Steuerschaltung für eine Lichtbogenlampe

Abstract

 Bei einer Steuerschaltung für eine Lichtbogenlampe (6) mit zwei Anschlußklemmen (1,2) zum Anschluß einer Gleichspannung (U1), einer Schalteranordnung (4) aus vier nach Art einer Brücke geschalteten Schaltern (S1,S2,S3,S4), deren erste diagonale Anschlußpunkte (3,5) in Serie mit einer die Stromstärke begren­zenden Drosselinduktivität (L1,L1ʹ, ...L2, L2ʹ, ...) geschaltet sind und zwischen deren zweiten diagonalen Anschlußpunkten (7,8) die Lichtbogenlampe (6) liegt, mit einer Steueranordnung, die abwechselnd die in der Brücke gegenüberliegenden Schalter (S1,S4 bzw. S2,S3) durchschaltet bzw. öffnet, und mit einem der Schalteranordnung (4) vorgeschalteten Stromregler (S5) läßt sich das Auftreten von Kurzschlußströmen zwischen den diagonalen Anschlußpunkten sicher dadurch vermeiden, daß parallel zu den ersten diagonalen Anschlußpunkten (3,5) der Schalteranordnung (4) ein Speicherkondensator (C1) in Serie mit einer in Strom­flußrichtung gepolten Diode (D6) liegt, zu der ein Widerstand (R1) parallelgeschaltet ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung für eine Lichtbogen­lampe mit zwei Anschlußklemmen zum Anschluß einer Gleichspan­nung, einer Schalteranordnung aus vier nach Art einer Brücke geschalteten Schaltern, deren erste diagonale Anschlußpunkte in Serie mit einer die Stromstärke begrenzenden Drosselinduktivität geschaltet sind und zwischen deren zweiten diagonalen Anschluß­punkten die Lichtbogenlampe liegt, mit einer Steueranordnung, die abwechselnd die in der Brücke gegenüberliegenden Schalter durchschaltete bzw. öffnet, und mit einem der Schalteranordnung vorgeschalteten Stromregler.

[0002] Das Leuchten von Lichtbogenlampe entsteht durch die Ausbildung eines Plasmas zwischen den beiden Elektroden der Lichtbogenlam­pe. Zur Vermeidung einseitiger Abnutzungen der Elektroden müssen die Lichtbogenlampen mit einer ständig wechselnden Stromrichtung beaufschlagt werden, wobei die Wechselfrequenz zwischen 50 und 200 Hz liegt. Es ist bekannt, die Lichtbogenlampe direkt mit der Netzwechselspannung zu betreiben, wobei der durch die Plasmaausbildung entstehende Stromanstieg durch eine in Serie mit der Lichtbogenlampe geschaltete Drosselinduktivität begrenzt wird.

[0003] Eine derartige Steuerschaltung benötigt eine relativ große Drosselspule, die relativ viel Platz benötigt und zu einem relativ hohen Gewicht des Vorschaltgeräts beiträgt. Ein weiterer Nachteil der bekannten Steuerschaltung besteht darin, daß durch die ständig wechselnde Stromrichtung durch die Drosselspule die Stromanstiegsgeschwindigkeit sehr gering wird, so daß sich bei jedem Stromwechsel das zwischen den Elektroden der Lichtbogen­lampe ausgebildete Plasma abkühlt und praktisch neu gezündet werden muß. Hierdurch wird die Lebensdauer der Lichtbogenlampe stark beeinträchtigt. Eine weiterer Nachteil besteht darin, daß bei dieser Ansteuerung starke Lichteinbrüche im Takt der Netzfrequenz zu beobachten sind, die dazu führen, daß bei der Verwendung einer derartigen Lampe für Filmaufnahmen eine Synchronisation mit der Lichtbogenlampe vorgenommen werden muß, um nicht Teilbilder des Filmes unzureichend zu belichten.

[0004] Aus der DE-A-29 04 393 ist eine Steuerschaltung der eingangs erwähnten Art bekannt. Diese Steuerschaltung wird mit Gleich­spannung betrieben, wobei die Drosselinduktivität immer von einem Gleichstrom, also mit derselben Stromrichtung, durchflos­sen wird. Die Änderung der Stromrichtung wird durch die Schal­teranordnung ausschließlich für die Lichtbogenlampe durchgeführt und kann mit eienr Taktfrequenz erfolgen. Hieraus ergibt sich, daß eine kleinere Drosselinduktivität verwendet werden kann, so daß die Stromanstiegsgeschwindigkeit ausreichend groß gewählt werden kann, um die Abkühlung des Plasmas beim Wechsel der Stromrichtung in der Lichtbogenlampe unter einen kritischen Wert zu verhindern, so daß das Plasma immer im heißen Zustand erhalten bleibt. Hierdurch wird die Lebensdauer der Lichtbogen­lampe entscheidend verlängert. Durch die kleinere Drosselinduk­tivität läßt sich das Gewicht und der Platzbedarf für die Steuerschaltung wesentlich verringern.

[0005] Die Funktionsweise der bekannten Steuerschaltung beruht darauf, daß in der Brückenanordnung der Schalter die diagonal gegenüber liegenden Schalter gemeinsam geschlossen bzw. geöffnet werden und daß im gleichen Takt die beiden anderen Schalter entspre­chend geöffnet bzw. geschlossen werden. Durch die jeweiligen Schalterpaare werden zwei alternierende Strompfade gebildet. Die Schalteranordnung wirkt daher als Umschalter, so daß immer der eine oder der andere Strompfad leitend ist. Aufgrund der üblicherweise verwendeten Halbleiterschalter geht der Übergang von dem lietenden Zustand in den sperrenden Zustand und umge­kehrt dabei nicht schlagartig vor sich, da Ladungsträgeransamm­lungen in ähnlicher Zeit abgebaut werden. Es kommt daher zu gewissen Überlappungen der (noch bzw. bereits) leitenden Zustände von in der Brücke nebeneinanderliegenden Halbleiter­schaltern, wodurch ein Kurzschluß verursacht wird. Dieser Kurszchluß ist für die Steuerung niedriger elektrischer Leistungen nicht gravierend, weil der Stromregler hierauf reagiert. Für höhere elektrische Leistungen ist jedoch die Regelung mit dem Stromregler problematisch.

[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerschaltung der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß ein Kurzschluß zwischen den diagonalen Anschlußpunkten sicher vermieden wird, so daß auch höhere elektrische Leistungen geschaltet werden können.

[0007] Diese Aufgabe wird bei einer Steuerschaltung der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß parallel zu den ersten diagonalen Anschlußpunkten der Schalteranordnung ein Speicher­kondensator in Serie mit einer in Stromflußrichtung gepolten Diode liegt, zu der ein Widerstand parallelgeschaltet ist.

[0008] Durch die erfindungsgemäße Einfügung einer Leitungspause der Schalteranordnung wird sichergestgellt, daß ein Kurzschluß zwischen den diagonalen Anschlußpunkten vermieden wird. Da die Stromregelung in dieser Leitungspause Strom in die Schalteran­ordnung treibt, wird diese durch den Zusatzkreis mit dem Speicherkondensator gepuffert. Der der in Stromrichtung gepolten Diode parallelgeschaltete Widerstand sorgt für eine almähliche Entladung des Speicherkondensators, wenn die Schalteranordnung wieder leitend ist.

[0009] In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerschaltung ist an einem anschlußklemmenseitigen Ende der Serienschaltung aus Drosselinduktivität und Schalteranordnung ein elektronisch steuerbarer Schalter angeordnet, wobei eine Freilaufdiode den Verbindungspunkt zwischen dme Schalter und der Serienschaltung mit der anderen Anschlußklemme verbindet.

[0010] Hierdurch läßt sich eine dosierte Steuerung des durch die Lichtbogenlampe fließenden Stromes erreichen, wodurch gleichzei­tig die Möglichkeit eröffnet wird, die Lichtbogenlampe zu dimmen. Hierzu wird der elektronisch steuerbare Schalter hochfrequent ein- bzw. ausgeschaltet. In einer bevorzugten Ausführungsform findet diese Schaltung des elektronischen Schalters in Abhängigkeit von dem in der Serienschaltung fließenden Strom statt. Wenn der Schalter ausgeschaltet wird, wird die Serienschaltung durch die Freilaufdiode zu einem geschlossenen Kreis, in dem weiterhin ein durch die Drosselin­duktivität getriebener Strom fließt. Bevor dieser Strom zu stark abfällt, wird der elektronische Schalter wieder geöffnet. Neben der vorzugsweise angewendeten Messung des Stromes in der Serienschaltung läßt sich die Steuerung des elektronischen Schalters auch empirisch - also ohne eine mit einem Stromsensor arbeitende Regelschaltung - ermitteln.

[0011] Zur Symmetrierung der Steuerschaltung ist es vorteilhaft, wenn die Drosselinduktivität durch wenigsten zwei Spulen gebildet ist, die beiderseits der Schalteranordnung angeschlossen sind.

[0012] Die Glättung des durch den Schalter geregelten Stromes in der Serienschaltung kann dadudrch noch verbessert werden, daß die Spulen auf beiden Seiten der Schalteranordnung in mehrere Teilspulen unterteilt sind und daß die zugehörigen Verbindungs­punkte auf beiden Seiten der Schalteranordnung durch Glättungs­kondensatoren miteinander verbunden sind.

[0013] Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeich­nung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert wer­den. Es zeigen:

Figur 1 - ein Prinzipschaltbild für eine Steuerschaltung für eine Lichtbogenlampe mit Anschlußklemmen für eine Gleichspannung

Figur 2 - ein Blockschaltbild für ein komplettes System zur Ansteuerung einer Lichtbogenlampe

[0014] Die in Figur 1 dargestellte Steuerschaltung weist zwei Klem­men 1,2 auf, an die eine Gleichspannung U1 anlegbar ist. An die Klemme 1 ist eine Serienschaltung mehrerer Spulen L₁, L₁ʹ, L₁^nʹ angeschlossen, deren freies Ende mit einem An­schlußpunkt 3 einer Schalteranordnung 4 verbunden ist. Das andere Ende der Schalteranordnung ist durch einen An­schlußpunkt 5 gebildet, an den die Serienschaltung weiterer Spulen L₂,L₂ʹ ... L₂^nʹ angeschlossen ist, deren anderes Ende über einen elektronisch gesteuerten Schalter S5 mit der zwei­ten Anschlußklemme 2 verbunden ist. Der Verbindungspunkt zwi­schen dem Schalter S5 und der ersten an ihn angeschlossenen Spule L₂ ist über eine Freilaufdiode D5 mit der ersten An­schlußklemme 1 verbunden. Die Verbindungspunkte zwischen den Teilspulen L₁,L₁ʹ...,L₂,L₂ʹ sind jeweils über einen Glättungs­kondensator Cʹ... miteinander verbunden.

[0015] Die Schalteranordnung 4 weist vier Transistorschalter S1,S2, S3,S4 auf, die nach Art einer Brücke geschaltet sind. Mit dem Anschlußpunkt 3 sind zwei der Transistorschalter S1,S2 parallel verbunden, die mit ihren anderen Enden an den bei­den Enden einer Lichtbogenlampe 6 liegen, die eine Metall­dampf-Lichtbogenentladungslampe (HMI-Lampe) sein kann. Die beiden Enden der Lichtbogenlampe 6 bilden zwei Anschlußpunk­te 7,8 der Brückenanordnung, an die zwei weitere Transistor­ schalter S3,S4 angeschlossen sind, die am Anschlußpunkt 5 der Schalteranordnung 4 miteinander verbunden sind. Jeder der Transistorschalter S1...S4 ist mit einer Freilaufdiode D1,D2,D3,D4 anti-parallel - also entgegen der durch die An­schlußklemmen 1,2 vorgegebenen Stromrichtung - geschaltet.

[0016] An die Anschlußpunkte 3,5 ist noch die Serienschaltung einer in der normalen Stromrichtung durchlassenen Diode D6 und ei­nes Ladekondensators C1 angeschlossen, wobei die Diode D6 durch einen Widerstand R1 überbrückt ist.

[0017] Innerhalb des durch die eine Drossel induktiv bildenden Spule L₁...L₂... und der Schalteranordnung 4 gebildeten Serienanordnung ist ein galvanisch getrennter Stromsensor 9 angeordnet, der den Leiter umgibt und die Stromstärke in­duktiv mißt. Von dem Stromsensor 9 wird vorzugsweise auch die zwischen dem Widerstand R1 und dem Anschlußpunkt 3 der Schalteranordnung 4 befindliche Leiter erfaßt.

[0018] Der Schaltungsteil hinter den Anschlußklemmen 1,2 mit dem Stromsensor 9, den Teilspulen L₁,L₁ʹ, usw.,L₂L₂ʹ,usw., dem Glättungskondensator Cʹ, der Freilaufdiode D5 sowie dem Schalter S5 bildet einen hochfrequenten Stromsteller 10.

[0019] Die Funktion der beschriebenen Steuerschaltung aus Strom­steller 10, Schalteranordnung 4 und Lichtbogenlampe 6 ist wie folgt:

[0020] Die an den Klemmen 1,2 anliegende Gleichspannung U₁ teilt sich auf in die über die ersten Spulen L₁... abfallende Span­nung U_L1, die über die Lichtbogenlampe 6 abfallende Spannung U_LAST und die über den zweiten Spulen L₂,L₂ʹ... abfallende Spannung U_L2. Die Schalter S1 bis S4 der Schalteranordnung 4 seien hierbei so gesteuert, daß S1 und S4 geschlossen sind und S2 und S3 geöffnet sind, so daß der Strom über den Schal­ter S1 durch die Lichtbogenlampe 6 in der Figur 1 von links nach rechts und durch den Schalter S4 fließen kann. Der Stromsensor 9 detektiert die fließende Stromstärke. Erreicht diese einen oberen Grenzwert, wird der Schalter S5 geöffnet. Die in dem Stromkreis enthaltenen Induktivitäten L₁,L₁ʹ,L₂, L₂ʹ usw. treiben einen weiteren Strom durch den Stromkreis, der durch die Freilaufdiode D5 geschlossen ist. Dabei fällt der Strom ab. Erreicht der Strom eine untere zulässige Stromstärke, bewirkt der Stromsensor 9 die Wiedereinschaltung des Schalters S5. Dieser Vorgang geschieht hochfrequent mit einigen 10 bis 100 kHz.

[0021] Im Takt von 50 bis 200 Hz wird die Schalteranordnung 4 umge­schaltet. Ausgehend von dem oben beschriebenen Zustand wer­den die Schalter S1,S4 geöffnet und die Schalter S2,S3 ge­schlossen, so daß der Strom von Anschlußpunkt 3 nunmehr über den Schalter S2 durch die Lichtbogenlampe in der Figur 1 von rechts nach links und durch den Schalter S3 zum Anschlußpunkt 5 fließt. Die Kommutierung der Stromrichtung durch die Licht­bogenlampe führt demgemäß nicht zu einer Kommutierung der Stromrichtung durch die die Drosselinduktivität bildenden Teilspulen L₁,L₁ʹ,L₂,L₂ʹ usw. Hierdurch wird erreicht, daß der Stromwechsel und der Stromanstieg durch die Lichtbogen­lampe sehr schnell erfolgen kann, so daß eine zu starke Ab­kühlung des Plasmas innerhalb der Lichtbogenlampe 6 verhin­dert werden kann.

[0022] Während des Stromwechsels, also des Umschaltens der Schalter S1,S4 bzw. S2,S3 ist es erforderlich, daß für eine sehr kur­ze Zeit alle Schalter gesperrt sind, um keine Kurzschluß­ströme durch noch teilweise geöffnete Transistorschalter S1 und S3 bzw. S2,S4 zu produzieren. Während der kurzen Zeit, in der alle Schalter Z1 bis S4 gesperrt sind, fließt der Strom von Anschlußpunkt 3 über die Diode D6 in den Ladekon­densator C1 , der dadurch aufgeladen wird. Beim Abfall der Spannung zwischen den Anschlußpunkten 3 und 5 kann sich der Kondensator C1 über den Widerstand R1 entladen, indem ein entsprechender Strom in die Anschlußpunkte 3 und 5, und so­mit in die Lichtbogenlampe 6, eingespeist wird.

[0023] Die Freilaufdioden D1 bis D4 ermöglichen in der kurzen Zeit­spanne, in der alle vier Schalttransistoren S1 bis S4 ge­sperrt sind, das Fließen eines Freilaufstromes über die Licht­bogenlampe 6. Dieser Strom wird durch Induktivitäten der An­schlußleitungen der Lichtbogenlampe getrieben.

[0024] Die Funktion der erfindungsgemäßen Steuerschaltung kann an­hand der schematischen Darstellung in Figur 2 verdeutlicht werden:

[0025] Die Netzspannung wird in einem Gleichrichter 11 gleichgerich­tet, so daß am Ausgang des Gleichrichters die Spannung U₁ an­steht. Der oben beschriebene Gleichstromsteller 10 regelt den Strom durch die Lichtbogenlampe 6, der durch den Wechselrichter 4 in seiner Richtung relativ niederfrequent geändert wird. Die Steuerung des Schalters S5 in dem Gleich­stromsteller 10 sowie der Schalter S1 bis S4 in der als Wech­selrichter dienenden Schalteranordnung 4 und ggf. der Gleich­richter 11 werden durch eine gemeinsame Regel- und Steuerein­heit 12 gesteuert. Die Regel- und Steuereinheit 12 erhält das Signal von dem Stromsensor 9, der die Stromstärke in dem Lastkreis für die Lichtbogenlampe 6 feststellt.

[0026] Für die Steuerung oder Regelung des Gleichstromstellers 10, also das Ein- und Ausschalten des Schalters S5 sind verschie­dene Verfahren möglich.

[0027] Der Schalter S5 kann bei Unterschreiten einer unteren Strom­stärke eingeschaltet und bei Überschreiten einer oberen Stromstärke abgeschaltet werden. Dabei ist die Schaltfrequenz variabel.

[0028] Der Schalter S5 kann aber auch in einem konstanten Frequenz­ raster geschaltet werden, wobei der Stromsensor 9 die Ein­schaltzeit, also die Impulsbreite, bestimmt.

[0029] Ferner ist eine Kombination aus beiden Verfahren möglich. So ist es vorteilhaft, bei Durchführung einer Pulsbreiten­steuerung nach Erreichen einer minimalen Einschaltzeit zur weiteren Reduzierung des Nennstromes die Schaltfrequenz ab­zusenken. Nach Erreichen einer maximalen Einschaltzeit in­nerhalb des vorgegebenen Frequenzrasters wird die Schaltfre­quenz verringert, um eine weitere Stromerhöhung zu erreichen. Zwischen der minimalen Pulsbreite und der maximalen Puls­breite wird mit der Nennfrequenz gearbeitet, die beispiels­weise bei 20 kHz liegen kann.

Ansprüche

1. Steuerschaltung für eine Lichtbogenlampe (6) mit zwei An­schlußklemmen (1,2) zum Anschluß einer Gleichspannung (U₁), einer Schalteranordnung (4) aus vier nach Art einer Brücke geschalteten Schaltern (S1,S2,S3,S4), deren erste diagonale Anschlußpunkte (3,5) in Serie mit einer die Stromstärke be­grenzenden Drosselinduktivität (L₁, L_1ʹ, ...L₂, L_2ʹ, ...) geschaltet sind und zwischen deren zweiten diagonalen An­schlußpunkten (7,8) die Lichtbogenlampe (6) liegt, mit einer Steueranordnung, die abwechselnd die in der Brücke gegenüberliegenden Schalter (S1,S4 bzw. S2,S3) durchschal­tet bzw. öffnet, und mit einem der Schalteranordnung (4) vorgeschalteten Stromregler (S5), dadurch ge­kennzeichnet, daß parallel zu den ersten diagona­len Anschlußpunkten (3,5) der Schalteranordnung (4) ein Speicherkondensator (C1) in Serie mit einer in Stromfluß­richtung gepolten Diode (D6) liegt, zu der ein Widerstand (R1) parallelgeschaltet ist.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromregler durch einen elektronisch steuerbaren Schal­ter (S5) gebildet ist, der an einem anschlußklemmenseitigen Ende der Serienschaltung aus Drosselinduktivität (L₁, L_1ʹ ..., L₂ , L_2ʹ ...) und Schalteranordnung (4) angeordnet ist, daß eine Freilaufdiode (D5) den Verbindungspunkt zwischen dem Schalter (S5) und der Serienschaltung mit der anderen Anschlußklemme (1) verbindert, daß in der Serienschaltung aus Drosselinduktivität (L₁ , L_1ʹ , ... L₂, L_2ʹ, ....) und Schalteranordnung (4) einerseits und in dem durch Diode (D6), Widerstand (R₁) und Speicherkondensator (C1) gebildeten Stromkreis andererseits Stromsensoren (9) angeordnet sind, deren Ausgangssignale summiert auf eine Regelschaltung (12) gelangen, die den elektronischen Schalter (S5) in Abhängig­keit von der detektierten Gesamtstromstärke ein- und aus­schalten.

3. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­net, daß die Drosselinduktivität durch wenigestens zwei Spulen (L₁,L₁ʹ,......; L₂, L_2ʹ, .....) gebildet ist, die beiderseits der Schalteranordnung (4) angeschlossen sind.

4. Steuerschaltung nach Anspruch 3, dadruch gekennzeichnet, daß die Spulen auf beiden Seiten der Schalteranordnung (4) in mehrere Teilspulen (L₁, L_1ʹ, ... ; L₂, L_2ʹ, ...) unterteilt sind, und daß die zugehörigen Verbindungspunkte auf beiden Seiten der Schalteranordnung (4) durch Glättungskondensato­ren (Cʹ) miteinander verbunden sind.

5. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­kennzeichnet, daß die Schalter (S1 bis S4) der Schalteranord­nung (4) jeweils entgegen der durch die Anschlußklemmen (1,2) vorgegebenen Stromrichtung geschaltete Dioden (D1,D2,D3,D4) aufweisen.

Zeichnung