Betriebsgerät für Entladungslampen mit sicherer Zündung

Abstract

 Betriebsgerät für Entladungslampen, das einen Lastkreis besitzt, der eine Resonanz bei einer Resonanzfrequenz fres aufweist Zur Zündung der Entladungslampen wird der Lastkreis mit einer rechteckförmigen Quellspannung Uq gespeist, deren Periodendauer Tper multipliziert mit der Resonanzfrequenz fres des Lastkreises näherungsweise eine natürliche Zahl n ergibt, die größer als 1 ist. Die Pulsdauer Tpuls der Quellspannung Uq liegt in einem Bereich, der durch folgende Bedingung beschrieben wird:

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung geht aus von einem Betriebsgerät für Entladungslampen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere behandelt die Erfindung die Zündung dieser Lampen.

Stand der Technik

[0002] Betriebsgeräte für Entladungslampen, im folgenden kurz Lampen genannt, besitzen nach dem Stand der Technik einen Wechselspannungsgenerator, der über einen Lastkreis mit einer oder mehreren Lampen verbunden ist. Verbreitet ist die Ausführung des Wechselspannungsgenerators als Halb- oder Vollbrückenwechselrichter mit elektronischen Schaltern, wodurch der Wechselspannungsgenerator eine rechteckförmige Quellspannung Uq abgibt. Der Lastkreis besteht im wesentlichen aus einem Reaktanznetzwerk. Seine Aufgabe besteht unter anderem darin, die Quellimpedanz des Wechselspannungsgenerator in einen zum Betrieb von Lampen erforderlichen Wert zu transformieren.

[0003] Insbesondere zum Betrieb von Niederdrucklampen übernimmt der Lastkreis auch die Aufgabe der Zündung dieser Lampen. Dazu wird der Lastkreis so ausgeführt, dass er eine Resonanz aufweist. Das bedeutet, dass der Lastkreis in der Lage ist, bei Anregung mit seiner Resonanzfrequenz fres am Ausgang eine hohe Spannung zu erzeugen, die geeignet ist eine Lampe zu zünden. Im einfachsten Fall besteht der Lastkreis aus einer Serienschaltung einer Induktivität L und einer Kapazität C. Diese Schaltung weist eine Resonanzfrequenz fres bei 1/2π

auf. Eine Lampe ist parallel zur Kapazität C geschaltet. Speist der Wechselspannungsgenerator eine rechteckförmige Quellspannung Uq mit einer Grundfrequenz bei der Resonanzfrequenz fres in den Lastkreis ein, so ergibt sich eine Spannungsüberhöhung an der Kapazität C, die zur Zündung der Lampe führt. Für die Periodendauer Tper der Quellspannung Uq wird demnach nach dem stand der Technik folgende Bedingung angestrebt: Tper · fres = 1. Für das Taktverhältnis, der Quellspannung Uq wird ein Wert von 0,5 angestrebt. Das Tastverhältnis ist das Verhältnis von Pulsdauer Tpuls zu Pulspause der rechteckförmigen Quellspannung Uq.

[0004] Ein Problem bei der Zündung der Lampen auf die oben beschriebene Art besteht darin, dass die Grundfrequenz der vom Wechselspannungsgenerator abgegebenen Quellspannung Uq genau eingestellt werden muss, da die Resonanz des Lastkreises im allgemeinen schmalbandig ist. Die Resonanzfrequenz fres muss mit einer Genauigkeit getroffen werden, die unter 1% liegt, da sonst nicht genügend Spannungsüberhöhung an der Kapazität C für eine sichere Zündung der Lampe auftritt. Weist die Resonanz des Lastkreises eine hohe Güte auf, so kann ein Problem auch dadurch entstehen, dass die Resonanzfrequenz fres zu genau getroffen wird. Es können in diesem Fall im Betriebsgerät Strom- und Spannungsamplituden auftreten, die zur Zerstörung von Bauteilen führen.

[0005] Zur Realisierung des Wechselspannungsgenerators sind sog. selbsterregte Generatoren bekannt. Bei diesen wird das Ansteuersignal für die elektronischen Schalter des Wechselspannungsgenerators aus dem Laststrom gewonnen. Dadurch ergibt sich ein selbstregulierender Effekt, der die Frequenz der Quellspannung Uq, die der Wechselspannungsgenerator abgibt, in die Nähe der Resonanzfrequenz fres legt. Derartige, selbsterregte Generatoren erlauben jedoch nur beschränkte Eingriffsmöglichkeiten zur Regelung des Lampenbetriebs, weshalb sog. fremderregte Generatoren immer häufiger eingesetzt werden. Bei fremderregten Generatoren erzeugt ein unabhängiger Oszillator das Ansteuersignal für die elektronischen Schalter des Wechselspannungsgenerators. Unabhängig bedeutet, dass im Gegensatz zu selbsterregten Generatoren eine Schwingung erzeugt werden kann, die unabhängig von Größen wie Laststrom oder Lastspannung ist.

[0006] Im Stand der Technik werden mehrere Lösungen vorgeschlagen, die das Ziel haben, die Frequenz eines o. g. unabhängigen Oszillators so einzustellen, dass die Lampe sicher gezündet wird.

[0007] In der Schrift EP 0 351 012 (Wong) wird vorgeschlagen, die Frequenz des unabhängigen Oszillators auf einen Wert einzustellen, der über der Resonanzfrequenz fres liegt und dann kontinuierlich abzusenken, bis die Resonanzfrequenz fres getroffen wird. Damit ergibt sich aber das Problem, dass einerseits die Änderung der Frequenz des unabhängigen Oszillators nicht zu schnell sein darf, damit sich die Resonanz im Lastkreis ausbilden kann, andererseits aber die Zündung der Lampe möglichst schnell erfolgen soll, damit vorgeheizte Wendeln einer Lampe bis zur Zündung nicht wieder abkühlen.

[0008] In der Schrift EP 0 831 678 (Nerone) wird vorgeschlagen, dass eine geschlossene Regelschleife die Frequenz des unabhängigen Oszillators derart regelt, dass sich an der Lampe die gewünschte Zündspannung einstellt. Da, wie oben erwähnt, die Resonanz des Lastkreises schmalbandig ist, ist der Aufwand für die vorgeschlagene Regelung erheblich.

[0009] Ein weiteres Problem entsteht dadurch, dass der unabhängige Oszillator immer häufiger in Digitaltechnik ausgeführt ist. Dies kann in Form eines Microcontrollers geschehen. Die Digitaltechnik bedingt, dass der unabhängige Oszillator nicht mehr jede beliebige Frequenz erzeugen kann. Es sind nur diskrete Frequenzen erzeugbar, die durch ein festes Raster vorgegeben sind. Um die Resonanzfrequenz fres mit genügender Genauigkeit zu treffen, muss ein hoher Aufwand getrieben werden, damit das vorgegebene Raster eine ausreichend hohe Auflösung für die erzeugbaren Frequenzen zulässt.

Darstellung der Erfindung

[0010] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Betriebsgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, das eine zuverlässige Zündung von Entladungslampen mit geringem Aufwand ermöglicht.

[0011] Diese Aufgabe wird bei einem Betriebsgerät mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.

[0012] Wie oben ausgeführt erzeugt ein Wechselspannungsgenerator zur Zündung von Lampen eine rechteckförmige Quellspannung Uq deren Grundfrequenz nahe der Resonanzfrequenz fres liegt. Nach dem Stand der Technik liegt diese Quellspannung Uq, nachdem sie eingeschaltet wurde, kontinuierlich während des ganzen Zündvorgangs an. Beim Einschalten dieser Quellspannung Uq zeigt sich ein Einschwingvorgang, der an der Lampe eine transiente Überspannung ausbildet. Diese weist zwar eine Amplitude auf, die zur Zündung der Lampe genügt, jedoch ist sie zu kurz, um eine Zündung zu bewirken. Die vorliegende Erfindung nutzt die transiente Überspannung, indem erfindungsgemäß in periodischer Abfolge Einschwingvorgänge ausgelöst werden. Dazu erzeugt der Wechselspannungsgenerator eine rechteckförmige Quellspannung Uq für deren Periodendauer Tper erfindungsgemäß folgende Bedingung angestrebt wird: Tper · fres = n, wobei n eine natürliche Zahl größer 1 ist. Um eine für die Zündung der Lampe eine genügend hohe Spannung zu erzielen, muss für die Pulsdauer Tpuls der Quellspannung Uq erfindungsgemäß folgende Bedingung erfüllt sein: 0,3 ≤ Tpuls · fres ≤ 1.

[0013] Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verlaufs der Quellspannung Uq liegt darin begründet, dass die Anforderung an die Genauigkeit des unabhängigen Oszillators um mindestens den Faktor 2 reduziert ist. D. h. die oben aufgeführte erfindungsgemäße Bedingung Tper · fres = n muss nur näherungsweise erfüllt werden. Näherungsweise bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Bedingung mit einer Genauigkeit von 3% erfüllt wird. Für größere Werte von n genügt sogar noch eine geringere Genauigkeit.

[0014] Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verlaufs der Quellspannung Uq besteht darin, dass durch die Wahlmöglichkeit für Tper und Tpuls die Energie eingestellt werden kann, die der Wechselspannungsgenerator in den Lastkreis einspeist. Damit kann verhindert werden, dass bei einer Anregung des Lastkreises bei genau seiner Resonanzfrequenz, Bauteile beschädigt werden.

[0015] Für große Werte von n wird der beschriebene Einschwingvorgang nur selten ausgelöst. Dabei kann es vorkommen, dass die Lampe nicht mehr sicher gezündet wird. Es hat sich herausgestellt, dass bei einem Wert von n = 3 eine sichere Zündung der Lampe gewährleistet ist.

[0016] Der erfindungsgemäße Verlauf der Quellspannung Uq wird bevorzugt in einen Lastkreis eingespeist, der eine Serienschaltung einer Induktivität und einer Kapazität enthalt. Dies bedeutet den geringsten Aufwand für die Realisierung der gewünschten Resonanz.

[0017] Bevorzugt wird der erfindungsgemäße Verlauf der Quellspannung Uq von einem unabhängigen Oszillator erzeugt, da, wie oben erläutert, damit eine einfache Möglichkeit besteht den Verlauf der Quellspannung Uq zu beeinflussen.

[0018] Besonders vorteilhaft ist die Realisierung des unabhängigen Oszillators in Digitaltechnik. Nur durch Verändern von Registerinhalten kann damit der Verlauf der Quellspannung Uq modifiziert werden. Durch Einsatz eines Microcontrollers ist dies durch bloße Softwareänderung möglich.

[0019] Der Aufwand für die Realisierung des erfindungsgemäßen Wechselspannungsgenerators ist dann sehr gering, wenn darin enthaltene elektronische Schalter direkt vom unabhängigen Oszillator angesteuert werden können.

Beschreibung der Zeichnungen

[0020] Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:

Figur 1

ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Betriebsgeräts

Figur 2

erfindungsgemäße Spannungsverläufe eines Betriebsgeräts nach Fig. 1

[0021] In Fig. 1 is ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Betriebsgeräts dargestellt. Der Wechselspannungsgenerator ist als Halbbrückenwechselrichter ausgeführt. Er besteht aus der Serienschaltung der elektronischen Schalter S1 und S2, die von einem unabhängigen Oszillator OSC angesteuert werden. Die Serienschaltung der elektronischen Schalter S1 und S2 ist zur Energieversorgung an eine Gleichspannungsquelle UDC angeschlossen. Bezugspotenzial ist das Potenzial M, das mit einem Anschluss der Gleichspannungsquelle UDC verbunden ist. An der Verbindungsstelle der elektronischen Schalter S1 und S2 befindet sich der Ausgang des Wechselspannungsgenerators, wo die Quellspannung Uq anliegt. Zwischen Quellspannung Uq und Bezugspotenzial M ist der Lastkreis geschaltet. Er besteht aus der Serienschaltung eines Koppelkondensators Cb einer Induktivität L und einer Kapazität C. Der Koppelkondensator Cb dient zum Abkoppeln des Gleichanteils der Quellspannung Uq. Die Induktivität L und die Kapazität C bilden eine Serienresonanz mit der Resonanzfrequenz fres aus. Parallel zur Kapazität C liegt der Ausgang des Lastkreises, an dem eine Lampe Lp angeschlossen ist. Dort wird auch eine Lampenspannung ULp abgegriffen.

[0022] In Fig. 2 ist der erfindungsgemäße zeitliche Verlauf der Quellspannung Uq und der Lampenspannung ULp während der Zündung der Lampe Lp dargestellt. Die Quellspannung Uq weist einen rechteckförmigen Verlauf mit einer Periodendauer Tper und einer Pulsdauer Tpuls auf. Die Amplitude beträgt 375V. Dies entspricht dem Wert der Spannung, den die Gleichspannungsquelle UDC liefert. Der Verlauf der Spannung ULp zeigt einen sinusförmigen Verlauf, deren Frequenz der Resonanzfrequenz fres entspricht. Deutlich ist die Spannungsüberhöhung zu erkennen, die bei jedem Puls der Quellspannung Uq auftritt. Die Spitzenspannung der Lampenspannung ULp beträgt ca. 1000V und ist zur Zündung einer Niederdruckentladungslampe geeignet. Mit Schwingkreisen höherer Güte lässt sich eine höhere Spannung realisieren, die ggf. zur Zündung von Hochdruckentladungslampen geeignet ist.

[0023] In Betriebsgeräten für Niederdruckentladungslampen sind typische Werte für die Induktivität L 2mH und für die Kapazität C 10nF. Diese Werte liegen den Spannungsverläufen in Fig. 2 zugrunde. Daraus berechnet sich eine Resonanzfrequenz fres von 35,5 kHz. Die Periodendauer Tper beträgt im dargestellten Beispiel 87µs.

[0024] Das Produkt aus der Periodendauer Tper und der Resonanzfrequenz fres beträgt somit 3,08. Dieses Ergebnis liegt mit einer 3% Genauigkeit bei der natürlichen Zahl 3. Die Pulsdauer Tpuls beträgt im dargestellten Beispiel 10,7µs. Dieser Wert liegt im geforderten Bereich zwischen 0,3/fres (im Beispiel 8,4µs) und 1/ fres (im Beispiel 28µs).

Ansprüche

1. Betriebsgerät für Entladungslampen (Lp) mit folgenden Merkmalen:

- ein Lastkreis, der einen Eingang besitzt, der mit einem Wechselspannungsgenerator verbunden ist, der eine rechteckförmige Quellspannung Uq mit einer Periodendauer Tper und einer Pulsdauer Tpuls abgibt,

- der Lastkreis besitzt einen Ausgang, der mit Entladungslampen (Lp) verbindbar ist,

- der Lastkreis weist eine Resonanz auf, bei einer Resonanzfrequenz fres, die bewirkt, dass die Spannung am Ausgang (ULp), größer sein kann, als die Spannung am Eingang (Uq),

dadurch gekennzeichnet, dass
zur Zündung von Entladungslampen (Lp) der Wechselspannungsgenerator eine Quellspannung Uq abgibt, deren Periodendauer Tper multipliziert mit der Resonanzfrequenz fres des Lastkreises näherungsweise eine natürliche Zahl n ergibt, die größer als 1 ist und
deren Pulsdauer Tpuls in einem Bereich liegt, der durch folgende Bedingung beschrieben wird:

2. Betriebsgerät gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die natürliche Zahl n gleich 3 ist.

3. Betriebsgerät gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lastkreis einen Serienschwingkreis bestehend aus Serienschaltung einer Induktivität (L) und einer Kapazität (C) enthält.

4. Betriebsgerät gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselspannungsgenerator einen unabhängigen Oszillator (OSC) enthält.

5. Betriebsgerät gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der unabhängige Oszillator (OSC) in Digitaltechnik realisiert ist.

6. Betriebsgerät gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselspannungsgenerator elektronische Schalter (S1, S2) enthält, die von dem Signal angesteuert werden, das der unabhängige Oszillator (OSC) erzeugt.

Zeichnung