Die Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Vorschaltgerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Elektronische Vorschaltgeräte dieser Art sind beispielsweise aus DE-A1-3709004 bekannt. Soll ein solches elektronisches Vorschaltgerät zum Dimmen einer Leuchtstofflampe in weiten Grenzen verwendet werden, so ergeben sich besondere Schwierigkeiten bei den Stellungen < 10 % des Nennlichtstroms. Die Leuchtstofflampen haben hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften große Toleranzen, reagieren empfindlich auf Temperaturänderungen und unterliegen Alterungserscheinungen. Es besteht deshalb die Gefahr, daß beim Dimmen der Leuchtstofflampe zu niedrigen Werten hin durch Abreißen der Entladung die Leuchtstofflampe erlischt.
Bei der angegebenen Literaturstelle regelt der Regler die Helligkeit der Leuchtstofflampe über ihren Entladungsstrom. Dieses Prinzip versagt jedoch bei den Stellungen <10 % des Nennlichtstromes, da der hierfür notwendige Differenzstromtransformator völlig streufeldfrei sein müßte. In der Dimmstellung 1 % würde ein Streufluß des Differenzstromtransformators von nur 1 % des Hauptflusses das Meßergebnis um ca. 100 % verfälschen.
An Stelle einer Regelung des Entladungsstroms der Leuchtstofflampe kann auch, wie beispielsweise aus DE-A1-2544364 A1 bekannt ist, die Regelung über die Lampenleistung erfolgen. Dies hat jedoch den Nachteil, daß nur die Summe aus Lampenleistung und Wendelheizleistung geregelt werden kann. Die Wendelheizleistung hängt stark vom toleranzbehafteten Wendelwiderstand ab. Dadurch ist auch diese Art der Regelung bei Dimmstellungen < 10 % der Nennlichtleistung nur bedingt einsetzbar. Beispielsweise in einer Dimmstellung von 1 % der Nennlichtleistung beträgt die zu regelnde Lampenleistung üblicher Leuchtstofflampen etwa 0,5 W, die Heizleistung aber etwa 4 W. Ein befriedigender Gleichlauf zwischen mehreren Leuchtstofflampen ist damit bei dem Stellungen < 10 % auf diese Weise nicht gewährleistbar.
Weiterhin ist aus US-A-3,989,976 eine Dimmschaltung für Hochdrucklampen bekannt. Neben einem Vorschaltgerät, das allerdings im Gegensatz zu modernen elektronischen Vorschaltgeraten für Niederdrucklampen, wie Leuchtstofflampen, nicht mit Hochfrequenz im Bereich von mehr als 20 kHz sondern mit Netzfrequenz arbeitet, besitzt diese bekannte Schaltung einen Hilfsregelkreis. Dieser Hilfsregelkreis erkennt aufgrund der an der Hochdrucklampe ansteigenden Brennwechselspannung eine Tendenz zum Erloschen des Lampenlichtbogens. Der Hilfsregelkreis ist so ausgebildet, daß die beim Dimmen auftretende erhöhte Brennwechselspannung dadurch automatisch kompensiert wird, daß der Lampe über das Vorschaltgerät erhöhte Leistung zugeführt wird. Das geschieht derart, daß die normale, auf den Zyklus der Netzwechselspannung abgestimmte Ansteuerung des Vorschaltgerätes in diesem kritischen Betriebszustand außer Kraft gesetzt und die Regelung stattdessen auf das Ausgangssignal eines die Lampenbrennspannung auswertenden Abtastkreises bezogen wird.
Die bekannte Losung ist auf die typische Lichtstrom-Spannungscharakteristik bei Hochdrucklampen abgestimmt, die bei fallendem Lampenlichtstrom stark ansteigt. Bei Niederdrucklampen ist aber die Brennwechselspannung vom Lampenlichtstrom nicht in dieser Weise abhängig. Bei grober Betrachtung ist die Lampenbrennspannung bei diesem Lampentyp nahezu unabhängig vom Lampenlichtstrom, bei genauer Betrachtung aber zeigt sich, daß sie bei abnehmendem Lampenlichtstrom nach Durchlaufen eines Maximums in dem gerade kritischen Bereich kleiner Lampenlichtströme wieder abfällt. Mit einer Rückkopplung der Lampenbrennspannung auf den Regelkreis des elektronischen Vorschaltgerätes kann man daher diesen Regelkreis auch dann nicht stabilisieren, wenn man berücksichtigte, daß man auf eine Verringerung der Lampenbrennspannung abstellen mußte. Dies liegt daran, daß die Lichtstrom-Spannungscharakteristik wegen des bei niedrigen Lichtstromwerten auftretenden Maximums nicht eindeutig ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem dimmfähigen elektronischen Vorschaltgerät der eingangs genannten Art unabhängig davon, ob von einer Entladungsstrom- oder einer Leistungsregelung der Leuchtstofflampe Gebrauch gemacht wird, eine Lösung anzugeben, die bei geringem Mehraufwand ein sicheres Dimmen auch bei Dimmstellungen unterhalb von 10 % des Nennlichtstromes bis herab zu weniger als 1 % ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich beim Dimmen einer Leuchtstofflampe hauptsächlich der Entladungsstrom ändert, während die Brennspannung - zumindest von der Größenordnung her - gleich bleibt. Das bedeutet, daß das Spannungs-Strom-Verhältnis, also der Widerstand der Entladungsstrecke bei abnehmender Helligkeit der Leuchtstofflampe immer größer wird und schließlich gegen unendlich strebt, wenn die Entladung abreißt.
Unabhängig davon, von welcher Regelung der Leuchtstofflampe Gebrauch gemacht wird, läßt sich somit eine Leuchtstofflampe auch noch sicher bei 1 % ihres Nennlichtstroms betreiben, wenn zusätzlich der Entladungswiderstand überwacht wird und die hiervon abgeleitete Regelgröße im Sinne einer Korrektur der Steuergröße für den Regler im unteren Bereich der Helligkeitsregelung herangezogen wird.
Diese zusätzliche Regelung in Abhängigkeit von dem Entladungswiderstand der Leuchtstofflampe hat darüber hinaus beachtliche Vorteile. Wie sich zeigt, haben Argonlampen und Kryptonlampen gleicher Länge, bei sonst unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften, bei Dimmstellungen um 1 % des Nennlichtstromes etwa den gleichen Entladungswiderstand. Eine Anpassung dieser speziellen Regelung an den Lampentyp ist also nicht erforderlich.
Ein weiterer Vorteil dieser Regelung in Abhängigkeit von dem Entlaoungswiderstand besteht darin, daß das Vorschaltgerät erkennen kann, ob die Lampe brennt, ohne hierfür optoelektronische Einrichtungen oder einen Differenzstromtransformator zur Lampenstromerfassung zu benötigen. Dies läßt sich beispielsweise bei für Warmstart vorgesehenen elektronsichen Vorschaltgeräten zur Steuerung der Vorheizphase der Leuchtstofflampe nutzen, da ein vorzeitiges Zünden der Leuchtstofflampe erkannt und sofort von Vorheizen auf Betrieb umgeschaltet werden kann.
Zweckmäßige Ausgestaltungen des Gegenstandes nach dem Patentanspruch 1 sind in den weiteren Patentansprüchen 2 bis 10 angegeben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben, dabei bedeuten die der näheren Erläuterung der Erfindung dienenden Figuren:
Das in Fig.1 teilweise in Form eines Blockschaltbildes dargestellte dimmfähiger elektronischer Vorschaltgerät besteht im wesentlichen aus einem Wechselrichter WR, der ausgangsseitig mit einem Lastkreis verbunden ist. Der Lastkreis besteht dabei aus der Reihenschaltung einer Lampendrossel L1 mit einer Leuchtstofflampe LL, der ein Zündkondensator C2 parallel liegt. Der Wechselrichter WR verwendet eine Halbbrückenschaltung aus zwei in Reihe geschalteten, als Leistungstransistoren ausgebildeten Schaltern T1, T2 und einem Halbbrückenkondensator C1, dem ein Entladewiderstand R1 parallel geschaltet ist.
Der gemeinsame Verbindungspunkt von Halbbrückenkondensator C1, Entladewiderstand R1 und einer der Elektroden der Leuchtstofflampe LL ist mit A und der Verbindungspunkt der anderen Elektrode mit der Lampendrossel L1 ist mit B bezeichnet. Die Schalter T1 und T2 der Halbbrückenschaltung werden von einem Oszillator O angesteuert, der seinerseits über seinen Steuereingang mit dem Ausgang eines Reglers RR verbunden ist.
Dem Steuereingang des Reglers RR ist ein Vergleichereigenschaften aufweisender Summierer SR vorgeordnet, dessen drei Eingängen ein Sollwert SW, ein Istwert IW und eine Hilfsregelgröße HMG zugeführt sind. Die vorzeichenrichtige Addition des Istwertes IW, des Sollwertes SW und der Hilfsregelgröße HMG ergeben eine Größe für die Regelabweichung RAG, die vom Ausgang des Summierers SR dem Steuereingang des Reglers RR Zugeführt wird. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind der Sollwert SW, der Istwert IW sowie die Hilfsregelgröße HMG Gleichspannungen, die gemeinsam die ebenfalls eine Gleichspannung darstellende Regelabweichung RAG ergeben.
Die Stromversorgung für den Wechselrichter WR erfolgt üblicherweise in Form einer Gleichspannung, die aus der Netzwechselspannung gewonnen und in Fig. 1 als Zwischenkreisgleichspannung Uzw angegeben ist. Diese Zwischenkreisgleichspannung liegt an der Reihenschaltung der beiden Schalter T1 und T2. Der Halbbrückenkondensator C1 und der Entladewiderstand R1 sind ihrerseits an den positiven Pol der Zwischenkreisgleichspannung Uzw angeschaltet. Die Hilfsregelgröße HMG wird am Abgriff eines aus Widerständen R2 und R3 gebildeten Spannungsteilers abgenommen, der seinerseits vom Verbindungspunkt A gegen den negativen Pol der Zwischenkreisgleichspannung Uzw geschaltet ist.
Der eine Bezugsspannung darstellende Sollwert SW ist üblicherweise von einer in ihrer Größe einstellbaren Gleichspannung erzeugt, die in Fig. 1 und den übrigen Figuren nicht dargestellt ist. Der ebenfalls eine Gleichspannung darstellende Istwert IW ist entweder dem durch die Leuchtstofflampe LL fließenden Entladestrom oder aber der Lampenleistung proportional. Er kann in bekannter Weise über einen Differenzstromtransformator bzw. über eine Strom-Spannungsmessung im Bereich des Lastkreises gewonnen werden. Auf die schaltungstechnische Darstellung einer solchen Istwerterkennung ist in Fig. 1, wie auch in den übrigen Figuren, ebenfalls verzichtet.
Bei der üblicherweise symmetrischen Ansteuerung der Schalter T1 und T2 der Halbbrücke stellt sich am Verbindungspunkt B bei brennender Leuchtstofflampe LL die halbe Zwischenkreisgleichspannung Uzw, überlagert durch die Brennwechselspannung der Leuchtstofflampe LL ein. Üblicherweise sind der Halbbrückenkondensator C1 sowie der ihm parallel liegende Entladewiderstand R1 so groß, daß sich beim Nennlichtstrom der Leuchtstofflampe am Verbindungspunkt A ebenfalls die halbe Zwischenkreisgleichspannung Uzw einstellt. Mit anderen Worten, in dieser Betriebssituation ist der Entladewiderstand R1 wesentlich größer als der Entladewiderstand der Leuchtstofflampe, so daß die durch den Entladewiderstand R1 bewirkte Entladung des Halbbrückenkondensators C1 praktisch vernachlässigt werden kann. Der hochfrequente Lampenstrom bewirkt nur einen geringen Spannungsabfall am Halbbrückenkondensator C1.
Wird aber, die Leuchtstofflampe LL ausgehend vom Nennlichtstrom zu abnehmender Helligkeit hin bis zu dem Punkt gedimmt, bei dem die Entladung abzureißen droht, dann wird der Entladungswiderstand der Leuchtstofflampe LL derart groß, daß der Entladewiderstand R1 den Halbbrückenkondensator C1 teilweise entladen kann. Dadurch steigt das Potential am Verbindungspunkt A und die über den Spannungsteiler R2/R3 heruntergeteilte Hilfsregelgröße HMG am Abgriff dieses Spannungsteilers ebenfalls. Somit wirkt die Hilfsregelgröße HMG einem weiteren Absenken der Lampenleistung entgegen und verhindert über den Regler RR das unerwünschte Abreißen der Entladung. Die beschriebene Änderung der Hilfregelgröße HMG wirkt sich nennenswert erst in unmittelbarer Nähe der unteren Grenze des Helligkeitsregelbereichs der Leuchtstofflampe LL aus, weil erst in diesem Bereich der Entladungswiderstand der Leuchtstofflampe und damit auch das Potential am Verbindungspunkt A nennenswert ansteigen.
Diese Art der Ableitung der Hilfsregelgröße HMG von der Größe des Entladungswiderstandes der Leuchtstofflampe LL durch eine Gleichspannungsmessung setzt voraus, daß in der Leuchtstofflampe keine an sich möglichen Gleichrichtereffekte auftreten.
Ein solcher Gleichrichtereffekt kann beispielsweise dann auftreten, wenn starke Unterschiede in der Emissionsfähigkeit der Elektroden der Leuchtstofflampe LL vorhanden sind. Soll die Abhängigkeit der Gleichspannungsmessung und damit der Erzeugung der Hilfsregelgröße HMG von einem solchen Gleichrichtereffekt ausgeschlossen werden, dann kann die Hilfsregelgröße HMG auch von einer Wechselspannung abgeleitet werden. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 2.
Die Ableitung der Hilfsregelgröße HMG erfolgt dabei durch Überlagerung einer niederfrequenten Wechselspannung an der Leuchtstofflampe LL mit der hochfrequenten Brennwechselspannung. Hierzu wird die Leichtstofflampe LL über Koppelelemente KE1, beispielsweise in Form von Koppelwiderständen Rk, zusätzlich an die Netzwechselspannung Un angeschaltet. Der hierdurch an der Leuchtstofflampe LL auftretende niederfrequente Anteil der Brennwechselspannung wird dann über weitere Koppelelemente KE2, die den hochfrequenten Anteil der Brennwechselspannung und auch den Gleichanteil sperren, einem Gleichrichter GL zugeführt, dem zur Glättung des gleichgerichteten niederfrequenten Anteils der Brennwechselspannung ein Siebglied SG nachgeschaltet ist. Dem Ausgang des Siebglieds SG ist der aus Fig. 1 bereits bekannte Spannungsteiler R2/R3 parallel geschaltet, an dessen Abgriff die Hilfsregelgröße HMG ansteht. Die Koppelelemente KE2 bestehen aus der Reihenschaltung einer Siebdrossel Ls und eines Siebkondensators Cs.
Da die Wirksamkeit der Hilfsregelgröße HMG lediglich an der unteren Grenze des Helligkeitsregelbereichs der Leuchtstofflampe LL von Interesse ist, kann in den Verbindungsweg des Abgriffs des Spannungsteilers R2/R3 zum Summierer SR, wie das Fig. 3 zeigt, zusätzlich eine Schwelle, zum Beispiel in Form einer Zenerdiode D1, eingebaut werden. Erst wenn die Hilfsregelgröße HMG am Abgriff des Spannungsteilers R2/R3 bei einer Dimmstellung von beispielsweise ein oder zwei Prozent des Nennlichtstromes so groß geworden ist, daß die Zenerdiode niederohmig wird, setzt schlagartig die das Abreißen der Entladung verhindernde Zusatzregelung ein. Das Verhalten des Reglers im Helligkeitsregelbereich oberhalb dieser Schwelle wird dann, was mitunter erwünscht ist, von dieser Zusatzregelung nicht beeinflußt. Die Zenerdiode D1 ist im Schaltbild nach Fig. 3 eingetragen. Die Schaltung nach Fig. 3 stellt eine Weiterbildung der Schaltung nach Fig. 1 dar. Abgesehen von der Zenerdiode D1 im Verbindungsweg des Abgriffs des Spannungsteilers R2/R3 zum Summierer SR unterscheidet sich die Schaltung nach Fig. 3 von der Schaltung nach Fig. 1 durch eine Zusatzschaltung ZS. Über diese Zusatzschaltung ZS wird eine weitere Hilfsregelgröße HMG1 erzeugt, die der Hilfsregelgröße HMG gleichwirkend überlagert ist. Hierdurch wird die Regelgeschwindigkeit der zusätzlichen Regelung wesentlich erhöht.
Die Änderung des Entladungswiderstandes bei einem Dimmvorgang der Leuchtstofflampe LL in Richtung abnehmender Helligkeit hat eine relativ langsame Änderung des Potentials am Verbindungspunkt A zur Folge, weil durch die Gesamtschaltung eine große Zeitkonstante von Halbbrückenkondensator C1 und Entladewiderstand R1 vorgegeben ist. Bei ungünstiger Dimensionierung können deshalb Regelschwingungen auftreten. Durch die Zusatzschaltung ZS läßt sich das dynamische Verhalten des Reglers jedoch wesentlich verbessern, weil dadurch der Einfluß dieser großen Zeitkonstante verringert werden kann. Bei stark verringerter Lampenleistung auf Werte unterhalb 10 % der Nennleistung nimmt die Brennwechselspannung der Leuchtstofflampe LL mit der Lampenleistung ab. Dies macht sich die Zusatzschaltung ZS zunutze, indem sie aus der Brennwechselspannung eine Gleichspannung erzeugt, die der Brennwechselspannung proportional ist und als weitere Hilfsregelgröße HMG1 der Hilfsregelgröße HMG im Sinne der gewünschten Regelung vorzeichenrichtig überlagert wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Zusatzschaltung ZS nach Fig. 3 ist in Fig. 4 dargestellt. Sie besteht zwischen dem Verbindungspunkt B und dem negativen Pol der Zwischenkreisgleichspannung Uzw aus der Reihenschaltung des Kondensators C3 mit einem aus Widerständen R4 und R5 gebildeten Spannungsteiler R4/R5.
Der heruntergeteilte Anteil der Brennwechselspannung am Widerstand R5 wird nun über eine Diode D2 gleichgerichtet und die gleichgerichtete Brennwechselspannung der Parallelschaltung aus einem Kondensator C4 und einem Widerstand R6 zugeführt. Die Änderung der gleichgerichteten Brennwechselspannung wird am Kondensator C4 wirksam und über den Kondensator C5 dem Widerstand R3 des Spannungsteilers R2/R3 als die weitere Hilfsregelgröße HMG1 zugeführt.