Betriebsgeräten für Leuchtmittel

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Betriebsgerät, wie zum Beispiel ein elektronisches Vorschaltgerät , zum Regeln des Betriebsverhaltens, insbesondere der Helligkeit, von Leuchtmitteln wie beispielsweise Gasentladungslampen, LEDs oder OLEDs .

Zur Regelung von Leuchtmitteln wird häufig eine Stromoder Leistungsregelung durchgeführt. Bei dieser werden der Strom und die Spannung erfasst. Für eine solche Messung von Lampenstrom und Lampenspannung verfügt eine entsprechende Schaltung zumeist über einen Mess-Shunt und einen Spannungsteiler. Insbesondere bei

Gasentladungslampen verfügt die Schaltung zum Betreiben der Gasentladungslampe über einen Resonanzkreis. Mittels diesem lässt sich auch ein Dimmen der Lampe über die Freguenz durchführen. Hierfür weist das Betriebsgerät für gewöhnlich einen getakteten AC/DC-Konverter wie eine Halboder Vollbrücke auf, über die sich die Frequenz variabel einstellen lässt. Eine Dimmung der Lampe kann nun über das Verschieben des Ü/I-Arbeitspunktes auf der Resonanzkurve erfolgen. Das Betriebsgerät kann hierfür über eine Regeleinheit verfügen, die die Frequenz des AC/DC- Konverters, sowie vorgeschaltete Schaltungseinheiten, wie eine PFC (Power Factor Correction) -Schaltung regelt.

Bei Vorliegen eines Resonanzkreises besteht nun das Problem, dass gemessener Lampenstrom und gemessene Lampenspannung nicht notwendigerweise in Phase sind. Ebenfalls kann sich eine solche Phasenverschiebung daraus ergeben, dass an der Lampe oder an anderen Bauteilen der Schaltung parasitäre Kapazitäten auftreten. Die tatsächliche Wirkleistung der Lampe kann also nur ermittelt werden, wenn nicht nur Lampenstrom und Lampenspannung gemessen werden, sondern auch der Phasenwinkel bekannt ist. Darüber hinaus können parasitäre Kapazitäten auch durch andere Schaltungselemente wie Leitungs- bzw.

Verdrahtungskapazitäten verursacht werden. Aufgrund von Leitungskapazitäten kann der Fall eintreten, dass der kapazitive Strom größer ist als der Wirkanteil des Stroms. Bei einer Regelung wird somit letztendlich der Strom durch die Verdrahtung, aber nicht der tatsächlich interessierende Strom durch die Lampe konstant geregelt. Im Extremfall erlischt die Lampe, wobei die Regelschaltung dies nicht erfasst und weiterhin den kapazitiven Strom durch die Verdrahtung regelt. Solche Leitungskapazitäten können auch bei der Regelung anderer Betriebsgeräte eine negative Rolle spielen, beispielsweise bei denen zum Betreiben von LEDs. Insbesondere bei niedriger Dimmleistung kann eine große Phasenverschiebung (Phasenwinkel Φ) zwischen gemessenem Strom und Spannung auftreten. Daher ist in diesem Fall eine Ermittlung des Phasenwinkels und somit der tatsächlichen Wirkleistung von besonders hoher Bedeutung.

Die europäische Patentschrift EP 0 876 742 Bl stellt hierfür eine Lösung bereit. Die Patentschrift zeigt ein Verfahren zum Regeln des Betriebsverhaltens mindestens einer Gasentladungslampe, welche insbesondere über ein elektronisches Vorschaltgerät betrieben wird. Die Regelung erfolgt in Abhängigkeit von einer Regelgröße (Ist) . Diese Regelgröße (Ist) beruht dabei auf dem Wirkanteil des Lampenstroms (IL), d.h. seinem Realteil, bzw. einer dem Wirkanteil entsprechenden Größe. Es wird also der Wirkanteil des Lampenstroms, d.h. sein Realteil, ausgewertet und auf diese Weise der Einfluss des über die parasitäre Leitungskapazität fließenden kapazitiven Stroms eliminiert.

Die Umsetzung einer gemessenen Ist-Grösse in deren Wirkanteil wird im folgenden „cos (Φ) -Korrektur" genannt, wobei Φ die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung bezeichnet.

Hierfür ist es jedoch bei dem angeführten Stand der Technik notwendig, dass genau zum Zeitpunkt des Maximalwerts der Spannung der Strom gemessen werden soll. Somit wird eine hohe Anforderung an die zeitliche Genauigkeit der Messung gestellt. Es besteht also das Risiko, dass die Regelung dadurch unzuverlässig wird, dass nicht der exakte Zeitpunkt erfasst wird, an dem die Spannung ihren Maximalwert erreicht hat.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und ein dafür ausgelegtes Betriebsgerät zum Regeln und/oder Erfassen des Betriebszustandes von Leuchtmitteln wie Gasentladungslampen bereitzustellen, bei dem eine auftretende Phasenverschiebung zwischen gemessener Lampenspannung und gemessenem Lampenstrom zuverlässig kompensiert werden kann. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den ünteransprüchen angegeben. Die Erfindung betrifft also ein Verfahren zum geregelten AC-Betrieb eines Betriebsgeräts für Leuchtmittel wie beispielsweise Gasentladungslampen, LEDs oder OLEDs . Dabei wird der zeitliche Abstand von signifikanten Punkten des Verlaufs des Stroms durch die Leuchtmittel sowie die Spannung über den Leuchtmitteln für eine Cosinus (Φ)- Korrektur eines Ist-Werts und/oder eines Soll-Werts der Regelung verwendet. Ein in der Grösse unbekannter und vom Betriebszustand (z.B. Leuchtmitteltemperatur, spezifische Toleranzlage d. Leuchtmittels, Dimmpegel,...) abhängiger DCAnteil der Spannung über den Leuchtmitteln und/oder des DC-Anteils des Stroms durch die Leuchtmittel wird ermittelt und bei der Cosinus (Φ) -Korrektur berücksichtigt.

Die signifikanten Punkte können dabei der Scheitelpunkt oder ein Nulldurchgang gleichen Vorzeichens der Steigung des Verlaufs des Stroms durch die Leuchtmittel sowie die Spannung über den Leuchtmitteln sein.

Der zeitliche Abstand kann mit der Frequenz des AC- Betriebs verknüpft werden, um einen Korrekturfaktor zu ermitteln. So eine Verknüpfung kann über eine Multiplikation erfolgen.

Diese Frequenz kann der Frequenz eines getakteten DC/AC- Konverters des Betriebsgeräts entsprechen und somit von dieser abgeleitet werden. Alternativ kann diese Frequenz aus dem Abstand zweier signifikanter Punkte von Strom und/oder Spannung an den Leuchtmitteln ermittelt werden. Vorteilhafterweise ist der Betrieb der Leuchtmittel leistungs- oder stromgeregelt.

Als Steuergröße des geregelten Betriebs kann eine Frequenzveränderung und/oder eine PWM-Modulation verwendet werden/eingesetzt werden.

Zur Cos (Φ) -Korrektur werden vorteilhafterweise mehrere zeitliche Abstände signifikanter Punkte gemittelt oder gefiltert .

Die zeitliche Mittelung oder Filterung, insbesondere eine Zeitkonstante davon, kann abhängig vom Betriebszustand eingestellt werden. Die Cos (Φ) -Korrektur wird vorteilhafterweise abhängig vom Betriebszustand ausgeführt. Beispielsweise kann sie abhängig vom Betriebszustand aktiviert bzw. deaktiviert werde . Der Nulldurchgang des Verlaufs des Stroms durch die Leuchtmittel wird vorzugsweise mittels eines Bauteils mit Dioden-Kennlinie erfasst wird, wobei die Amplitude des Stroms vorzugsweise über ein Bauteil mit Widerstands- Kennlinie erfasst wird.

Die Erfindung betrifft außerdem eine Regeleinheit. Diese weist eine Schaltung, insbesondere eine integrierte Schaltung wie einen C oder einen Asic auf. Die Schaltung ist dabei zur Durchführung eines Verfahrens wie oben beschrieben ausgelegt.

Schließlich betrifft die Erfindung ein Betriebsgerät zum geregelten Betrieb von Leuchtmitteln. Dabei weist das Betriebsgerät eine Ansteuerschaltung auf, die die Leuchtmittel mit zulässigem Strom versorgt. Außerdem weist sie einen Messshunt zur Messung des Stroms durch die Leuchtmittel auf. Darüber hinaus umfasst sie einen Spannungsteiler zur Messung der Spannung über den Leuchtmitteln. Schließlich weist sie eine Regeleinheit auf, die die Ansteuerschaltung mittels der Messung des Messshunts und des Spannungsteilers regelt. Das Betriebsgerät ist dabei so ausgelegt, dass es sich zum Durchführen des oben beschriebenen Verfahrens eignet.

Die Ansteuerschaltung kann einen getakteten DC/AC- Konverter, wie eine Halb- oder Vollbrücke aufweisen. Auch kann sie eine dem DC/AC-Konverter nachgeschaltete Resonanzschaltung aufweisen. Die Ansteuerschaltung betreibt vorzugsweise die Leuchtmittel mit Wechselstrom.

Alternativ kann es sich bei der Ansteuerschaltung um eine Schaltung handeln, die geeignet zum Betreiben von einer oder mehrerer LEDs und/oder OLEDs ist. Es kann sich dabei um einen Buck-Konverter, Boost-Konverter, Flyback- Konverter oder aber auch um einen anderen Schaltregler wie beispielsweise eine Halb- oder Vollbrücke handeln. Vorteilhafterweise ist die Ansteuerschaltung dazu geeignet, die eine oder mehrere LEDs und/oder OLEDs mit Pulse Width Modulation (PWM) zu betreiben. Weitere Eigenschaften, Vorteile und Merkmale werden nunmehr anhand der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die Figuren der begleitenden Zeichnungen vermittelt.

Dabei zeigen:

Figur la ein Zeitdiagramm mit einer Spannung

und einer Stromkennlinie,

Figur lb ein Zeigerdiagramm mit den Spannung

und Stromgrößen,

Figur 2 eine schematische Darstellung eines mathematischen Berechnungsverfahrens,

Figur 3 eine schematische Darstellung eines

Betriebsgeräts,

Figur 4 ein Zeitdiagramm mit einer Spannungs

und einer Stromkennlinie, wenn die Spannung

einen DC-Anteil V _{DC O} FFSET aufweist, und

Figur 5 eine schematische Darstellung einer

weiteren Ausführungsform eines

erfindungsgemässen Betriebsgeräts für

Leuchtmittel .

Figur 1 zeigt in einem Zeitdiagramm den Verlauf der Lampenspannung üi _amp und des Lampenstroms Ii _a m _p - Wie in diesem Beispiel zu sehen ist, herrscht zwischen den beiden eine Phasenverschiebung Φ. Dabei eilt der Strom der Spannung voraus. Hieraus lässt sich ein kapazitiver Betrieb schließen. Wie bereits erwähnt kann es hierfür verschiedene Möglichkeiten geben. Beispielsweise kann dieser auf Grund parasitärer Kapazitäten auftreten, die durch die Lampenverkabelung verursacht werden. Möglich ist auch, dass der kapazitive Betrieb durch einen Resonanzkreis verursacht worden ist. Dabei wird ein solcher Resonanzkreis insbesondere bei Gasentladungslampen verwendet. Insbesondere beim Dimmen der Lampe über eine Veränderung der Frequenz kann dabei ein solcher kapazitiver Betrieb auftreten.

Im Zeigerdiagramm von Figur lb wird der Zusammenhang zwischen Lampenstrom und Lampenspannung in Bezug auf die Phase erläutert. Auch hier ist zu erkennen, dass der Lampenstrom um den Phasenwinkel Φ der Lampenspannung vorauseilt. Daraus ergibt sich, dass der Lampenstrom einen Anteil parallel zur Lampenspannung I _R und einen Anteil I _c orthogonal zur Lampenspannung aufweist. Dabei stellt der Anteil parallel zur Lampenspannung den Wirkanteil dar. Aus diesem Strom und der Lampenspannung lässt sich die Wirkleistung berechnen. Der Anteil des Lampenstroms orthogonal zur Lampenspannung stellt den Blindstrom I _c , d.h. den kapazitiven Anteil, dar. Aufgrund von parasitären Kapazitäten, die durch die Lampenverkabelung verursacht werden, kann nun der Fall eintreten, dass der kapazitive Strom größer ist als der Wirkanteil des Stroms. Bei einer Regelung wird somit letztendlich der Strom durch die Verdrahtung, d.h. durch die Verkabelung, aber nicht der tatsächlich interessierende Strom durch die Lampe konstant geregelt. Im Extremfall erlischt die Lampe, wobei die Regeleinheit dies nicht erfasst. Diese regelt stattdessen weiterhin den kapazitiven Strom durch die Verkabelung. Um dies zu verhindern wird nun anhand von Figur la das erfindungsgemäße Verfahren erläutert. Bei dem erfindungsmäßen Verfahren wird der zeitliche Abstand von signifikanten Punkten der Strom- und der Spannungskennlinie erfasst. Mit Hilfe dieser wird eine Phasenverschiebung berechnet. Mit Hilfe des berechneten Wertes der Phasenverschiebung kann dann der Wirkanteil des gemessenen Lampenstroms berechnet werden. Dadurch wird es möglich, die Lampe über den Wirkanteil des Stroms und/oder die Wirkleistung korrekt zu regeln.

In dem Beispiel von Figur la wird also nun die Phasenverschiebung über die Erfassung des Nulldurchgangs des Lampenstroms und der Lampenspannung ermittelt. Bei einer solchen Messung der Nulldurchgänge ist es von großer Bedeutung, dass nicht nur der Zeitpunkt des Nulldurchgangs, sondern auch das Vorzeichen der Steigung des Strom- bzw. Spannungssignals zu diesem Zeitpunkt bekannt ist. Somit kann ausgeschlossen werden, dass beispielsweise ein 0° und ein 180° Phasenwinkel verwechselt wird. Im Beispiel von Figur la wird dabei der Nulldurchgang der Signale mit negativer Steigung erfasst. Selbstverständlich ist es aber auch möglich, den Nulldurchgang mit positiver Steigung zu erfassen.

Für eine genauere Ermittlung der Phasenverschiebung ist es nun jedoch denkbar, mehrere solche Messungen vorzunehmen. Dabei kann eine zeitliche Mittelung über beispielsweise eine Filterungsfunktion oder eine Integration bestimmt werden. Diese weist eine höhere Genauigkeit auf und ist fehlerunempfindlicher als eine einfache Messung. Der Nachteil ist dabei jedoch, dass eine Regelung, die auf eine solche Weise mehrere Messungen durchführt, langsamer erfolgt. Dies kann bei bestimmten Betriebszuständen unerwünscht sein. Beispielsweise bei einer hohen Dimmdynamik, wenn also in kurzer Zeit eine hohe Veränderung des Dimmpegels vorgenommen wird, ist eine schnelle Reaktion des Betriebsgeräts von hoher Bedeutung. In diesem Falle wird es also bevorzugt, dass eine Regelung erfolgt, die lediglich wenige oder auch nur eine Messung vornimmt. Denkbar ist dabei auch, dass bei einer anschließenden Verringerung der Dimradynamik, beispielsweise wenn die Einstellung eines Dimmpegels langsamer verändert wird oder sich gar nicht mehr ändert, wieder eine genauere Regelung vorgenommen wird, die auf mehreren Messungen basiert. Es kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren also eingestellt werden, ob gerade ein langsameres Korrekturverhalten bei höherer Genauigkeit oder ein schnelles Korrekturverhalten bei ggf. etwas verringerter Genauigkeit vorliegen soll.

Zusammengefasst kann also gesagt werden, dass eine Kompensation der Phasenverschiebung über eine Zeitinformation erfolgt. Diese Zeitinformation wird über die Messung zweier signifikanter Punkte gewonnen. Beispielsweise können hierfür die Nulldurchgänge, Peaks etc. von Strom und Spannung der Lampe verwendet werden. Im Gegensatz hierzu benötigt der oben geschriebene Stand der Technik eine Auswertung einer Amplitudeninformation, d.h. eines Stromwerts zum Zeitpunkt des Spannungspeaks . Der Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass sich die zeitliche Information beispielsweise im Sinne einer digitalen Integration leichter durch das Implementieren mit einem Zähler (Counter) implementieren lässt als das im Stand der Technik beanspruchte Halten und Auswerten von Amplitudeninformationen . Eine genauere Erläuterung hierzu wird nun anhand von Figur 2 geliefert. Figur 2 zeigt dabei eine mögliche Ausführungsform eines mathematischen Verfahrens zur Berechnung des Wirkanteils des Lampenstroms. Der Lampenstrom Iiamp wird dabei durch Messung gewonnen. Ebenfalls wird die Lampenspannung üi _amp durch Messung ermittelt. Beide Messungen erfolgen vorzugsweise instantan und kontinuierlich (oder auch in bestimmten zeitlichen Abständen) , womit Spannungs- und Stromkennlinen erfasst werden können. Dabei besteht die Möglichkeit, dass die beiden Signale direkt in einem mathematischen Verfahren verarbeitet werden, oder dass noch andere

Verarbeitungsschritte dazwischen geschaltet sind. Dabei ist es beispielsweise möglich, dass die Signale mittels eines DA-Wandlers digitalisiert werden. Auch andere Arbeitsschritte, wie beispielsweise eine Filterung der Signale sind denkbar. Die beiden Signale werden jeweils einer Zero-Crossing-Detection zcd zugeführt, die jeweils den Zeitpunkt der Nulldurchgänge und optional auch das Vorzeichen der Steigung des Signalverlaufs zu diesem Zeitpunkt des Nulldurchgangs erfassen. Die ermittelten Zeitpunkte werden jeweils einem Zähler C zugeführt. Vorzugsweise wird in der Zero-Crossing-Detection-Einheit oder in einer separaten Einheit die zwischen der Zero- Crossing-Detection-Einheit und den Zähler C geschaltet ist, ermittelt, ob es sich jeweils beim Nulldurchgang der beiden Signale um ein steigendes oder um ein fallendes Signal handelt. Hierfür kann beispielsweise ein Komparator verwendet werden, der durch Vergleich eines Ist-Werts des Signals mit einem vorher abgespeicherten Wert, d.h. einem verzögerten Wert, feststellt, ob es sich um eine ansteigende oder eine abfallende Flanke handelt.

Der Zahler, dem der Zeitpunkt der beiden Nulldurchgänge zugeführt wird, misst den zeitlichen Abstand der Nulldurchgänge. Dabei kann der Zähler so ausgelegt sein, dass er zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs des Lampenstroms zu zählen beginnt, und zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs der Lampenspannung das Zählen stoppt. Der Zählerstand gibt also ein den zeitlichen Unterschied zwischen den beiden aufsteigenden oder abfallenden Nulldurchgängen wider.

Dieser zeitliche Abstand At wird mit der aktuellen Frequenz der Ansteuerung, beispielsweise der Halbbrücke multipliziert. Damit kann ein den Phasenwinkel Φ wiedergebenden Wert gewonnen werden. Die Frequenz entspricht dabei der invertierten Periode Ύ ^'1 . Wie bereits erwähnt kann diese Frequenz der taktgebenden Regeleinheit direkt entnommen werden. Insbesondere ist das dann vorteilhaft, wenn, wie später erläutert, das mathematische Verfahren aus Figur 2 in derselben Regeleinheit durchgeführt wird.

Die Frequenz der Spannung bzw. des Stroms durch die Lampe selbst muss jedoch nicht notwendigerweise exakt der Frequenz der Ansteuerung, beispielsweise durch eine Halbbrücke, entsprechen. Daher kann beispielsweise auch die Nulldurchgangsauswertung zusätzlich dazu verwendet werden, um daraus die Information bezüglich der tatsächlich in der Lampe vorliegenden Frequenz des Stroms und/oder der Spannung zu gewinnen. Somit kann nicht nur die zeitliche Differenz der Nulldurchgänge, sondern auch der Multiplikator „Frequenz" aus der

Nulldurchgangsinformation gewonnen werden.

Der Phasenwinkel Φ kann nun aus der Formel

φ = 360° - At

bestimmt werden, wobei At die gemessene zeitliche Differenz und T die direkt oder indirekt erfasste Periode des AC-Signals ist. Auf dem Phasenwinkel Φ wird eine Funktion, insbesondere wie in Figur 2 gezeigt, eine Cosinusfunktion angewandt, um einen Korrekturfaktor zu berechnen. Dabei kann die Umrechnung des Phasenwinkels Φ in den Korrekturfaktor über eine Funktion berechnet werden, oder aber auch über eine Look-up-Tabelle erfolgen. Letzteres ist insbesondere daher denkbar, da die Implementierung einer Cosinusfunktion einen hohen Aufwand darstellt.

Der somit bestimmte Korrekturfaktor wird anschließend mit dem Durchschnittswert des Lampenstroms Ii _amp beaufschlagt. Die Berechnung des Durchschnittswerts des Lampenstroms erfolgt dabei über die Einheit avg. Die Beaufschlagung des Korrekturfaktors ergibt somit einen korrigierten Wert für den Istwert des Lampenstroms:

360° - At _T

R = ^C0S amp Dieser korrigierte Istwert entspricht dem Wirkanteil des Lampenstroms, der in Phase mit der Lampenspannung, wie in Figur lb gezeigt, ist. Der korrigierte Istwert I _R wird dann der Regelschleife Cl gleich mit dem Sollwert zugeführt. Daraufhin erfolgt in der Einheit F _{out gen} die Berechnung einer Frequenzinformation abhängig von der Regeldifferenz, wobei die Regeldifferenz die Differenz zwischen Istwert und Sollwert des Lampenstroms und/oder der Lampenspannung darstellt. Die in Figur 2 gezeigte mathematische Berechnung bewirkt also, dass ein an der Ansteuerschaltung der Lampe eingestellter Wert dem eingestellten Sollwert Tv entspricht. Dabei handelt es sich bei dem eingestellten Wert insbesondere um eine Frequenz, oder, wie später beschrieben, um ein PWM- Tastverhältnis.

Die Lampenspannungserfassung wird somit nur zur Erfassung des Phasenwinkels Φ verwendet. Die Regelschleife bezieht sich lediglich auf die Verwendung des Lampenstroms, bzw. dessen zeitlichen Mittelwert, als Rückführgröße.

Wie bereits erwähnt kann bei Kenntnis des korrigierten Stromwerts, d.h. des Wirkanteils des Lampenstroms, dieser Wert auch dazu verwendet werden, um eine Leistungsregelung durchzuführen. Eine solche Leistungsregelung bedeutet also eine Kombination des korrigierten Stromwerts mit der Auswertung des aktuellen Lampenspannungswerts. Somit lässt sich unter Verwendung dieses korrigierten Stromwerts, d.h. des Wirkanteils des Lampenstroms, auch eine Lampenleistungsregelung durchführen. Bei der so ermittelten Lampenleistung handelt es sich um die Wirkleistung der Lampe, die deren Istwert wiedergibt. Wie bereits oben ausgeführt, kann durch eine zeitlich Mittelung mehrerer Messungen des Phasenwinkels zwischen Lampenstrom und Lampenspannung die Genauigkeit dieser Messung erhöht werden. Dies würde bedeuten, dass das mathematische Berechnungsverfahren zur Ermittlung des zeitlichen Phasenunterschiedes At mehrfach wiederholt wird. Indessen führt eine solche Wiederholung natürlich zu einer langsameren Antwort des Korrekturverhaltens. Vorzugsweise kann somit nach der Berechnung des Korrekturwerts eine einstellbare Filterung vorgesehen sein. Der gefilterte Wert wird dann zur Korrektur des Soll- oder Istwerts der Regelschleife zugeführt. Der Korrekturfaktor, der in der Einheit Cl ermittelt wird, kann nämlich wahlweise auf den Istwert, aber auch auf den Sollwert der Regelschleift angewandt werden.

Wie bereits erwähnt kann durch die Anzahl der Wiederholungen zur Bestimmung des zeitlichen

Phasenunterschiedes At abhängig vom Betriebszustand, der Dimmdynamik, etc. gewählt werden und somit entschieden werden, ob gerade ein langsameres Korrekturverhalten bei höherer Genauigkeit oder schnelles Korrekturverhalten bei ggf. etwas verringerter Genauigkeit vorliegen soll. Die Erfassung der Nulldurchgänge erstreckt sich vorzugsweise also über mehr als eine Periode. Dies dient auch dazu, um Störungen der Nulldurchgänge zu vermeiden. Um die Genauigkeit zu erhöhen, werden mehrere Messergebnisse gleitend gemittelt (z.B. über ein Filter).

Zusammengefasst zeigt Figur 2 also ein mathematisches Verfahren, bei dem mittels Bestimmung des

Phasenunterschieds der Istwert des Lampenstroms berechnet wird. Dies erfolgt also unter Verwendung des ermittelten Phasenunterschieds und des gemessenen Lampenstroms bzw. dessen Mittelung. Denkbar ist jedoch auch, dass nur der Phasenunterschied ermittelt wird und damit auf einen eingestellten Sollwert Tv entsprechend angewandt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat also die Funktion, eine Lampe so zu regeln, dass der Wirkanteil der Lampenleistung auch dem vom Benutzer eingestellten Wert entspricht. Außerdem kann das Verfahren so erweitert werden, dass die gemessenen bzw. ermittelten Werte für weitere Funktionen, wie Überspannungsschutz und/oder einem EOL (end of lamp life) verwendet werden. Ein EOL-Mechanismus kann dabei erkennen, ob eine angeschlossene Lampe nicht mehr funktioniert.

Figur 3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Betriebsgeräts. Dieses ist zum Betreiben einer Gasentladungslampe Ri _am p ausgelegt. Es kann sich natürlich auch um ein Betriebsgerät zum Betreiben mehrerer Gasentladungslampen handeln. Die Lampe Riamp ist in einen Resonanzschaltkreis eingebunden, der durch die Spule Li und den Kondensator Cl angedeutet ist. Dem Resonanzkreis ist eine Halbbrücke vorgeschaltet. Dabei kann es sich allerdings auch um jede andere Form eines getakteten DC/AC-Konverters, beispielsweise um eine Vollbrücke, handeln. Die Halbbrücke beaufschlagt den

Resonanzschalt kreis und damit auch die Lampe Riamp mit eine Wechselstrom mit einer vorbestimmten Frequenz. Dabei wird der Halbbrücke ein Gleichstrom zugeführt. Beispielsweise kann dieser Gleichstrom von einer vorgeschalteten aktiv getakteten PFC- (Power Factor Correction) Schaltung (nicht gezeigt) zugeführt werden. Dabei wird die PFC-Schaltung vorteilhafterweise mittels eines Gleichrichters mit Gleichstrom versorgt, der beispielsweise einen konventionellen Netzwechselstrom in Gleichstrom umwandelt. Zur Überwachung des Lampenstroms weist das Betriebsgerät einen Messwiderstand R _Sh un _t auf. Weiterhin weist es zur Messung der Lampenspannung einen Spannungsteiler Rl, R2 auf. Darüber hinaus weist das Betriebsgerät eine Regeleinheit auf. Die beiden gemessenen Signale Lampenspannung und Lampenstrom werden der Regeleinheit zugeführt. Dabei kann das Signal des Lampenstroms dadurch gewonnen werden, dass am Messwiderstand die Spannung abgegriffen wird, und aus diesem Wert und der Größe des Messwiderstands der Lampenstrom berechnet wird.

Wie bereits erläutert, können zum Beispiel aufgrund der Verkabelung der Lampe parasitäre Kapazitäten auftreten, Diese sind in Figur 3 als Kondensator C _par parallel zur Lampe wiedergegeben.

Die Regeleinheit ist dabei so ausgebildet, dass sie alle Funktionen des Betriebsgeräts regeln kann, d.h. für das gesamte Lampenmanagement verantwortlich ist. Dabei regelt sie die Höhe des Gleichstroms, der der Halbbrücke zugeführt wird. Dies erfolgt vorzugsweise über eine Regelung der PFC-Schaltung . Insbesondere regelt sie auch die Taktfrequenz der Halbbrücke. Für eine solche Regelung erhält die Regeleinheit den gemessenen Lampenstrom und die gemessene Lampenspannung als Rückführsignale.

Die Regeleinheit ist vor allem so ausgelegt, dass sie das erfindungsgemäße Verfahren, wie oben beschrieben, durchführen kann. Die Regeleinheit weist hierfür eine Schaltung, insbesondere eine integrierte Schaltung auf. Bei der integrierten Schaltung kann es sich dabei um einen μθ oder einen ASIC handeln. Denkbar ist jedoch auch der Einsatz eines Mikrocontrollers oder einer zumindest teilweise diskreten Schaltung, d.h. einer Hybridlösung.

Figur 4 zeigt ein Zeitdiagramm mit einer Spannungs- und einer Stromkennlinie, wenn die Spannung einen DC-Anteil VDC_OFF _S ET aufweist. Dieser - unbekannte - DC-Anteil in der Lampenspannung wird gemäss der Erfindung für die cos phi Korrektur berücksichtigt. Dies erfolgt genauer gesagt durch Erfassung weiterer Spannungs-Nulldurchgänge (oder vergleichbarer signifikanter Punkte) , aus denen die durch den DC-Anteil verursachte Asymmetrie ermittelt werden kann. Die Einbeziehung des DC-Anteils erfolgt dann bspw. rechnerisch, beispielsweise implementiert in einem ASIC. Im einfachsten Fall werden drei aufeinanderfolgende Nulldurchgänge der Lampenspannung und ein Nulldurchgang des Lampenstromes zur Ermittlung der Asymmetrie berücksichtigt. Aus dem Vergleich der Zeitspannen der beiden Halbwellen kann der DC-Anteil ermittelt werden. Vorzugsweise werden mehrere Nulldurchgänge (d.h. über mehrere Perioden, also vorzugsweise zumindest drei Nulldurchgänge ausgewertet) . Dabei können auch die Nulldurchgänge der Lampenstromüberwachung mit ausgewertet werden, da somit die Frequenz ermittelt werden kann (bei diesem Anwendungsbeispiel weist der Lampenstrom keinen nennenswerten DC-Anteil auf) . Es kann aber auch die Frequenz des AC-Betriebs, also die Taktfrequenz mit der der getaktete DC/AC-Konverter angesteuert wird, mit für die Auswertung der Spannungsnulldurchgänge für die Ermittlung des DC-Anteiles herangezogen werden.

Im Beispiel von Figur 4 wird zuerst der Nulldurchgang (mit positiver Steigung) des Lampenstroms erfasst sowie der nach einer Zeitdauer Tl eintretende positive Nulldurchgang der Lampenspannung. Die zeitliche Lage des letzteren Nulldurchganges hängt in Bezug auf den ersteren hängt jedoch nicht ausschliesslich von. dem Phasenwinkel ab, sondern verschiebt sich bei Vorliegen eines DC-Anteiles in der Spannung. Daher muss zum Ermitteln des exacten Phasenwinkels ebendieser DC-Anteil berücksichtigt werden.

Nach einer Zeitdauer T2 erfolgt der negative Nulldurchgang der Lampenspannung, wobei diese Zeitdauer T2 aufgrund eines DC-Anteils der Lampenspannung länger ist als die Zeitdauer T3 bis zum nächsten positiven Nulldurchgang der Lampenspannung. Der Unterschied zwischen T2 und T3, also zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen, wird zur Ermittlung des DC-Anteils verwendet. Mittels des DC- Anteils wird dann die Berechnung der Phasenverschiebung korrigiert, die ausgehend von der Zeitdauer Tl erfolgt.

Die Zeitverschiebung des Strom und Spannungssignales um den DC-Anteil bereinigt lautet dann:

Daraus lässt sich dann der korrekte Phasenwinkel Phi der Signale ableiten:

Phi = Tvi / Tperiode *2*pi Zusätzlich oder alternativ kann auch der Strom DC-Anteile haben: Diese können ebenso durch Erfassung aufeinanderfolgender Nulldurchgänge des Stromes (wie oben bei der Spannung) korrigiert werden. Dies ist bei Verwendung von LEDs als Leuchtmitteln von Vorteil, bei denen oft ein weiter Dimmbereich ansteuerbar ist.

Figur 5 zeigt eine Weiterbildung der Erfindung. Um steilere Verläufe der Nulldurchgänge zu erhalten, wird das Stromsignal (d.h. die Messung des Nulldurchgangs) nicht direkt am Stromshunt Rshunt abgegriffen, sondern davor über einer Diode DZl, die in Serie zu dem Stromshunt Rshunt angeordnet ist. Der Abgriffspunkt für das Signal liegt zwischen der Diode und dem Stromshunt.

Damit ist das Signal im Nulldurchgang sozusagen "vergrössert " , die Störsicherheit somit deutlich erhöht. Die Amplitude des Lampenstromes wird direkt an dem Stromshunt Rshunt gemessen. Die Messung über der Diode DZl nutzt den Effekt, dass der Lampenstrom solange über den Pfad durch den Widerstand Rk fließt, bis der Lampenstrom soweit angestiegen ist, dass die Spannung über dem Widerstand Rk die Durchlaßspannung der Diode DZl übersteigt und diese den Stromfluß übernimmt (wobei der Stromshunt Rshunt einen geringeren Widerstand als der Widerstand Rk aufweist) . Die Diode DZ2 ist optional und dient der Spannungsbegrenzung.

Gerade die erweiterte Erfassung mit der Auswertung der Nulldurchgänge (mehrerer) zur Bestimmung und Kompensation des DC-Anteils sind Vorteile, die sich bei Einsatz eines digitalen Systems realisieren lassen. Der DC-Anteil kann sich gerade abhängig vom Helligkeitspegel (Dimmpegel) , Umgebungstemperatur der Lampe, Lampenexemplar, Lampentype (zB abhaengig von der verwendeten Technologie: Coldspot-, Amalgam-, Energy- Saving-, Long-Life- Varianten) und Abhängig von der Lampenalterung ändern, daher ist eine aktive Erfassung und Kompensation erforderlich.

Einen besonderen Vorteil der Erfindung stellt der Umstand dar, dass es auch in bereits existierenden Betriebsgeräten eingesetzt werden kann. Dies ist insbesondere dadurch möglich, da diese zumeist bereits mit einer Vorrichtung zum Erfassen der Lampenspannung und des Lampenstroms ausgestattet sind. Es ist also lediglich notwendig, die Regeleinheit auszutauschen. Falls möglich ist es natürlich wünschenswert, stattdessen einfach die bereits bestehende Regeleinheit zu modifizieren. So ist es beispielsweise denkbar, dass die Regeleinheit entsprechend neu programmiert wird.

Abschließend soll noch einmal darauf hingewiesen werden, dass die Erfindung in einem wesentlich größeren Anwendungsbereich eingesetzt werden kann, als dies durch die Ausführungsbeispiele gezeigt ist.

So kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht nur ein kapazitiver Betrieb, bei dem der Strom der Spannung vorauseilt, sondern auch eine induktiver Betrieb, bei dem die Spannung dem Strom vorauseilt, erkannt werden. Beispielsweise kann ein solcher induktiver Betrieb unmittelbar nach dem Zünden einer Lampe zulässigerweise auftreten. Somit wird sich in diesem Fall ein negativer Phasenwinkel Φ ergeben. Gemäß einer Option wird ein derartiger negativer Phasenwinkel als Phasenwinkel 0° betrachtet. Anhand dessen können weitere Messungen entsprechend referenziert werden. Da unmittelbar nach einer Lampenzündung der induktive Betrieb zulässig ist, sollte eine Phasenwinkelkorrektur erst nach einer vorbestimmten Zeitdauer oder in einer vorbestimmten Betriebsphase, beispielsweise im stabilen Brennbetrieb, aktiviert werden. Allgemein ausgedrückt, kann das erfindungsgemäße Verfahren in jeder denkbaren elektrischen Schaltung eingesetzt werden, die mit Wechselstrom betrieben wird, und in der eine Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung auftritt. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann diese Phasenverschiebung zuverlässig ermittelt werden. Die ermittelte Phasenverschiebung kann für eine korrekte Regelung der Schaltung, aber auch für andere Zwecke sinnvoll sein. Da aufgrund von Bauteilen mit kapazitiven oder induktiven Eigenschaften in den meisten Schaltungen, durch eine Verkabelung wie beispielsweise einer Erdung praktisch in jeder Schaltung ein kapazitiver oder induktiver Betrieb auftreten kann, ist das erfindungsgemäße Verfahren dementsprechend praktisch in jeder Schaltung auf sinnvolle Weise einsetzbar.

Es kann sich dabei um eine Schaltung handeln, die zum Betreiben einer Last, wie einer Leuchte oder eines Elektromotors ausgelegt ist. Bezugnehmend auf den ersten Fall soll betont werden, dass jede Form von Leuchte denkbar ist. Beispielsweise ist so auch der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Betriebsgerät zum Betreiben von einer oder mehrerer LEDs und/oder einer oder mehrerer organischer LEDs denkbar. Beispielsweise können diese in mit Wechselstrom betriebene Schaltungen in entgegensetzte Richtungen geschaltet sein. Auch ist denkbar, dass ein Wechselstrom, dessen Stärke zu Regelungszwecken gemessen wird, zum Betreiben der Leds in einen Gleichstrom gewandelt wird.

Bei LEDs wird häufig eine Regelung, insbesondere eine Dimmung, über Einstellung des Tastverhältnisses einer PWM erreicht. Da LEDs häufig stromgeregelt werden, ist in diesem Fall für eine korrekte Regelung die Ermittlung des tatsächlichen Wirkstroms von ganz besonderer Bedeutung. Dabei kann beispielsweise gemäß der vorliegenden Erfindung eine Stromregelung dadurch korrigiert werden, dass das Tastverhältnis der PWM-Modulation gegenüber einem nicht korrigierten Stromerfassungswert erhöht wird, um den kapazitiven Strömen Rechnung zu tragen.

Bezugszeichen Uiamp Lampenspannung

I iamp Lampenstrom

I _R Wirkanteil des Lampenstroms

I _c kapazitiver Anteil des Lampenstroms zcd Einheit zur Erkennung des Nulldurchgangs des Signals

C Zähler

Cl Regelschleife (Control loop)

At zeitliche Phasenverschiebeung zwischen U und I

Tv Sollwert (Target value)

avg Einheit zur Bestimmung des gemittelten

Stromwerts

fout gen Frequenz Generator

RE Regeleinheit

HB Halbbrücke

Riamp Lampe

Rl, R2 Spannungsteiler

Rshunt Messwiderstand

Li Induktivität

Cl Kondensator