Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer

Entladungslampe

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Entladungslampe. Weiterhin werden entsprechend ein Betriebsgerät und eine Leuchte

vorgeschlagen .

Hochdruckentladungslampen benötigen für ihren

ordnungsgemäßen Betrieb einen definierten energetischen Haushalt. Ist dieser gestört, kommt es zu Veränderungen im Betriebsverhalten der Hochdruckentladungslampe,

beispielsweise zu einer Verkürzung der Lampenlebensdauer aufgrund von Elektrodenerosion oder Flickern verursacht durch einen Undefinierten Entladungsbogenansatz .

DE 10 2004 020 397 AI zeigt ein Verfahren zum Betrieb einer Hochdruckentladungslampe mit einem zeitlich periodisch verlaufenden, bipolaren Versorgungsstrom und einer

vorgegebenen elektrischen Leistung, wobei der

Hochdruckentladungslampe in periodisch wiederkehrenden Zeitintervallen unmittelbar nach dem Nulldurchgang des Versorgungsstroms eine zusätzliche elektrische Leistung zugeführt wird, um den Lampenbetrieb zu stabilisieren, und wobei die zeitlich gemittelte Gesamtleistung der

vorgegebenen elektrischen Leistung entspricht. Zur Vermeidung von Flickererscheinungen einer

Entladungslampe, insbesondere einer quecksilberfreien

Gasentladungs- oder Xenonlampe, wird ein

Kommutierungs ( im) pulsmodus eingesetzt. Der

Kommutierungspuls kann vor und nach dem Nulldurchgang oder auch nur unmittelbar nach dem Nulldurchgang der

Kommutierenden Größe einsetzen. Aufgabe dieses

Kommutierungsimpulsstroms ist sowohl die Erhöhung der Zwischenkreisspannung, also einer Spannung über der Lampe, unmittelbar während bzw. nach dem Nulldurchgang (Erreichen einer erneuten Zündspitze durch eine schnelle Veränderung der Spannung) als auch die Bereitstellung eines überhöhten Stroms bzw. einer Überlast unmittelbar nach einer

Wiederzündung des Lichtbogens bei vorherigem Übergang in eine Niedrigstromphase nach der Kommutierung.

Um schnellstmöglich einen stabilen Lichtbogenansatz zu erreichen, wird durch einen kurzzeitig überhöhten Strom bzw. eine Überlast die Elektrode schnell aufgeheizt

(thermisches Emissionsvermögen der Elektrode) .

Die während des Kommutierungspulses umgesetzte erhöhte elektrische Leistung wird von einer Versorgungsschaltung bzw. einem Konverter über einen Zwischenkreis mit einem Sieb- bzw. Stützkondensator und einer Brückenschaltung der Lampe bereitgestellt. Übernimmt der Konverter die

Energiebereitstellung, so wird der plötzliche

Energieanstieg mittels eines weiteren Kondensators, der vor dem Konverter angeordnet ist, gepuffert. Für beide

Kondensatoren bedeutet der Kommutierungspuls eine erhöhte Wechselstrombelastung und erfordert somit den Einsatz teurer und großer Kondensatoren.

Weiterhin führt der erhöhte Stromfluss während der

Kommutierungspulse zu einer erhöhten Wärmeentwicklung im gesamten System (die Verlustleistung entspricht dem Quadrat des fließenden Stroms multipliziert mit dem Widerstand) , insbesondere aber in den aktiven Bauelementen (z.B.

Transistoren der Brückenschaltung) . Daher werden

Bauelemente höherer Leistungsklassen, höheren

Temperaturbereichs oder aber erweiterte Kühlmaßnahmen eingesetzt .

Durch den erhöhten Stromfluss während der

Kommutierungspulse kommt es ebenfalls zu einer verstärkten elektromagnetischen Abstrahlung, die entsprechend (z.B. mittels Filter, Schirmung etc.) begrenzt werden muss.

All diese Effekte führen dazu, dass sich das elektronische Betriebsgerät (auch bezeichnet als Vorschaltgerät )

verteuert sowie der erforderliche Bauraum steigt.

Bekannte elektronische Betriebsgeräte für Entladungslampen stellen einen konstanten Kommutierungspuls bereit. Dies führt bei neuen Lampen, die eine niedrige Brennspannung und somit einen niedrigen Innenwiderstand aufweisen, zu einem unnötig hohen Kommutierungsimpulsstrom. Dabei ist es von Nachteil, dass die Schaltung bzw. die Bauteile der

Schaltung des Betriebsgeräts dauerhaft für diesen hohen Strom ausgelegt sein müssen.

Mit zunehmender Alterung der Entladungslampe steigt deren Innenwiderstand und damit die Brennspannung an, der

Kommutierungsimpulsstrom sinkt. Hierbei ist es insbesondere von Nachteil, dass die Sieb- bzw. Stützkondensatoren für den maximalen Kommutierungsimpulsstrom sowie die effektive Wechselstrombelastung (falls die Lampe neu ist und nur eine geringe Impedanz aufweist) ausgelegt sein müssen.

Entsprechendes gilt für die Auslegung der aktiven

Bauelemente (z.B. Transistoren der Brückenschaltung,

Transistoren des Konverters) sowie für die benötigten EMV- Maßnahmen. Dies verteuert das elektronische Betriebsgerät und vergrößert das von diesem benötigte Volumen. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine Möglichkeit zu schaffen, einen effizienten

Kommutierungsimpulsstrom bereitzustellen, der wirksam ein Flickern einer Entladungslampe verhindert. Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zum Betreiben einer Entladungslampe angegeben,

- bei dem die Entladungslampe mit einem

Kommutierungsimpulsstrom betrieben wird, wobei di Amplitude des Kommutierungsimpulsstroms geregelt wird .

Bei dem Kommutierungsimpulsstrom handelt es sich um ein Impulssignal, das dem Kommutierungssignal zum Betrieb der Entladungslampe überlagert werden kann. Insbesondere erfolgt mittels des Kommutierungspulses eine Erhöhung der Zwischenkreisspannung sowie eine Leistungsüberhöhung an der Entladungslampe .

Die Anpassung des Kommutierungsimpulsstroms hat den

Vorteil, dass gezielt durch Alterung der Entladungslampe bedingten Effekten begegnet werden kann. Beispielsweise steigt die Impedanz der Entladungslampe mit zunehmendem Alter bzw. mit zunehmender Einsatzdauer an. Durch den amplitudengeregelten bzw. erhöhten Kommutierungsimpulsstrom ist es möglich, einem z.B. von dem menschlichen Auge wahrnehmbaren Flickern der Entladungslampe

entgegenzuwirken. Die effektiv nutzbare Lebensdauer der Entladungslampe kann somit deutlich verlängert werden, da die Entladungslampe länger gleichmäßig leuchtet und somit später ausgetauscht werden muss.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der

Kommutierungsimpulsstrom dann eingesetzt wird, wenn er benötigt wird. Dies ermöglicht, dass die Bauteile der

Leuchte bzw. des elektronischen Betriebsgeräts für die

Entladungslampe nicht für den Dauerbetrieb eines maximalen Kommutierungsimpulsstroms ausgelegt sein müssen. Der maximale Kommutierungsimpulsstrom tritt lediglich am Ende der Lebensdauer der Entladungslampe für eine (bezogen auf die gesamte nutzbare Dauer der Entladungslampe)

verhältnismäßig kurze Zeit auf, eine stärkere Beanspruchung der Bauteile erfolgt nur während dieser Zeit.

Eine Weiterbildung ist es, dass die Amplitude des

Kommutierungsimpulsstroms abhängig von einer Impedanz und/oder einer Brennspannung der Entladungslampe geregelt wird.

Eine andere Weiterbildung ist es, dass die Amplitude der Entladungslampe mit steigender Brennspannung und/oder steigender Impedanz der Entladungslampe erhöht wird.

Insbesondere ist es eine Weiterbildung, dass die Amplitude des Kommutierungsimpulsstroms so eingestellt wird, dass ein Flickern der Entladungslampe vom menschlichen Auge nicht wahrnehmbar ist.

Auch ist es eine Weiterbildung, dass bei einer

Brennspannung der Entladungslampe unterhalb einer

vorgegebenen Brennspannung der Kommutierungsimpulsstrom abgeschaltet wird.

Umgekehrt kann der Kommutierungsimpulsstrom erst ab

Erreichen der vorgegebenen Brennspannung zugeschaltet bzw. erhöht werden. Dies ermöglicht z.B. einen vollständigen Verzicht auf den Kommutierungsimpulsstrom für den Fall, dass dieser noch nicht benötigt wird (z.B. bei einer neuen Lampe) .

Ferner ist es eine Weiterbildung, dass ein Strom durch die Entladungslampe und/oder eine Spannung an der

Entladungslampe zur Einstellung des

Kommutierungsimpulsstroms ausgewertet wird/werden. Bei dem Strom durch die Entladungslampe kann es sich um einen Teilstrom oder einen im Wesentlichen proportionalen Anteil des Stroms durch die Entladungslampe handeln.

Insbesondere ist der Strom geeignet, um eine Veränderung des Stroms durch die Entladungslampe feststellen zu können.

Bei der Spannung an der Entladungslampe kann es sich um eine (proportionale) Spannung oder eine Teilspannung oder einen im Wesentlichen proportionalen Anteil der Spannung an der Entladungslampe handeln. Insbesondere ist die Spannung geeignet, um eine Veränderung der Brennspannung der

Entladungslampe detektieren zu können. Im Rahmen einer zusätzlichen Weiterbildung wird/werden der Strom durch die Entladungslampe und/oder die Spannung an der Entladungslampe mittels eines integrierenden Reglers (I-Regler), insbesondere eines solchen mit einem

proportionalen Anteil (PI-Regler) , zur Einstellung des Kommutierungsimpulsstroms ausgewertet.

Beispielsweise kann der (P) I-Regler eine Einheit zur

Pulsweitenmodulation ansteuern, die die Helligkeit der Gasentladungslampe beeinflusst.

Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass der Strom durch die Entladungslampe und/oder die Spannung an der Entladungslampe mittels einer Verarbeitungseinheit

ausgewertet wird/werden derart, dass eine Stromüberhöhung oder eine Leistungsüberhöhung eingestellt wird.

Bei der Verarbeitungseinheit kann es sich z.B. um einen Mikrokontroller oder um einen Mikroprozessor handeln.

Hierbei sei angemerkt, dass der Mikroprozessor ein

beliebiger Rechner oder Prozessor mit entsprechender

Hardware und/oder Software (bzw. Firmware) sein kann. Auch kann der Mikroprozessor als FPGA oder ASIC ausgeführt sein. Eine Ausgestaltung ist es, dass die Stromüberhöhung oder die Leistungsüberhöhung anhand der Verarbeitungseinheit mittels einer Brückenschaltung der Entladungslampe

bereitgestellt wird.

Bei der Brückenschaltung kann es sich z.B. um eine

Halbbrücke oder eine Vollbrücke handeln. Eine alternative Ausführungsform besteht darin, dass die

Stromüberhöhung oder die Leistungsüberhöhung mittels einer Pulsweitenmodulation zur Ansteuerung der Entladungslampe eingestellt wird. Eine nächste Ausgestaltung ist es, dass die Entladungslampe eine Gasentladungslampe, eine Hochdruckentladungslampe, insbesondere eine quecksilberfreie Entladungslampe oder eine Xenonlampe ist. Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch eine Vorrichtung zur Ansteuerung einer Entladungslampe umfassend eine Verarbeitungseinheit, die derart eingerichtet ist, dass das hierin beschriebene Verfahren durchführbar ist. Hierbei sei angemerkt, dass es sich bei der

Verarbeitungseinheit z.B. um einen Mikrokontroller oder einen Mikroprozessor handeln kann. Die Verarbeitungseinheit kann insbesondere einen I-Regler oder einen PI-Regler aufweisen. Anhand der Verarbeitungseinheit kann eine

Brückenschaltung zum Betrieb der Entladungslampe

angesteuert werden. Auch kann mittels der

Verarbeitungseinheit eine Einheit zur Pulsweitenmodulation der Entladungslampe angesteuert werden. Insbesondere detektiert die Verarbeitungseinheit als Eingangsgrößen einen Strom (anteil) , der durch die Entladungslampe fließt bzw. eine Spannung, die (zumindest anteilig) an der

Entladungslampe abfällt. Die Verarbeitungseinheit kann eine Stromüberhöhung oder eine Leistungsüberhöhung anhand der Eingangsgrößen einstellen, und somit abhängig von der detektierten Spannung und/oder dem detektierten Strom die Amplitude des Kommutierungsimpulsstroms verändern.

Auch wird die oben genannte Aufgabe gelöst mittels eines Betriebsgeräts (auch bezeichnet als elektronisches

Vorschaltgerät ) umfassend die hierin beschriebene

Vorrichtung .

Weiterhin wird die obige Aufgabe gelöst mittels einer Leuchte umfassend die beschriebene Vorrichtung bzw. das beschriebene Betriebsgerät. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung dargestellt und erläutert.

Es zeigt: Fig.l ein schematisches Schaltbild zum Betrieb einer

Entladungslampe, insbesondere einer

Hochdruckentladungslampe, mit einem

amplitudengeregelten Kommutierungspulssignal . Bei der Entladungslampe handelt es sich z.B. um eine

Hochdruckentladungslampe, eine quecksilberfreie

Gasentladungslampe oder eine Xenonlampe

Flickererscheinungen einer Entladungslampe treten

insbesondere mit fortgeschrittener Lebensdauer der Lampe auf. In diesem Zustand hat die Entladungslampe eine höhere Impedanz und weist damit eine höhere Brennspannung auf als eine neuwertige Entladungslampe. Mit der gestiegenen

Brennspannung folgt bei gleicher Leistung ein niedrigerer Strom, der eine reduzierte Elektrodentemperatur bewirkt, die wiederum eine thermische Emission der Elektroden behindert . Ein Betrieb mit Kommutierungs ( im) pulsen (die dem

Ansteuersignal (Kommutierungssignal bzw.

Kommutierungsstrom) der Entladungslampe überlagert werden können) ermöglicht ein stabilisierendes Verhalten der Entladungslampe gegenüber Flickererscheinungen.

Allerdings benötigen Entladungslampen mit niedriger

Brennspannung (also z.B. Entladungslampen, die noch neu sind) nur eine sehr geringe Amplitude des

Kommutierungsspulstrom bzw. kann bei einer ausreichend schnellen Änderung (du/dt) der kommutierenden Spannung auf einen gesonderten Kommutierungsimpuls (ström) vollständig verzichtet werden.

Erst mit zunehmendem Alter der Entladungslampe ist ein entsprechend hoher Kommutierungsimpulsstrom erforderlich, um der gestiegenen Impedanz der Entladungslampe

entgegenzuwirken .

Somit wird insbesondere vorgeschlagen, die Amplitude des Kommutierungsimpulsstroms derart anzupassen, dass bei niedriger Brennspannung (niedrigem Innenwiderstand bzw. niedriger Impedanz) der Entladungslampe ein geringer

Kommutierungsimpulsstrom eingestellt wird. Dieser geringe Kommutierungsimpulsstrom ist für einen

flickerstabilisierten Betrieb der Entladungslampe

ausreichend . Alternativ kann bei niedriger Brennspannung und z.B.

ausreichend schneller Änderung der kommutierenden Spannung auf den Kommutierungsimpulsstrom vollständig verzichtet werden . Steigt die Brennspannung an, kann die Amplitude des

Kommutierungsimpulsstroms erhöht werden. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass kein hoher

Kommutierungsimpulsstrom bereitgestellt wird, wenn die Entladungslampe diesen nicht benötigt. Weiterhin ist es von Vorteil, dass die zeitliche

Veränderung der kommutierenden Spannung (du/dt) bzw. des kommutierenden Stroms (di/dt) nicht unnötig erhöht wird und somit EMV-Störungen reduziert bzw. verhindert werden. Der Kommutierungsimpulsstrom belastet erst am Ende der

Lebensdauer der Entladungslampe das elektronische

Betriebsgerät bzw. die Bauteile des elektronischen

Betriebsgeräts .

Somit ergibt sich als ein weiterer Vorteil, dass die

Bauteile hinsichtlich z.B. effektiver

Wechselstromfestigkeit, maximaler Impulsstromfestigkeit, Temperaturbeständigkeit, etc. sowie die EMV-Maßnahmen lediglich auf einen Kommutierungsimpulsstrom ausgelegt werden können, der am Ende der Laufzeit der Entladungslampe fließt. Dies ermöglicht den Einsatz deutlich

preisgünstigerer Bauteile bei geringen Anforderungen an das von dem elektronischen Betriebsgerät benötigte Volumen.

Beispielsweise kann die Amplitude des

Kommutierungsimpulsstroms bzw. eine Leistung des

Kommutierungspulses und somit die Veränderung der

kommutierenden Spannung beeinflusst werden mittels einer Steuerung oder mittels eines Regelkreises mit einer

entsprechenden Charakteristik.

Eine Eigenschaft bzw. ein Zustand der Entladungslampe kann über eine Lampenspannung bzw. einen Lampenstroms bzw. durch eine Kombination dieser Parameter bestimmt werden. Beispielsweise kann eine Überhöhung (d.h. eine

Beeinflussung der Amplitude des Kommutierungsimpulsstroms bzw. der Kommutierungsimpulsleistung) für eine quecksilberfreie Entladungslampe wie folgt ermittelt werden :

Bei der Überhöhung kann es sich z.B. um eine

Stromüberhöhung " I_Überhöhung" oder eine

Leistungsüberhöhung "P_Überhöhung" handeln. Hierbei kann der genannte Faktor bei einer Regelung mittels einer Strom-Sollwertvorgabe so gewählt werden, dass für die größtmögliche Überhöhung bei maximaler Lampenspannung Umax bzw. bei minimalem Lampenstrom Imin mindestens gilt:

Der Faktor bei Regelung mittels Leistungs-Sollwertvorgabe kann so gewählt werden, dass für die größtmögliche

Überhöhung bei maximaler Lampenspannung Umax bzw. bei minimalem Lampenstrom mindestens gilt:

Hierbei sei angemerkt, dass die Leistungsüberhöhung nicht proportional zu der Stromüberhöhung ist, da die

Lampenimpedanz (während der Kommutierung) variieren kann und somit die Spannung U und der Strom I nicht parallel verlaufen .

Beispielsweise kann das Betriebsgerät einen integrierenden Regler (I-Regler) oder einen PI-Regler (d.h. einen I-Regler mit einem Proportionalanteil) aufweisen. Die Regelstrecke des I-Reglers (oder des PI-Reglers) wertet eine Spannung an der Entladungslampe aus, die Leistung wird über einen Stromsollwert eingestellt.

Beispielhaft wird nachfolgend von einem D4 System mit Leistung von 35W ausgegangen. Es gelten: größte zugelassene Überhöhung:

Damit folgt ein Strom bei U _max

Als maximal zugelassene Stromüberhöhung bei Umax ergibt sich Damit ergibt sich der Faktor aufgrund Gleichung (1) zu

Somit folgt eine Stromüberhöhung in Abhängigkeit von der Ist-Spannung gemäß

Fig . 1 zeigt ein schematisches Schaltbild zum Betrieb einer Entladungslampe 118, insbesondere einer

Hochdruckentladungslampe, mit einem amplitudengeregelten Kommutierungsimpulssignal .

Eine Versorgungsspannung 120 ist eingangsseitig mit einem Filter 101 verbunden. Ein Ausgang des Filters 101 ist über eine Primärseite eines Transformators 102 mit dem Drain- Anschluss eines n-Kanal Mosfets 103 verbunden und der andere Ausgang des Filters 101 ist mit dem Source-Anschluss des Mosfets 103 verbunden.

Die Sekundärseite des Transformators 102 ist einerseits mit der Anode einer Diode 104 und andererseits mit einem Knoten 122 verbunden. Die Kathode der Diode 104 ist mit einem Knoten 121 verbunden. Zwischen dem Knoten 121 und dem

Knoten 122 ist ein Kondensator 109 angeordnet.

Der Knoten 121 ist über einen Widerstand 111 mit einem Knoten 123 verbunden und der Knoten 122 ist über einen Widerstand 110 mit einem Knoten 124 verbunden. Der Knoten 123 ist über einen Widerstand 112 mit dem Knoten 124 verbunden .

Der Knoten 121 ist mit dem Drain-Anschluss eines n-Kanal Mosfets 113 und mit dem Drain-Anschluss eines n-Kanal

Mosfets 115 verbunden. Der Knoten 124 ist mit dem Source- Anschluss eines n-Kanal Mosfets 114 und mit dem Source- Anschluss eines n-Kanal Mosfets 116 verbunden. Der Source- Anschluss des Mosfets 113 und der Drain-Anschluss des

Mosfets 114 sind mit einem Knoten 125 verbunden. Der

Source-Anschluss des Mosfets 115 und der Drain-Anschluss des Mosfets 116 sind mit einem Knoten 126 verbunden.

Zwischen den Knoten 125 und 126 ist eine Reihenschaltung umfassend ein Zündelement 117 und die Entladungslampe 118 angeordnet .

Die Schaltung umfasst weiterhin einen Mikrokontroller 108 mit einem PI-Regler 106 und einer Implementierung der

Gleichung (1) bzw. (3) angedeutet als Einheit 107. Der Knoten 123 liefert als Eingangssignal für den PI-Regler 106 einen Strom durch die Entladungslampe und der Knoten 124 liefert als Eingangssignal für den PI-Regler 106 und für die Einheit 107 eine Spannung an der Entladungslampe. Anhand dieser Spannung ("Ist"-Wert in Gleichung (3)) ermittelt die Einheit 107 die Stromüberhöhung gemäß

Gleichung (3) und stellt diese dem PI-Regler 106 bereit. Der PI-Regler 106 steuert eine Einheit zur

Pulsweitenmodulation 105 entsprechend an, die einerseits mit dem Gate-Anschluss des Mosfets 103 und andererseits mit dessen Source-Anschluss verbunden ist. Weiterhin ist der Mikrokontroller 108 mit einer

Ansteuereinheit 119 verbunden anhand derer die in Fig.l gezeigte Vollbrücke, also die Gate-Anschlüsse der Mosfets 113 bis 116, angesteuert werden.