Schaltungsanordnung und Verfahren zum Betrieb einer Gasentladungslampe

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Hochdruckentladungslampe an einem magnetischen Vorschaltgerät aufweisend:
- einen Schalter (T1) parallel zur Hochdruckentladungslampe (1, L2),
- eine Drossel (L3) in Reihe zum Schalter (T1),
- eine Einheit zur Steuerung (D1),
- eine Zündvorrichtung, die mittels der Einheit zur Steuerung (D1) gesteuert werden kann.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Betrieb einer Gasentladungslampe, insbesondere einer Hochdruckentladungslampe oder Niederdruckentladungslampe, die an einem induktiven Vorschaltgerät betrieben wird und parallel zur Lampe geschaltet ist und dazu dient die Lampe zu zünden und mit einer bestimmten Leistung zu betreiben.

Hintergrund

[0002] Retro-Fit Lampen ersetzen weniger effiziente Lampen, wie Quecksilberdampf-Hochdrucklampen mit einer Lichtausbeute von etwa 50 lm/W. Retro-Fit Lampen enthalten höher effiziente Lampen, wie Metallhalogenid-Hochdrucklampen oder Natriumdampf-Hochdrucklampen mit Lichtausbeuten von 100 lm/W und mehr. Die Retro-Fit Lampe nutzt das zum Betrieb von Quecksilberdampf-Hochdrucklampen erforderliche magnetische Vorschaltgerät. Um bei gleichem Lichtstrom die Leistungsaufnahme der höher effizienten Lampe zu reduzieren wurde vorgeschlagen (Fig. 1) [WO 2008/104431 A1], den mittleren Lampenstrom und damit die Lampenleistung durch eine parallel zur Lampe geschalteten Schalter, der am Ende einer jeden Halbwelle für eine bestimmte Zeit geschlossen wird, zu reduzieren. Diese Schaltung hat die Eigenschaft, dass beim leistungsreduzierten Betrieb die Oberwellennorm gemäß der IEC 61000-3-2 erfüllt wird. In Fig. 2 ist eine Ausführungsform der Schaltung gezeigt, bei welcher der steuerbare Schalter durch einen symmetrisch schaltenden Triac realisiert wird. Bei der Ansteuerschaltung werden die Widerstände, und der Kondensator so gewählt, dass am Kondensator nach eine gewisse Zeit nach einem Stromnulldurchgang, .z.B. 7 ms, eine ausreichende Spannung anliegt, dass der Diac X5 durchbricht und den Triac X4 zündet. Der gezündete Triac schließt den Stromkreis kurz und lässt den eingeprägten Drosselstrom nahezu verlustfrei Weiterfließen, während die Lampe kurzgeschlossen ist und keine Leistung aufnimmt. Beim nächsten Stromnulldurchgang öffnet sich der Triac X4 selbstständig, womit in der darauffolgenden Halbwelle wieder ein Strom durch die Lampe fließt, diese eine Leistung aufnimmt und Licht erzeugt und zwar so lange bis der Triac abermals geschlossen wird. Nachteile an der in Fig. 2 gezeigte Schaltungsanordnungen sind, dass das Netzwerk aus den Widerständen, Dioden und dem Diac eine starke Temperaturabhängigkeit aufweißt, womit es nicht möglich ist eine konstante Lampenleistung einzustellen. Nachteilig ist ebenfalls, dass die Lampenleistung abhängig ist von der jeweils anliegenden Netzspannung. Durch diese Schaltungsanordnung kann ebenfalls nicht, die Zündspannung bereitgestellt werden, die für den Betrieb einer Metallhalogenid-Hochdrucklampe oder Natriumdampf-Hochdrucklampe erforderlich ist.

Aufgabe

[0003] Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Schaltungsanordnung für eine Retro-Fit Lampe zu schaffen, die die Zündung und eine leistungsreduzierten Betrieb der Hochdruckentladungslampe, bei einer vorgegebenen Leistung insbesondere bei höheren Temperaturen an den elektronischen Bauteilen ermöglicht.

[0004] Darüber hinaus sollen verschiedene Steuerungsmöglichkeiten, z.B. mit einem Dämmerungsschalter, einem Lichtsensor und externer Steuerung über Funksignale ermöglicht werden. An den folgenden Ausführungsbeispielen wird die Funktion der erfindungsgemäßen Schaltung erläutert.

Darstellung der Erfindung

[0005] Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist geeignet, für eine Hochdruckentladungslampe mit hoher Effizienz von 100 lm/W und mehr, die an dem magnetischen Vorschaltgerät einer Quecksilberdampfhochdrucklampe, z.B. einer 125 W Lampe, so ansteuert, dass die sich einstellende Lampenleistung gemäß dem Vorgabewert, z.B. 65 W, ist und zwar unabhängig von der Temperatur der Schaltung der Netzspannung. Ebenso muss die Schaltung eine Vorrichtung enthalten, welche die Hochdruckentladungslampe zünden kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnung(en)

[0006] 

Fig. 1

Vereinfachte Schaltung zum leistungsreduzierten Betrieb einer Lampe mit einem Schalter parallel zur Lampe nach Stand der Technik.

Fig. 2

Schaltung mit Ansteuerschaltung zum leistungsredu-zierten Betrieb einer Lampe nach Stand der Tech-nik.

Fig. 3

Prinzipschaltbild der Schaltung.

Fig. 4

Erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schal-tungsanordnung mit Mikrokontroller, DC Spannungs-versorgung, Kurzschlussschalter, Zündgerät, Span-nungsnulldurchgangsdetektor, Spannungs- und Strom-messvorrichtung zum Betrieb einer Hochdruckentla-dungslampe.

Fig. 5

Zündung und Übernahme der HCI 100 W / WDL Lampe bei einer Netzspannung von 200 V.

Fig. 6

Quasipeakspektren and Mittelwertspektren an einer Netznachbildung mit und ohne Drossel L3 und Kon-densator C14 sowie die Grenzwerte gemäß der DIN EN 55015.

Fig. 7

Vorrichtung zur Detektion des Spannungsnulldurch-ganges mit einem Mikrokontroller nach Stand der Technik.

Fig. 8

Zeitabhängige-Spannungssignale, für die Spannung UD an der Drossel, Uzero am Spannungsteiler, einer konstanten Referenzspannung Uconst auf die man nicht triggern kann, und dem Referenzsignal URefS-hift, dass zum Triggern des Mikrokontrollers ge-nutzt werden kann.

Fig. 9

Vorrichtung zur Detektion des Spannungsnulldurch-ganges mit einem Mikrokontroller, bei dem die Re-ferenzspannung des internen Komparators mit einem I/O-Ausgang rückgekoppelt wird, womit eine Schalt-schwelle entsteht, womit der Spannungsnulldurch-gang an der ansteigenden bzw. abfallende Flanke der Spannung detektiert wird.

Fig. 10

Zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit Mikrokontroller, DC Span-nungsversorgung, Kurzschlussschalter, Zündgerät, Spannungsnulldurchgangsdetektor, Spannungs- und Strommessvorrichtung zum Betrieb einer Hochdruck-entladungslampe.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

[0007] In Fig. 3 ist das Prinzipschaltbild für eine solche Schaltung gezeigt. In der klassischen Schaltung für Hochdruckentladungslampen ist die Lampe über das magnetische Vorschaltgerät und der Zündeinheit mit der AC Spannungsquelle, z.B. mit 230 V, verbunden. Für die Einstellung der reduzierten Leistung wird ein steuerbarer Schalter parallel zur Lampe angeordnet, der durch die Steuereinheit, z.B. einem Mikrokontroller, angesteuert wird. Mit dem Zündgerät, zum Beispiel einem Überlagerungszündgerät, werden Hochspannungsimpulse erzeugt, die bei der Lampe eine Spannungszusammenbrüche und eine Übernahme bewirken. Das Zündgerät wird ebenso von der Steuereinheit angesteuert. Die DC-Spannungsversorgung versorgt die Steuereinheit mit einem Strom. Die UI-Messeinheit stellt der Steuereinheit Signale zur Verfügung die proportional der Lampenspannung und dem Lampenstrom sind. Ebenso liefert die UI-Messeinheit ein Signal proportional der Lampenspannung mit dem die Spannungsnulldurchgänge sehr genau detektiert werden können. Die Steuereinheit hat die Aufgabe die Zündeinheit zum geeigneten Zeitpunkt wenn die Lampe nicht brennt anzusteuern. Die Steuereinheit wertet aus dem Spannungs- und Stromsignal die Lampenleistung aus. Eine gewisse Zeit nach der Übernahme der Lampe, wenn die Lampenleistung einen gewissen Wert überschreitet, z.B. 90 W steuert die Steuereinheit den steuerbaren Schalter an und zwar einige Millisekunden vor dem Ende einer jeden Halbwelle, wodurch die Lampe eine bestimmte Zeit kurzgeschlossen und die Lampenleistung im Mittel reduziert wird. Die Detektionseinheit liefert ein Signal für den Lampen-Spannungs-Nulldurchgang. Die Steuereinheit wertet dieses Signal aus. Eine gewisse Zeit nach dem Spannungs-nulldurchgang, z.B. 7 ms, erzeugt die Steuereinheit ein Signal, welchen den steuerbaren Schalter schließt. Die Steuereinheit wertet aus den Signalen der U/I-Messeinheit die Lampenleistung innerhalb einer oder mehrere Perioden aus und verändert die Verzögerungszeit Td so, dass die vorhandene Lampenleistung der Nennleistung, z.B. 65 W, mit jeder Periode näher kommt.

Anwendungsbeispiel

[0008] Für eine 65 W PlugIn EL Lampe ist eine erste Ausführungsform einer möglichen Schaltungsanordnung in Fig. 4 gezeigt. Hier wird die AC-Spannungsversorgung an den Kontakten L und N und die Lampe an die Kontakte X5-1 und X5-2 angeschlossen. Das magnetische Vorschaltgerät befindet sich zwischen den Kontakten L und X1-1 und ist vorzugsweise für den Betrieb einer 125 W Quecksilberdampf-Hochdrucklampe bestimmt.

DC Spannungsversorgung

[0009] Die Steuereinheit, hier der Mikrokontroller D1 (Atmel ATiny44), benötigt zum Betrieb eine Gleichspannungsquelle, die einen ausreichenden großen Strom von etwa 5 mA liefern kann. Bei der DC Spannungsversorgung wird während der negativen Spannungshalbwelle der Kondensator C4, z.B. 470 µF, 10 V, über die Diode N1, z.B. 1N4007, dem Strombegrenzungskondensator C3, z.B. 220 nF, 400 V, und dem Vorwiderstand R1, z.B. 68 Ω, 2 W, aufgeladen, wobei die parallel zum Kondensator befindliche Zenerdiode V3, z.B. BZV85, die Spannung auf 5.1 V begrenzt. Während der positiven Spannungshalbwelle fließt ein Strom über C3, R1 und die Diode N4, womit der Stromfluss in beiden Halbwellen etwa gleich ist, und sich hiermit kein DC Spannung in der Versorgungsspannung aufbaut. Während der Zündphase fließt durch diesen Strompfad ein Strom bis 10 A für eine Zeit von etwa 1 µs. Alle Bauelemente, insbesondere die Zenerdiode, müssen so ausgewählt werden, dass sie diesen Strom vertragen können. Dem Speicherkondensator C4 werden die Kondensatoren C6, z.B. 10 µF und C5, z.B. 0.1 µF, parallel geschaltet, um eine Spannungsüberhöhung während der Zündphase zu vermeiden.

[0010] Der eingesetzte Mikrokontroller benötigt eine stabile und genaue Spannung als Referenz für die interne Spannungsmessung. Zu diesem Zweck wird ausgehend von der DC Versorgungsspannung über den Widerstand R2 die Konstantspannungsquelle V1 versorgt, die eine Spannung von 2.5 V mit einer Genauigkeit von 0.1% erzeugt, z.B. ADR5041. Diese Spannung wird an den Referenzeingang von D1 angeschlossen.

Zündung

[0011] Die Zündeinheit ist im Wesentlichen ein elektronische gesteuertes Überlagerungszündgerät wie es in [EP 0847 681 B1] vorgeschlagen wird. In dem Anwendungsbeispiel (Fig. 4) wird der Schalter im Überlagerungszündgerät durch einen Triac T2, z.B. BTA201W-800E, realisiert, der vom Mikrokontroller mit Spannungsimpulsen gezündet wird. Beim Schließen des Triacs wird der Stoßkondensator C2, z.B. 47 nF, aufgeladen, wobei der Aufladestrom durch den Widerstand R7, z.B. 18 kΩ / 2 W, begrenzt wird. Überschreitet die am Kondensator C2 anliegende Spannung die Zündspannung des spannungsgesteuerten Schalters, des Sidacs V2, z.B. ONSemi, MKP3V240, wird dieser geschlossen, womit sich der Kondensator C2 über die sekundäre Wicklung des Hochspannungstransformators L1, z.B. 6 Windungen, auf Ferritkern, Material EPCOS N87, und der Drossel L2, z.B. 10 µH, entladen wird. Der durch die Sekundärwicklung des Hochspannungstransformators fließende Strom erzeugt am Ausgang der Primärwicklung, z.B. 62 Windungen, des Transformators einen Hochspannungsimpuls, der bei der Hochdruckentladungslampe zu einem Spannungszusammenbruch führt. Nach dem Spannungszusammenbruch liegt am Kondensator C3 immer noch eine Spannung an, die hier die Übernahmespannung für die Lampe darstellt und den Bogenstrom in der Hochdruckentladungslampe über kurze Zeit aufrechterhält, und am Ausgang der Drossel anliegende Spannung die Bogenentladung übernehmen kann.

[0012] Während der Zündphase erzeugt der Mikrokontroller über viele Perioden hinweg bis zur vollständigen Übernahme in regelmäßigen Abständen, z.B. alle 100 µs, Spannungsimpulse, womit der Triac T2 während der Zündphase kurzgeschlossen wird. Nach der Zündphase beim stationären Lampenbetrieb ist der Triac T2 geöffnet und damit die Zündeinheit nicht in Betrieb, was den Vorteil ergibt, dass insbesondere der Widerstand R7 während des stationären Betriebes keine Leistung aufnimmt und der Sidac wegen der hohen Wiederzündspitzen nicht dauernd kurzschließt.

[0013] In Fig. 5 werden Spannungs- und Strommessungen der Zündeinheit an einer HCI-T 100 W Lampe gezeigt, die die unterschiedlichen Phasen bei dem Zündprozess zeigen, wobei die anliegende Netzspannung 200 V beträgt.

Schaltung zum leistungsreduzierten Betrieb

[0014] Für den leistungsreduzierten Betrieb der Lampe wird nach dem Stand der Technik ein Schalter, wie ein Triac, parallel zur Lampe geschaltet (Fig. 1) [WO 2008/104431 A1]. Diese Schaltung hat den Nachteil, dass aufgrund der schnellen Stromänderungen während des Einschaltens des Triacs am Ende der Halbwelle und wegen der relativ geringen Impedanz der Drossel für höhere Frequenzen die Grenzwerte für Funkstörungen nach der DIN EN 55015 überschritten werden (Fig. 6, ohne Drossel L3 und Kondensator C14). In der erfindungsgemäßen Schaltung wird in Reihe zum Triac T1 eine Drossel L3, z.B. mit 330 µH, geschaltet womit der Stromanstieg während des Einschaltens des Triacs T1 verringert wird. Zusätzlich wird durch den parallel zum Triac T1 und der Drossel L3 ein Kondensator C14, z.B. 10 nF, parallel geschaltet, womit der beim Schalten entstehende Spannungszusammenbruch etwas verlangsamt wird. Diese Funktion wird ebenso durch den Kondensator C3 unterstützt. Insgesamt erfüllt diese neue Schaltung zur Leistungsreduktion die Grenzwerte gemäß der DIN EN 55015 (Fig. 6)

[0015] In der neuen Schaltungsausführung wird der Triac T1 durch den Mikrokontroller D1 gezündet, wobei der Widerstand R23, z.B. 39 Ω den Strom begrenzt und der Kondensator C12, z.B. 10 nF verhindert, dass durch Störungen, z.B. während der Zündphase der Triac T1 gezündet wird. In dieser Schaltung braucht der Mikrokontroller D1 nur einen kurzen Spannungsimpuls, z.B. von 20 µs Dauer erzeugen, um den Triac zu zünden, was in vorteilhafter Weise dazu führt, dass der von der DC Spannungsversorgung zu liefernde Strom sehr klein bleibt.

Detektion des Spannungsnulldurchganges

[0016] Der Mikrokontroller D1 muss den Triac T1 zum passenden Zeitpunkt einschalten, damit die Lampe ohne zu Flickern stabil brennen kann. Zu diesem Zweck muss der Mikrokontroller den Zeitpunkt des Spannungsnulldurchganges detektieren und nach einer gewissen Zeit, z.B. 7 ms ein Signal erzeugen, das den Triac T1 zündet.

[0017] In Fig. 7 ist ein Spannungsnulldurchgangsdetektor nach dem Stand der Technik gezeigt. Bei diesem wird das Signal über einen hochohmigen Widerstand R1 und den Kondensator C1 an den Pluseingang eines Komparators im Mikrokontroller MC gelegt, wobei der ebenfalls angeschlossene Spannungsteile aus R4 und R5 einen DC-Spannungsanteil von z.B. 2.5 V erzeugt. Der Minuseingang des Komparators ist ebenfalls an einem Spannungsteiler aus R2 und R3 angeschlossen womit eine Referenzspannung, von ebenfalls 2.5 V erzeugt wird. Beim Spannungsnulldurchgang vom Eingang Neutral ändert sich das Signal am Pluseingang, womit der Komparator umschaltet und damit ein Signal für den Spannungsnulldurchgang erzeugt. Bei der eingesetzten Schaltung mit dem Schalter parallel zur Lampe ist vor dem Spannungsnulldurchgang die Spannung kurzgeschlossen durch den Triac kurzgeschlossen, womit nur die Flussspannung des Triacs 0.5 V als Spannung vorhanden ist. Der vorhandene Spannungsnulldurchgang ergibt sich aus einer kleinen Spannungsänderung von 0.5 V womit der Spannungsnulldurchgang schon durch kleine Störungen nicht mehr sauber detektiert werden kann. In Fig. 8 ist im oberen Diagramm die Lampenspannung und im unteren Diagramm das Signal des Spannungsteilers UZero gezeigt, dass am Plus-Eingang des Komparators anliegt. Uconst zeigt die Spannung am Minuseingang des Komparators. Beim Spannungsnulldurchgang ist zwischen Uzero und Uconst keine saubere Schaltschwelle vorhanden.

[0018] Da der Spannungsnulldurchgang selbst nicht eindeutig detektierbar ist, wird vorgeschlagen die Spannung kurz nach dem Nulldurchgang an der ansteigenden bzw. abfallenden Flanke an einem Schwellenwert von, z.B. ± 50 V zu detektieren.

[0019] In einer möglichen Ausführungsform wird die konstante Spannung die am negativen Eingang des Komparators anliegt, mit einem Widerstand R6 an einen I/O Ausgang des Mikrokontrollers angeschlossen (Fig. 9). Der Mikrokontroller weiß aus der Spannungsmessung welche Halbwelle gerade vorhanden ist. Wird in der positiven Halbwelle der Triac T1 geschlossen soll bei dem folgenden Abfall der Spannung bei - 50 V, der Nulldurchgang detektiert werden, was dadurch erreicht wird, dass der I/O-Ausgang eine gewisse Zeit nach dem Zünden des Triacs T1 auf Low geschaltet wird, womit die Spannung am Minus-Eingang des Komparators auf etwa - 3 V reduziert wird (siehe URefShift in Fig. 8) und damit der Komparator etwa 190 µs nach dem Spannungsnulldurchgang schaltet. Wird in der negativen Halbwelle der Triac T1 gezündet, so wird der I/O-Ausgang auf high geschaltet, womit die Referenzspannung auf etwa - 2 V erhöht wird (Fig. 8).

[0020] Eine modifizierte Form dieser Schaltung ist im Anwendungsbeispiel (Fig. 4) gezeigt. Bei diesem wird über das Widerstandsnetzwerk aus R8, R9, R6, R10, jeweils z.B. 100 kΩ, R11, z.B. 680 kΩ ein Signal mit einem DC-Spannungsanteil von etwa - 2.5 V erzeugt, dass über R15, z.B. 120 kΩ an den I/O-Ausgang angeschlossen. Durch die Schaltung des I/O-Ausgangs auf "high" oder "low" zu geeigneten Zeitpunkten wird das Signal vergrößert oder verkleinert, womit der Komparator ein Triggersignal erzeugt, wenn die Lampenspannung den Schwellenwert, z.B. +/- 50 V unter- bzw. überschreitet.

[0021] Durch diese Schaltung entsteht zwischen dem realen Spannungsnulldurchgang und dem detektierten Spannungsnulldurchgang eine Verzögerung von etwa 190 µs. Dieser Wert ist für die positive und negative Halbwelle gleich. Er stellt einen zeitliche Verzögerung dar, die im Mikrokontroller numerisch korrigiert wird.

[0022] Eine weitere Möglichkeit unterschiedliche Schaltschwellen zu realisieren besteht darin eine I/O-Eingang vom Mikrokontroller zu wählen. Bei einer Versorgungsspannung von 5 V wird bei Überschreiten einer Schwellenspannung von 3.5 V der I/O-Eingang auf "high" und bei Unterschreiten einer Schwellenspannung von 1.5 V der I/O-Eingang auf "low" gestellt. Hiermit sind unterschiedliche Schwellen vorhanden, die durch eine geeignete Dimensionierung des Spannungsteilers zu der Generierung eines Triggersignals bei einer Lampenspannung von +/- 50 V führt. Vorteilhaft an dieser Vorrichtung ist, dass mit einer Veränderung der Versorgungsspannung der Steuereinheit sich die Schaltschwellenspannung linear anpassen, womit eine Änderung der Eingangsspannung von dem Widerstandsteiler teilweise kompensiert wird.

Leistungsmessung und Regelung auf konstante Leistung

[0023] Die Steuereinheit wertet aus einer Spannungs- und Strommessung die Leistung aus. Der im Anwendungsbeispiel eingesetzte Mikrokontroller, Atmel ATiny44, hat ADC-Eingänge, die Differenzspannungen messen können und in der Lage sind die anliegende Spannung um den Faktor 20 zu verstärken, womit das Signal nur einen kleinen Dynamikbereich von 200 mV haben muss.

[0024] Mit dem Widerstandsteiler aus R16, z.B. 1 kΩ und R18, z.B. 47 kΩ sowie dem Kondensator C11, z.B. 220 pF wird eine Referenzspannung von etwa - 100 mV erzeugt, und an den negativen Eingang des differenziellen ADC vom Mikrokontroller gelegt. Mit dem Spannungsteiler aus R21, R22, z.B. 200 kΩ, R25, z.B. 2 kΩ und R20, z.B. 100 Ω wird eine kleine Spannung erzeugt, die mit R17 und R18 sowie dem Kondensator C10 mit den gleichen Werten wie beim Widerstandsteiler die Referenzspannung auf beispielsweise -100 mV verschoben wird, die dann an den positiven Eingang des ADC vom Mikrocontroller angeschlossen wird.

[0025] Mit dem Shuntwiderstand R3, z.B. 0.05 Ω wird eine Spannung proportional dem Lampenstrom erzeugt. Mit dem Netzwerk aus R4, R5 und C7 mit den gleichen Werten wie beim Widerstandsteiler für die Referenzspannung wird dieses Spannungssignal auf -100 mV verschoben und wird an einen zweiten positiven ADC-Eingang des Mikrocontrollers angeschlossen. Die Differenz des Signals für Spannung und Strom zum Referenzsignal wird um den Faktor 20 verstärkt und mit dem internen AD-Wandlers digitalisiert. Aus dem Produkt des digitalisieren Spannungs- und Stromwertes wird der Momentanwert der Leistung berechnet. Diese Messung wird in konstanten zeitlichen Abständen wiederholt, z.B. alle 100 µs. Die Leistung selbst wird als Mittelwert dieser Momentanleistungen über ein oder mehreren Perioden ermittelt.

[0026] Die gemessene Leistung wird alle paar Perioden mit der Nennleistung verglichen. Ist die gemessene Leistung größer als die Nennleistung plus eines Schwellenwerts oder kleiner der Nennleistung minus eines Schwellenwerts, dann wird die vorgegebene Tastpause vergrößert beziehungsweise verkleinert. Dieses wird solange wiederholt bis die vorhandene Leistung der Nennleistung entspricht.

Lichtsensor

[0027] In der Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Lampe kann ein Lichtsensor integriert werden, der ein der Leuchtdichte proportionales Spannungssignal erzeugt, dass von der Steuereinheit gemessen wird. Damit das Lichtsignal nicht durch das Licht der Lampe gestört wird, erfasst die Steuereinheit das Lichtsignal vorzugsweise zu den Zeiten and den die Lampe durch den Triac T1 kurzgeschlossen wird und die Lampe kein Licht erzeugt. Mit Hilfe des Lichtsensors kann die Steuereinheit wenn es in der Umgebung der Lampe dunkel wird, und das Lichtsignal einen gewissen Schwellenwert unterschreitet die Lampe einschalten und wenn es wieder hell wird und das Lichtsignal einen anderen Schwellenwert überschreitet wieder ausgeschaltet werden, was durch das Schließen des Triacs T1 für eine gewisse Zeit, z.B. 1 Halbwelle, möglich ist. Der Lichtsensor kann natürlich auch dazu benutzt werden, die Lampenleistung so einzustellen, dass abhängig von der Umgebungsleuchtdichte die Lampenleistung stufenlos weiter reduziert wird, z.B. auf 50 W, womit zusätzliche Energie eingespart werden kann.

[0028] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch erfüllt, dass der steuerbare Schalter für die Zündvorrichtung, wenn die Lampe aus und kalt ist durch eine Steuereinheit, wie einem Mikrokontroller, angesteuert wird, und zwar so lange bis die Lampe gezündet hat, dass der steuerbare Schalter parallel zur Lampe, nach dem Anlaufen der Lampe, ab einer gewissen Lampenleistungsaufnahme, von der Steuereinheit angesteuert wird, und zwar so, dass die Tastpause langsam bis zum Erreichen der Nennleistung vergrößert wird und dann so weiterbetrieben wird, dass die Leistung entweder konstant ist oder auf einen vorgebbaren Wert eingestellt wird. Zum Erfüllen dieser Aufgaben muss die Steuereinheit geeignete Messgrößen wie den Spannungsnulldurchgang erhalten.

Temperaturbeständigkeit

[0029] Die Schaltung zum Betrieb der Lampe soll vorzugsweise in einem Gehäuse integriert werden, dass an die Lampe befestigt wird. Hierdurch entstehen in der Elektronik hohe Temperaturen bis 110°C. Damit die Schaltung einen ausreichend große Lebensdauer von z.B. 16000 hat, werden für die Schaltung nur Bauelemente ausgewählt, die ausreichend kleine temperaturabhängige Ausfallraten haben. Diese Ausfallraten werden von den Herstellern der elektronischen Bauteile geliefert. Die gesamte Ausfallrate kann aus der Summe der Ausfallraten der einzelnen Bauteile berechnet werden. Für die gegebene Schaltung wurde abgeschätzt, dass bei 16000 h und 110°C die Ausfallrate kleiner 2% ist.

Weitere Anwendungen der Schaltungsanordnung

[0030] Das Anwendungsbeispiel für die Schaltungsanordnung ist für den Betrieb an dem magnetischen Vorschaltgerät einer 125 W Quecksilberdampf-Hochdrucklampe bei der die Lampenleistung vorzugsweise auf 65 W eingestellt wird. Beim Betrieb an diesem Vorschaltgerät ist es möglich beliebige Lampenleistungen zwischen etwa 30 W und der maximalen Leistung ohne Betrieb des Kurzschlussschalters, was etwas 110 W sind, einzustellen. Hierbei wird die Leistung vorzugsweise so eingestellt, dass der entstehende Lichtstrom der mit dieser Schaltung betriebenen Lampe ähnlich groß ist wie der Lichtstrom der zu ersetzenden Lampe. Bei einer 125 W Quecksilberdampf-Hochdrucklampe wäre bei einer Lichtausbeute von 100 lm/W für die neue Lampe die Lampenleistung 65 W.

[0031] Diese Schaltungsanordnung kann auch für den Betrieb an magnetischen Vorschaltgeräten für andere Lampen eingesetzt werden, beispielsweise an einem magnetischen Vorschaltgerät, das für den Betrieb einer 80 W Quecksilberdampf-Hochdrucklampe vorgesehen ist. Für diese Schaltung kann dann die Lampenleistung ebenfalls beliebig bis zu einer maximalen Leistung ohne den Betrieb des Kurzschlussschalters eingestellt werden.

[0032] Fig. 10 zeigt eine zweite Ausführungsform der Schaltungsanordnung gemäß der Fig. 4. Diese Ausführungsform ist ähnlich zur Ausführungsform gemäß der Fig. 4, es werden daher nur die Unterschiede beider Ausführungsformen erläutert.

[0033] In dieser Ausführungsform ist der Widerstand R7 im Eingang eingeschleift und lädt den Kondensator C2 auf. Die Verluste über den Leistungswiderstand R7 liegen bei einigen 10 mW, was akzeptabel ist. Der Mikrokontroller misst die anliegende Spannung und erzeugt einen Zündimpuls für den Triac T2 vorzugsweise beim Spannungsmaximum (90°, 50Hz) und vorzugsweise einmal pro Halwelle. Eine weitere Verbesserung des Zündverhaltens wird erreicht, wenn mehrere Zündimpulse pro Halbwelle erzeugt werden, z.B. 3 Pulse, die einem Abstand von etwa 300 µs haben. Der Triac muss so dimensioniert werden, dass dieser Pulsströme von 20 A aushalten kann, was hier durch einen 4 A Triac gewährleistet wird.

Ansprüche

1. Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Gasentladungslampe an einem magnetischen Vorschaltgerät aufweisend:

- einen Schalter (T1) parallel zur Gasentladungslampe (1, L2),

- eine Drossel (L3) in Reihe zum Schalter (T1),

- eine Einheit zur Steuerung (D1),

- eine Zündvorrichtung, die mittels der Einheit zur Steuerung (D1) gesteuert werden kann.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend:

- eine DC-Spannungsversorung,

- eine Detektionseinheit für den Spannungsnulldurchgang, und

- eine Vorrichtung für die Spannungs- und Strommessung.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit ein Mikrokontroller ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündvorrichtung ein schaltbares Überlagerungszündgerät ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Überlagerungszündgerät einen bipolaren Schalter, insbesondere ein Triac aufweist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Überlagerungszündgerät als Übernahmekondensator einen Kondensator in einer vorgelagerten Gleichspannungsversorgungseinheit benutzt.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung zur Detektion des Spannungsnulldurchganges mit einem Komparatoreingang und einem I/O-Ausgang der Steuereinheit verbunden ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung zur Detektion des Spannungsnulldurchganges mit einem I/O-Eingang der Steuereinheit verbunden ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung zur Spannungs- und Strommessung einen Referenzteiler benutzt, der am negativen Eingang des differenziellen AD-Wandlers an der Steuereinheit angeschlossen ist.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung zur Spannungs- und Strommessung das Spannungssignal vom Spannungsteiler mit der Spannungsverschiebung an dem positiven Eingang des differenziellen AD-Wandlers an der Steuereinheit koppelt.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromsignal für die Spannungs- und Strommessung durch einen Shuntwiderstand erzeugt wird, dass verschoben wird und an den positiven Eingang eines differenziellen AD-Wandlers an der Steuereinheit gekoppelt ist.

12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit zwei parallel arbeitende AD-Wandler aufweist, die beide den gleichen Eingang für die Referenzspannung benutzen.

13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine Sicherung im Strompfad seriell zum Eingang der Schaltungsanordnung geschaltet ist.

14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine Serienschaltung eines Stützkondensators und der Sicherung mit den Eingangsklemmen verbunden ist.

15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkondensator gleichzeitig als Strombegrenzung für die interne Spannungsversorgung der Schaltungsanordnung dient.

16. Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherung kleiner ist als der Kurzschlussstrom des magnetischen Vorschaltgerätes.

17. Schaltungsanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherung 20% kleiner ist als der Kurzschlussstrom des magnetischen Vorschaltgerätes.

18. Schaltungsanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherung 5% bis 50% kleiner ist als der Kurzschlussstrom des magnetischen Vorschaltgerätes.

19. Schaltungsanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherung 5% bis 75% kleiner ist als der Kurzschlussstrom des magnetischen Vorschaltgerätes.

20. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit bei nicht brennen der Gasentladungslampe pulsförmige repetierende Steuersignale an die Zündeinheit gibt bis durch Überschreiten der Lampenleistung über einen bestimmten minimalen Wert, die Steuereinheit ein Signal an den steuerbaren Schalter parallel zur Lampe gibt, wobei die Tastpause von Periode zu Periode länger wird bis die gemessene Leistung gleich der Nennleistung der Gasentladungslampe ist.

21. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 oder 8 in Verbindung mit Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Erhalt eines Signals für den Spannungsnulldurchgang die Steuereinheit eine vorbestimmte Zeit wartet, die als Differenz aus der halben Periodendauer minus der Tastpause und dem verspäteten Eintreffen des Spannungsnulldurchgangsignals bestimmt wird.

Zeichnung