[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur
Steuerung der Helligkeit und des Betriebsverhaltens von Gasentladungslampen.
[0002] Elektronische Vorschaltgeräte moderner Bauweise dienen der Ansteuerung von Leuchtstofflampen.
Dabei werden die Leuchtstofflampen zum einen schonender betrieben und zum anderen
kann der Wirkungsgrad derartiger Lampentypen heraufgesetzt werden. Ein elektronisches
Vorschaltgerät weist dabei regelmäßig die folgenden Merkmale auf:
[0003] Über einen Netzeingangsfilter wird eine Versorgungsspannung, die eine Gleich- oder
Wechselspannung sein kann, einem Gleichrichter und einem Zwischenkondensator zugeführt.
Soweit das Gerät ausschließlich mit Gleichspannung betrieben wird, kann der Gleichrichter
auch entfallen. Auf dein Zwischenkreiskondensator wird eine hohe Zwischenkreisspannung
U
0 gebildet, die bei üblicher Netzspannungsversorgung von 220 V in der Größenordnung
von ca. 300 V liegt. An den Zwischenkreis schließt sich ein Wechselspannungsgenerator
an, dieser wird von einem Halbbrücken- oder Vollbrückenwechselrichter gebildet. Er
gibt eine frequenzvariable Ausgangsspannung an einen Ausgangs-Lastkreis ab, der, sofern
keine Halbbrückenschaltung mit künstlichem Spannungsmittelabgriff vorgesehen ist,
einen Serienresonanzkreis aufweist. In der Reihe zu dem Serienresonanzkreis liegt
die Entladungsstrecke der zu steuernden Gasentladungslampe oder Leuchtstofflampe.
[0004] Die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters beträgt in etwa 10 kHz bis 50 kHz.
[0005] Bei den genannten Frequenzen wird der Wirkungsgrad der angeschlossenen Leuchtstofflampen
gegenüber einem Betrieb an dem 50 Hz-Versorgungsnetz erhöht. Eine erhöhte Richtausbeute
wird bei gleicher elektrischer Leistungsaufnahme erzielt. Weiterhin kann aufgrund
der hohen Frequenz die wechselrichter-ausgangsseitige Induktivität des Serienresonanzkreises
kleingehalten werden. Schließlich erlaubt die variable Frequenzsteuerung eine Helligkeitsregelung
der genannten - am normalen Netz nur schwer helligkeitsregelbaren (dimmbaren) - Leuchtstofflampe.
Hinzu kommt schließlich, daß über die Frequenzsteuerung auch eine Zündung der Leuchtstofflampe
vorbereitet und initiiert werden kann.
[0006] Zu dem vorgenannten Zündvorgang gehört zur Schonung der Leuchtstofflampen auch ein
sogenannter Warmstart, bei dein die Heizwendeln der Leuchtstofflampe vorgeheizt werden,
bevor die Lampe aufgrund von Resonanzerscheinungen mit einer hohen Zündspannung beaufschlagt
wird, die zur Zündung und damit zum Betrieb der Gasentladungslampe führt. Die Variation
der Frequenz, welche die Zündung kontrolliert, erlaubt auch im Betrieb der Gasentladungslampe
durch Frequenzverschiebung eine nahezu stufenlose Helligkeitsregelung in weiten Grenzen.
Eine solche stufenlose und kontinuierliche Steuerung der Helligkeit erfordert aufgrund
des negativen Innenwiderstands der im Betrieb befindlichen Leuchtstofflampe besondere
Maßnahmen.
[0007] Neben einer vielseitigen Steuerung und Regelung ist es ein wesentliches Anliegen
moderner EVG's, eine komfortable Handhabung und Bedienung vieler dezentral angeordneter
Lichtquellen zu gewährleisten. Dies insbesondere im Hinblick auf Großprojekte, bei
denen weitläufige Beleuchtungssysteme mit einer großen Anzahl von Lichtquellen zu
installieren sind.
[0008] Ferner sollte eine erhöhte Sicherheit für die angeschlossenen Leuchtstofflampen sowie
eine verbesserte Überwachungsmöglichkeit dieser geschaffen werden. Sicherheit nicht
zuletzt auch für das Betriebspersonal, das ausgefallene Lampen zu wechseln hat und
hierbei darauf angewiesen ist, daß die beim Lampenwechsel an den Steckfassungen und
im Gerät entstehenden Spannungen ungefährlich sind. Dies aus dem Grunde, da bei weitläufigen
Beleuchtungssystemen die einzelnen Lampen nicht individuell abschaltbar sind, so daß
ein Lampenwechsel im Betrieb notwendig wird.
[0009] Den zentralen Gesichtspunkt für die Entwicklung eines modernen EVG's bildet allerdings
eine möglichst vielseitige Steuerungsmöglichkeit, insbesondere eine Helligkeitsregelung.
Dies im Hinblick auf das Betriebsverhalten sowie die Helligkeitsregelung der an einein
jeweiligen EVG angeschlossenen Leuchtstofflampen. Dabei sollte eine möglichst genaue
Helligkeitsanpassung erzielt werden.
[0010] Ein in der US-4,523 128 beschriebenes Vorschaltgerät weist zu diesem Zweck eine Steuereinrichtung
auf, der über die Stromversorgungsleitung mittels Powerline Carrier Verfahren (PLC)
digitale Steuerbefehle zugeführt werden. Diese digitalen Steuerbefehle umfassen insbesondere
Dimmwertbefehle zur Regelung der Helligkeit der Lampe. Sie werden in einer Decodiervorrichtung
entschlüsselt und in Steuersignale zur Ansteuerung des Wechselrichters umgesetzt,
so daß die gewünschte Lampenhelligkeit erzielt wird. Somit entspricht jedem Dimmwertbefehl
genau ein Helligkeitswert, was zur Folge hat, daß eine Steuerung der Lampenhelligkeit
nicht kontinuierlich sondern in Helligkeitsstufen erfolgt. Da die digitalen Steuerbefehle
allerdings eine vorgegebene Länge (beispielsweise eine Länge von acht Bit) haben,
ist die Anzahl der Dimmwertbefehle und damit der zur Verfügung stehenden Helligkeitswerte
begrenzt.
[0011] Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung
zur Steuerung der Helligkeit und des Betriebsverhaltens von Gasentladungslampen anzugeben,
bei dein eine Umsetzung der begrenzt zur Verfügung stehenden digitalen Dimmwerrbefehle
derart erfolgt, daß über einen möglichst großen Helligkeitsbereich eine möglichst
genaue Regulierung der Lampenhelligkeit erzielt wird.
[0012] Die Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen
der Ansprüche 1 bzw. 2 gelöst.
[0013] Die erfindungsgemäße Lösung ermöglichst es, die Steuerfunktionen und die Helligkeitsregelung
besonders genau und komfortabel zu handhaben. Über eine einer Steuer- und Regeleinrichtung
zugeordnete Schnittstelle können Steuerbefehle und Helligkeitsbefehle zugeführt werden,
die von der Steuer- und Regeleinrichtung abhängig von den derzeit gültigen Prozeßgrößen
(Meßgrößen) des jeweiligen Vorschaltgeräts ausgeführt werden. Dabei entspricht jedem
durch ein digitales Befehlssignal repräsentierten Sollwert ein Helligkeitswert der
Lampe.
[0014] Erfindungsgemäß ist die Steuer- und Regeleinrichtung derart ausgebildet, daß die
durch die digitalen Sollwerte bedingten Helligkeitsstufen, also die Helligkeitsunterschiede
zwischen zwei benachbarten - jeweils einem digitalen Sollwert entsprechenden - Helligkeitswerten,
inkremental anwachsend sind. Als Folge davon ist der Helligkeitsunterschied zwischen
benachbarten Helligkeitswerten bei niedriger Lampenhelligkeit geringer ist als bei
hoher Lampenhelligkeit. Dabei überschreitet jedoch die relative Änderung der Lampenhelligkeit
bei einem Wechsel von einem Helligkeitswert zum nächsten einen vorgegebenen Grenzwert
nicht.
[0015] In einem besonders bevorzugten Fall ist die relative Änderung beim Wechsel zwischen
benachbarten Helligkeitswerten sogar konstant, wodurch sich eine logarithmische Dimmkennlinie
ergibt. Der Vorteil dieses erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß die
begrenzt zur Verfügung stehenden digitalen Dimmwertbefehle effektiver ausgenützt werden
können und die Gasentladungslampe in einem wesentlich größeren Helligkeitsbereich
betrieben werden kann.
[0016] Bisher war es bekannt, lineare Dimmkennlinien zu verwenden, wobei diese jedoch lediglich
eine Kompromißlösung darstellen. Soll nämlich bei der Verwendung einer linearen Dimmkennlinie
im unteren Helligkeitsbereich eine genaue und feine Helligkeitssteuerung erzielt werden,
so müssen sehr kleine Helligkeitsstufen gewählt werden, was aber wiederum bedeutet,
daß nur eine kleiner Helligkeitsbereich insgesamt angesteuert werden kann. Die absoluten
und relativen Helligkeitsunterschiede beim Wechsel zwischen zwei Helligkeitswerten
sind dann bei großer Helligkeit unnötig klein. Soll hingegen ein möglichst großer
Helligkeitsbereich durch eine lineare Dimmkennlinie erfaßt werden, so sind zwangsläufig
bei den kleinen Helligkeitswerten die Unterschiede groß. Ein Wechsel zwischen benachbarten
Helligkeitswerten wird dann als Sprung wahrgenommen.
[0017] Derartige Nachteile werden durch das erfindungsgemäße inkrementale Ansteigen der
Helligkeitsstufen vermieden.
[0018] Neben der komfortablen Helligkeitsregelung erlaubt die Steuer- und Regeleinrichtung
auch zielgerichtet eine Erhöhung der Lebensdauer der Leuchtstofflampen und eine Gewährung
von Sicherheitsinteressen. Mit ihrer Hilfe kann das Betriebsverhalten und der jeweilige
Berriebszustand der von einem EVG versorgten Leuchtstofflampe genauestens gesteuert
und überwacht werden. So werden Warmstart-, Zünd-, Dimm- und Abschaltvorgang (ZÜND;
DIMM, AUS, EIN) mit hoher Präzision und lampenschonend aneinandergereiht. Unzulässige
Betriebsbedingungen werden vermieden, vor einer jeweiligen Zündung wird für eine ausreichende
Vorwärmung der Heizwendeln gesorgt. Neben dem erfindungsgemäßen helligkeitsgeregelten
Dimmbetrieb (DIMM) kann auch das gesamt EVG, wenn längere Zeit keine Helligkeit gewünscht
wird, stillgelegt werden (SLEEP). In diesem Zustand nimmt das EVG nur minimale Leistung
auf, wodurch vermeidbare Verluste tatsächlich vermieden werden.
[0019] Gestützt auf die Zeichnungen werden nachfolgend Ausführungsbeispiele der Erfindung
näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- ein Blockschaltbild eines EVG's gemäß der vorliegenden Erfindung,
- Fig. 2
- ein Blockschaltbild eines Systemgedankens, bei dem mehrere dezentrale EVG's mit einem
zentralen Steuergerät über eine Busleitung verbunden sind,
- Fig. 3
- ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Steuer- und Regeleinrichtung als
integrierte Schaltung,
- Fig. 4
- ein Prinzipschaltbild eines Eingangskreises mit zwei Meßwerterfassungen,
- Fig. 5
- ein Ausführungsbeispiel der transformatorgekoppelteil Wendelbeheizung einer Leuchtstofflampe
mit drei Meßfühlern,
- Fig. 6
- ein Ausführungsbeispiel eines Ausgangskreises mit einem Symmetrierelement für zwei
Leuchtstofflampen,
- Fig. 7
- ein Prinzipschaltbild des Wechselspannungsgenerators mit ihn ansteuernder Treiberschaltung,
- Fig. 8a-c
- jeweils ein Blockschaltbild der Sende- und Empfangseinrichtung mit verschieden ausgestalteten
Koppelschaltungen zur Busleitung,
- Fig. 9
- ein Helligkeits- Zeitdiagramm zur Erläuterung des Abschalt- und des Notbeleuchtungsbetriebes,
- Fig. 10
- ein Helligkeits-Zeitdiagramm zur Erläuterung der Softstart- bzw. Softstopfunktion
bei einer Systemkonfiguration gemäß Fig. 2.
[0020] Fig. 1 zeigt zunächst ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
EVGs. Die Netzspannung U
N wird - ggf. über einen Schalter S1 - dem Eingangssehaltkreis 20 (Gleichrichterschaltkreis)
zugeführt. Dieser erzeugt die Zwischenkreisspannung U
0,U
dc, die dem Wechselspannungsgenerator 30 (Wechselrichter) zugeführt wird. Der Wechselspannungsgenerator
30 gibt seine hochfrequente Ausgangsspannung U
HF an einen Ausgangs-Lastkreis 40 ab, der eine oder mehrere Leuchtstofflampen LA1,LA2
enthält. Sowohl dem Wechselspannungsgenerator 30 als auch dem Lastkreis 40 sind eine
Mehrzahl von System-Meßwerten (Prozeßgrößen) entnehmbar. Gemeinsam werden die Meßwerte
einer Steuer- und Regelschaltung 17 zugeführt, die ihrerseits die digitalen Ansteuersignale
für den Wechselrichter 30 erzeugt. Diese werden über eine Treiberschaltung 31 potentialverschoben
und den Ausgangs-MOS-FETs des Wechselrichters zugeführt. Der Steuer- und Regeleinrichtung
17 ist außerdem eine Sende- und Empfangseinrichtung 10 zugeordnet, die über eine Busleitung
12 mit anderen EVGs und/oder mit einem zentralen Steuergerät 50 verbunden ist.
[0021] Letzteres wird von
Fig. 2 gezeigt. Dort sind eine Mehrzahl von EVGs 60-1,60-2,60-3,...,60-i an einer gemeinsamen
Busleitung 12 angeschlossen. Alle EVGs sind über diese Busleitung mit dem zentralen
Steuergerät 50 verbunden, dem eine Anzeigeeinheit 51 zugeordnet ist. Über die Busleitung
12 wird es nun möglich, einzelne oder mehrere der genannten EVGs anzusteuern und ihnen
Befehle zu übertragen, wie Ausschalten, Einschalten, Zünden o. ä. Auch können Helligkeitswerte
voreingestellt werden und im Gegenzug Fehlerinformationen von den einzelnen Geräten
abgefragt werden. So ist das Steuergerät 50 jederzeit über den Gesamt-Systemzustand
informiert, wodurch ein hohes Maß an Betriebssicherheit gewährt werden kann und eine
beschleunigte Wartung der dezentralen EVGs, bzw. für deren Leuchtstofflampen, möglich
wird.
[0022] Die in Fig. 1 gezeigten Funktionsblöcke 20,30,40,10,17 werden anhand der folgenden
Figuren nun näher erläutert.
[0023] Fig. 3 zeigt hierzu die Steuer- und Regeleinrichtung 17 als integrierte Schaltung. Ihr werden
die Vielzahl von Meßwerten m, welche den Prozeßsignalen der Fig. 1 entsprechen, zugeführt.
Sie gibt zwei digitale Ansteuersignale für die Endstufen-Transistoren des Wechselrichters
30 ab, die über eine Treiberschaltung 31 noch verstärkt und potentialverschoben werden.
[0024] Neben den m Meßwerten werden der Steuer- und Regeleinrichtung 17 auch n Sollwerte
zugeführt. Diese beeinflussen das vorgebbare Steuer- und Regelverhalten. Weiterhin
ist als Teil der Steuer- und Regelschaltung 17 oder separat eine Sende- und Empfangseinrichtung
10 vorgesehen, die direkt oder mittels eines Koppelschaltkreises mit der Busleitung
12 verbunden ist. Sie bildet die serielle Schnittstelle, die es der Steuer- und Regeleinrichtung
ermöglicht, Fehler- und Betriebszustandsinformationen dem zentralen Steuergerät 50
zu übermitteln.
[0025] Die zuvor genannten n Sollwerte können auch dieser Sende- und Empfangseinrichtung
10 zugeführt werden, die sie nach entsprechender Aufbereitung an die Steuer- und Regelschaltung
17 weitergibt. Sollwerte können beispielsweise sein der Notbeleuchtungspegel (NOT),
der minimale Helligkeitspegel (MIN) und der maximale Helligkeitspegel (MAX), innerhalb
letzterer beider kann sich der vorgebbare Helligkeitspegel (DIMM) im Betrieb bewegen.
[0026] Als Befehls- und Datenworte sowie als Fehlerinformationsworte werden serielle digitale
Datenworte verwendet, deren Länge 8 bit ist. Andere Wertlängen sind möglich. Jedem
dezentralen EVG wird eine Adresse zugeordnet, die es ermöglicht, einzelne EVGs über
die Adresse der Sende- und Empfangseinrichtung 10 anzusprechen und Informationen von
ihnen abzufragen oder ihnen Befehle zu erteilen. Die bidirektionelle Arbeitsweise
der Busleitung 12 ermöglicht ein problemloses und aufwandsarmes Verkabeln einer Vielzahl
von dezentraler EVGs mit einem zentralen Steuergerät (50).
[0027] Fig. 4 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Eingangskreises, wie er zur Speisung des Wechselspannungsgenerators
30 aus einem Versorgungsnetz mit der Spannung U
N verwendbar ist. Der Eingangskreis besteht aus kapazitiven Eingangsfiltern sowie ggf.
aus einer Oberwellendrossel. Die Kondensatoren in Y-Schaltung dienen der Funkentstörung.
Ihnen ist ein Überspannungsableiter oder ein VDR parallel geschaltet. Es schließt
sich ein Vollwellengleichrichter an, der dann entfallen kann, wenn das Gerät betriebsmäßig
mit Gleichspannung betrieben wird. Dem Gleichrichter nachgeschaltet ist ein Zwischenkreiskondensator
C4, der sich bei 220 V Netzspannung auf ca. 300 V mit einer Restwelligkeit von ca.
10 % auflädt.
[0028] Aufgrund eines niedrig zu haltenden Crestfaktors sollte die Zwischenkreisspannung
U
0 gut geglättet sein.
[0029] Parallel zum Zwischenkreiskondensator C4 liegt ein Spannungsteiler R18,R28, an dem
ein der Zwischenkreis-Spannung proportionales Meßsignal abgreifbar ist. An einem Tiefpaß
R21,C25 wird ein der Versorgungsspannung proportionales Signal erfaßt und ebenso,
wie das zwischenkreisspannungs-abhängige Meßsignal der Steuer- und Regeleinrichtung
17 zugeführt. Beide Meßsignale dienen der Versorgungsspannungs-Überwachung und damit
der Betriebssicherheit des EVG.
[0030] Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lastkreises 40 mit einem Heizübertrager
L5 für die Vorheizung der Wendeln der Leuchtstofflampe LA1. In Fig. 5 ist lediglich
einer von einem Paar von Lampenkreisen gezeigt. Das Ausführungsbeispiel der Erfindung
weist ein Paar dieser Zweige auf, d. h. zwei Leuchtstofflampen LA1,LA2 an einem Wechselspannungsgenerator-Ausgang,
der die hochfrequente Wechselspannung U
HF zwischen den in Sehe geschalteten Leistungs-Schalttransistoren V21 und V28 abgibt.
Der Wechselspannungsgenerator wird aus der in Fig. 4 gezeigten Eingangsschaltung 20
mit einer Zwischenkreisspannung U
dc versorgt. Da die Leuchtstofflampen einen negativen Innenwiderstand bei Betrieb besitzen,
müssen sie beim Zündvorgang (ZÜND) mit hohen Spannungsspitzen und beim Heizen der
Wendeln mit entsprechender Heizenergie versorgt werden. Ausgehend von dem Ausgangsanschluß
des Wechselrichters 30 führt ein Sehenresonanzkreis L2,C15 über ein Symmetrierelement
TR1, welches später erläutert wird, auf die Entladungsstrecke H2,H4 der Leuchtstofflampe.
Weiterhin ist zu der Leuchtstoffröhre ein Meßwiderstand R32 in Serie geschaltet, an
welchem eine dem Lampenstrom I
L1 proportionale Spannung abgegriffen und der Steuer- und Regelschaltung 17 zugeführt
wird. Zwischen Spule L2 und Kondensator C15 ist ein Zündkondensator C17 gegen Erde
(NULL) geschaltet. Mit Hilfe dieser Anordnung kann die Dimmerkennlinie der Entladungslampe
vergleichmäßigt werden, da bei steigender Frequenz der Widerstand des Kondensators
C15 abnimmt und der Widerstand der Entladungslampe zunimmt. Parallel zu dem Zündkondensator
C17 liegt auch die Primärwicklung des Heizübertragers L5 sowie in Sehe zu dieser weiterhin
eine Zenerdiode V15 und ein Meßwiderstand R10. An letzterem wird eine dem Heizwendeistrom
I
W1 proportionale Spannung abgegriffen und dem Steuer- und Regelschaltkreis 17 als weitere
Systemmeßgröße zugeführt. Da der Wechselrichter 30 eine Ausgangsspannung einprägt
und der Heizübertrager im wesentlichen parallel zur Leuchtstofflampe LA1 liegt, wird
über den Heizübertrager auf seine Sekundärwicklungen eine Spannung eingeprägt. Die
beiden Sekundärwicklungen versorgen je potentialfrei eine der beiden Heizwendeln H1,H2
und H3,H4. An dem primärseitigen Meßwiderstand R10 wird so die Summe der Heizwendelströme
I
W1 messen.
[0031] Die weiterhin in Sehe geschaltete Zenerdiode V15 erzeugt in der Primärwicklung von
L5 eine Gleichstromkomponente, die aber nicht übertragen wird, sondern im Lampenstrom
I
L1 fehlt und damit die Entladung der Lampe mit einem zusätzlichen Gleichstromanteil
in der Größenanordnung von ca. 1 % des tatsächlichen Entladungsstromes versorgt. Dies
verhindert den Effekt der "laufenden Schichten", die bei Dimmung der Lampen auftreten.
Die "laufenden Schichten" bestehen aus insbesondere beim Dimmen auftretenden Hell-/Dunkelzonen,
die mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit längs der Röhre laufen. Ein Überlagern
von geringem Gleichstrom beschleunigt diesen Laufeffekt derart, daß er nicht mehr
störend wirkt.
[0032] Zum Heizen wird der Wechselrichter 30 mit einer hohen Frequenz f
max betrieben, so daß an C17 eine Wechselspannung auftritt, die nicht zum Zünden der
Lampe LA1 geeignet ist. Über L5 werden in diesem Betriebszustand die Wendeln der Lampe
beheizt, wobei, bedingt durch den Kaltleitereffekt der Wendeln, die Lampe zuerst einen
hohen und dann einen geringeren Heizstrom aufnimmt. Nach ca. 750 msec Vorheizzeit
wird die Zündung (ZÜND) der Lampe eingeleitet.
[0033] Beim Zünden der Leuchtstofflampe wird die Frequenz f des Wechselrichters 30 reduziert,
sodaß sie näher an die Resonanzfrequenz f des Ausgangs-Serienresonanzkreises L2,C15
herankommt. Dadurch entsteht an C17 eine Spannungsüberhöhung, die in der Größenordnung
von ca. 750 V (Spitze) liegt. Hierdurch wird eine funktionsfähige Lampe gezündet.
[0034] Sobald die Lampe LA1 oder LA2 gezündet hat, wird der Serienresonanzkreis L2,C15 oder
L3,C16 stark bedämpft. Dies bewirkt einerseits eine Verschiebung der Resonanzfrequenzen
f
0 und andererseits ein sofortiges Absinken der an der jeweiligen Lampe liegenden Wechselspannung.
Das Absinken wird über den parallel zur Lampe geschalteten Spannungsteiler R27,R25
von dem Steuer- und Regelschaltkreis 17 erkannt. Dieser leitet daraufhin die eigentliche
Betriebsphase (DIMM) der Lampen ein.
[0035] Zum effektiven Betrieb der Lampe wird die Frequenz f des Wechselrichters 30 so geregelt,
daß die Leistung der Lampe dem vorgegebenen Sollwert, d. h. dem gewünschten Helligkeitsniveau,
entspricht. Je höher die Frequenz im Betriebszustand wird, desto geringer wird die
Lampenhelligkeit. Die Betriebsfrequenz des Wechselspannungsgenerators 30 kann dabei
durchaus auch auf Werte verschoben werden, die in der Größenordnung der Heizfrequenz
oder darüber liegen. Auch kann bei einer maximalen Leistung (MAX) eine Ausgangsfrequenz
eingestellt werden, die unterhalb der Zündfrequenz, aber noch oberhalb der Resonanzfrequenz
des Serienresonanzkreises L2,C15 liegt.
Der Betriebszustand des Lampenkreises 14 kann abhängig von der eingesetzten Lampe,
beispielsweise Argon-, Krypton-Lampe, oder abhängig von der gewählten Lampenleistung,
stark variieren.
[0036] Die Kombination aus dem Kondensator C24 und den Dioden V30, V31 bewirkt eine frequenzabhängige
Bedämpfung des Ausgangskreises bei Spannungsüberhöhung. Sie ist vor allem dann wichtig,
wenn hohe Frequenzen und hohe Impedanzen vorkommen, also z.B. bei fehlender Lampe
oder beim Vorheizen bei bereits warmer Wendel. Die Beschaltung dieser Art hilft, die
Spannungsüberhöhung bei nicht gezündeter oder fehlender Lampe dann zu begrenzen, wenn
sie unerwünscht ist. C24 ist so gewählt, daß die Bedämpfung zum Zündzeitpunkt klein
genug bleibt.
[0037] Fig. 6 zeigt den Ausgangskreis der Fig. 5 für den zweiflammigen - zwei Leuchtstofflampen
an einem Wechseirichter - Betrieb. Hier ist auch der Symmetieübertrager TR1 vollständig
eingezeichnet. Jede Wicklung wird von einem der beide Lampenströme durchflossen. Dies
geschieht gegensinnig, so daß bei Stromamplituden-Abweichung eine resultierende Magnetisierung
entsteht, die in dem induktiven Element eine Spannung induziert, welche symmetrierend
wirkt. Ein solcher Übertrager ist vorteilhaft, wenn durch Bauteiltoleranzen und Lampentoleranzen
sowie unterschiedlichen Temperaturbedingungen die beiden Lampen im gedimmten Zustand
unterschiedlich hell brennen würden. Durch das Symmetrieelement TR1 wird dies bei
zweilampigen Leuchten vermieden. Werden mehrere Paare von Lampen an einem Wechselspannungsgenerator-Ausgang
betrieben, so ist für jeweils ein Paar ein solches Symmetrierelement TR1 vorzusehen.
[0038] Aus Fig. 6 ist weiterhin ersichtlich, daß jeder Leuchtstofflampe ein individueller
Serienresonanzkreis vorgeschaltet ist sowie ein individueller Zündkondensator C17,C18
parallelgeschaltet ist. Dies ermöglicht eine relativ unabhängige Zündphase sowie einem
Gleichlauf im Dimmbetrieb. Parallel zu den Zündkondensatoren C17,C18 liegt jeweis
ein Spannungsteiler R25-R28, die ein der Ausgangs-Wechselspannung proportionales Signal
an die Steuer- und Regeleinrichtung 17 führen. In gleicher Weise ist es auch möglich,
die Spannungsteiler direkt parallel zur Leuchtstofflampe zu schalten, d. h. hinter
das Symmetierelemente TR1. In Serie zu den Lampen, dies war anhand von Fig. 5 bereits
für einen Lampenkreis erläutert, findet sich je ein Strommeß-Shunt R31,R32. An ihnen
wird ein dem Lampenstrom proportionales Signal gewonnen, welches im Steuer- und Regelschaltkreis
17 mit dem vorgenannten Lampenspannungssignal multiplizierbar ist. Auf diese Weise
wird sichergestellt, daß jederzeit ein der tatsächlichen Lampenleistung P
ist bzw. der Helligkeit E proportionales Signal zur Verfügung steht, das einer genauen
Helligkeitsregelung als Istwert vorgebbar ist.
[0039] Fig. 7 zeigt detaillierter den Wechselrichter 30 mit seinen Ausgangs-Leistungstransistoren
V28,V21. Zwischen ihnen wird die hochfrequente Wechselspannung U
HF an den zuvor erläuterten Lastkreis 40 abgeben. Angesteuert werden die beiden Leistungstransistoren
über einen Ansteuer-Schaltkreis 31, der seine Steuersignale von dem Steuer- und Regelschaltkreis
17 erhält. Ggf. kommen unsymmetrische Abschalt-/Einschaltverzögerungen für die jeweiligen
Transistoren in Betracht, so daß ein gemeinsames Leiten beider Transistoren V21,V28
grundsätzlich vermieden werden kann. Der obere Transistor wird über eine (nicht eingezeichnete)
Bootstrap-Schaltung versorgt, der untere Transistor und die Systemsteuerung 10,17,31
erhalten ihre Ansteuerspannung über einen Vorwiderstand und einen Glättungskondensaror
C5 aus der Zwischenkreisspannung U
0. Neben der genannten Stromversorgung aus dem Zwischenkreis findet auch eine verlustarme
Wechselspannungskopplung aus dem schwingenden Wechselrichter 30 über einen Koppelkondensator
C21, die Dioden V12,V7 und die Induktivität L7 in die Speicherkapazität C5 statt.
[0040] Der durch den Vorwiderstand oder eine Stromquelle I
q dem Glättungskondensator C5 zuführbare Strom ist ausreichend, um das IC31 und die
Steuer- und Regelschaltung 17 im abgeschalteten Betrieb (SLEEP) zu versorgen.
[0041] Bei Betrieb des Wechselrichters reicht die über einen Kondensator C21 ausgekoppelte,
über die genannten Bauteile V12,V7,L7 gleichgerichtete und über C5 geglätte lasteingekoppelte
Versorgung aus. Diese Versorgungsspannungsgewinnung ist nahezu verlustfrei, da lediglich
reaktive Elemente zur Strombegrenzung eingesetzt werden. Mittels der in den unteren
Wechselrichter-Halbzweig des Transistors V21 eingeschalteten antiparallelen Dioden
V14,V15 und dem diesen parallel geschalteten Widerstand R34 wird eine dem Zweigstrom
I
max proportionales Spannungssignal U
Kap gewonnen. Dieses wird, wie die anderen Prozeßsignale dem Steuer- und Regelschaltkreis
17 zugeführt. Er kann hieraus die Stromrichtung des durch den Wechselrichter im Moment
vor dem Öffnen von V21 fließenden Stromes feststellen. Ist dieser Strom negativ, so
befindet sich der Lastkreis 40 des Wechselrichters 30 in einem unzulässigen kapazitiven
Bereich. Er stellt hierbei eine Gefahr für den steuernden Wechselrichter dar. Neben
der reinen Amplituden-Detektion kann auch eine Phasenlagen-Betrachtung herangezogen
werden, bei der der Laststrom I
L1 in Bezug zum Wechselrichter-Zweigstrom I
max gesetzt wird und hieraus die relative Phase beider Ströme zur Detektion des Betriebszustandes
herangezogen wird.
[0042] Eine Erkennung eines unzulässigen kapazitiven Betriebsverhaltens wird von der Steuerschaltung
17 mit einer Erhöhung der Betriebsfrequenz f des Wechselrichters 30 beantwortet, womit
der Lastkreis 40 wieder induktiv betrieben wird. Die vorgenannte kapazitive Betriebsweise
tritt vorwiegend bei geringer Versorgungsspannung auf. Mit der Zweigstromerfassung
kann ein Zerstören von Bauelementen sicher vermieden werden.
[0043] Fig. 8 zeigt die Sende- und Empfangseinrichtung 10 sowie das ihr vorgeschaltete Koppelfilter,
mit dem die Busankopplung zu der Steuerleitung 12 erfolgt. Der Digitalschnittstelle
10 sind in diesem Beispiel die Sollwerte für minimale-, maximale- und Notbeleuchtungshelligkeit
(U
NOT,U
MIN,U
MAX) vorgegeben. Weiterhin ist ein Digitaleingang DAT vorgesehen, über den sowohl die
Steuersignale von einem zentralen Steuergerät zum dezentralen EVG gelangen, als auch
die Fehlersignale von dem dezentralen EVG zu dem zentralen Steuergerät übermittelt
werden. Das serielle Interface ermöglicht die Fernsteuerung des elektronischen Vorschaltgerätes
durch ein digitales Befehlssignal oder Befehlswort. Als solches digitales Signal ist
ein 8 bit-Datenwort vorgesehen. Es wird von den beiden Kondensatoren C22,C23 differenziert,
sodann um die Hälfte der Versorgungsspannung des Regelschaltkreises 17 bzw. des Sende-
und Empfangsschaltkreises 10 potentialverschoben und dann über einen Dämpfungskondensator
C12 dem Digitaleingang DAT der Schnittstelle 10 zugeführt. Hierdurch können sowohl
die 50 Hz-Netzfrequenz unterdrückt, als auch die Eingangsströme jeder Schnittstelle
geringgehalten werden. Fig. 8b zeigt eine weitere Ausgestaltung der Busankopplung.
Hierbei sind die beiden Busleitungen 12 mit dem Dateneingang der Digitalschnittstelle
induktiv gekoppelt. Werden EVGs mit dem in Fig. 8a dargestellten Koppelfilter an verschiedenen
Phasen des Drehstromnetzes betrieben, können Ausgleichsströme fließen, die die Datenübertragung
störend beeinflußen. Diese Ausgleichsströme können zwar in der Schaltung gemäß Fig.
8b ebenfalls fließen, sie heben sich allerdings auf, da keine primärseitige Masseverbindung
existiert. Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Schaltung zeigt Fig. 8c. Durch die
Verwendung einer Sekundärwicklung mit Mittelanzapfung wird die Schaltung verpolungssicher.
Anwendbar ist auch eine optische Kopplung, jedoch weist diese einen erhöhten Stromverbrauch
auf.
[0044] Als Stellsignale werden 255 (entsprechend 8 bit) Helligkeitswerte vorgesehen. Auch
das Steuersigal "AUS", dargestellt durch das binäre Wort "Null" ist möglich. Durch
das vorgenannte Signal AUS versetzt sich das Gesamt-EVG sofort oder nach einer geringen
Zeitspanne in einen stromsparenden Abschaltmodus (SLEEP). In ihm wird der Meßstromverbrauch
des gesamten Vorschaltgerätes minimal. Der Wechselrichter 30 und die Ansteuerschaltung
31 werden stillgelegt und ggf. nach geringer weiterer Zeitverzögerung auch die wesentlichen
Baugruppen des Steuer- und Regelschaltkreises 17. Lediglich die Empfangsschaltung
der Sende- und Empfangseinrichtung 10 und die Überwachungsschaltung für die Erkennung
eines Notbetriebes (NOT) bleiben aktiviert. Die Gesamtkreisleistung sinkt damit unter
1 W. Trifft jedoch in einem solchen Zustand ein neues Steilsignal ein, so nimmt die
Steuer- und Regelschaltung 17 sofort die Einschaltsequenz vor, die mit Vorheizen und
Zündvorgang (ZÜND) in den stationären Betrieb überleitet und dort wird für eine sofortige
Einstellung des gewünschten Helligkeitswertes (DIMM) gesorgt.
[0045] Neben der Steuerung der Helligkeit und des Notbeleuchtungsmodus sowie des Abschalt-Modus
(SLEEP-Mode) obliegt dem Steuer- und Regelschaltkreis 17 auch die Aufgabe, sämtlichen
vorgenannten Prozeßgrößen die Informationen zu entnehmen, die zur Überwachung und
Steuerung des EVG von Wichtigkeit sind.
[0046] Dies sind die Spannungsüberwachung, die Notbetriebs-Aufrechterhaltung und die Überwachung
der Leuchtstofflampen hinsichtlich Wendelbruch oder Gasdefekt. Auch werden durch die
Meßgrößen die verschiedenen Betriebszustände der Leuchtstoffröhre, wie Zünden, Vorheizen
und stationärer Betrieb unterscheidbar. Nachfolgend sollen die gemessenen und zur
Überprüfung herangezogenen Prozeßgrößen zusammengefaßt werden:
Versorgungsspannung Uac, UN,
Unter-/Überspannung UNmin, UNmax,
Batteriespannung UB,
Zwischenkreisspannung U0,Udc,
Lamperstrom/Betriebsstrom IL1,IL2,
Lampenspannung UL1, UL2,
Ausgangsspannung UHF,
Ausgangsstrom IHF,
Wendelstrom IW1, IW2,
Wechselspannungsgenerator-Zweigstrom IKap.
[0047] Anhand der aufgeführten Größen werden Überspannung und Unterspannung im Zwischenkreis
und im Versorgungskreis erfaßt. Die Steuer- und Regelschaltung 17 schaltet dabei alle
Funktionen ab, wenn die Spannung zu hoch wird, und kann erst wieder in Funktion gehen,
wenn die Spannung einmal ab- und wieder zugeschaltet wurde.
[0048] Das Auftreten von Unterspannung - welches zu einem gefährdenden kapazitiven Betrieb
des Wechselrichters führt - wird damit beantwortet, daß die Ansteuerschaltung 31 gesperrt
wird. Solange die Netzversorgung nicht die notwendige Spannung hat, um den Heizvorgang
der Wendeln zu garantierten und den kapazitiven Betrieb zu vermeiden, nimmt die Steuer-
und Regeleinrichtung 17 keine Zündung vor. Erst nach Überschreiten eines vorgebbaren
Schwellenwertes wird der Zündvorgang ausgelöst. Dieses geschieht automatisch.
[0049] Eine Notbetriebsumschaltung auf eine vorgebbare Notbeleuchtungs-Helligkeit erfolgt
beispielsweise dann, wenn über den üblichen Wechselspannungs-Versorgungseingang des
Einschaltkreises 20 und über den Meßfühler R21,C25 (Fig. 4) eine Gleichspannung U
N von dem Regelschaltkreis 17 erkannt wird. Hierzu dient eine Zähllogik, die bei Ausbleiben
der Über- oder Unterschreitung eines vorgegebenen Schwellenwertes den Notbetrieb einleitet.
Dies kann nach einer vorgebenen Totzeit geschehen, die einzelne, möglicherweise fehlende,
Halbwellen, überbrückt.
[0050] Fällt in einem Leuchtensystem die normal speisende Wechselspannung U
ac, U
N aus, so wird eine Notspannungsversorgung U
B, die aus Batterien oder einem Generator gewonnen wird, auf die Netzspannungsleitung
gelegt. Dies erkennen die EVGs automatisch.
[0051] Im Notbetrieb wird die Helligkeit der Leuchtstofflampen nicht mehr durch den digital
vorgegebenen Helligkeitswert DIMM vorgegeben, sondern durch einen dezentral am Gerät
vorgebbaren Trimmwert, der über den Eingang U
NOT vorgebbar ist. Sollte sich das EVG beim Eintreten dieses Notbetriebes im Abschalt-Modus
(SLEEP) befinden, d. h. Lampe und Wechselrichter abgeschaltet, so führt es zuerst
den normalen Zündvorgang (ZÜND) durch, um nachher auf dic Notbezriebshelligkeit zu
stellen.
[0052] Bei erkanntem Ende des Notbetriebszustandes geht das EVG in den vorherigen Zustand
zurück, dies kann der AUS-Zustand sein, wenn sich das EVG vorher dort befand. Dies
kann jedoch auch der ursprüngliche Helligkeitswert (DIMM) sein, sofern dieser vor
Anforderung des Notbetriebes vorlag.
[0053] Über die Erfassung des Wendelstromes erfolgt eine Erkennung, ob entweder eine Lampe
nicht eingesetzt ist oder eine der beiden Wendeln gebrochen ist. In einem dieser Fehler-Fälle
wird der Wechselrichter 30 an seiner maximalen Frequenz f
max betrieben, was einerseits einen nach wie vor fließenden Heizstrom zur Folge hat,
wenn die defekte Lampe ausgetauscht worden ist und andererseits die Spannung an der
defekten Lampe auf das kleinstmögliche Maß heruntersetzt. Dies ist zur Einhaltung
der Sicherheitsbestimmung nach VDE wichtig. Der induktive Teil des Serienresonanzkreises
im Ausgang wird bei der genannten hohen Frequenz f
max gegenüber dem kapazitiven Widerstand des Zündkondensators C17 so hoch, daß die Spannung
am Ausgang auf ungefährliche Werte beschränkt wird und keine Gefahr für das Wartungspersonal
besteht.
[0054] Bei Einsetzen einer funktionsfähigen Lampe wird ohne weitere Maßnahmen nach Abwarten
der Vorheizdauer der Zündvorgang (ZÜND) eingeleitet.
[0055] Die interne Ablaufsteuerung im Steuer- und Regelschaltkreis 17 begrenzt weiterhin
auch die Anzahl der Startversuche auf zwei und setzt (sendet) immer dann, wenn ein
Fehlerfall vorliegt, wenn z. B. die Lampe fehlt, wenn ein Wendelbruch oder ein Gasdefekt
vorliegt, ein Fehlersignal über die Sende- und Empfangseinrichtung 10 auf dem bidirektionalen
Bus 12 ab. Dies gilt auch im Notbetrieb, da beim Defekt der Lampe der Notbetrieb nicht
eingehalten werden kann.
[0056] Verdrahtungsfehler, die zu einem Kurzschluß der Entladungsstrecke der Lampe führen,
können aufgrund der Prozeßsignale dann erfaßt werden, wenn die Lampenspannungen auf
einen vorgegebenen minimalen Wert hin überwacht werden. Dabei führt eine Unterschreitung
dieses vorgegebenen Wertes, wie bei der Netzüberspannungs-Überwachung zu einem Abschalten
des gesamten EVG.
[0057] Auch die Zündunwilligkeit der Lampe, z. B. durch Gasdefekt, wird von dem Steuer-
und Regelschaltkreis 17 erkannt. Wenn die Lampe innerhalb einer vorgegebenen Zündvorgabezeit
nicht gezündet werden kann, d. h. wenn ein Abfallen der Spannung an dem Zündkondensator
C17 innerhalb dieser Zeitspanne nicht eintritt, greift die genannte Sperre ein.
[0058] Neben einem vollständigen Abschalten und einer Fehlermeldung kann auch eine Wiederholzeit
abgewartet werden, nach der ein erneuter Zünd- und Starversuch unternommen wird. Wird
auch hierbei kein Zünderfolg bewirkt, so reagiert die Steuer- und Regelschaltung 17
wie bei Heizwendelbruch und setzt die Frequenz des Wechselrichters 30 auf maximalen
Wert f
max.
[0059] Bei Austauschen der Lampe, was der Steuer- und Regelschaltkreis 17 an einem Ansteigen
der Lampenspannung oder an einem Verändern des Heizwendelstromes erkennt, erfolgt
nach Wiedereinsetzen einer neuen Lampe neuerlich ein Zündversuch.
[0060] Zur Helligkeitsregelung der Leuchtstofflampen sei folgendes erläutert. Es findet
eine echte Helligkeitsregelung Anwendung, da diese lampentypunabhängig gleiche Lampenleistungen
- bei im wesentlichen gleichem Lampenwirkungsgrad - gewährleistet. Die istwertbestimmenden
Meßgrößen Lampenstrom, Lampenspannung werden multipliziert und analog oder digital
mit den über die Sende- und Empfangseinrichtung 10 ferngesteuert vorgegebenen Soliwerten
verglichen. Das Vergleichsergebnis steuert unmittelbar oder über einen Regler die
Frequenz f des Wechselspannungsgenerators 30. Wird eine genauere Helligkeitsabstufung
gewünscht, so kann eine logarithmische Soliwertanpassung erfolgen. Auf gleiche Weise
kann eine exponentielle Istwertgewichtung durchgeführt werden. Neben der Lampentypunabhängigkeit
wird auch eine Kompensation von Lampenalter, von der bestehenden Betriebstemperatur
und auch von der möglicherweise schwankenden Netzspannung U
N erreicht.
[0061] Mit der prozeßsignalgesteuerten Betriebszustandsüberwachung wird es auch möglich,
das Zünden der Lampen auf kleine Helligkeitswerte durchzuführen, wobei der normalerweise
auftretende Lichtimpuls vermieden werden kann. Letzterer ist bedingt durch die sich
im Ausgangskreis durch den Zündvorgang speichernde Energie, die dann nach Zünden schlagartig
in die Lampe entladen wird. Zur Unterdrückung bzw. Beseitigung wird eine schnelle
Zünderkennung - über die Anderung der Lampenbrennspannung U
L1,U
L2 - vorgesehen, sowie eine schnelle Reduktion des Lampenstroms nach dem Zünden ausgeführt.
Letzteres durch augenblickliche Verschiebung der Wechselrichter-Ausgangsfrequenz in
Richtung zu höheren Frequenzen hin. Hierdurch wird der Glimmbereich zwischen dem Zünden
und der stationären Gasentladung künstlich verlängert. Hierdurch würde unter normalen
Umständen eine Reduktion der Lampenlebensdauer auftreten. Dies wird gern. dem Ausführungsbeispiel
jedoch vermieden, da die Verlängerung der Glimmphase nur für die kritischen niedrigen
Helligkeitswerte eingesetzt wird. Für große Helligkeitswerte wird der Strom auf einem
höheren Pegel gehalten, wodurch die Glimmphase verkürzt wird. Dies kann über digitale
Steuerworte und die Sende- und Empfangseinrichtung 10 per Software eingestellt werden.
[0062] In
Fig. 9 ist ein Helligkeits-Zeitdiagramm dargestellt, in welchem die Helligkeit der von dem
EVG gemäß Fig. 1 gesteuerten Lampe zeitabhängig variiert wird. Zunächst ist maximale
Helligkeit vorgesehen, es folgt ein über die Busleitung 12 und die Digitalschnittstelle
10 vorgegebener Abschalt-Zyklus. Die Helligkeit wird gem. einer vorgegebenen Steigung
bis auf Null reduziert, sodann schalten sich der Wechselrichter 30, seine Treiberschaltung
31 und wesentliche Teile des Steuer-ICs 17 zur Stromersparnis ab. Ein daraufhin folgender
Notbeleuchtungs-Zustand führt - trotz abgeschaltetem System - zu einem gesteuerten
Zünden sowie einem Aufbau der Helligkeit der Lampe auf die voreingestellte Notbeleuchtungshelligkeit
(NOT). Diese ist über die Sollwert-Vorgabe U
NOT für jedes dezentrale EVG veränderbar. Ebenso ist der in Fig. 9 eingezeichnete maximale
und minimale Helligkeitswert (MIN,MAX) über eine entsprechende Sollwertvorgabe einstellbar
oder abgleichbar.
[0063] In Fig. 10 ist ein programmtechnisch gesteuerter "Softstart" als Helligkeits-Zeitdiagramm
schematisch dargestellt. Das EVG 60 befindet sich zunächst in abgeschaltetem Zustand
(AUS). Der Befehl "Softstart" führt nun entweder auf ein automatisches steigungsgeregeltes
Ansteigen der Lampenhelligkeit - nach deren Zündung - oder zu einem programmgesteuerten
inkrementalen Anwachsen der Lampenhelligkeitsstufen. Im letzteren Fall werden von
dem zentralen Steuergerät 50 aus in bestimmten Zeitabschnitten inkremental wachsende
Helligkeitswerte gesendet. Die dezentralen EVGs folgen den Anforderungen nahezu verzögerungslos.
Hierdurch wird ein änderungsgeschwindigkeits-gesteuertes (geregeltes) Ansteigen und
Abfallen der dezentralen Lichtquellen möglich.