielung einer schnellen Lampenstromkommutation ausschließlich für die Rückwärtskommutierung zur Einleitung der stationären Rückwärtsphase bei einem EVG für Rechteckbetrieb.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, bei der die tiefsetzende Halbbrücke von der Glättungseigenschaft des internen Schaltkonverters entkoppelt wird und beide Charakteristika unabhängig voneinander eingestellt werden können.
Die von der Zwischenkreisspannung versorgte Tiefsetzer-Schaltkonverteranordnung stellt wie nach dem Stand der Technik jeweils für den Vorwärtsbetrieb und den Rückwärtsbetrieb auf dem Konverterkondensator C die beiden unterschiedlichen Spannungswerte von 300V bzw. 100V bereit.
Die Umladung des Konverterkondensators C auf die beiden Spannungswerte erfolgt wie nach Stand der Technik resonant über die Zeitkonstanten des LC-Kreises, die möglichst groß gewählt werden kann um am Ende eine ausreichend gute Glättung des Lampenbetriebsstroms zu gewährleisten.
Die Lampe selbst wird auf den mittleren Spannungspegel bei 200VDC am Blockkondensator C_B betrieben.
Insbesondere kann nun mittels des Schalters Q_TRANS der Lampenkreis und damit die Lampe während der relativ langen Umladevorgänge des Konverterkondensators C des Schaltkonverters (mehr als 100 µs) kurzzeitig weggekoppelt werden.
Während der Zeit der Abkopplung kann nun die Lampe unter Umgehung der langsamen Zeitkonstante des Konverters wahlweise entweder zur Einleitung der Vorwärtsphase direkt über den Schalter Q_COM_FW an die Zwischenkreisspannung von 400V gelegt werden, oder zur Einleitung der Rückwärtsphase direkt über den Schalter Q_COM_BW auf GND gelegt werden.
Bei der Einleitung der Vorwärtsphase, bei der der Schalter Q_COM_FW auf U_ZK=400VDC leitend geschaltet wird, wird über die eingebrachte Zünddrossel L_Zünd unmittelbar ein kräftiger Lampenstrom in Vorwärtsrichtung in Gang gesetzt, dessen Höhe neben der vorherrschenden Lampenimpedanz von der Größe der Induktivität der Zünddrossel L_zünd und der Einschaltdauer abhängt.
Unter der Vorwärtskommutierung wird die Kommutierung von der Rückwärtsphase in die Vorwärtsphase verstanden, bei der der Lampenstrom von einem negativen Wert zu einem positiven Wert gewechselt werden muss.
Bei der Vorwärtsphase wird in der vorliegenden Schaltungsanordnung über den Schalter Q_COM_FW ein positiver Strom I_L ausgehend von der Zwischenkreisspannung U_ZK durch die Lampe 5 auf U_CB am Blockkondensator C_B geleitet
Die Einschaltdauer der Vorwärtskommutierung wird so gewählt, dass der sich einstellende Kommutierungsstrom die Lampe kurzeitig ausreichend aufheizt, damit das anschließende Zurückkoppeln der Lampe an einen Konverterkondensator C des Schaltkonverters ohne Gefahrlaufens des Erlöschens bewerkstelligt werden kann.
In gleicher Weise wird für die Einleitung der Rückwärtsphase, bei der der Schalter Q_COM_BW auf GND leitend geschaltet wird, ebenfalls über die eingebrachte Zünddrossel ein kräftiger Lampenstrom in Rückwärtsrichtung in Gang gesetzt, dessen Höhe ebenfalls neben der vorherrschenden Lampenimpedanz von der Induktivität der Zünddrossel L_ZÜND und der Einschaltdauer abhängt.
Unter der Rückwärtskommutierung wird die Kommutierung von der Vorwärtsphase in die Rückwärtsphase verstanden, bei der der Lampenstrom von einem positiven Wert zu einem negativen Wert gewechselt werden muss.
Bei der Rückwärtsphase wird in der vorliegenden Schaltungsanordnung über den Schalter Q_COM_BW ein negativer Strom I_L ausgehend von U_CB am Blockkondensator durch die Lampe 5 auf Masse geleitet.
Auch hierbei wird die Schaltdauer der Rückwärtskommutierung so gewählt, dass der sich einstellende Kommutierungsstrom die Lampe ausreichend aufheizt, damit das anschließende Zurückkoppeln der Lampe an einen Konverterkondensator C des Schaltkonverters ohne ein Lampenerlöschen bewerkstelligt werden kann.
Die Einschaltdauer des eingeprägten Stromes für die Vorwärts- und Rückwärtskommutierung wird so gewählt, dass der sich einstellende Kommutierungsstrom die Elektroden der Lampe kurzeitig ausreichend aufheizt, damit das anschließende Zurückkoppeln der Lampe an einen Konverterkondensator C des Schaltkonverters ohne Gefahrlaufen eines Lampenerlöschens bewerkstelligt werden kann.
Wird eine Zündinduktivität von typischerweise 1mH zugrunde gelegt, betragen die typischen Stromanlaufzeiten für die Lampenstromkommutierung ca. 20 µs und die Abschaltung, bzw. das Zurückkoppeln Lampe an den Schaltkonverterausgang zur Fortführung des stationären Vorwärtsbetriebs bzw. Rückwärtsbetriebs kann nach ca. 50 µs bis 70 µs erfolgen.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist der, dass mit den drei Entkopplungsschaltern Q_TRANS, Q_COM_FW und Q_COM_BW zusammen mit L_ZÜND für den Lampenstart weiterhin auch eine resonante Zündsequenz realisiert werden kann.
Hierzu wird zum Zünden der Lampe der Lampenkreis über Q_TRANS vom Tiefsetzerschaltkonverter abgekoppelt wodurch mit den beiden Schaltern Q_COM_FW und Q_COM_BW über die Zünddrossel L_ZÜND und des Zündkondensators C_ZÜND ein Halbbrückenbetrieb für eine resonante Zündsequenz realisiert werden kann. Solche Schaltungsanordnungen zur Zündung von Hochdruckentladungslampen sind im Stand der Technik bekannt und werden daher hier nicht näher erläutert.
Nachdem die Lampe gezündet hat, lässt sich die Lampe über die immer noch abgekoppelte Halbbrücke in einer Warmup-Phase je nach Bedarf weiterhin hochfrequent antreiben, bis ein Ankoppeln an den Schaltkonverter zur Aufnahme des Rechteckbetriebs angezeigt ist.
Fig. 3a zeigt die relevanten Signale zur Erläuterung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
Die oberste Kurve 1 zeigt die konstante Zwischenkreisspannung U_ZK in der Höhe von 400VDC, die von der Leistungsfaktorkorrekturschaltung über C_PFC bereitgestellt wird. Kurve 2 zeigt die konstante mittlere Spannung U_CB von 200VDC, die sich am Blockkondensator C_B einstellt, auf welche hin die Lampe betrieben wird.
Über den Tiefsetzer-Schaltkonverter werden an seinem Konverterkondensator C abwechselnd im Takt von 100Hz die Spannungswerte von 300V und 100V erzeugt und bereitgestellt, mit denen die Lampe in den beiden Betriebsphasenhasen, Vorwärtsbetrieb und Rückwärtsbetrieb gespeist wird.
Die Kurve 3 zeigt diese wechselnde Spannung U_C am Kondensator C.
Die an den Ausgang des Schaltkonverters angekoppelte Lampe wird auf die konstante 200V-Spannung am Blockkondensator C_B hin betrieben und erfährt damit die Differenzspannung U_L zwischen C_B und C, die in beiden Betriebsphasen jeweils zu einander invertiert bei 100V liegt.
Die Kurve 5 zeigt den sich einstellenden Lampenstrom I_L analog zur Lampenspannung U_L bei Kurve 4.
Fig. 3b zeigt eine detaillierte Schaltsequenz der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung bei der Kommutierung in den Vorwärtsbetrieb. Die Kurve 1 zeigt den Schaltzustand bzw. die Gatespannung UQ_TRANS des Koppeltransistors Q_TRANS. Zu Beginn des Kommutierungsvorgangs wird der Lampenkreis über den Koppeltransistor Q_TRANS vom Ausgang des Schaltkonverters für ca. 70 µs getrennt.
Die Kurve 2 zeigt den Schaltzustand bzw. die Gatespannung UQ_COM_FW des Schalttransistors Q_COM_FW. Während der Kommutierung in den Vorwärtsbetrieb wird der Lampenkreis über den Schalttransistor Q_COM_FW für ca. 70 µs an die Zwischenkreisspannung von 400VDC angekoppelt und ermöglicht damit einen schnellen und starken Lampenstrom in Vorwärtsrichtung.
Die Kurve 3 zeigt den Schaltzustand bzw. die Gatespannung UQ_COM_BW des Schalttransistors Q_COM_BW. Während der Kommutierung in den Vorwärtsbetrieb bleibt der Schalttransistor Q_COM_BW geschlossen.
Die Kurve 4 zeigt den pulsförmigen Lampenstrom I_L an der Lampe zur Einleitung des Vorwärtsbetriebes. Der sich einstellende Strompuls an der Lampe entsteht infolge der Ankopplung des Lampenkreises über den Schalttransistor Q_COM_FW an die positive Zwischenkreisspannung von 400VDC unter Umgehung der den Strom bremsenden Lampendrossel L.
Die Kurve 5 zeigt den pulsförmigen Lampenstrom I_L bei der Vorwärtskommutierung in höherer zeitlicher Auflösung.
Die Stromrichtung an der Lampe ändert sich innerhalb von 20usec von -1A auf + 2.5A, was einer Stromkommutierungszeit von unter 20 µs entspricht.
Die Kurve 6 zeigt den Schaltzustand bzw. die Gatespannung UQ_COM_FW des Schalttransistors Q_COM_FW in höherer zeitlicher Auflösung.
Der Vorwärtskommutierungsvorgang wird nach 70 µs beendet in dem der Schalter Q_COM_FW wieder geöffnet wird, wobei der Lampenkreis wieder an den Ausgangskondensator C des Tiefsetzers angekoppelt wird, indem der Schalter Q_COM_FW wieder geschlossen wird.
Fig. 3c zeigt eine detaillierte Schaltsequenz der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung bei der Kommutierung in den Rückwärtsbetrieb. Die Kurve 1 zeigt den Schaltzustand bzw. die Gatespannung UQ_TRANS des Koppeltransistors Q_TRANS. Zu Beginn des Kommutierungsvorgangs wird der Lampenkreis über den Koppeltransistor Q_TRANS vom Ausgang des Schaltkonverters für ca. 70 µs getrennt.
Die Kurve 2 zeigt den Schaltzustand bzw. die Gatespannung UQ_COM_FW des Schalttransistors Q_COM_FW. Während der Kommutierung in den Rückwärtsbetrieb bleibt der Schalttransistor Q_COM_FW geschlossen.
Die Kurve 3 zeigt den Schaltzustand bzw. die Gatespannung UQ_COM_BW des Schalttransistors Q_COM_BW. Während der Kommutierung in den Rückwärtsbetrieb wird der Lampenkreis über den Schalttransistor Q_COM_BW für ca. 70 µs an 0V=GND angekoppelt und ermöglicht damit einen schnellen und starken Lampenstrom in Rückwärtsrichtung.
Die Kurve 4 zeigt den pulsförmigen Lampenstrom I_L zur Einleitung des Rückwärtsbetriebes. Der zur Einleitung des Rückwärtsbetrieb sich einstellende Strompuls an der Lampe entsteht infolge der Ankopplung des Lampenkreises über den Schalttransistors Q_COM_BW an 0V=GND.
Die Kurve 5 zeigt den pulsförmigen Lampenstrom I_L bei der Rückwärtskommutierung in höherer zeitlicher Auflösung.
Die Stromrichtung an der Lampe ändert sich innerhalb von 20usec von +1A auf -2.5A, was einer Stromkommutierungszeit von unter 20 µs entspricht.
Die Kurve 6 zeigt den Schaltzustand bzw. die Gatespannung UQ_COM_BW des Schalttransistors Q_COM_BW in höherer zeitlicher Auflösung.
Der Rückwärtskommutierungsvorgang wird nach 70 µs beendet in dem der Schalter Q_COM_BW wieder geöffnet wird, wobei der Lampenkreis wieder an den Ausgangskondensator C des Tiefsetzers angekoppelt wird, indem der Schalter Q_COM_FW wieder geschlossen wird.
Fig. 4 zeigt eine vereinfachte Schaltanordnung, mit der in einem EVG für Rechteckbetrieb nur die schnelle Rückwärtskommutierung zur Einleitung der stationären Rückwärtsphase möglich ist.
Mit dem fehlenden Schalter Q_COM_FW hat diese Schaltanordnung damit auch einen Schalter weniger und ist kostengünstiger in der Herstellung.

Claims

Schaltungsanordnung zur schnellen Kommutierung beim Rechteckbetrieb von Hochdruckentladungslampen, aufweisend:
- eine erste Halbbrückenanordnung mit einer Halbbrücke (Q1_HIGH, Q2_LOW), die an eine Zwischenkreisspannung angeschlossen ist,

- eine Lampendrossel (L), deren erster Anschluss mit dem Mittelpunkt der Halbbrücke gekoppelt ist,

- einen Konverterkondensator (C), dessen erster Anschluss mit dem zweiten Anschluss der Lampendrossel gekoppelt ist, und dessen zweiter Anschluss mit dem Bezugspotential der ersten Halbbrückenanordnung gekoppelt ist,

- einen ersten Schalter (UQ_TRANS) zur Kopplung der Halbbrückenanordnung mit der Lampe, wobei der zweite Anschluss der Lampendrossel mit einem ersten Anschluss des ersten Schalters gekoppelt ist und wobei mittels des ersten Schalters die Lampe während der Umladevorgänge des Konverterkondensators weggekoppelt werden kann,

- einen Blockkondensator (C_B), der die Lampe mit dem Bezugspotential der ersten Halbbrückenanordnung koppelt,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung weiterhin aufweist:
- einen zweiten Schalter (Q_COM_FW) zum Vollzug einer Vorwärts kommutierung, d.h. die Kommutierung von der Rückwärtsphase in die Vorwärtsphase, bei der der Lampenstrom von einem negativen Wert zu einem positiven Wert gewechselt wird, und zur Einleitung einer Vorwärtsphase, wobei in der Vorwärtsphase ein positiver Strom ausgehend von der Zwischenkreisspannung durch die Lampe auf den Blockkondensator geleitet wird,

- einen dritten Schalter (Q_COM_BW) zum Vollzug einer Rückwärts kommutierung, d.h. die Kommutierung von der Vorwärtsphase in die Rückwärtsphase, bei der der Lampenstrom von einem positiven Wert zu einem negativen Wert gewechselt wird, und zur Einleitung einer Rückwärtsphase, wobei in der Rückwärtsphase ein negativer Strom ausgehend von der Spannung am Blockkondensator durch die Lampe auf das Bezugspotential der ersten Halbbrückenanordnung geleitet wird, wobei der zweite (Q_COM_FW) und der dritte (Q_COM_BW) Schalter eine zweite Halbbrückenanordnung bilden, die zur ersten Halbbrückenanordnung parallel geschaltet ist, wobei der Mittelpunkt der zweiten Halbbrückenanordnung mit dem Mittelpunkt der Halbbrücke der ersten Halbrückenordnung durch die Schaltung aus der Lampendrossel und dem ersten Schalter gekoppelt ist und wobei ein zweiter Anschluss des ersten Schalters mit dem Mittelpunkt der zweiten Halbbrückenanordnung gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung weiterhin eine Zündinduktivität (L_ZÜND) und einen Zündkondensator (C_ZÜND) aufweist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung weiterhin eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung aufweist.
Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe (5) mittels einer Schaltungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- vor dem Einleiten einer Kommutierung abkoppeln der ersten Halbbrückenanordnung von der Hochdruckentladungslampe (5) durch Öffnen des ersten Schalters (UQ_TRANS),

- Vollzug einer Vorwärtskommutierung durch Öffnen des dritten Schalters (Q_COM_BW) und durch Schließen des zweiten Schalters (Q_COM_FW) zur Einleitung einer Vorwärtsphase, oder Vollzug einer Rückwärtskommutierung durch Öffnen des zweiten Schalters (Q_COM_FW) und durch Schließen des dritten Schalters (Q_COM_BW) zur Einleitung einer Rückwärtsphase,

- Ankoppeln der ersten Halbbrückenanordnung an die Hochdruckentladungslampe (5) durch Schließen des ersten Schalters (UQ_TRANS),

- Öffnen des zweiten Schalters (Q_COM_FW) und des dritten Schalters (Q_COM_BW).