Be s ehre ibung

[1] Schaltungsanordnung zum Starten und Betreiben einer Gasentladungslampe .

Technisches Gebiet

[2] Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Starten und Betreiben einer Gasentladungslampe mit einem Wandler, der keine Regelschleife zur Leistungseinstellung aufweist, und dessen Abgabeleistung von seiner Eingangsspannung abhängt .

Stand der Technik

[3] Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Starten und Betreiben einer Gasentladungslampe nach dem Stand der Technik. Eine Steuerschaltung 5 ist mit einem Schalteingang versehen, so dass die Schaltungsanordnung mittels eines Aktivierungsschalters 6 aktiviert werden kann. Die Steuerschaltung steuert einen spannungsgesteuerten Oszillator 7 und einen Schalttransistor 17. Der spannungsgesteuerte Oszillator 7 gibt ein Signal aus, das in einer Impulsformeinheit 9 im Zusammenwirken mit dem Schalter 17 für die Deaktivierung bzw. Erzeugung der zündunterstützenden Break-Phase ein Impulssignal erzeugt, das dann in die Wandlerschaltung 11 eingegeben wird. Diese wandelt die niedrige Eingangsgleichspannung in eine hohe Impulsspannung, um die Lampe zu betreiben. Die Schaltungsteile werden dabei von einer statischen Hilfsspannungsversorgung versorgt, die eine unveränderliche Gleichspannung bereitstellt. Die Leistungsabgabe der Wandlerschaltung 11 ist hier aufgrund ihrer Topologie stark von der Eingangsspannung abhängig.

Aufgabe

[4] Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zum Starten und Betreiben einer Gasentladungslampe mit einem Wandler ohne Regelschleife, dessen Abgabeleistung von seiner Eingangsspannung abhängt, so weiterzubil- den, dass die Eingangsspannungsabhängigkeit des Wandlers signifikant reduziert wird.

[5] Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Gasentladungslampe bereitzustellen, bei dessen Anwendung in einem Betriebsgerät die Lichtstärke der Gasentladungslampe weitgehend unabhängig von der Eingangsspannung des Betriebsgerätes ist.

Darstellung der Erfindung

[6] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Wandler mittels einer Hilfsspannung gesteuert wird, und die Hilfsspannung derart in Abhängigkeit von der Eingangsspannung des Wandlers generiert wird, dass die Eingangsspannungsabhängigkeit des Wandlers signifikant reduziert wird.

[7] Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben von Gasentladungslampen mit von der Eingangsspannung unabhängiger Leistung, wobei eine von der Eingangsspannung abhängige Hilfsspannung generiert wird, die die Leistungsabhängigkeit einer verwendeten Schaltungsanordnung von ihrer Eingangsspannung signifikant re- duziert.

[8] Die Hilfsspannung weist dabei vorzugsweise eine lineare Abhängigkeit zur Versorgungsspannung auf. Dies bietet den Vorteil einer einfachen und kostengünstigen Hilfsspan- nungserzeugung .

[9] Die Gasentladungslampe wird dabei durch eine dielektrisch behinderte Entladung betrieben. Diese Lampen benötigen eine gepulste Betriebsweise mit relativ hohen Spannungen, somit ist die erfindungsgemäße Schaltungsan- Ordnung für diese Lampen besonders geeignet.

[10] Zum Starten der Lampe wird dabei vorzugsweise eine Startsequenz verwendet. Eine Startsequenz ist ein festgelegter Spannungs- und Stromzug, der zum Zweck des Startens der Gasentladungslampe an diese angelegt wird. Die Start- sequenz koppelt direkt nach dem Einschalten viel Leistung in die Lampe ein. Darauf folgt eine Pause, in der die Leistungszufuhr abgeschaltet wird. Danach wird eine sehr kleine Leistung in die Lampe eingekoppelt, die sukzessive langsam bis zur Nennleistung erhöht wird. Nach Ablauf der Startsequenz und erfolgreichem Start der Lampe wird dann die Hilfsspannungsversorgung so verändert, dass die Leistung an der Lampe im Wesentlichen unabhängig von der Eingangsspannung ist.

[11] Die Lampe ist dabei an einen Transformator gekoppelt, der im Ausgangsteil des Wandlers vorgesehen ist. Der Wandler ist dabei so aufgebaut, dass er eine pulsförmige Spannung abgibt, deren Tastverhältnis Puls zu Pause im Nennbetrieb etwa 1 zu 4 beträgt. Als Nennbetrieb wird im Folgenden eine Betriebsweise angesehen, bei der die Lampe im eingeschwungenen Zustand mit ihrer nominalen Leistung betrieben wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnung (en)

[12] Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

- A -

[13] Fig. 1 Ein schematisches Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung .

[14] Fig. 2 Eine Graphik einer erforderlichen Abhängigkeit der Hilfsspannung von der Eingangsspan- nung sowie einer vereinfachten realen Spannungsabhängigkeit der Hilfsspannung von der EingangsSpannung.

[15] Fig. 3 Eine Graphik die eine Abhängigkeit der Abgabeleistung von der Eingangsspannung eines Wandlers nach dem Stand der Technik und eines erfindungsgemäßen Wandlers darstellt.

[16] Fig. 4 Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hilfsspannungsgenerie- rung.

[17] Fig. 5 Ein schematisches Blockschaltbild einer

Schaltungsanordnung nach dem Stand der Technik .

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

[18] Fig. 5 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung nach dem Stand der Technik. Dieses ist ähnlich zu dem erfindungsgemäßen Blockschaltbild in Fig. Ia, mit dem Unterschied dass anstelle der konstanten Hilfsspannungsversorgung 3 eine statische Spannungsversorgung 4 verwendet wird, die eine von der Eingangsspan- nung unabhängige geregelte Hilfsspannung abgibt. Dies führt zu der oben erwähnten Abhängigkeit der Lampenleistung von der Eingangsspannung U _B und damit zu einer von der Eingangsspannung abhängigen Lichtabgabe einer Gasentladungslampe 50.

[19] Fig. Ia zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Die Schaltungsanordnung wird durch einen Schalter 6 in Betrieb gesetzt. Der Schalter bewirkt ein Aktivierungssignal an der Steuerschaltung 5. Die Steuerschaltung 5 aktiviert daraufhin einen spannungsgesteuerten Oszillator 7, dessen Steuerspannung von einer Hilfsspannungsversorgung 3 generiert wird. Die Hilfsspan- nungsversorgung 3 stellt eine Hilfsspannung U _H zur Verfü- gung, die abhängig von der Eingangsspannung U _B ist. Der spannungsgesteuerte Oszillator 7 gibt ein Signal aus, das im wesentlichen ein Tastverhältnis von 50% aufweist, mit einer Frequenz, die abhängig von der Höhe der Steuerspannung, in diesem Fall also der Hilfsspannung U _H ist. Die- ses Signal wird in eine Impulsformeinheit 9 eingegeben, die daraus ein Impulssignal formt. Das Verhältnis von Puls zur Pulspause beträgt im Nennbetrieb in etwa 1:4. Dieses Signal wiederum dient als Eingangssignal für eine Treiberstufe 11 eines Wandlers 10. Der Wandler ist dabei vorzugsweise ein Klasse E Wandler, der einen Transformator 15 und ein Schaltelement 13 aufweist. Der Transformator 15 ist hier als Spartransformator mit einer Primärwicklung 15a und zwei Sekundärwicklungen 15b und 15c ausgeführt. Das erste Ende der Primärwicklung 15 a ist mit der Spannungsversorgung verbunden, das zweite Ende ist mit dem Schalter 13 verbunden, der wiederum mit seinem anderen Ende mit Masse verbunden ist. Das erste Ende der Primärwicklung 15 a ist außerdem mit dem ersten Ende der ersten Sekundärwicklung 15b verbunden, dessen anderes En- de an eine Gasentladungslampe 50 angeschlossen ist. Das andere Ende der Primärwicklung 15a ist an das erste Ende der zweiten Sekundärwicklung 15c angeschlossen, dessen

anderes Ende an die Gasentladungslampe 50 angeschlossen ist. Die an die Last, in diesem Fall die Gasentladungslampe 50, abgegebene Leistung des Klasse E Wandlers ist einerseits von der Eingangsspannung U _B abhängig, anderer- seits von der Frequenz und dem Puls/Pausenverhältnis des Klasse E Wandlers, wie im folgenden gezeigt wird:

[20] Bei konstantem Puls/Pausenverhältnis wird der Trafo pro Periode stets für eine konstante Zeit t ₀ N bestromt und nimmt die Energie W ₀ N auf.

[21] W _0N = ¹ ^*L*I _max ² ; Dabei ist L die Primärinduktivität des Trafos auf Wicklung a, also die Wicklung 15a.

[22] Nach dem Induktionsgesetz gilt für L:

[23] u _L = L*di/dt

[24] Die Spannung U _L an L ist während t _0N konstant und hat den Wert U _B . Der Strom i durch L steigt demzufolge linear von null auf den Wert I _max an. Daraus folgt:

[25] I _max = t _ON *U _B /L

[26] Damit gilt W _0N = ¹ ^L* (t _ON *U _B /L) ² = ^t _ON ² *U _B /L

[27] Für die mittlere Leistungsaufnahme P _σN gilt: PIN=W _O N/T, wobei T = t ₀ N+t ₀ FF (t ₀ FF ist hierbei eine kon ^¬ stante Ausschaltzeit) .

[28] Damit ist: P _1N = (t _ON ² *U _B ) / (2*L*T) = (T-t _0FF ) ² *U _B / (2*L*T)

[29] Aus dieser Gleichung lässt sich erkennen, dass die

Leistungsaufnahme bei konstantem t ₀ N und T und L nur von U _B abhängt. Es ist aber auch deutlich zu erkennen, dass

die abgegebene Leistung des Wandlers auch stark von der Einschaltzeit t ₀ N abhängt.

[30] Um die Abhängigkeit von der Eingangsspannung U _B zu minimieren, generiert die Hilfsspannungsversorgung 3 eine Hilfsspannung U _H , die vorzugsweise eine lineare Abhängigkeit von der Eingangsspannung U _B aufweist. Dadurch ändert sich bei veränderter Eingangsspannung U _B die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 7. Die Impulsformeinheit 9 generiert aus dem Signal des spannungsgesteuerten Oszillators 7 ein Ansteuersignal für den Wandler 10, dessen Einschaltzeit identisch ist mit der Periode des Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators 7 abzüglich einer konstanten Ausschaltzeit. Die Ausschaltzeit beträgt in der vorliegenden Ausführungsform etwa 2 μs . Die Ein- schaltzeit, die der spannungsgesteuerte Oszillator 7 generiert, ist so bemessen, dass eine Leistungsschwankung am Wandler, die durch eine variable Eingangsspannung U _B auftritt, durch die unterschiedliche Einschaltzeit des Wandlerschaltelements 13 in etwa ausgeglichen wird. Wie in der Figur deutlich zu sehen ist geschieht dies ohne eine aufwändige und teure Rückkopplung mit einer Regelschleife. Die Hilfsspannungsversorgung ist vielmehr so dimensioniert, dass eine Vorwärtsregelung stattfindet, die die Leistung durch geeignete Parametrierung konstant hält.

[31] Fig. Ib zeigt eine Startsequenz 39, die vorzugsweise zum Starten der Lampe verwendet wird. In der Grafik ist die Steuerspannung VCO-IN des spannungsgesteuerten Oszillators in Abhängigkeit von der Zeit aufgetragen. Eine kleine Eingangsspannung hat dabei eine große Lampenleistung zur Folge. Am Anfang der Startsequenz vor dem Zeit-

punkt ti wird direkt nach dem Einschalten viel Leistung in die Lampe eingekoppelt (Die Eingangsspannung ist sehr niedrig) . Darauf folgt zwischen den Zeitpunkten ti und t ₂ eine Pause, in der die Leistungszufuhr mittels des Schal- ters 17 abgeschaltet wird. Nach dem Zeitpunkt t ₂ wird eine sehr kleine Leistung in die Lampe eingekoppelt (Die Eingangsspannung ist hoch) , die sukzessive langsam bis zur Nennleistung erhöht wird. Durch diese Startsequenz kann eine im vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendete Gas- entladungslampe mit dielektrisch behinderter Entladung sicher und reproduzierbar gestartet werden. Die Startsequenz 39 wird dabei durch die Hilfsspannungsversorgung 3 ab dem Zeitpunkt t ₂ so verändert, dass die Leistung an der Lampe im Wesentlichen unabhängig von der Eingangsspannung U _B ist. Dies wird dadurch erreicht, dass die gesamte Kurvenform bezüglich der Y-Achse multiplikativ beeinflusst wird. Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung geschieht dies ganz automatisch, da das Maximum der Kurvenform der Startsequenz 39 aus der Hilfsspannung U _H generiert wird, und sich bei sich ändernder Hilfsspannung U _H eben die gesamte Kurvenform proportional verändert.

[32] Fig. 2 zeigt in einer Graphik die erforderliche Abhängigkeit der Hilfsspannung von der Eingangsspannung (Kurve 31) sowie die vereinfachte reale Spannungsabhän- gigkeit der Hilfsspannung von der Eingangsspannung (Gerade 33) . Da die erforderliche Abhängigkeit 31 nur eine geringe Nichtlinearität zeigt, kann sie durch eine lineare Abhängigkeit 33 ersetzt werden, ohne einen größeren Regelfehler zu implementieren.

[33] Diese lineare Abhängigkeit 33 kann durch eine einfache Schaltungsanordnung, wie sie z.B. in Fig. 4 darge-

stellt ist, erzeugt werden. Die Schaltungsanordnung besteht aus einem ersten Spannungsteiler 21, der mit einer auf diese Weise einstellbaren Zenerdiode 23 eine konstante Referenzspannung U _Re f erzeugt. Der Widerstand 24 ist dabei der Arbeitswiderstand der einstellbaren Zenerdiode 23. Diese Referenzspannung U _Re f wird nun von der Betriebsspannung U _B subtrahiert und das Ergebnis U _B - U _Re f wird in den positiven Eingang eines Operationsverstärkers 25 eingegeben, dessen Ausgangsspannung über einen Entkopplungs- widerstand 26 geführt wird. Die hinter dem Entkopplungswiderstand 26 anliegende Spannung wird dann als Hilfs- spannung U _H bereitgestellt. Die Hilfsspannung U _H wird ü- ber einen zweiten Spannungsteiler 27 mit den Widerständen Rl und R2 geführt und in den negativen Eingang des Opera- tionsverstärkers eingegeben. über diesen Spannungsteiler 27 wird die Spannungsverstärkung des Operationsverstärkers eingestellt. Die Spannungsverstärkung berechnet sich zu V = 1H—-. Die Hilfsspannung berechnet sich zu U _H =v* (U _B -

[34] Fig. 3 zeigt eine Graphik die die Abhängigkeit der Lampenleistung P _L von der Eingangsspannung eines Wandlers nach dem Stand der Technik (Kurve 37) und eines erfindungsgemäßen Wandlers (Kurve 35) darstellt. Beide Kurven schneiden sich im Nennpunkt der Eingangsspannung U _B . Es ist klar zu sehen, dass die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eine bei weitem geringere Abhängigkeit der Lampenleistung P _L von der Eingangsspannung U _B zeigt.

Bezugs zeichenliste

3 Erfindungsgemäße Hilfsspannungsversorgung mit analoger Kennlinie, abhängig von U _B

4 Statische Hilfsspannungsversorgung nach dem Stand der Technik, unabhängig von U _B

5 Steuerschaltung

6 Aktivierungsschalter

7 Spannungsgesteuerter Oszillator 9 Impulsformeinheit 10 Wandlerschaltung

11 Treiberstufe

13 Wandlerschalter

15 Wandlertransformator

17 Startsequenzschalter 21 Spannungsteiler zur Generierung von U _Ref

23 Einstellbare Referenzdiode

24 Arbeitswiderstand für die Referenzdiode

25 Operationsverstärker

26 Entkopplungswiderstand 27 Spannungsteiler zur Einstellung der Verstärkung 31 Uv soll 33 U _H ist

35 Lampenleistung bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 37 Lampenleistung bei einer Schaltungsanordnung nach dem Stand der Technik 39 Startsequenz 50 Gasentladungslampe