Schaltungsanordnung und Verfahren zum Betreiben einer Hoch ^¬ druckentladungslampe unterhalb ihrer nominalen Leistung

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe unterhalb ihrer nominalen Leistung mit einer Wechselspannung und einem Wechselstrom einer vorbestimmten Betriebsfrequenz.

Hintergrund

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe unterhalb ihrer nominalen Leistung mit einem Wechselstrom einer vorbestimmten Be- triebsfrequenz nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Sollen Hochdruckentladungslampen, im Folgenden auch Lampe genannt, gedimmt betrieben werden, so treten verschiedene Probleme auf. Praktisch alle marktgängigen Hochdruckentla ^¬ dungslampen sind auf ihre nominale Leistung hin optimiert, so dass die plasmaphysikalischen Prozesse und der thermische Haushalt der Lampe bei der nominalen Lampenleistung optimal ablaufen und die höchste Effizienz haben. Als nominale Leistung der Hochdruckentladungslampe, wird im Folgen ^¬ den die vom Hersteller für diese Lampe spezifizierte Leis- tung angesehen. Durch die optimierten plasmaphysikalischen Prozesse und den ebenfalls optimierten thermischen Haushalt der Hochdruckentladungslampe weist die Hochdruckentladungs ^¬ lampe beim Betrieb mit ihrer nominalen Lampenleistung oder Nennleistung eine gute Betriebsstabilität auf. Beim Dimmen von Hochdruckentladungslampen leidet die Betriebsstabilität mitunter erheblich, da der thermische Haushalt des Brenners mit zunehmender Dimmstufe immer weiter von seinem Optimum entfernt arbeiten muss. Ein Großteil der marktgängigen Hochdruckentladungslampen wird mit Wechselstrom betrieben. Dabei kommt meistens ein rechteckförmiger Betriebsstrom niedriger Frequenz zum Einsatz, was auch , wackelnder

Gleichstrombetrieb' genannt wird. Dabei wird ein im Wesent ^¬ lichen rechteckförmiger Strom mit einer Frequenz von üblicherweise 50Hz bis zu einigen kHz an die Lampe angelegt. Bei jedem Umschwingen zwischen positiver und negativer Spannung kommutiert die Lampe, da sich auch die Stromrichtung umkehrt und der Strom damit kurzzeitig zu null wird. Dieser Betrieb stellt sicher, dass die Elektroden der Lampe trotz eines Quasi-Gleichstrombetriebs gleichmäßig belastet werden .

Der Bogenansatz auf den Elektroden ist beim Betrieb einer Gasentladungslampe mit Wechselstrom grundsätzlich problema ^¬ tisch. Beim Betrieb mit Wechselstrom wird während einer Kommutierung der Betriebsspannung eine Kathode zur Anode und umgekehrt eine Anode zur Kathode. Der Übergang Kathode- Anode ist prinzipbedingt unproblematisch, da die Temperatur der Elektrode keinen Einfluss auf ihren anodischen Betrieb hat. Beim Übergang Anode-Kathode hängt die Fähigkeit der Elektrode, einen ausreichend hohen Strom liefern zu können, von deren Temperatur ab. Ist diese zu niedrig, wechselt der Lichtbogen während der Kommutierung, meistens nach dem Nulldurchgang, von einer kurzzeitigen diffusen Bogenansatz- betriebsweise (sog. , diffuse-mode' ) , zu einer punktförmigen Bogenansatzbetriebsweise (sogenannter , spot-mode' ) . Dieser Wechsel geht manchmal mit einem oft sichtbaren Einbruch der Lichtemission einher, was als Flackern wahrgenommen werden kann . Im Dimmbetrieb werden die Elektroden der Hochdruckentla ^¬ dungslampe immer kälter und bei der Kommutierung des Betriebsstromes kann die Lampe beginnen zu flackern und in ^¬ stabil zu werden. Diese Instabilitäten bei der Kommutierung verursachen mitunter erhebliche elektromagnetische Störun ^¬ gen .

Au gabe

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe unterhalb ihrer nominalen Leistung mit einem Wechselstrom einer vorbestimmten Betriebsfrequenz anzugeben, welches weniger elektromagnetische Störungen verursacht.

Darstellung der Erfindung

Die Lösung der Aufgabe bezüglich des Verfahrens erfolgt erfindungsgemäß mit einem Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe unterhalb ihrer nominalen Leis ^¬ tung, wobei die Hochdruckentladungslampe bei Nominalleis ^¬ tung mit einem Wechselstrom einer vorbestimmten Betriebsfrequenz betrieben wird, und die Lampenspannung während einer Halbperiode zumindest am Anfang einer Halbperiode und am Ende einer Halbperiode gemessen wird, mit folgenden Schritten :

- Absenken der aktuellen Betriebsfrequenz unter eine Obergrenze,

- Ändern der Stromform des Wechselstroms auf eine pultdachförmige Stromform, die abhängig von der Differenz der Lampenspannungen am Ende und am Anfang der Halbperiode ist, bei der sich der Betrag des Stromes | I _s tart zu Beginn der Halbperioden zu dem Betrag des Stromes |I _en dl am Ende der Halbperioden Verhält Wie | Istart = 1:1,2 .. 1:3,0.

Durch die pultdachförmige Stromform wird der Gasentladungs- lampenbrenner bis zur Kommutierung soweit aufgeheizt, dass diese ohne Probleme und ohne die oben beschriebenen elekt ^¬ romagnetischen Störungen aufgrund einer hochfrequenten Stromschwingung kurz nach der Kommutierung durchgeführt werden kann.

Bevorzugt verhält sich der Betrag des Stromes | I _s tart I zu Beginn der Halbperioden zu dem Betrag des Stromes |I _{e n} d l am Ende der Halbperioden wie I I _s tart I : I l end I = 1:1,5 .. 1:3,0. Diese Werte stellen eine saubere Kommutierung auch bei schwierigen Lampen sicher.

In einer ersten Ausgestaltung des Verfahrens beträgt die Obergrenze 120Hz. Damit lassen sich handelsübliche Lampen sicher dimmen.

In einer zweiten Ausgestaltung des Verfahrens beträgt die Obergrenze 80Hz. Damit sind als schwierig geltende handels ^¬ übliche Lampen sicher dimmbar.

In einer dritten Ausgestaltung des Verfahrens beträgt die Obergrenze 1Hz . Mit dieser Variante können auch sehr schwierig zu dimmende Speziallampen gut gedimmt werden. Die vorbestimmte Betriebsfrequenz beträgt dabei üblicher ^¬ weise 160Hz.

Der Betrag des Stromes |I _{e n} d l der erfindungsgemäßen Pult ^¬ dachförmigen Stromform am Ende der Halbperioden wird in einer bevorzugten Aus führungs form erhöht, wenn ein Schwell- wert für die Differenz der Lampenspannungen am Ende und am Anfang der Halbperioden nicht erreicht wird.

Besonders bevorzugt wird der Schwellwert für die Differenz der Lampenspannungen in einen unteren Schwellwert und einen oberen Schwellwert aufgeteilt, und der Betrag des Stromes l l end l am Ende der Halbperioden wird erhöht, wenn der untere Schwellwert unterschritten wird, und der Betrag des Stromes |I _{e n} d l am Ende der Halbperioden wird reduziert, wenn der obere Schwellwert überschritten wird.

Bei einer weiteren Aus führungs form wird der Schwellwert für die Differenz der Lampenspannungen in einen unteren

Schwellwert und einen oberen Schwellwert aufgeteilt, und der Betrag des Stromes | Istart | am Anfang der Halbperioden wird erhöht, wenn der untere Schwellwert unterschritten wird, und der Betrag Stromes | Istart | am Anfang der Halbpe ^¬ rioden wird reduziert, wenn der obere Schwellwert über- schritten wird.

Bei einer weiteren Aus führungs form wird bei unterschreiten des unteren Schwellwertes der Betrag des Stromes | Istart | am Anfang der Halbperioden und der Betrag des Stromes |Iend| am Ende der Halbperioden erhöht, und bei überschrei- ten des oberen Schwellwertes wird der Betrag des Stromes I Istart I am Anfang der Halbperioden und der Betrag des Stromes |Iend| am Ende der Halbperioden reduziert.

Der Schwellwert für die Differenz der Lampenspannungen liegt dabei bevorzugt zwischen 0,2 Volt und 3 Volt. Weiter- hin ist der obere Schwellwert maximal 0,5Volt größer als der untere Schwellwert.

Die Stromform des Wechselstroms bei Nominalleistung ist bevorzugt rechteckförmig .

Bei Lampen mit einem ungünstigen Verhältnis von Elektroden- durchmesser zu Nominalleistung ist die Stromform des Wechselstroms bei Nominalleistung bevorzugt pultdachförmig, wobei sich der Betrag des Stromes | I _s tart I zu Beginn der Halbperioden zu dem Betrag des Stromes |I _{e n} d l am Ende der Halbperioden verhält wie I I _s tart I : I l end I = 1:1 ·· 1:1,2.

Die Lösung der Aufgabe bezüglich der Schaltungsanordnung erfolgt mit einer Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe unterhalb ihrer nominalen Leis ^¬ tung, wobei die Hochdruckentladungslampe bei Nominalleis ^¬ tung mit einem Wechselstrom einer vorbestimmten Betriebsfrequenz betrieben wird, und die Schaltungsanordnung dabei das oben beschriebene Verfahren ausführt.

Die Schaltungsanordnung kann dabei in an sich bekannter Weise aufgebaut sein. Die Schaltungsanordnung kann eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung beinhalten, die an ihrem Ausgang einen Zwischenspannungskreis speist, an dem ein Wechselrichter in Form einer Voll- oder einer Halbbrücke angeschlossen ist. Die Schaltungsanordnung kann ein Impulsoder ein Resonanzzündgerät beinhalten, um die Hochdruckent ^¬ ladungslampe zünden zu können. Die Schaltungsanordnung kann eine analoge oder eine digitale Steuerschaltung beinhalten, die die Leistungsfaktorkorrekturschaltung und den Wechselrichter steuert. Bevorzugt weist die Schaltungsanordnung eine digitale Steuerschaltung mit einem Mikrocontroller auf .

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe unterhalb ihrer nominalen Leistung ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung .

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identi ^¬ schen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen: einen Lampenspannungsverlauf mit sehr schwach ausgeprägtem diffus-spot-Übergang bei Nominalleistung (Kurve 10) und stark ausgeprägtem dif- fus-spot-Übergang im Dimmbetrieb (53 % der Nominalleistung, Kurve 12), einen Lampenstromverlauf bei sehr schwach ausge ^¬ prägtem diffus-spot-Übergang bei Nominalleistung (Kurve 20) und stark ausgeprägtem diffus-spot- Übergang im Dimmbetrieb (53 % der Nominalleis ^¬ tung, Kurve 22), mehrere Lampenstromverläufe bei 50 Hz, Kurve 30 einen Lampenstromverlauf bei 100 % der Nominal ^¬ leistung, Kurve 32 einen Lampenstromverlauf bei 55 % der Nominalleistung mit einem Betriebsverfahren nach dem Stand der Technik, Kurve 34 einen Lampenstromverlauf bei 55 % der Nominalleistung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren,

einen Ausschnitt der Kommutierung der Lampenstromverläufe bei 50 Hz aus Fig. 3 in höherer Zeitauflösung, Kurve 40 den Lampenstromverlauf bei 100 % der Nominalleistung, Kurve 42 den Lampenstromverlauf bei 55 % der Nominalleistung mit einem Betriebsverfahren nach dem Stand der Technik, Kurve 44 den Lampenstromverlauf bei 55 % der Nominalleistung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren .

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

Fig.l zeigt einen Lampenspannungsverlauf mit sehr schwach ausgeprägtem diffus-spot-Übergang bei Nominalleistung (Kur- ve 10) und stark ausgeprägtem diffus-spot-Übergang 122 im Dimmbetrieb (53 % der Nominalleistung, Kurve 12) bei einer zeitlichen Auflösung von 10 s/Div.

Fig. 2 zeigt den Lampenstromverlauf der Signale der Fig. 1 bei sehr schwach ausgeprägtem diffus-spot-Übergang bei

Nominalleistung (Kurve 20) und stark ausgeprägtem diffus- spot-Übergang 221 im Dimmbetrieb (53 % der Nominalleistung, Kurve 22) bei einer zeitlichen Auflösung von 10 s/Div.

Diese beiden Figuren machen die der Erfindung zugrundelie- gende Problematik deutlich. Im Dimmbetrieb werden die

Elektroden zu kalt, und bei jeder Kommutierung ergeben sich Probleme beim Übergang von der diffusen Bogenansatzbe- triebsweise zur punktförmigen Bogenansatzbetriebsweise, eben dem oben schon erwähnten diffus-spot-Übergang 121, bzw 221. Dies ist deutlich in den Kurven 12 beziehungsweise 22 zu sehen, wo es bei diesem Übergang zu starkem Aufschwingen beim diffus-spot-Übergang 121, 221 kommt, was sich als hochfrequente Störung im Spektrum bemerkbar macht. Um mit einer solchen Betriebsweise die Grenzwerte für die elektro- magnetische Verträglichkeit einhalten zu können sind große und teure Filterbauteile notwendig. Außerdem machen sich diese Instabilitäten bei der Kommutierung als Flackern im Betrieb bemerkbar. Daher wird für den gedimmten Betrieb ein erfindungsgemäßer Pultdachförmiger Lampenstrom vorgeschla- gen, dessen Betrag | I _start sich zu Beginn der Halbperioden zu dem Betrag |I am Ende der Halbperioden verhält wie I start = 1:1.2 bis 1:3.0. Besonders bevorzugt ist der Lampenstrom am Ende der Halbperiode im Mittel doppelt so groß wie zu Beginn der Halbperiode. Erfindungsgemäß ist der Lampenstrom während der Halbperioden variabel und hängt ab von der Änderung der Lampenspannung während einer Halbperiode. Die Höhe des Lampenstromanstiegs während einer Halbperiode, also das Verhältnis von Startstrom zu Endstrom I Istart I : l l end l richtet sich nach der Lampenspannung und vor allem nach der Änderung der Lampenspannung, die während der Halbperiode anliegt. Die Änderung des Lampenstroms in einer Halbperiode wird so eingestellt, dass die Lampenspannung um einen zuvor berechneten oder einem vorgegebenen Wert AUi, U2 angestiegen ist. Der Schwellwert für den Spannungsan ^¬ stieg der Lampenspannung in der Halbperiode beträgt je nach Gasentladungslampe zwischen 0,2V und 4V. Der Schwellwert ist bevorzugt in einen unteren Schwellwert und einen oberen schwellwert aufgeteilt. Der Spannungsanstieg berechnet sich aus der Differenz der Lampenspannung am Ende der Halbperiode zur Lampenspannung am Beginn der Halbperiode. Wird der Schwellwert für den Lampenspannungsanstieg innerhalb der Halbperiode nicht erreicht, so wird das Verhältnis von Startstrom zu Endstrom für die nächste Halbperiode

I Istart I : l l end l erhöht, um die Kathode mehr Aufzuheizen und einen ausgeprägten diffus-spot-Übergang bei der Kommutierung möglichst zu vermeiden. Um eine robuste Regelcharakte ^¬ ristik zu erreichen, wird das Verhältnis von Startstrom zu Endstrom für die nächste Halbperiode I I _s tart I : I l end I erhöht, wenn ein unterer Schwellwert für den Spannungsanstieg der Lampenspannung in der Halbperiode unterschritten wird, und erniedrigt, wenn ein oberer Schwellwert für den Spannungs ^¬ anstieg der Lampenspannung in der Halbperiode überschritten wird. Liegt der Anstieg der Lampenspannung im Bereich zwischen unterem und oberem Schwellwert, so wird das Verhält ^¬ nis von Startstrom zu Endstrom für die nächste Halbperiode I Istart I : I l end I beibehalten.

Fig . 3 zeigt die Lampenstromverläufe bei 50 Hz, Kurve 30 zeigt den Lampenstromverläuf bei 100 % der Nominalleistung, Kurve 32 zeigt den Lampenstromverläuf bei 55 % der Nominal- leistung mit einem Betriebsverfahren nach dem Stand der Technik, Kurve 34 zeigt den Lampenstromverlauf bei 55 % der Nominalleistung mit dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren bei einer zeitlichen Auflösung von 10ms/Div. Der Pultdachförmige Stromverlauf ist in der Kurve 34 gut zu sehen, hier ist der Lampenstrom am Ende der Halbperiode doppelt so groß wie zu Beginn der Halbperiode. Dies würde aber nicht genü ^¬ gen, um einen stabilen Betrieb der Hochdruckentladungslampe bei niedrigen Dimmstufen sicherzustellen. Erstaunlicherweise hat sich gezeigt, dass ein sicherer Betrieb der Hoch ^¬ druckentladungslampe damit erreicht werden kann, indem die pultdachförmige Stromform mit einem sehr niederfrequenten Betrieb kombiniert wird. Dies lässt sich daraus erklären, dass durch den kurzzeitigen Quasi-Gleichstrombetrieb immer die Elektrode aufgeheizt wird, die bei der nächsten Kommu ^¬ tierung von der Anode zur Kathode wird, da die hohe Be ^¬ triebstemperatur der Elektrode ja nur für ihren kathodischen Betrieb notwendig ist. Die andere Elektrode kühlt in dieser Phase natürlich stärker aus, dies ist aber für die nächste Kommutierung unproblematisch, da die Elektrode dann ja einen Wechsel von der Kathode zur Anode durchläuft, und die Temperatur für den anodischen Betrieb der Elektrode nicht relevant ist. Nach dieser Kommutierung wird sie aber im anodischen Betrieb wieder ebenso lange Aufgeheizt, um dann eine genügend hohe Temperatur für den Übergang Anode- Kathode aufzuweisen. Erfindungsgemäß wird daher im Dimm ^¬ betrieb die Betriebsfrequenz unter eine Obergrenze abge ^¬ senkt, um diesen Stabilen Betrieb zu Erreichen. Die Obergrenze liegt bei maximal 120Hz, bevorzugt wird die Be ^¬ triebsfrequenz auf eine Frequenz um die 50Hz bis 60Hz abgesenkt. Niedrigere Frequenzen können problematisch werden, da das menschliche Auge bei einer Betriebsfrequenz unterhalb 50Hz eine erhöhte Flickersensitivität zeigt, die sich auf den Dimmbetrieb negativ auswirkt. Erst unterhalb einem Hertz nimmt die Flickersensitivität des menschlichen Auges wieder ab, so dass auch sehr niedrige Betriebsfrequenzen möglich sind. Bei sehr niedrigen Dimmleveln kann ein erstaunlich stabiler Betrieb der Hochdruckentladungslampe bei sehr niedrigen Betriebsfrequenzen unterhalb einem Hertz erreicht werden. Die besonders bevorzugte erfindungsgemäße Betriebsfrequenz liegt also bei 50Hz bis 60Hz, bei sehr niedrigen Dimmleveln bei unter 1Hz . Auch hier wird erfindungsgemäß wieder der Anstieg der Lampenspannung in einer Halbperiode gemessen und das Verhältnis von Startstrom zu Endstrom I für die nächste Halbperiode entspre ^¬ chend dem Spannungsanstieg in der aktuellen Halbperiode angepasst .

Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt der Kommutierung der Lampen- stromverläufe bei 50 Hz aus Fig. 3 in höherer Zeitauflö ^¬ sung, Kurve 40 den Lampenstromverlauf bei 100 % der Nomi ^¬ nalleistung, Kurve 42 den Lampenstromverlauf bei 55 % der Nominalleistung mit einem Betriebsverfahren nach dem Stand der Technik, Kurve 44 den Lampenstromverlauf bei 55 % der Nominalleistung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. Die Zeitauflösung beträgt hier nicht mehr 10ms/Div, sonder nur noch 10 s/Div. Dargestellt ist insbesondere die Kommutie ^¬ rung des Lampenstromes. Gut zu sehen ist, dass bei dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren (Kurve 44) signifikant weniger Störungen auftreten als bei einem Betriebsverfahren gemäß dem Stand der Technik (Kurve 42) . Mit dem erfindungs ^¬ gemäßen Betriebsverfahren treten praktisch keine Störungen bei der Kommutierung des Lampenstromes mehr auf, und eine Schaltungsanordnung, die das erfindungsgemäße Betriebsverfahren ausführt, ist signifikant einfacher zu entstören, und damit auch wesentlich kostengünstiger herzustellen.