Elektrisches Vorschaltgerät

Abstract

 Vorrichtung (10.1) zum Ansteuern einer Leuchtstofflampe (11). Die Vorrichtung (10.1) umfasst eine Leistungselektronik (16) mit einer Heizendstufe (16.2) für das Zünden der Leuchtstofflampe (11) und mit einer Röhrenendstufe (16.1) für das Brennen der Leuchtstofflampe (11). Weiterhin ist eine digitale Steuerung (15) zur Ansteuerung der Leistungselektronik (16) vorgesehen, wobei die digitale Steuerung (15) analoge Steuersignale (Hin, Lin) bereitstellt, um die Leistungselektronik (16) zu beeinflussen.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrische Vorschaltgeräte für Leuchtstofflampen und auf entsprechende Lampenvorrichtungen.

[0002] Es wird die Priorität der Schweizer Patentanmeldung mit der Hinterlegungsnummer 01025/05, eingereicht am 16.6.2005, beansprucht.

[0003] Das menschliche Auge nimmt bei Leuchtstofflampen, die mit niedriger Lichtintensität betrieben werden, bereits kleinste Helligkeitsunterschiede als störend wahr.

[0004] Besonders bei der Bühnen- und Showtechnik, bei der Beleuchtung von Kinosälen und Theatern, aber auch in zahlreichen anderen Bereichen besteht der Wunsch nach Leuchtstofflampen, die ohne Einschränkung stufenlos regelbar sind. Speziell auch bei Anwendungen, die das farbige Licht verschiedener Leuchtstofflampen mischen, kommt es darauf an, dass die einzelnen Leuchtstofflampen stufenlos regelbar sind.

[0005] Gegenwärtig sind elektrische Vorschaltgeräte für T5-Leuchtstoffröhen nicht in der Lage, die Helligkeit der Röhre stufenlos von 0 bis 100% zu steuern. Weiterhin wird es als ein Nachteil der bisherigen Vorschaltgeräte angesehen, dass nach einer Vorheizphase eine Zündphase durchlaufen werden muss, was zusammen eine verhältnismässig lange Reaktionszeit von ca. 1 s beim Einschalten ergibt. Schnelles Reagieren, wie zum Beispiel in der Bühnenbeleuchtung erforderlich, ist mit gegenwärtigen Vorschaltgeräten nicht möglich.

[0006] Es gibt daher einen Bedarf für Leuchtstofflampen, die stufenlos bis hinunter zu 0% geregelt werden können und nicht wie bei konventionellen Leuchtstofflampen beim Unterschreiten einer systembedingten Grenze sprungartig abschalten. Ausserdem besteht, wie bereits ausgeführt, ein Bedarf für Leuchtstofflampen, die schnell reagieren.

[0007] Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung ein elektronisches Vorschaltgerät für einen Leuchtstofflampe bereitzustellen, das es erlaubt die Leuchtstofflampe scheinbar stufenlos im Bereich zwischen 0 und 100% zu regeln.

[0008] Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung ein elektronisches Vorschaltgerät für einen Leuchtstofflampe bereitzustellen, das ein schnelles Reagieren der Leuchtstofflampe ermöglicht.

[0009] Ausserdem ist es eine Aufgabe der Erfindung eine entsprechende Lampenvorrichtung bereitzustellen, um eine oder mehrere Leuchtstofflampen scheinbar stufenlos im Bereich zwischen 0 und 100% regeln und/oder schnell Ein- bzw. Ausschalten zu können.

[0010] Die erfindungsgemässe Vorrichtung zum Ansteuern einer Leuchtstofflampe zeichnet sich dadurch aus, dass sie eine Leistungselektronik mit einer Heizendstufe für das Zünden der Leuchtstofflampe und mit einer Röhrenendstufe für das Brennen der Leuchtstofflampe umfasst. Weiterhin ist eine digitale Steuerung zur Ansteuerung der Leistungselektronik vorgesehen, wobei die digitale Steuerung digitale Steuersignale bereitstellt, um die Leistungselektronik zu beeinflussen.

[0011] Diese Vorrichtung basiert auf dem Prinzip der Pulsweitenmodulation (PWM), um durch das Einstellen gewisser Parameter die Helligkeit der Leuchtstoffröhre(n) einstellen zu können.

[0012] Eine erfindungsgemässe Lampenvorrichtung umfasst ein Vorschaltgerät mit einer Leistungselektronik und einer digitalen Steuerung zur Ansteuerung der Leistungselektronik, sowie mindestens eine Leuchtstoffröhre.

[0013] Besonders vorteilhafte Ausführungsformen sind den verschiedenen abhängigen Ansprüchen zu entnehmen. Die verschiedensten Vorteile werden in der detaillierten Beschreibung erwähnt.

[0014] Das erfindungsgemässe Vorschaltgerät ermöglicht eine scheinbar stufenlose Regelung von Leuchtstofflampen und insbesondere von Leuchtstoffröhren (z.B. T5- Leuchtstoffröhren) von 0 bis 100% bei einer sehr kleinen Reaktionszeit. Je nach Ausführungsform kann die Reaktionszeit kleiner als 0,1 s sein.

[0015] Die Erfindung ist im Folgenden anhand in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele ausführlich beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1

ein schematisches Blockdiagram eines ersten Vorschaltgeräts gemäss Erfindung;

Fig. 2

ein schematisches Blockdiagram eines weiteren Vorschaltgeräts gemäss Erfindung;

Fig. 3

ein schematisches Blockdiagram einer ersten Röhrenendstufe eines Vorschaltgeräts gemäss Erfindung;

Fig. 4

ein schematisches Blockdiagram einer ersten Heizendstufe eines Vorschaltgeräts gemäss Erfindung;

Fig. 5

ein schematisches Blockdiagram einer zweiten Heizendstufe eines Vorschaltgeräts gemäss Erfindung;

Fig. 6

ein schematisches Diagram zur Darstellung eines PWM Zyklus, gemäss Erfindung;

Fig. 7

ein schematisches Diagram zur Darstellung des Timings der analogen Steuersignale, gemäss Erfindung;

Fig. 8

ein schematisches Diagram zur Darstellung der Halbbrückensignale einer Röhrenendstufe, gemäss Erfindung;

Fig. 9

ein schematisches Diagram zur Darstellung der Halbbrückensignale einer Heizendstufe, gemäss Erfindung;

Detaillierte Beschreibung:

[0016] Im Folgenden wir die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Der Einfachheit halber werden in den Figuren und der Beschreibung die selben Bezugszeichen für gleiche oder gleichartige Bauelemente und Komponenten verwendet.

[0017] Die Erfindung lässt sich prinzipiell auf verschiedene Leuchtstofflampen anwenden. Die folgenden Ausführungsbeispiele beziehen sich jedoch speziell auch T5-Leuchtstoffröhren, T8-Leuchtstoffröhren, oder ähnliche Leuchtstoffröhren, ohne das dies als Einschränkung zu verstehen ist.

[0018] Das Grundkonzept der Erfindung basiert auf dem Resonanzverhalten einer Leistungselektronik. Gemäss Erfindung liefert eine digitale Steuerung analoge Steuersignale, um einen Resonanzkreis der Leistungselektronik zu beeinflussen. Vorzugsweise werden Rechtecksignale als Steuersignale eingesetzt. Je nach Frequenz des Steuersignals können die notwendigen Ströme und/oder Spannungen vorgegeben werden, die für den Betrieb einer Leuchtstoffröhre notwendig sind.

[0019] Ein interessanter Punkt dieses Ansatzes liegt darin, dass man damit Spannungen erzeugen kann, die oberhalb der DC-Versorgungsspannung des Vorschaltgeräts liegen, um damit die Leuchtstoffröhre zu betreiben.

[0020] Je nach Vorgabe der Frequenz des analogen Steuersignals kann man verschiedene Betriebsmoden oder Arbeitspunkte einstellen. Hierfür gibt es gemäss Erfindung zwei getrennte, separat gesteuerte Schwingkreise. Einer der Schwingkreise ist für die Lampenspannung und der andere für den Heizstrom zuständig. Damit können die Lampenspannung und der Heizstrom unabhängig voneinander eingestellt werden. Dabei gibt es keine zu berücksichtigenden Abhängigkeiten auf der Steuerungsseite der Betriebsfrequenzen, Spannungen oder Dämpfungen für Heizung und Zündung.

[0021] Im Zusammenhang mit Fig. 1 ist nun eine erste Ausführungsform der Erfindung näher erläutert. In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 10 zum Ansteuern einer Leuchtstofflampe 11 gezeigt. Die Vorrichtung 10 umfasst eine Leistungselektronik 16 mit einer Heizendstufe für das Zünden der Leuchtstofflampe 11, und einer Röhrenendstufe für das Brennen der Leuchtstofflampe 11. Die beiden genannten Endstufen sind nicht in Fig. 1 zu erkennen. Weiterhin ist eine digitale Steuerung 15 zur Ansteuerung der Leistungselektronik 16 vorgesehen, wobei die digitale Steuerung 15 analoge Steuersignale bereitstellt, um die Leistungselektronik 16 zu beeinflussen.

[0022] Die Leistungselektronik 16 generiert alle für den Betrieb der Leuchtstoffröhre 11 notwendigen Spannungen und Signale. In der Leistungselektronik 16 wird Hochspannung erzeugt, die zum Zünden der Leuchtstoffröhre 11 notwendig ist. Ausserdem stellt die Leistungselektronik 16 den Heizstrom zur Verfügung, der die beiden Glühwendeln der Leuchtstoffröhre 11 auf der richtigen Temperatur hält. Weiterhin umfasst die Leistungselektronik 16 optional eine Strombegrenzung, zum Beispiel in Form einer Spule, um nach dem Zünden den Strom auf einen maximal zulässigen Wert zu begrenzen.

[0023] Eingangsseitig kann ein Netzfilter 12 vorgesehen sein, um die Vorrichtung 10 mit einem Spannungsnetz 17 (z.B. 230V / 50Hz oder 110V / 60Hz) zu verbinden. Der Netzfilter 12 kann für eine EMV Filterung sorgen. Wird eine Power Factor Correction (PFC) im Netzfilter 12 vorgesehen, so kann die Vorrichtung 10 als nahezu rein ohmsche Last vom Netz 17 aus betrachtet werden.

[0024] Es kann weiterhin ein DC-Zwischenkreis 13 vorgesehen sein, der die vom Netz 17 aufgenommene Energie puffert und diese der Leistungselektronik 16 zur Verfügung stellt. Der Wert der DC Spannung, die vom DC-Zwischenkreis 13 zur Verfügung gestellt wird ist abhängig von der zu betreibenden Leuchtstoffröhre 11.

[0025] Weiterhin kann ein Chip-Satz 19 vorgesehen sein, wie in Fig. 1 angedeutet. Dieser Chip-Satz 19 kann einen Datenempfänger 14 und die Steuerung 15 umfassen. Der Datenempfänger 14 empfängt digitale Daten, durch die zum Beispiel die gewünschte Helligkeit von aussen vorgegeben werden kann. Zum Übertragen der Daten kann ein beliebiges Protokoll oder Format verwendet werden: z.B. DMX für eine Bühnenbeleuchtung, DSI/DALI für die Haustechnik und Architektur, um einige Beispiele zu geben. Es kann eingangsseitig im Datenempfänger 14 ein Filter vorgesehen sein, um die empfangenen Daten aufzubereiten.

[0026] Die Steuerung 15 ist das Herzstück des Vorschaltgeräts 10.1 der Vorrichtung 10, wie weiter oben bereits erwähnt.

[0027] Im Zusammenhang mit Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung näher erläutert. In Fig. 2 ist nur das Vorschaltgerät 10.1 zum Ansteuern einer Leuchtstofflampe gezeigt. Das Vorschaltgerät 10.1 umfasst eine Leistungselektronik 16 mit einer Heizendstufe 16.2 für das Zünden der Leuchtstofflampe 11 und mit einer Röhrenendstufe 16.1 für das Brennen der Leuchtstofflampe 11. Weiterhin ist eine digitale Steuerung 15 zur Ansteuerung der Leistungselektronik 16 vorgesehen, wobei die digitale Steuerung 15 analoge Steuersignale bereitstellt, um die Leistungselektronik 16 zu beeinflussen. In Fig. 2 ist nicht gezeigt, dass es zwei Steuerleitungen gibt, je für die Röhrenendstufe 16.1 und die Heizendstufe 16.2. Diese Steuerleitungen verlaufen von der Steuerung 15 zu den Transistortreiber ICs der Endstufen 16.1, 16.2.

[0028] Die Leistungselektronik 16 generiert alle für den Betrieb einer Leuchtstoffröhre 11 notwendigen Spannungen und Signale. In der Röhrenendstufe 16.1 wird Hochspannung erzeugt, die zum Zünden der Leuchtstoffröhre notwendig ist. Diese Hochspannung wird am Ausgang L bereit gestellt. Ausserdem stellt die Heizendstufe 16.2 den Heizstrom am Ausgang H zur Verfügung, der die beiden Glühwendeln der Leuchtstoffröhre 11 auf der richtigen Temperatur hält.

[0029] Weiterhin umfasst das Vorschaltgerät 10.1 optional eine Einschalt-Strombegrenzung 12.3 für das Aufschalten der Netzspannung. Ausserdem kann 12.3 die VDD-Spannungsversorgung VDD (z.B. VDD = 12 V) für die nachfolgenden Schaltungselemente 12.4, 16.1 und 16.2 bereit stellen. In Fig. 2 ist jedoch eine Ausführungsform gezeigt, bei der die VDD-Spannungsversorgung durch die Steuerung 15 geschaltet wird und nicht durch die Einschalt-Strombegrenzung 12.3.

[0030] Eingangsseitig kann ein Netzfilter 12 mit Eingangsfilter 12.1 vorgesehen sein, um das Vorschaltgerät 10.1 mit einem Spannungsnetz 17 (z.B. 230V / 50Hz oder 110V / 60Hz) zu verbinden. Der Netzfilter 12 kann einen Power Factor Correction (PFC) Controller 12.4 umfassen, der für eine EMV Filterung sorgt. Dadurch kann das Vorschaltgerät 10.1 als nahezu rein ohmsche Last vom Netz 17 aus betrachtet werden. Zusätzlich kann der Netzfilter 12 einen Gleichrichter 12.2 umfassen, wie in Fig. 2 angedeutet.

[0031] Es kann weiterhin ein DC-Zwischenkreis 13 vorgesehen sein, der die vom Netz 17 aufgenommene Energie puffert und diese der Leistungselektronik 16 zur Verfügung stellt. Der Wert der DC Spannung, die vom DC-Zwischenkreis 13 zur Verfügung gestellt wird ist abhängig von der zu betreibenden Leuchtstoffröhre 11. In Fig. 2 umfasst der DC-Zwischenkreis 13 zwei Komponenten 13.1 und 13.2. Die Komponente 13.1 dient als DC-DC Wandler VDC/VDD (z.B. ein 400V/12V DC-DC Wandler). Die Komponente 13.2 dient als 12V/12V DC-DC Wandler VDD/VDD (z.B. ein 12V/12V DC-DC Wandler), um dem Datenempfänger 14 eine isolierte Spannung VDD (z.B. 12V) zur Verfügung stellen zu können. Ein Optokoppler 14.1 sitzt zwischen dem Datenempfänger 14 und der Steuerung 15, um beide Komponenten galvanisch voneinander zu trennen. Falls zur Kommunikation auf dem Bus 18 ein DMX Protokoll verwendet wird, kann ein DMX Buskoppler als Datenempfänger 14 eingesetzt werden.

[0032] Optional kann die Steuerung 15 mit Eingängen versehen sein, um Information über Temperatur, Überstrom oder Überspannung und anderes bereit zu stellen. Drei solche Eingänge sind in Fig. 2 auf der rechten Seite der Steuerung 15 angedeutet.

[0033] Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform liegt im Bereich der Leistungselektronik 16 eine hohe Versorgungsspannung VDC vor (z.B. von ca. 410V).

[0034] Wie bereits erwähnt, wird in der Röhrenendstufe 16.1 Hochspannung erzeugt , die zum Zünden der Leuchtstoffröhre 11 notwendig ist. Diese Hochspannung wird am Ausgang L bereit gestellt. Details einer Ausführungsform der Röhrenendstufe 16.1 sind in Fig. 3 gezeigt. Die Röhrenendstufe 16.1 umfasst ein Control-IC 16.3 (IC DRIVER HIGH/LOW SIDE), zum Treiben der beiden MOSFETs oder IGBTs, die in Fig. 3 mit T bezeichnet sind. Das Control-IC 16.3 hat zwei logische Eingänge, die mit Hin und Lin bezeichnet sind. Auf der Ausgangsseite der Röhrenendstufe 16.1 ist ein Schwingkreis 16.4 vorgesehen, der durch eine Spule L und eine Kapazität C angedeutet ist. Der Schwingkreis 16.4 erzeugt einerseits die notwendige Zündspannung von ca. 1kV (Resonanz) für die Leuchtstoffröhre 11 und begrenzt andererseits den Betriebsstrom, der durch die Leuchtstoffröhre 11 fliesst, nach dem diese gezündet wurde.

[0035] Um die Leuchtstoffröhre 11 zu zünden, wird die Röhrenendstufe 16.1 mit einer Frequenz f_ign nahe der Resonanzfrequenz betrieben, wodurch die Röhrenspannung am Ausgang L sehr schnell auf Werte ansteigt, die grösser als 1,5 kV sind. Zündet die Leuchtstoffröhre 11 durch, so sinkt ihr elektrischer Widerstand und der Schwingkreis 16.4 wird bedämpft. Dadurch stellt sich ein Arbeitspunkt ein, der von der Leuchtstoffröhre 11 und der Frequenz abhängt.

[0036] Die Leuchtstoffröhre 11 bildet also im gezündeten Zustand (d.h. im Normalbetrieb/Dimmen) in erster Näherung einen ohmschen Widerstand. Dadurch wird der Schwingkreis 16.4 belastet und es stellen sich neue Werte der Ströme und Röhrenspannung an der Leuchtstoffröhre 11 ein. Es wird nun eine Betriebsfrequenz f_run so vorgegeben, dass die notwendige Brennspannung an der Leuchtstoffröhre 11 für den Normalbetrieb/Dimmen gewährleistet ist. Bei einer T5-Leuchtstoffröhre 11 kann die Betriebsfrequenz f_run zum Beispiel um die 100kHz betragen (bei U_Brenn = 205 V und I_Brenn = 175 mA).

[0037] Im Folgenden wird eine Ausführungsform einer Heizendstufe 16.1 für das Zünden der Leuchtstofflampe 11 beschrieben. Die Glühwendeln der Leuchtstoffröhre 11 sind in Fig. 4 durch die Widerstände R_W angedeutet. Die Leuchtstoffröhre 11 an sich ist durch den Widerstand R_L angedeutet. Die Glühwendeln müssen auf einer bestimmten Temperatur gehalten werden (Heizen genannt), um die Emission von Elektronen zu unterstützen. Ist diese Temperatur zu gering, so steigt die notwendige Zündspannung und die Lebensdauer der Elektroden wird stark reduziert, ist die Temperatur zu hoch, so verdampft zu viel Elektrodenmaterial und die Lebensdauer der Leuchtstoffröhre 11 sinkt. Es kann, wie in Fig. 4 gezeigt, ein HF-Schwingkreis 16.5 eingesetzt werden, um das Vorheizen der Glühwendeln vorzunehmen. Dazu wird ein Kondensator C des Schwingkreises 16.5 in Serie zu den Glühwendeln geschaltet, dass heisst, dass der Kondensator C den Kondensatorstrom zum Heizen der Glühwendeln bereit stellt.

[0038] Eine weitere Ausführungsform einer Heizendstufe 16.1 für das Zünden der Leuchtstofflampe 11 ist in Fig. 5 gezeigt. Die Heizendstufe 16.1 wird zum Betrieb eines Heiztrafos 16.6 verwendet und die Heizendstufe 16.1 umfasst wiederum einen Schwingkreis 16.4. Diese Heizendstufe 16.1 kann gleich ausgelegt sein wie die Röhrenendstufe 16.1. Die Betriebsparameter der Heizendstufe 16.1 können durch die Steuerung 15 über die Ansteuerfrequenz analoger Steuersignale eingestellt werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel kann der Heiztrafo 16.6 im Bereich um ca. 100kHz betrieben werden. Er liefert bei geeigneter Dimensionierung der Wicklungen eine Röhrenspannung um die 10V. Die Steuerung 15 ermöglicht es durch das Vorgeben der Ansteuerfrequenz die den Glühwendeln zugeführte Heizenergie gezielt zu steuern.

[0039] Bisher sind im Wesentlichen die Grundbetriebszustände einer Leuchtstoffröhre 11 und die entsprechenden Funktionen verschiedener Ausführungsformen erfindungsgemässer Vorschaltgeräte erläutert worden. In den folgenden Absätzen werden nun wesentliche Aspekte des Dimmens beschrieben.

[0040] Gemäss Erfindung wird das Dimmen mittels einer sogenannten Pulsweitenmodulation (PWM) der Leuchtstofflampe 11 ermöglicht. Dabei wird die mittlere Leuchtleistung der Leuchtstofflampe 11 eingestellt in dem die Leuchtstofflampe 11 durch Ein- und Ausschalten moduliert betrieben wird. Damit kann die Helligkeit der Leuchtstofflampe 11 für einen Betrachter beliebig eingestellt werden. Gemäss Erfindung leuchtet die Leuchtstoffröhre 11 also nicht kontinuierlich, sondern sie wird ständig ein- und ausgeschaltet. Die Frequenz, mit der dies geschieht wird im Folgenden als PWM Frequenz f_PWM bezeichnet. Die Frequenz f_PWM kann zum Beispiel ca. 100Hz betragen.

[0041] Die Pulsweitenmodulation der Leuchtstoffröhre 11 ist nur möglich, da einerseits das menschliche Auge relative träge ist und das An- und Ausschalten der Leuchtstoffröhre 11 nicht wahr nimmt. Es gibt aber einen weiteren Effekt, der die Pulsweitenmodulation überhaupt möglich macht. Und zwar handelt es sich dabei um die Trägheit des Leuchtstoffes in der Leuchtstoffröhre 11. Da der Leuchtstoff relativ träge ist, kann die Leuchtstoffröhre 11 wie in Fig. 6 gezeigt an- und ausgeschaltet werden ohne dass das menschliche Auge das Schalten erkennen würde.

[0042] In Fig. 6 ist das Timing eines PWM Zyklus gezeigt. Die Dauer des PWM Zyklus beträgt T_PWM. Es handelt sich bei dem gezeigten Timing um ein Beispiel. Das Verhältnis zwischen Einschaltdauer (T_PWM,on) und Ausschaltdauer (T_PWM,off) ergibt dann im Auge des Betrachters eine bestimmt Helligkeit. Die obere Kurve 20 in Fig. 6 zeigt die Röhrenendstufe 16.2 und die untere Kurve 21 die Heizendstufe 16.1. Die Vorheizung kann gemäss Erfindung ebenso über Pulsweitenmodulation betrieben werden, wobei die Heizphase gemäss Erfindung an das Ende des PWM Zyklus gelegt wurde, damit es weniger Überschneidung zwischen Heiz- und Brennbetrieb gibt. Während der Phase (T_pre,off) liefert die Heizendstufe 16.1 keinen Heizstrom an die Leuchtstoffröhre 11. Während der Phase (T_pre,on) wird geheizt.

[0043] Wie im Zusammenhang mit den Figuren 3 bis 5 beschrieben, werden die Endstufen 16.1, 16.2 von der Steuerung 15 durch analoge Steuersignale (Hin, Lin) angesteuert. Diese analogen Steuersignale steuern jeweils entweder den HighSide oder den LowSide Transistor T der jeweiligen Endstufe 16.1, 16.2. In Fig. 7 ist ein beispielhaftes Timing der entsprechenden analogen Steuersignale gezeigt. T_x gibt die Dauer des Impulses an, T_dead gibt die Totzeit an, in der keiner der beiden Transistoren T angesteuert wird. Dies ist notwendig, um zu verhindern, dass beide Transistoren T gleichzeitig leiten.

[0044] In einer bevorzugten Ausführungsform werden die analogen Steuersignale, die das Heizen auslösen auf den jeweils nächsten PWM Zyklus hin ausgerichtet, damit der Übergang zwischen Heizen und Zünden phasenrichtig statt findet.

[0045] Wie in Fig. 8 anhand eines Beispiels dargestellt, werden zu Beginn eines PWM Zyklus zunächst N Zündimpulse als analoges Steuersignal mit der Frequenz f_ign erzeugt. Danach folgen Impulse als analoges Steuersignal mit der Frequenz f_run. Die Impulse T_run sind kürzer als die Impulse T_ign. Die Kurve 22 stellt quasi das Halbbrückensignal für den oberen Transistor T der Röhrenendstufe 16.1 und die Kurve 23 das Halbbrückensignal für den unteren Transistor T der Röhrenendstufe 16.1 dar. Diese Art der Ansteuerung durch die Steuerung 15 bewirkt, dass die Röhrenspannung zuerst bis auf über 1kV anwächst. Dann zündet die Leuchtstoffröhre 11 und die Röhrenspannung fällt auf ca. 200V ab. Im gezeigten Beispiel wurden N=6 Zündimpulse gewählt.

[0046] In Fig. 9 sind beispielhafte Halbbrückensignale für die Heizendstufe 16.2 gezeigt. Die analogen Steuersignale zum Ansteuern des Heizendstufe 16.2 sind auf das Ende des PWM Zyklus hin ausgerichtet, um beim Beginn der nächsten Zündphase die richtige Phasenlage zu erreichen. Die Heizfrequenz wird mit f_pre bezeichnet.

[0047] Vorzugsweise wird die Pulsweitenmodulation der Leuchtstofflampe 11 so vorgegeben, dass die Leuchtstoffröhre 11 mit einer Betriebsfrequenz f_run betrieben werden kann, die oberhalb einer Grenzfrequenz liegt, die von der Trägheit des menschlichen Auges und/oder der Trägheit eines in der Leuchtstofflampe verwendeten Leuchtstoffs abhängt. Die Grenzfrequenz liegt vorzugsweise im Bereich von ca. 100 Hz.

[0048] Die digitale Steuerung gemäss Erfindung kann so ausgelegt sein, dass die Steuersignale unter Berücksichtigung der gewünschten Helligkeit und einem mathematischen Modell der Leuchtstoffröhre ermittelt wird. Das genannte mathematische Modell kann in der Steuerung gespeichert sein, oder es kann von aussen vorgegeben werden. Das mathematische Modell kann unter anderem zur Kompensation der dynamischen Eigenschaften der Leuchtstoffröhre dienen.

[0049] Die gewünschte Helligkeit wird vorzugsweise von aussen, zum Beispiel mittels eines Reglers, vorgegeben.

[0050] Da die Qualität der digitalen Steuersignale eine Rolle spielen, wird vorzugsweise bei der Implementierung der Steuerung auf eine sorgfältige Aufbereitung der digitalen Steuersignale wert gelegt. Die Steuerung verwendet zum Beispiel Bausteine (DMX, DSI, DALI) mit 8bit Auflösung. Diese Auflösung ist aber bei einer grossen Empfindlichkeit der Leuchtstoffröhre im Bereich zwischen 0% und 10% zu gering. Dazu kommt noch, dass die digitalen Steuersignale zeitlich schwanken, die per DMX, DSI, DALI übermittelt werden, was dazu führen kann, dass der Dimmvorgang sehr unruhig auf den Betrachter wirkt. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform weist die Steuerung daher eine Software auf, die eine Interpolation (vorzugsweise eine 16bit Interpolation) mit zeitlicher Glättung vornimmt, um ein stufenloses, ruhiges Dimmen zu ermöglichen.

[0051] In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Vorschaltgerät um ein softwaregesteuertes Vorschaltgerät. Durch Ändern der Software kann das Vorschaltgerät jederzeit angepasst oder geändert werden. Besonders bevorzugt ist eine Lösung, bei der in einem Chip frei konfigurierbare Elektronikkomponenten vorhanden sind, die je nach Bedarf miteinander verknüpft werden können.

[0052] Ein weiteres Vorschaltgerät gemäss Erfindung kann so ausgelegt sein, dass es z.B. 4 Leuchtstoffröhren regeln kann. Somit kann man problemlos ein Farbmischsystem mit 4 Leuchtstoffröhren realisieren. Dieses Vorschaltgerät kann einen Eingang zum Anlegen von Eingangsdaten umfassen. Mit den Eingangsdaten kann man dann zum Beispiel eine getrennte Steuerung der RGB-Farben und der Intensität ermöglichen. Die notwendigen Berechnungen zum Betreiben der 4 Leuchtstoffröhren im geeigneten Modus werden vorzugsweise in einem Chip der Steuerung vorgenommen.

[0053] Gemäss Erfindung kann die Vorheizung der Glühwendeln gezielt eingestellt oder vorgegeben werden. Ebenso können die Zünd- und Betriebs-/Dimmparameter eingestellt oder vorgegeben werden.

[0054] Besonders bevorzugte Anwendungsgebiete für die Erfindung sind die Bühnen- und Showtechnik, die Beleuchtung von Kinosälen, Theatern und Konferenzzimmern. Die Erfindung kann aber auch in vorteilhafter Weise als Architekturbeleuchtung oder Effektbeleuchtung und in zahlreichen anderen Bereichen eingesetzt werden.

[0055] Mit der vorliegenden Erfindung lassen sich bessere Lichtsteueranlagen realisieren als mit den bisherigen Vorschaltgeräten.

[0056] Die Erfindung eignet sich besonders für T5-Leuchtstoffröhren, die eine hohe Leuchtdichte, Effizienz und eine kompakte Bauform aufweisen.

Ansprüche

1. Vorrichtung (10.1) zum Ansteuern einer Leuchtstofflampe (11), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10.1)

- eine Leistungselektronik (16) mit einer Heizendstufe (16.2) für das Zünden der Leuchtstofflampe (11) und einer Röhrenendstufe (16.1) für das Brennen der Leuchtstofflampe (11), und

- eine digitale Steuerung (15) zur Ansteuerung der Leistungselektronik (16) umfasst, wobei die digitale Steuerung (15) analoge Steuersignale (Hin, Lin) bereitstellt, um die Leistungselektronik (16) zu beeinflussen.

2. Vorrichtung (10.1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Steuerung (15) eine Pulsweitenmodulation (PWM) der Leuchtstofflampe (11) ermöglicht, um die mittlere Leuchtleistung der Leuchtstofflampe (11) beliebig einstellen zu können in dem die Leuchtstofflampe (11) durch Ein- und Ausschalten moduliert betrieben wird.

3. Vorrichtung (10.1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Steuerung (15) eine Pulsweitenmodulation (PWM) der Leuchtstofflampe (11) ermöglicht, um die Helligkeit der Leuchtstofflampe (11) für einen Betrachter beliebig einstellen zu können in dem die Leuchtstofflampe (11) durch Ein- und Ausschalten moduliert betrieben wird.

4. Vorrichtung (10.1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Pulsweitenmodulation die Leuchtstofflampe (11) mit einer Betriebsfrequenz (f_run) betrieben werden kann, die oberhalb einer Grenzfrequenz liegt, die von der Trägheit des menschlichen Auges und/oder der Trägheit eines in der Leuchtstofflampe (11) verwendeten Leuchtstoffs abhängt, wobei die Grenzfrequenz vorzugsweise im Bereich von 100 Hz liegt.

5. Vorrichtung (10.1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Steuerung (15)

- ein analoges Steuersignal (Hin, Lin) mit einer Heizfrequenz (f_pre) bereitstellt, um über die Leistungselektronik (16) eine Röhrenspannung an der Leuchtstofflampe (11) bereit zu stellen und ein Vorheizen von Wendeln der Leuchtstofflampe (11) auszulösen,

- ein analoges Steuersignal (Hin, Lin) mit einer Zündfrequenz (f_ign) bereitstellt, um über die Leistungselektronik (16) eine Röhrenspannung an Elektroden der Leuchtstofflampe (11) bereit zu stellen und das Zünden auszulösen, um die Leuchtstofflampe (11) in einen Brennzustand zu bringen.

6. Vorrichtung (10.1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Steuerung (15)

- ein analoges Steuersignal (Hin, Lin) mit einer Betriebsfrequenz (f_run) bereitstellt, um über die Leistungselektronik (16) eine Röhrenspannung bereit zu stellen und eine für das Brennen der Leuchtstofflampe (11) notwendige Röhrenbrennspannung an den Elektroden anlegen zu können,

wobei die Betriebsfrequenz (f_run) grösser ist als die Zündfrequenz (f_ign).

7. Vorrichtung (10.1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die digitale Steuerung (15) und die Heizendstufe (16.2) eine Heizleistung der Leuchtstofflampe (11) vorgebbar ist.

8. Vorrichtung (10.1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die digitale Steuerung (15) und die Röhrenendstufe (16.1) eine Brennleistung der Leuchtstofflampe (11) vorgebbar ist.

9. Vorrichtung (10.1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtstofflampe (11) bis auf 0% Leuchtleistung herunter dimmbar ist.

10. Vorrichtung (10.1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtstofflampe (11) beim Einschalten von 0% Leuchtleistung ausgehend hochfahrbar ist.

11. Vorrichtung (10.1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Brennleistung sowie eine Heizleistung der Leuchtstofflampe (11) getrennt einstellbar sind.

12. Vorrichtung (10.1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Brenndauer (T_PWM,on) sowie eine Heizdauer (T_pre,on) der Leuchtstofflampe (11) getrennt einstellbar sind.

13. Vorrichtung (10.1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtstofflampe (11) netzsynchron betreibbar ist.

14. Vorrichtung (10.1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizendstufe (16.2) einen Halbbrückentreiber (16.3, T) für ein Heizen der Leuchtstofflampe (11) und die Röhrendstufe (16.1) einen Halbbrückentreiber (16.3, T) für ein Brennen der Leuchtstofflampe (11) aufweist, wobei die Heizendstufe (16.2) vorzugsweise einen Heiztransformator (16.6) umfasst.

15. Vorrichtung (10.1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Zeitfenster (T_pre,on) beim Heizen die Röhrenspannung eine Wechselspannung mit ansteigender Spannungsamplitude ist.

16. Vorrichtung (10.1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Heizen, Zünden und Brennen eine Amplitude einer Schwingung einer Röhrenspannung einstellbar ist.

17. Vorrichtung (10.1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizendstufe (16.2) und die Röhrenendstufe (16.1) je einen eigenen Schwingkreis (16.4, 16.5) umfassen, wobei die Schwingkreise (16.4, 16.5) eine Ausgangsspannung abgeben, die durch je eine Frequenz des analogen Steuersignals (Hin, Lin) steuerbar ist.

18. Vorrichtung (10.1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Leuchtstofflampe (11) um eine Leuchtstoffröhre, vorzugsweise eine T5-Leuchtstoffröhre, handelt.

19. Vorrichtung (10.1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schnittstelle (14, 18) vorgesehen ist, um Parameter der digitalen Steuerung (15) vorgeben zu können, wobei es sich vorzugsweise um eine Schnittstelle zu einem Rechner handelt.

20. Vorrichtung (10) mit einer Vorrichtung (10.1) nach einem der Ansprüche 1 bis 19 und mit mindestens einer Leuchtstofflampe (11).

21. Vorrichtung (10) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein Farbmischsystem handelt.

Zeichnung