Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Vorschaltgerät für einen Dimmbetrieb einer mit einer Leuchtstofflampe versehenen Leuchte, wobei das Vorschaltgerät bestimmte Lampentypen, vorzugsweise mit einem Lampenspannungsmeßverfahren, automatisch erkennt und diejenigen Betriebsdaten einstellt, die dem momentan in der leuchte befindlichen Lampentyp per Betriebsdatenregister zugeordnet sind.
Aus der WO 97/24017 ist ein elektronisches Vorschaltgerät bekannt, mit dem eine oder mehrere Leuchtstofflampen eines Lampentyps betrieben und gedimmt werden können.
Generell können je nach Grad der Dimmung einer Leuchtstofflampe im wesentlichen zwei technische Probleme auftreten. Ein Problem stellt die sogenannte Rollentladung oder Streifenbildung (engl.: striation) einer Leuchtstofflampe dar. Diese erscheint dann, wenn der gelieferte hochfrequente Lampenstrom in dem Entladungskörper der Leuchtstofflampe unterschiedliche Ladungsdichten verursacht. In dem Entladungskörper bilden sich aufeinanderfolgende Zonen mit wechselnder Ladungsdichte, die auf der Oberfläche des Entladungskörpers in Form von unterschiedlich gefärbten Streifen oder Ringen sichtbar sind. Die Lichtabstrahlung der Leuchtstofflampe ist ungleichmäßig und kann wechseln. Dies wird von Benutzern als störend empfunden.
Eine Rollentladung tritt bei vielen Lampentypen dann zunehmend auf, wenn sich die Betriebsdaten der zugeführten hochfrequenten Versorgungsenergie von denjenigen Nennbetriebsdaten entfernen, die von dem Lampenhersteller für den verwendeten Lampentyp empfohlenen werden. Es muß jedoch auch erwähnt werden, dass es Kategorien von Lampentypen gibt, die kaum zu Rollentladung neigen, und andere, die bei bestimmten Betriebsdaten selbst bei den empfohlenen Nennbetriebsdaten zu einer Rollentladung neigen.
Ein weiteres Problem besteht dann, wenn eine besonders geringe Lichtabstrahlung und hierfür ein entsprechend geringer Lampenstrom einzustellen ist. Der einzustellende Lampenstrom kann so gering sein, dass die damit erreichte Elektrodentemperatur unter die Emissionstemperatur des Elektrodenemittermaterials sinkt, bei der die Elektrode noch ausreichend Elektronen freisetzen kann. Die Leuchtstofflampe strahlt in diesem Betriebszustand das Licht ebenfalls sehr ungleichmäßig ab.
In der internationalen Patentanmeldung WO 00/07415 ist ein elektrisches Vorschaltgerät zum Betreiben mit verschiedenen Entladungslampen durch die Identifikation des Lampentyps während des eingeschwungenen Zustands der Lampe beschrieben. Die Lampentyperkennung beruht auf dem Einstellen mehrerer Lampenströme und dem Messen der zugeordneten Lampenspannungen, wobei die erfassten Strom/Spannungspunkte mit einer Vielzahl von in einem Festwertspeicher des Mikroprozessors abgelegten V-I-Kennlinien verglichen werden. Sobald die Lampe identifiziert ist, stellt der Mikroprozessor den Lampenstrom auf einen durch den Anwender festgelegten Dimmpegel ein. Das amerikanische Patent US 5,701,059 betrifft ein elektrisches Vorschaltgerät, bei welchem eine Parallelimpedanz zur Lampe angeordnet ist zum Bereitstellen eines Pfades für die Umleitung eines genügend großen Wechselstroms. Mittels der Parallelimpedanz wird ein geringer Gleichstrom durch die Lampe erzeugt, welcher die Streifenbildung verhindert. Ferner ist in der internationalen Patentanmeldung WO 99/43188 eine Schaltungsanordnung für Niederdruckentladungslampen beschrieben, bei welchem automatisch der Lampentyp erfasst und der Entladungsstrom sowie der Heizstrom auf die dem Lampentyp zugeordnete Werte eingestellt wird. Dabei ist die Lampenspannung unabhängig vom Lampenstrom einstellbar, wobei der Heizstrom bei der Erniedrigung des Entladungsstroms erhöht wird, um auch beim Dimmen eine optimale Filamenttemperatur bereitzustellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Vorschaltgerät zu schaffen, mit dem eine Mehrzahl bestimmter automatisch erkennbarer Lampentypen unter optimierten Bedingungen betrieben und gedimmt werden können.
Für das geschilderte technische Problem werden mehrere Lösungen vorgeschlagen. welche Lösung zu bevorzugen ist hängt davon ab, welche Kategorie beziehungsweise welche Kategorien von Lampentypen mit dem Verfahren beziehungsweise dem Vorschaltgerät betrieben und gedimmt werden sollen.
Für den Fall, dass solche Lampentypen von Leuchtstofflampen betrieben und gedimmt werden sollen, die bei den herstellerseits empfohlenen Nennbetriebsdaten zur Rollentladung neigen, wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Dimmen einer mit einer Leuchtstofflampe versehenen Leuchte mit einem Vorschaltgerät, das ein Betriebsdatenregister und eine Steuerungselektronik mit einer Schnittstelle für ein Dimmsignal aufweist, wobei bestimmte Lampentypen, vorzugsweise mit einem Lampenspannungsmeßverfahren, automatisch erkannt und danach diejenigen Betriebsdaten einstellt werden, die dem erkannten Lampentyp per Betriebsdatenregister zugeordnet sind, wobei jeder Elektrode der Leuchtstofflampe ein Lampenstrom zugeleitet wird, der sich aus einem Wechselstromanteil und einem Gleichstromanteil zusammensetzt, und wobei für jeden erkennbaren Lampentyp je ein Gleichstromanteil in dem Betriebsdatenregister gespeichert ist und die Steuerungselektronik zur Dimmung einer Leuchtstofflampe den per Betriebsdatenregister zuordneten Gleichstromanteil einstellt oder zu jedem erkennbaren Lampentyp entweder für unterschiedliche Dimmstellungen eine gestufte Reihe von Gleichstromanteilen oder für einen Dimmbereich eine dimmungsabhängige Gleichstromkennlinie für den Gleichstromanteil in dem Betriebsdatenregister gespeichert ist und die Steuerungselektronik zur Dimmung einer Leuchtstofflampe einen Gleichstromanteil einstellt, der per Betriebsdatenregister in Abhängigkeit von Lampentyp und Dimmsignal zugeordnet ist. Durch die variable Anpassung des Gleichstromanteils kann eine Rollentladung für diese Kategorie von Lampentypen sicher verhindert werden. Das Verfahren eignet sich insbesondere dann, wenn keine sehr geringen Lichtausbeuten einstellbar sein müssen, und keine Gefahr besteht, dass durch einen zu geringen Lampenstrom die Emissionstemperatur des Elektrodenemittermaterials unterschritten wird.
Sollen andererseits Lampentypen mit geringer Neigung zur Rollentladung betrieben und bis zu einer sehr geringen Lichtabstrahlung gedimmt werden können, dann empfiehlt es sich eine Maßnahme zu ergreifen, mit der die Elektrodentemperatur auch bei geringem Lampenstrom auf der Emissionstemperatur des Elektrodenemittermaterials gehalten werden kann. Dies wird erreicht mit einem Verfahren zum Dimmen einer mit einer Leuchtstofflampe versehenen Leuchte mit einem Vorschaltgerät, das ein Betriebsdatenregister und eine Steuerungselektronik mit einer Schnittstelle für ein Dimmsignal aufweist, wobei bestimmte Lampentypen, vorzugsweise mit einem Lampenspannugsmeßverfahren, automatisch erkannt und danach diejenigen Betriebsdaten einstellt werden, die dem erkannten Lampentyp per Betriebsdatenregister zugeordnet sind, wobei jeder Elektrode der Leuchtstofflampe ein Heizstrom und ein Lampenstrom zugeleitet werden, die sich zu einem Gesamtstrom summieren, und wobei zu jedem erkennbaren Lampentyp entweder für unterschiedliche Dimmstellungen eine gestufte Reihe von Heizströmen oder für einen Dimmbereich eine dimmungsabhängige Heizstromkennlinie in dem Betriebsdatenregister gespeichert ist und die Steuerungselektronik zur Dimmung einer Leuchtstofflampe einen Heizstrom einstellt, der per Betriebsdatenregister in Abhängigkeit von Lampentyp und Dimmsignal zugeordnet ist.
Handelt es sich bei den zu dimmenden Lampentypen sowohl um solche, die kaum zu Rollentladung neigen als auch um solche, die bei den empfohlenen Nennbetriebsdaten zu einer erheblichen Rollentladung neigen, dann wird das zugrundeliegende technische Problem mit einem Verfahren gelöst, das von dem Verfahren gemäß Anspruch 1 Gebrauch macht, womit durch eine anteilige Gleichstromzuführung eine Rollentladung der Leuchtstofflampe verhindern wird, und zusätzlich gemäß Anspruch 3 ein per Betriebsdatenregister zugeordneter Heizstrom eingestellt wird, der bei heruntergedimmtem Lampenstrom das Unterschreiten der Emissionstemperatur des Elektrodenemittermaterials der Leuchtstofflampe verhindert. Zu den Verfahrensschritten des Anspruchs 1 werden also die Verfahrensschritte des Anspruchs 3 hinzugenommen, nach denen jeder Elektrode der Leuchtstofflampe ein Heizstrom zugeleitet wird, der sich mit dem Lampenstrom zu einem Gesamtstrom summiert, wobei zu jedem erkennbaren Lampentyp entweder für unterschiedliche Dimmstellungen eine gestufte Reihe von Heizströmen oder für einen Dimmbereich eine dimmungsabhängige Heizstromkennlinie in dem Betriebsdatenregister gespeichert ist und die Steuerungselektronik zur Dimmung einer Leuchtstofflampe einen Heizstrom einstellt, der per Betriebsdatenregister in Abhängigkeit von Lampentyp und Dimmsignal zugeordnet ist.
Bei einer Änderung des Lampenstroms durch Dimmung der Leuchtstofflampe wird der Heizstrom derart angepaßt, dass der Gesamtstrom konstant bleibt.
Günstigerweise wird als konstanter Gesamtstrom der Lampennennstrom des Lampentyps der erkannten Leuchtstofflampe vorgegeben, weil damit die Belastung der Lampe den empfohlenen Nennbetriebsdaten am nächsten kommt und ein guter Kompromiß zwischen Lebensdauer und Lichtausbeute zu erwarten ist.
Zweckmäßig weist die Steuerungselektronik eine Meßeinrichtung für den Lampenstrom, einen Stromkomparator sowie eine regelbare Heizstromquelle auf, wobei der Stromkomparator eine Stromdifferenz zwischen einem über eine Elektrode der Leuchtstofflampe fließenden Gesamtstrom und dem gemessenen Lampenstrom bildet und die Stromdifferenz der Heizstromquelle als Regelgröße für den einzustellenden Heizstrom zugeführt wird.
Zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 wird ein Vorschaltgerät zum Dimmen einer mit einer Leuchtstofflampe versehenen Leuchte mit einem Betriebsdatenregister, einer Steuerungselektronik mit einer Schnittstelle für ein Dimmsignal, einer Lampenspannungsmeßeinrichtung, mit der die verwendbaren Lampentypen automatisch erkennbar sind, und einer einstellbaren Gleichstromschaltung mit der ein Gleichstromanteil des Lampenstroms veränderbar ist, vorgeschlagen. Für die Schnittstelle des Dimmsignals wird beispielsweise der Spannungsbereich 1 bis 10 Volt verwendet. Die Einstellung des Dimmsignals wird über einen externen Dimmer geregelt.
Einfacherweise weist die einstellbare Gleichstromschaltung eine Diode auf, der in Durchflußrichtung reihenförmig ein erster Widerstand und ein erster Schalter nachgeschaltet sind und parallel zu diesen ein zweiter widerstand und ein zweiter Schalter reihenförmig nachgeschaltet sind. Mit dieser Anordnung von Widerständen und Schaltern können vier unterschiedliche Niveaus für den Gleichstromanteil des Lampenstroms eingestellt werden. Hierfür werden die Schalterstellungen der beiden Schalter variiert. Ein erstes Gleichstromniveau ergibt sich, wenn beide Schalter geöffnet sind. Ein zweites, wenn Schalter eins geschlossen und Schalter zwei geöffnet ist. Ein drittes, wenn Schalter eins geöffnet und Schalter zwei geschlossen ist. Und ein viertes, wenn beide Schalter geschlossen sind.
Alternativ kann die einstellbare Gleichstromschaltung eine Diode aufweisen, der in Durchflußrichtung eine einstellbare Stromquelle nachgeschaltet ist.
Eine weitere Alternative sieht vor, dass die einstellbare Gleichstromschaltung eine Diode aufweist, der in Durchflußrichtung reihenförmig ein Feldeffekttransistor und ein widerstand nachgeschaltet sind.
Bei einer anderen Alternative deren einstellbare Gleichstromschaltung eine Diode aufweist, sind in Durchflußrichtung der Diode reihenförmig ein Bipolartransistor und ein Widerstand nachgeschaltet.
Handelt es sich bei den zu dimmenden Lampentypen sowohl um solche, die nicht zu Rollentladung neigen als auch um solche, die zu einer erheblichen Rollentladung neigen, wird ein Vorschaltgerät vorgeschlagen, mit dem zusätzlich zu einer Gleichstromschaltung eine Heizstromschaltung vorgesehen ist. Die Steuerungselektronik des Vorschaltgeräts ist dann mit einer Meßeinrichtung für den Lampenstrom, einem Stromkomparator und einer Heizstromquelle versehen. Mit dem Stromkomparator wird eine Stromdifferenz zwischen dem über eine Elektrode der Leuchtstofflampe fließenden Gesamtstrom und dem von der Meßeinrichtung gemessenen Lampenstrom gebildet. Diese Stromdifferenz wird dann der Heizstromquelle als Regelgröße für den einzustellenden Heizstrom zugeführt.
Günstig ist es, wenn die Meßeinrichtung für den Lampenstrom eine Induktionsschleife aufweist. Einfacherweise umschlingt die Induktionsschleife die Elektrodenzuführungen.
Der Einfachheit halber weist der Stromkomparator einen Operationsverstärker auf, an dessen n-Eingang der Lampenstrom und an dessen p-Eingang der Gesamtstrom angelegt ist, wobei die Stromdifferenz zwischen dem Gesamtstrom und dem Lampenstrom das Ausgangssignal des Operationsverstärkers bildet, das der Heizstromschaltung zugeführt ist.
Nachstehend ist die Erfindung in einer Zeichnung dargestellt und anhand der einzelnen Figuren detailliert beschrieben. Es zeigen:
In der Zeichnung ist die Erfindung anhand von Teilen der elektronischen Schaltungen eines Vorschaltgeräts schematisch dargestellt.
In den Figuren 1 bis 3 sind prinzipielle Stromverteilungen zwischen unterschiedlichen Ausführungsformen eines Vorschaltgeräts und einer zu betreibenden Leuchtstofflampe L dargestellt.
Fig. 1 ist ein Teil eines Vorschaltgeräts für eine Kategorie von Lampentypen, die zu einer Rollentladung neigen. Zur Verhinderung der Rollentladung wird dem Lampenstrom IL über eine Gleichstromschaltung GS ein Gleichstromanteil IDC zugeführt, mit dem eine Rollentladung sicher verhindert wird. Außerdem wird der Leuchtstofflampe L einen Wechselstromanteil IAC zugeführt. Es ergibt sich ein Gesamtstrom IG=IAC+IDC.
Fig. 2 ist ein Teil eines Vorschaltgeräts für eine Kategorie von Lampentypen, die nicht zur Rollentladung neigen. Für diese ist eine Gleichstromschaltung verzichtbar. Damit die Leuchtstofflampen L bis auf eine geringe Lichtabstrahlung heruntergedimmt werden können, ist aber eine Heizstromschaltung HS vorgesehen, mit der die Elektrodentemperatur auch bei geringem Lampenstrom IL auf der Emissionstemperatur des Elektrodenemittermaterials gehalten werden kann, bei der noch ausreichend Emittermaterial freigesetzt wird. Es ergibt sich ein Gesamtstrom IG=IH+IL.
Fig. 3 ist ein Teil eines Vorschaltgeräts für Lampentypen, die zur Rollentladung neigen und gleichzeitig für solche, die nicht zur Rollentladung neigen. Daher ist sowohl eine Gleichstromschaltung GS als auch eine Heizstromschaltung HS vorgesehen. Die Gleichstromschaltung GS und die Heizstromschaltung HS sind parallelgeschaltet. Es gelten die Gleichung IG=IH+IL und die Gleichung IG=IAC+IDC+IH.
Fig. 4 ist ein Koordinatensystem in dem der zeitliche verlauf eines hochfrequenten Wechselstroms IAD und eines Gleichstromanteils IDC eingetragen sind. Der Wechselstrom IAD ist die Überlagerung des reinen Wechselstromanteils IAC (hier nicht eingetragen) und des Gleichstromanteils IDC.
Anhand der Fig. 4 wird die Funktion der alternativen Gleichstromschaltungen verständlich, die in den Figuren 5 bis 8 dargestellt sind. Jede der Gleichstromschaltungen der Figuren 5 bis 8 weist eine zur Leuchtstofflampe L parallelgeschaltete Impedanz P auf. Letztere weist jeweils eine Diode D und eine der Diode D nachgeschaltete Verstelleinrichtung V auf, mit der der Gleichstromanteil IDC in Stufen oder stufenlos verstellbar ist.
Während einer negativen Halbwelle des wechselstroms IAC fließt dieser ausschließlich durch die Leuchtstofflampe L, weil die Diode D der parallel geschalteten Impedanz P in dieser Stromrichtung sperrt. Während einer positiven Halbwelle wird ein Teil des Wechselstroms IAC über die Impedanz P abgezweigt. Der Anteil des über die Impedanz P abgezweigten Gleichstromanteils IDC hängt von der Einstellung der Verstelleinrichtung V ab.
In Fig. 5 handelt es sich um eine Gleichstromschaltung GS, deren Verstelleinrichtung V zwei parallelgeschaltete Zweige Z1 und Z2 aufweist, wobei in Durchflußrichtung der Diode D in dem Zweig 21 ein widerstand R1 sowie ein Schalter S1 nachgeschaltet sind und in dem Zweig Z2 ein widerstand R2 mit einem vom Widerstands R1 verschiedenen Widerstandswert sowie ein Schalter S2 nachgeschaltet sind. Mit dieser Konstruktion können vier unterschiedliche Niveaus für den Gleichstromanteil IDC des Lampenstroms IL eingestellt werden. Dazu werden die Schalterstellungen der beiden Schalter S1 und S2 variiert. Ein erstes Gleichstromniveau ergibt sich, wenn beide Schalter S1 und S2 geöffnet sind. Ein zweites, wenn Schalter S1 geschlossen und Schalter S2 geöffnet ist. Ein drittes, wenn Schalter S1 geöffnet und Schalter S2 geschlossen ist. Und ein viertes, wenn beide Schalter S1 und S2 geschlossen sind.
Die Gleichstromschaltung GS gemäß Fig. 6 unterscheidet sich von Fig. 5 nur durch die Verstelleinrichtung V. Bei dieser ist der Diode D eine einstellbare Stromquelle S nachgeschaltet, über die der Gleichstromanteils IDC stufenlos eingestellt werden kann.
Die Verstelleinrichtung V der Gleichstromschaltung GS gemäß Fig. 7 weist als Alternative einen Feldeffekttransistor Q auf, der über eine an ihn angelegte Steuerspannung UE eine Verstellung des Gleichstromanteils IDC des Lampenstroms IL bewirkt. Außerdem ist dem Feldeffekttransistor Q einen widerstand R in Reihe nachgeschaltet.
Eine weitere Alternative ist die Verstelleinrichtung der Gleichstromschaltung GS gemäß Fig. 8, bei der ein Bipolartransistor B zum Einsatz kommt, der ebenfalls über eine an ihn angelegte Steuerspannung UE eine Verstellung des Gleichstromanteils IDC des Lampenstroms IL bewirkt. Außerdem ist dem Bipolartransistor B ein Widerstand R in Reihe nachgeschaltet.
Schließlich ist in Fig. 9 eine Ausführungsform einer Heizstromschaltung HS dargestellt, die einen Teil der Steuerungselektronik des Vorschaltgeräts bildet. Diese weist eine Meßeinrichtung M für den Lampenstrom IL auf. Die Meßeinrichtung M ist mit einer Induktionsschleife IS versehen, die die Elektrodenzuführungen umschlingt. Außerdem weist die Steuerungselektronik einen Stromkomparator K sowie eine regelbare Heizstromquelle HT auf. Mit dem Stromkomparator K wird eine Stromdifferenz zwischen dem über die Elektrode E1 der Leuchtstofflampe L fließenden Gesamtstrom IG und dem von der Meßeinrichtung M gemessenen Lampenstrom IL gebildet. Diese Stromdifferenz wird dann der Heizstromquelle HT als Regelgröße für den einzustellenden Heizstrom IH zugeführt. Der Stromkomparator K weist einen Operationsverstärker OP auf, an dessen n-Eingang der Lampenstrom IL und an dessen p-Eingang der Gesamtstrom IG angelegt ist, wobei die Stromdifferenz zwischen dem Gesamtstrom IG und dem Lampenstrom IL das Ausgangssignal A des Operationsverstärkers OP bildet, das der Heizstromquelle HT als Regelgröße zugeführt wird.
Fig. 10 zeigt ausschnittsweise eine alternative Konstruktion eines Vorschaltgeräts mit einer Gleichstromzuführung und einer Heizstromzuführung zum Betrieb sowohl von Lampentypen, die zu einer Rollentladung neigen als auch von Lampentypen, die nicht zu einer Rollentladung neigen. Es ist eine gemeinsame Steuerschaltung ST für die Heiz- und Gleichstromsteuerung vorgesehen, mit der ein periodisches Öffnen und Schließen eines elektronischen Schalterelements T, beispielsweise eines Feldeffekttransistors, gesteuert wird. Das Schalterelement T ist parallel zur Leuchtstofflampe L geschaltet und mit je einer zuführung der beiden Elektroden der Leuchtstofflampe L verbunden.
Zum einen werden mit der Steuerschaltung ST zwecks Dimmen der Leuchtstofflampe L die Amplitude und/oder die Frequenz eines Wechselrichters (nicht dargestellt) des Vorschaltgeräts variiert. Zum anderen erfolgt eine Heizstromeinstellung durch periodisches Ein- und Ausschalten des Schalterelements T mit einer Frequenz, die der doppelten Frequenz des Wechselrichters entspricht oder größer ist als diese.
Fig. 11 stellt dar, wie mit der Steuerschaltung ST die Einschaltdauer und die Ausschaltdauer des Schalterelements T als breitenmodulierte Impulssignale realisiert werden. Die Ausschaltdauer des Schalterelements T während einer positiven Halbwelle und die Ausschaltdauer des Schalterelements T während einer negativen Halbwelle des vom Wechselrichter zugeführten Stroms weisen vorzugsweise gleiche Pulsbreiten t1 und t3 auf. Auf diese Weise werden die Elektroden während einer positiven Halbwelle und einer negativen Halbwelle des Wechselrichterstroms gleichmäßig geheizt.
Die Pulsbreite t2 für den eingeschalteten Zustand des Schalterelements T während einer positiven Halbwelle unterscheidet sich vorzugsweise aber von der Pulsbreite t4 für den eingeschalteten Zustand während einer negativen Halbwelle des Wechselrichterstroms. Über die Pulsbreiten t2 und t4 wird die Größe und das vorzeichen des Gleichstromanteils gesteuert. Wenn die Pulsbreite t2 geringer ist als die Pulsbreite t4, verschiebt der Gleichstromanteil den Wechselrichterstrom ins Negative. Ist die Pulsbreite t4 geringer als die Pulsbreite t2, verschiebt der Gleichstromanteil den Wechselrichterstrom ins Positive.