Be s ehre ibung

Vorschaltgerät mit DBD-Lampe

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Beleuchtungssystem mit einer Kombination aus einem elektronischen Vorschaltgerät und einer DBD-Lampe, also Lampe für dielektrisch behinderte Entladungen (DBD: Dielectric Barrier Discharge) .

Stand der Technik

Für dielektrisch behinderte Entladungen ausgelegte Lampen, im Folgenden kurz DBD-Lampen, befinden sich seit einigen Jahren verstärkt in Entwicklung und Anwendung. Dies betrifft beispielsweise relativ großformatige, sehr fla- che Lampen, etwa zur Monitorhinterleuchtung, die im Folgenden als Flachstrahler bezeichnet werden, oder auch Ii- nienförmige DBD-Lampen. Neben klassischen Lampen, die ü- ber Leuchtstoffe sichtbares Licht erzeugen, werden DBD- Lampen dabei in verschiedenen Bauformen auch als UV- Lampen eingesetzt, beispielsweise zur Entkeimung, für technische Prozesse, wie etwa die Kunststoffhärtung, oder für die Büroautomatisation .

DBD-Lampen werden grundsätzlich mit elektronischen Vor- schaltgeräten angesteuert und betrieben, weil nur so die notwendigen Zündspannungen und Betriebsspannungen erzeugt werden können. Dabei werden kurze Leistungseinkopplungs- pulse mit relativ hoher Frequenz von typischerweise einigen 10 kHz eingekoppelt, die jeweils einen einzelnen Entladungsvorgang in der DBD-Lampe nach sich ziehen. Die einzelnen Entladungsvorgänge werden durch die innere Gegenpolarisation in Folge der Aufladung der dielektrischen

Schichten gestoppt, wobei die einzelnen Entladungsvorgänge durch entladungsfreie Zwischenphasen getrennt sind.

Für entsprechende Vorschaltgeräte sind bereits verschiedene Wandlertopologien eingesetzt worden, insbesondere Klasse-E-Konverter und Flusswandler mit angeschlossenen Transformatoren. Diese Vorschaltgeräte haben die an sie gestellten Anforderungen im Prinzip erfüllt, sind jedoch relativ aufwändig und hinsichtlich ihrer Effizienz durchaus noch verbesserungsfähig. Bei der Auslegung solcher Vorschaltgeräte muss besonders auf den stark kapazitiven Charakter von DBD-Lampen Rücksicht genommen werden.

Die EP 1 753 272 A2 zeigt eine gegenüber diesem Stand der Technik bereits verbesserte Wandlertopologie, nämlich aus Schalttransistoren aufgebaute Halbbrücken und Vollbrücken mit Ladeinduktivitäten, jedoch ohne Transformatoren. Damit konnten die Vorschaltgeräte bereits deutlich vereinfacht und bessere Effizienzen erreicht werden.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, diesen Stand der Technik zu verbessern.

Die Erfindung betrifft ein Beleuchtungssystem mit einem elektronischen Vorschaltgerät und einer DBD-Lampe, wobei das elektronische Vorschaltgerät aufweist: einen Rechteckwandler zur Ausgabe eines Wandlerausgangspotentials an einem Lampenanschluss durch getaktetes Schalten zwischen zwei Wandlereingangspotentialen, wobei der Wandler zumindest zwei Schalttransistoren für das getaktete Schalten aufweist und geschaltete Anschlüsse der Schalttransistoren galvanisch mit einem Pol des Lampenanschlusses ver-

bunden sind, und eine lampenserielle Ladeinduktivität zwischen einem Pol des Lampenanschlusses und einem geschalteten Anschluss eines der Schalttransistoren, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalttransistoren im ge- öffneten Zustand durch Dioden unidirektional überbrückt sind, so dass die Dioden jeweils zwischen einem an dem Schalttransistor anliegenden Wandlereingangspotential und dem Wandlerausgangspotential liegen, und das Beleuchtungssystem wegen einem im Verhältnis zu der Lampe aus- reichend kleinen Ladeinduktivitätswert so bedämpft ist, dass im gezündeten Dauerbetrieb die Amplitude der ersten Stromüberschwingspitze nach der Hauptstromspitze höchstens ein Drittel dieser beträgt.

Bevorzugte Ausgestaltungen dieses Beleuchtungssystems sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Wie eingangs bereits erwähnt finden DBD-Lampen auch Anwendung zur Erzeugung nicht sichtbaren Lichts, insbesondere von UV-Licht. Damit ist mit dem Begriff "Beleuchtungssystem" also auch eine UV-Beleuchtung gemeint. Der Begriff bezieht sich damit auf betriebsfähige Kombinationen von elektronischen Vorschaltgeräten und DBD-Lampen im Allgemeinen .

Die Grundidee der Erfindung besteht darin, die aus dem Stand der Technik EP 1 753 272 A2 bekannten schalttran- sistorseriellen Dioden, dort als "Stromventile" bezeichnet, einzusparen. Stattdessen sollen die Schalttransistoren im geöffneten Zustand in eine Richtung überbrückt sein, und zwar entweder durch zusätzliche parallel geschaltete Dioden oder durch transistorintrinsische Dioden (Bodydioden von FETs) . Diese überbrückung soll tatsäch-

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lich ohne Stromventile in dem entsprechenden Wandlerast vorgesehen sein, die überbrückenden Dioden sollen also zwischen einem Wandlereingangspotential und dem Wandlerausgangspotential liegen. Die Erfindung soll also den Einsatz von FETs in dem erwähnten Stand der Technik nicht mit umfassen, weil dort die Bodydioden die Schalttransistoren nicht zwischen Wandlereingangspotential und Wandlerausgangspotential überbrücken, und zwar wegen den jeweiligen Stromventilen.

Die in dem Stand der Technik vorgesehene Funktion der Stromventile, ein übermäßiges Rückschwingen von Energie aus dem durch Ladeinduktivität und kapazitive Lampe gebildeten Schwingkreis zu verhindern, wird erfindungsgemäß dadurch realisiert, dass der Ladeinduktivitätswert rela- tiv klein bemessen ist. Dadurch ergibt sich eine entsprechende Dämpfung des Schwingkreises und damit Begrenzung des Rückschwingens von Energie in die Wandleräste. Quantitativ soll dies so bemessen sein, dass im Strom- /Zeitdiagramm des Lampenstroms die der ersten Hauptstrom- spitze folgende erste überschwingspitze mit inverser Polarität höchstens ein Drittel der Amplitude der Hauptstromspitze beträgt. Vorzugsweise ist das Stromspitzenverhältnis sogar kleiner als 1:4. Dabei soll die durch den ausschwingenden Lampenstrom bis zur nächsten Entla- dungszündung definierte Stromstärke als Bezugsgröße dienen .

Das Ersatzschaltbild einer DBD-Lampe kann in vereinfachter Form als Parallelschaltung aus einer Reihenschaltung aus einer ersten Kapazität und einem ohmschen Widerstand einerseits und einer zweiten Kapazität andererseits be-

schrieben werden. Die zweite Kapazität beschreibt den kapazitiven Charakter der Lampe im ungezündeten Zustand.

Der kapazitive Charakter verstärkt sich bei und nach der Zündung, weil im Entladungsraum freie Ladungsträger gene- riert werden. Daher ist die erste Kapazität in Reihe mit dem ohmschen Widerstand dann wirksam, wenn die Lampe gezündet wird und ist. Sie entspricht also im Wesentlichen der Kapazität des Entladungsplasmas.

Der ohmsche Widerstand ist zeitlich veränderlich, nämlich vor der Zündung praktisch unendlich, und fällt während des Zündvorgangs deutlich ab. Nach Abklingen der Entladung steigt dieser Widerstand wieder an. Auch während des eigentlichen Entladungsvorgangs kann nicht von einem im strengen Sinn zeitkonstanten ohmschen Widerstand in dem Ersatzschaltbild ausgegangen werden. Zum Verständnis ist aber ein Ersatzschaltbild mit einem klassischen konstanten ohmschen Widerstand während des eigentlichen Entladungsprozesses hilfreich.

Bei der Erläuterung des Ausführungsbeispiels wird an- schaulicher dargestellt, dass von diesem vereinfachten Bild ausgehend die Dämpfung der Schwingung mit zunehmendem Wert der Ladeinduktivität und abnehmendem Wert der Lampenkapazität und des ohmschen Ersatzwiderstandes abnimmt. Bei einer gegebenen Lampe kann also durch eine ausreichend kleine Ladeinduktivität eine relativ hohe Dämpfung sichergestellt werden.

Zur Erläuterung sei angemerkt, dass wegen der vorhin als zweite Kapazität bezeichneten kapazitiven Wirkung der

Lampe auch im ungezündeten Zustand bereits vor der Zün- düng ein LC-Schwingkreis existiert. Allerdings ist die

erste Kapazität bei DBD-Lampen deutlich größer als die zweite, so dass im gezündeten Zustand das vereinfachte Bild eines durch ohmsche Verluste in dem ohmschen Widerstand des Ersatzschaltbildes bedämpften LC-Schwingkreises den wesentlichen Teil der Realität beschreibt.

Die Ladeinduktivität kann natürlich, wie schon in dem beschriebenen Stand der Technik erwähnt, aus mehr als einem einzelnen Bauteil aufgebaut sein. Die bisherigen Aussagen beziehen sich dabei auf die Induktivitätswertsumme. Im übrigen bildet die Ladeinduktivität den Ersatz für einen Transformator, der erfindungsgemäß eingespart werden soll. Dementsprechend soll, positiv ausgedrückt, zwischen geschalteten Anschlüssen der Schalttransistoren und einem Pol des Lampenanschlusses des Wandlers eine galvanische Verbindung bestehen.

Vorteilhafterweise wird die Ladeinduktivität aus Symmet- risierungsgründen auf eine Mehrzahl Bauteile verteilt. Insbesondere kann es sich um zwei Ladeinduktivitäten symmetrisch zu beiden Seiten der Lampe handeln.

Die Erfindung hat damit den Vorteil, die Stromventildioden als Bauteile einsparen zu können. Ferner lässt sie durch den Verzicht auf diese Dioden ein Rückschwingen grundsätzlich zu. Dies kann beispielsweise bei spät oder nicht zündenden Lampen relevant sein. In dem beschriebe- nen Stand der Technik schaukelt sich durch die Sperrwirkung der Stromventile die von dem Wandler in den Schwingkreis "gepumpte" Energie beständig auf und erhöht sich insbesondere die Lampenspannung theoretisch unbegrenzt. Wenn die Lampe nicht rechtzeitig zündet, kann es zu prob- lematischen überspannungen kommen.

Bei der vorliegenden Erfindung ist dieses Verhalten deutlich weniger kritisch, weil die gleichrichtende Wirkung der Stromventile fehlt. Damit kann der Wandler zwar durchaus durch Resonanzüberhöhungen höhere Spannungen in dem Schwingkreis anregen, jedoch ist er nicht auf ein theoretisch ungebremstes Ansteigen der Spannung festgelegt, weil die Energie auch wieder zurückfließen kann. Andererseits kann durch die ausreichende Dämpfung im Normalbetrieb ein zu starkes Rückschwingen von Energie vermieden werden und damit eine sehr gute Effizienz sichergestellt werden.

In dem Stand der Technik sind Transistorhalbbrücken und - vollbrücken erwähnt. Auch bei der vorliegenden Erfindung bilden Transistorvollbrücken eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wandlers. Eine andere bevorzugte Ausführungsform sind Multilevelinverter, insbesondere solche vom "Cascaded-Cell-Typ" .

Als Oberbegriff für die in Betracht kommenden Wandler wird hier der Begriff des "Rechteckwandlers" verwendet, der natürlich auch Halbbrücken mit einschließt, nämlich alle Wandler, die durch getaktetes Schalten von Schalttransistoren mit geschalteten Anschlüssen an Versorgungspotentialen einen angenähert rechteckförmigen Wandlerausgangspotentialwert erzeugen. Unter einem geschalteten An- Schluss wird hier übrigens ein Anschluss der geschalteten Strecke des Transistors verstanden, etwa ein Source- oder Drain-Anschluss bei einem FET bzw. ein Emitter- oder KoI- lektoranschluss bei einem Bipolartransistor.

Dabei sollen vorzugsweise nur die Extremwerte der Wand- lerausgangspotentialwerte angenommen werden, also keine

Zwischenstufen. Dies betrifft insbesondere den Cascaded- Cell-Multilevelinverter, der auch mit Zwischenstufen der Wandlerausgangspotentialwerte arbeiten kann. (Natürlich wird hier in einem vereinfachten Bild fester und zeitlich konstanter Wandlerausgangspotentialwerte argumentiert. Es geht natürlich nur um das qualitative Verhalten.)

Trotz Verzicht auf den Transformator bleiben in Folge von Resonanzüberhöhungen durch Anregung des LC-Schwingkreises gegenüber der Spannung zwischen den Versorgungspotentia- len deutlich erhöhte Lampenspannungen ohne weiteres möglich, jedoch lassen sich mit einem Transformator im Prinzip größere Spannungsübersetzungen erzielen. Daher benötigt eine erfindungsgemäße Schaltung im Vergleich zu mit Transformatoren ausgestatten Wandlertopologien u. U. hö- here Versorgungsspannungen des Wandlers.

Vorzugsweise werden diese in einem Zwischenkreis zur Verfügung gestellt, wobei die Zwischenkreisspannung durch eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung erzeugt wird. Insbesondere kommt ein Hochsetzsteller in Betracht. Damit lassen sich in einfacher Weise Zwischenkreisspannungen beispielsweise in der Größenordnung von 1 kV erzeugen, so dass es auf ein hohes Transformationsverhältnis nicht entscheidend ankommt. Bevorzugt sind insbesondere Wandlereingangspotentiale über 0,6 kV, besonders bevorzugt über 0,7 kV bzw. 0,8 kV.

Der für die erhöhte Zwischenkreisspannung erforderliche Aufwand ist aber durch die im übrigen sehr einfache Wand- lertopologie ohne weiteres gerechtfertigt. Insbesondere bedeutet der Verzicht auf einen Transformator die Zugäng- lichkeit auch sehr niedriger Betriebsfrequenzen, wenn ge-

wünscht, und den Wegfall von Isolationsproblemen und Eisen- bzw. Kupferverlusten in den magnetischen Bauteilen. Auch lassen sich die Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten an der Lampe, die für den Lampenwirkungsgrad wichtig sind, durch gezielte Wahl der Ladeinduktivitäten günstig optimieren. Hier würden Streuinduktivitäten eines Transformators stören. Kosten- und Volumenreduktion kommen also Vorteile hinzu.

In dem beschriebenen Stand der Technik wird erwähnt, dass sich je nach Spannungsfestigkeit der verfügbaren Schalttransistoren in jedem Wandlerast, also zwischen Wandlereingangspotential und Wandlerausgangspotential, jeweils auch eine Mehrzahl Transistoren in Reihe schalten lassen. Dies gilt für die vorliegende Erfindung genauso. Bevor- zugt sind allerdings Topologien mit nur jeweils einem Schalttransistor pro Wandlerast.

Bevorzugt ist ferner, auf zusätzliche Zündhilfsmittel wie Zündelektroden u. ä. zu verzichten und die durch den LC- Schwingkreis mögliche Resonanzüberhöhung der Lampenspan- nung zu verwenden.

Im übrigen ist die Anwendung der Erfindung auf Flachstrahler, also relativ große Lampen mit relativ großen Kapazitäten, ganz besonders bevorzugt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel zur Illustrati- on der Erfindung erläutert, wobei die einzelnen Merkmale auch in anderen Kombinationen erfindungswesentlich sein können. Vorsorglich wird angemerkt, dass sich die bisherige und folgende Offenbarung implizit auch auf ein Ver-

fahren zum Betreiben einer DBD-Lampe, eines Vorschaltge- räts und eines daraus aufgebauten Beleuchtungssystems bezieht .

Figur 1 zeigt ein einfaches Prinzipschaltbild eines er- findungsgemäßen Ausführungsbeispiels.

Figur 2 zeigt ein Ersatzschaltbild einer DBD-Lampe aus Figur 1.

Figur 3 zeigt einen Strom-/Zeitverlauf und einen Span- nungs-/Zeitverlauf zu dem Schaltdiagramm aus Figur 1.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

In Figur 1 ist links symbolisch als Gleichspannungsquelle ein an sich bekannter Hochsetzsteller als Leistungsfaktorkorrekturschaltung zur Erzeugung einer Zwischenkreis- spannung eingezeichnet. Die Zwischenkreisspannung, die mit der Gleichspannungsquelle dargestellt ist, beträgt etwa 0,9 kV. Sie liegt zwischen einem in Figur 1 unteren und oberen horizontalen Ast, wobei zwischen den ästen eine Vollbrücke aus vier Schalttransistoren Sl - S4 liegt. Dabei liegen die Schalttransistoren Sl und S2 einerseits und S3 und S4 andererseits jeweils seriell zueinander und zwischen den beiden ästen. Zwischen dem Mittenabgriff zwischen Sl und S2 einerseits und dem Mittenabgriff zwischen S3 und S4 andererseits liegt die Wandlerausgangsspannung.

Zwischen diesen Mittenabgriffen ist dementsprechend eine mit dem Bezugszeichen DBD bezeichnete dielektrisch behinderte Entladungslampe angeschlossen. Dabei handelt es

sich um einen Flachstrahler mit 32" Diagonale und etwa 0,28 m ² Fläche, der von der OSRAM GmbH, München, unter der Marke "Planon" angeboten wird.

Die DBD-Lampe ist an die beiden Mittenabgriffe über je- weils zwischengeschaltete Ladeinduktivitäten Ll und L2 von je 6 μH angeschlossen. Beide Induktivitäten bilden miteinander eine effektive Gesamtladeinduktivität von 12 μH, die aber zur Symmetrisierung auf zwei Bauteile verteilt ist.

Figur 2 zeigt das bereits eingangs erwähnte Ersatzschaltbild der DBD-Lampe mit einer ersten Induktivität Cl und einer zweiten Induktivität C2 sowie einem zeitlich veränderlichen ohmschen Widerstand Rl. Das Ersatzschaltbild der hier konkret verwendeten Lampe hat eine im nicht ge- zündeten Zustand der Lampe wirksame zweite Kapazität C2 von etwa 200 pF und eine etwa eine Größenordnung größere erste Kapazität Cl von 2200 pF in Serie zu dem ohmschen Widerstand. Der für die Leistungsverluste in der Entladung stehende ohmsche Widerstand Rl beträgt während der Entladung etwas 242 ω, wobei dieser Wert zeitveränderlich ist, also mit Ausklingen der Entladung wieder ansteigt, zwischen den einzelnen Entladungspulsen praktisch unendlich groß ist und auch etwas von der Leistung abhängt, mit der die Lampe betrieben wird. DBD-Lampen sind über einen gewissen Bereich dimmbar, wobei der ohmsche Widerstand mit, bei gleich bleibender Lampe, zunehmender mittlerer Lampenleistung etwas abnimmt. Bei den gegebenen Daten wird die Lampe mit etwa 135 W betrieben, wobei die Gesamtleistungsaufnahme eines experimentellen Aufbaus bei etwa 150 W liegt.

In dem einfachen Bild eines von der ersten Kapazität Cl dominierten LC-Schwingkreises, also bei in gezündetem Zustand vernachlässigter zweiter Kapazität C2, ergibt sich für eine überkritische Dämpfung des LC-Schwingkreises die Beziehung:

Ll + L2 < (Rl ² x Cl) /4

Im vorliegenden Fall bedeutet das, dass die Summe von Ll und L2 für die überkritische Dämpfung kleiner als 32,2 μH sein soll, was offensichtlich erfüllt ist. Es handelt sich hier aber nur um eine grob genäherte quantitative Bemessung. Tatsächlich zeigen die in Figur 3 dargestellten Strom- und Spannungs-/Zeitverlaufsdiagramme des Lampenstromes ii _am p und v _lamp nach den jeweiligen Hauptspitzen

- in Figur 3 mit i _max bzw. v _max bezeichnet - noch leichte überschwingspitzen zur jeweils entgegengesetzten Polarität. Diese betragen im Amplitudenverhältnis hier größenordnungsmäßig ein Fünftel bis ein Sechstel beim Strom und ein Fünftel bei der Spannung.

Bei den in Figur 1 eingezeichneten Schalttransistoren Sl - S4 handelt es sich in diesem Ausführungsbeispiel um

IGBTs, denen, wie Figur 1 zeigt, antiparallele Dioden Dl

- D4 zugeschaltet sind. Wenn hier beispielsweise FET Verwendung finden würden, könnte diese Funktion durch die intrinsische Bodydiode erreicht werden. Dementsprechend kann es zu dem in Figur 3 dargestellten Rückschwingen, nämlich der polaritätsinversen Spitze in den Zeitverläufen, kommen. Das in Figur 3 bei 50 % liegende Tastverhältnis kann grundsätzlich auch andere Werte haben.

Im Vergleich zu dem zitierten Stand der Technik EP 1 753 272 A2 ist zu beachten, dass dort durch die Stromventile

eine "Dämpfung" des Rückschwingverhaltens erreicht wird. Die eigentliche "ohmsche" Drosselung des LC- Schwingkreises ist dort schwächer. So wird für das Ausführungsbeispiel in der dortigen Figur 4 eine Gesamtlade- induktivität von 208 μH bei vergleichbarer DBD-Lampe angegeben .

Die Wirkung der Stromventile ist in dem EP-Dokument u. a. in Absatz 0018 erläutert. Die dort beschriebenen aufsteigenden Strom- und Spannungswerte basieren auf der Sperr- Wirkung der dortigen Stromventildioden. Im vorliegenden Fall wird auf diese Stromventile bewusst verzichtet und stattdessen die Ladeinduktivität deutlich kleiner ausgelegt. Die Vorteile dieses Vorgehens wurden bereits erläutert. Im übrigen gelten allerdings die Erläuterungen in dem EP-Dokument sinngemäß auch für die vorliegende Erfindung.