Schaltungsanordnung und Verfahren zum Betreiben einer Entladungslampe .

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Entladungslampe, wobei die Schaltungsanordnung die Entladungslampe mit einer nie ^¬ derfrequenten und einer hochfrequenten Spannung betreiben kann .

Hintergrund Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Entladungslampe nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Herkömmliche Schaltungsanordnungen zum Betreiben von Entladungslampen legen kurz nach dem Starten der Entla- dungslampe, im Folgenden auch Lampe genannt, eine opti ^¬ mierte Leistung an die Lampe an, um sie schnell aufzuhei ^¬ zen und den stationären Brennzustand ohne Vorschädigung zu erreichen. Diese Problematik betrifft vor allem, aber nicht nur, Hochdruckentladungslampen, die bei Betrieb mit Nennleistung oft mehrere Minuten benötigen, bis der stabile Brennzustand erreicht ist. Mit stabilem Brennzu ^¬ stand ist in diesem Zusammenhang der Betriebszustand gemeint, bei dem das Entladungsgefäß der Entladungslampe bei Betrieb mit Nennleistung eine gleichmäßige Temperatur hat.

Vor allem Hochdruckentladungslampen werden gerne mit einem niederfrequenten rechteckförmigen Lampenstrom betrieben, um die Problematik der akustischen Resonanzen im Brennergefäß, im Folgenden auch Brenner genannt, bei höheren Frequenzen zu umgehen. Zum Speisen der Gasentladungslampe wird oftmals eine Vollbrückenanordnung verwendet, die gleichzeitig als tiefsetzender Spannungswandler arbeitet, um die höhere Eingangsgleichspannung auf die Lampenspannung herunterzusetzen. Dazu arbeitet eine

Halbbrückenanordnung der Vollbrücke mit einem höherfre- quenten, meist pulsweitenmodulierten Signal, mit dem das niederfrequente Rechtecksignal moduliert wird. Dieses Signal wirkt mit einer Tiefsetzerdrossel und einer Fil- terkapazität aufweisend mindestens einen Kondensator zusammen, um die Spannung herabzusetzen. Da kurz nach der Zündung ein möglichst konstanter Strom an die Lampe angelegt werden sollte, um ein schnelles Hochlaufen zu gewährleisten, sollte der tiefsetzende Spannungswandler in der Vollbrücke in dieser Zeit im nichtlückenden Betrieb laufen. Der an die Lampe angelegte Strom liegt deswegen normalerweise in einem, für diesen Lampentyp spezifizierten Bereich. Im nichtlückenden Betrieb wird die Tiefsetzerdrossel in einem Zyklus nicht komplett entladen. Deswegen ist hier kein ZVS (Zero Voltage swit- ching, Nullspannungsschalten) möglich, und es treten hier erhöhte Schaltverluste auf. Der nichtlückende Betrieb ist aber notwendig, da sonst die Arbeitsfrequenz aufgrund der niedrigen Lampenspannung in dieser Phase auf unter 20kHz absinken würde, und bei einer Frequenz größer 20 kHz nicht der geforderte Strom an die Hochdruckentladungslampe angelegt werden kann. Eine Arbeitsfrequenz kleiner als 20 kHz ist aufgrund der Hörschwelle des Menschen aber nicht möglich. Erst mit zunehmender Temperatur des Bren- ners steigt die Lampenspannung an und der tiefsetzende Spannungswandler kann dann im effizienteren lückenden Betrieb gefahren werden. In einer anderen herkömmlichen Schaltungsanordnung, die in Fig. 1 dargestellt ist, wird die Entladungslampe mit einer Resonanzzündung gestartet. Die Schaltungsanordnung weist einen hier nicht gezeigten Spannungswandler, der eine Netzspannung in eine Eingangsgleichspannung Uo umwandelt und eine Vollbrückenanordnung 1 auf, deren Halbbrückenmittelpunkte 2, 3 durch eine Serienschaltung zweier Drosseln LI, L2 und der Gasentladungslampe 5 verbunden sind. An den Verbindungspunkt der ersten Dros- sei LI mit der Gasentladungslampe 5 sind zwei Kondensato ^¬ ren Cl, C2 geschaltet, der erste Kondensator Cl an die positive Versorgungsspannung 7, der zweite Kondensator C2 an die Schaltungsmasse 8. An den Verbindungspunkt der zweiten Drossel L2 mit der Gasentladungslampe 5 ist ein dritter Kondensator C3 nach Schaltungsmasse 8 geschaltet. Um die Gasentladungslampe nun zu starten und bis zur Nennleistung hochzufahren wird bei dieser herkömmlichen Schaltungsanordnung ein dreistufiges Verfahren durchgeführt . Im ersten Schritt wird die Gasentladungslampe mit einer durch eine Resonanzüberhöhung erzeugten hochfrequenten Hochspannung gestartet. Dazu bleiben die Schalter Ql, Q2 der ersten Halbbrücke 11 offen, und die Schalter Q3, Q4 der zweiten Halbbrücke 12 werden mit einem hochfrequenten Signal angesteuert. Die Anregungsfrequenz ist dabei auf die Resonanzfrequenz des Resonanzkreises 13, der aus der zweiten Drossel L2 und dem dritten Kondensator C3 besteht, abgestimmt. Mit dieser hochfrequenten Hochspannung wird die Lampe gestartet. Die durch die Resonanz erzeugte hochfrequente Spannung wird auch nach dem Lampenstart für eine vorbestimmte Zeit, üblicherweise ca. ls, an die Entladungslampe angelegt, um die Entladungslampe schnell in einen stabilen Brennzustand über zu führen. Nach

Ablauf dieser Zeit wird dann im zweiten Schritt ein niederfrequenter Rechteckbetrieb gefahren, in dem der tiefsetzende Spannungswandler der Vollbrückenanordnung im nichtlückenden Betrieb läuft, um den geforderten Strom an die Lampe anzulegen. Erst nach einiger Zeit, wenn die Temperatur des Brenners und damit die Lampenspannung U _L genügend hoch ist, wird in einem dritten Schritt der tiefsetzende Spannungswandler auf den energieeffizienten lückenden Betrieb umgeschaltet.

Um den nichtlückenden Betrieb fahren zu können, müssen aber die Bauteile der Schaltungsanordnung beziehungsweise der Vollbrückenanordnung 1 wesentlich größer dimensio- niert werden, da in diesem Modus die Belastungen deutlich höher sind. Dies wiegt umso schwerer, da dieser Betriebs ^¬ modus nur für eine kurze Zeit nach dem Lampenstart gefah ^¬ ren wird. Somit wird nur für einen verschwindend kleinen Bruchteil der Gesamtbetriebsdauer eine Schaltungsanord- nung benötigt, deren Bauteile für den überwiegenden Teil der Betriebszeit zu groß, zu schwer und damit zu kost ^¬ spielig sind.

Aufgabe

Es wird eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Entladungslampe bereitgestellt, wobei die Schaltungsanordnung die Entladungslampe mit einer nie ^¬ derfrequenten und einer hochfrequenten Spannung betreiben kann, und die Bauteile der Schaltungsanordnung für den stationären Betrieb dimensioniert sein können. Zusammenfassung

Es wird eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Entladungslampe bereitgestellt, aufweisend eine Vollbrü- ckenanordnung, die die Entladungslampe speist, wobei die Schaltungsanordnung die Entladungslampe mit einer nie ^¬ derfrequenten und einer hochfrequenten Spannung betreiben kann, und die Schaltungsanordnung ausgebildet ist:

- die Entladungslampe (beispielsweise (direkt) nach dem Lampenstart) mit einer hochfrequenten Spannung zu betrei- ben, und

- die Entladungslampe oberhalb einer vorbestimmten Lam ^¬ penspannung mit einer niederfrequenten Spannung zu betreiben, wobei die Vollbrückenanordnung dabei (beispielsweise immer) immer im lückenden Betrieb arbeitet. Mit dieser Maßnahme können die Bauteile der gesamten Schaltungsanordnung auf einen lückenden Betrieb hin dimensioniert werden und fallen somit klein und kosten ^¬ günstig aus.

Es wird ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Entladungslampe mit einer Schaltungsanordnung, die eine Voll ^¬ brückenanordnung zum Speisen der Entladungslampe aufweist, bereitgestellt, wobei die Schaltungsanordnung die Entladungslampe mit einer niederfrequenten und einer hochfrequenten Spannung betreiben kann, und:

- die Entladungslampe (beispielsweise (direkt) nach dem Lampenstart) mit einer hochfrequenten Spannung betrieben wird, und

- die Entladungslampe oberhalb einer vorbestimmten Lam ^¬ penspannung mit einer niederfrequenten Spannung betrieben wird, wobei die Vollbrückenanordnung dabei (beispielswei ^¬ se immer) im lückenden Betrieb arbeitet. Im Hochlauf kurz nach dem Start wird die Entladungslampe (5) mit einem Lampenstrom I _L betrieben. Für den Lampenstrom im Hochlauf I _L gilt dabei beispielsweise folgende Beziehung: 1 , 0 * I _Nen n lL 2 , 0 * Ι _Νθηη , wobei Inenn der Lampen- ström im Nennbetrieb, also im eingeschwungenen Zustand bei Nennleistung der Gasentladungslampe ist. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass die Schaltungsanordnung beispielsweise derart eingerichtet ist, dass der Lampen ^¬ strom gemäß obiger Vorschrift bereitgestellt wird. Bei- spielsweise kann für den Lampenstrom I _L im Hochlauf folgende Beziehung angegeben werden: 1, 3*I _Nen n<lL<l, 8*Ι _Νθηη · Wird der Lampenstrom in diesem Bereich gehalten, so ist ein sicherer und schneller Hochlauf der Gasentladungslampe gewährleistet, ohne die Elektroden der Gasentladungs- lampe thermisch zu überlasten und damit zu schädigen. Das Umschalten vom hochfrequenten Betrieb in den niederfrequenten lückenden Betrieb kann dabei frühestens bei

Erreichen einer vorbestimmten Lampenspannung U _Lv erfolgen. Die vorbestimmte Lampenspannung U kann dabei durch folgende Beziehung berechnet werden: ,

wobei LI die Tiefsetzerdrossel der Vollbrückenanordnung ist, D das Tastverhältnis der Vollbrückenanordnung im tiefsetzenden Betrieb ist, sowie f _m i _n die minimale Fre ^¬ quenz des tiefsetzenden Betriebes ist. Die Schaltungsanordnung kann dazu ausgebildet sein, die Lampenspannung (beispielsweise direkt) im hochfrequenten Betrieb zu messen. Dies hat den Vorteil einer einfacheren Steuerung. Die Lampenspannung ist aber schwieriger zu messen, dadurch bleibt bei vertretbarem Aufwand die

Messung vergleichsweise ungenau. Eine genauere Messung ist möglich, wenn die Schaltungsanordnung ausgebildet ist, die Lampenspannung in einer (beispielsweisen kurzen) periodischen niederfrequenten Phase zu messen, die in die hochfrequente Betriebsphase eingefügt wird. Dazu ist allerdings eine aufwendigere Steuerung notwendig. Bei heutigen digital gesteuerten Schaltungsanordnungen ist dies aber rein in Software zu bewerkstelligen und somit kostenneutral oder sehr kostengünstig zu implementieren.

Kurze Beschreibung der Zeichnung (en)

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 iden ^¬ tischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Vollbrückenanordnung, die eine Entladungslampe mit einer Resonanzzündung startet und die Lampenleistung mit einem tiefsetzenden Spannungswandler regeln kann,

Fig. 2 ein schematisches Diagramm der Betriebsmoden der Vollbrückenanordnung in Abhängigkeit von der Lampenspannung,

Fig. 3 ein Lampenspannungsdiagramm über der Zeit für eine Ausführungsform mit einer besonderen Lampenspannungsmessung .

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt die Eingangs schon beschriebene Schaltungs ^¬ anordnung, wie sie von der prinzipiellen Topologie her auch für herkömmliche Geräte verwendet wird. Eine Schal ^¬ tungsanordnung in dieser Topologie ist für eine Resonanzzündung ausgelegt.

Wie Eingangs schon erwähnt, wird zum Anlegen einer hochfrequenten Spannung an eine Gasentladungslampe 5 eine zweite Halbbrücke 12 verwendet, während Schalter Ql, Q2 einer ebenfalls vorgesehenen ersten Halbbrücke 11 offen bleiben. Der Resonanzkreis 13, aufweisend oder bestehend aus einer zweiten Drossel L2 und einem dritten Kondensa- tor C3, dient dabei der Spannungserhöhung, die über die Anregungsfrequenz eingestellt werden kann. Ein erster Kondensator Cl und ein zweiter Kondensator C2 dienen in dieser Betriebsart als Halbbrückenrückschlusskondensato- ren, die den Stromkreis durch die Lampe 5 schließen.

Zwischen dem Resonanzkreis 13 und den Halbbrückenrück- schlusskondensatoren Cl, C2 ist die Gasentladungslampe 5 angeordnet. Durch entsprechende Frequenzeinstellung der zweiten Halbbrücke 12 wird der Resonanzkreis 13 stark angeregt, bis ein elektrischer Durchbruch in der Gasent- ladungslampe 5 stattfindet. Sobald sich ein Entladungsbo- gen im Brenner etabliert hat, wird die Frequenzregelung der zweiten Halbbrücke 12 derart gefahren, dass sich ein vorbestimmter Strom I _L durch die Gasentladungslampe 5 einstellt. Für den Lampenhochlauf, also den Zeitraum bis die Gasentladungslampe 5 ihre Betriebstemperatur erreicht hat und mit ihrer Nennleistung Ρ _Νθηη beziehungsweise ihrem Nennstrom Ι _Νθηη betrieben wird, ergeben sich folgende Einschränkungen, um die Gasentladungslampe 5 nicht zu überlasten und den Lampenbetrieb für den Menschen mög- liehst geräuschlos zu gestalten:

- Der Lampenstrom sollte sich bespielsweise in folgendem Bereich bewegen: 1 , 0 * I _Nen n<lL<2 , 0 * Ι _Νθηη , beispielswiese in folgendem Bereich: 1, 3*I _Nen n<lL<l, 8*Ι _Νθηη ·

- Die Lampenleistung P _L der Gasentladungslampe 5 sollte dabei unterhalb bis maximal der Nennleistung Ρ _Νθηη betra- gen: P _L <=P _Ne nn.

- Um den Lampenbetrieb für den Menschen möglichst leise zu gestalten sollte die minimale Frequenz, mit der die zweite Halbbrücke 12 betrieben wird, außerhalb des menschlichen Hörbereichs liegen, z.B. f _m i _n >20kHz. In der vorliegenden Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung liegt die mittlere Betriebsfrequenz der zweiten Halbbrücke 12 bei etwa 65kHz, die minimale Be ^¬ triebsfrequenz bei etwa 25 kHz.

Die Eingangsgleichspannung Uo ist bei üblichen Schal- tungstopologien eine Zwischenkreisspannung, die von einem vorgeschalteten Spannungswandler oder einer vorgeschalteten Leistungsfaktorkorrekturschaltung auf ein konstantes Spannungsniveau geregelt wird. In einer bevorzugten

Ausführungsform wird die Eingangsgleichspannung Uo auf 400V geregelt. Mit einer Tiefsetzerdrosselauslegung von

Ll=l,5mH kann damit ein Spannungsbereich von 10V-150V bei einem Strombereich von 0A-0,4A bedient werden.

Die Gasentladungslampe 5 wird also mit einer hochfrequen ^¬ ten Resonanzzündung gestartet, und nach dem elektrischen Durchbruch zunächst mit einem hochfrequenten Lampenstrom betrieben. Diese Betriebsweise wird so lange wie möglich beibehalten. Der Zeitpunkt, zu dem auf einen niederfre ^¬ quenten Rechteckbetrieb umgeschaltet werden muss, ist von der Lampenspannung abhängig. Fig. 2 zeigt ein schematisches Diagramm der Betriebsmoden der Vollbrückenanordnung in Abhängigkeit von der Lampen- Spannung. Die obere Figur zeigt die Betriebsmodi der herkömmlichen Schaltungsanordnungen, die untere die

Betriebsmodi für die Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführungsform. Ebenso dargestellt ist ein Umschaltbe- reich 20, in dem ein Wechsel der Betriebsmodi aus Lampen ^¬ sicht stattfinden kann und auch sinnvoll ist. Der Umschaltbereich beginnt bei einer vorbestimmten unteren Lampenspannung U _L v, und endet bei einer vorbestimmten oberen Lampenspannung U _L krit · Umgeschaltet wird bei der Lampenspannung U _T , die zwischen der vorbestimmten unteren Lampenspannung U _L v und der vorbestimmten oberen Lampenspannung U _L krit liegt.

Bei der oberen Figur, die das herkömmliche Verfahren der Eingangs beschriebenen Schaltungsanordnungen darstellt, wird das Hochfahren der Gasentladungslampe 5 nach dem

Lampenstart im nichtlückenden Betrieb CCM bewerkstelligt (CCM = Continous Conduction Mode) , und zum UmschaltZeit ^¬ punkt bei der vorbestimmten unteren Lampenspannung U _L v auf den lückenden Betrieb DCM umgeschaltet (DCM = Discon- tinous Conduction Mode) . Der hochfrequente Betrieb HF wird hier wie Eingangs schon erwähnt nur für die Zündung verwendet, und kurz nach Etablierung eines Entladungsbo ^¬ gens wird in den niederfrequenten Rechteckbetrieb im nichtlückenden Betriebsmodus CCM umgeschaltet. Die untere Figur zeigt ein Betriebsverfahren, gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen wie es die Schaltungsanordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen ausführt. Hier wird der hochfrequente Betriebsmodus HF so lange wie möglich aufrechterhalten. Der hochfrequente Betriebsmodus HF kann nur bis zu der vorbestimmten oberen Lampenspannung U _L krit aufrechterhalten werden, da ab die- ser vorbestimmten oberen Lampenspannung U _L krit (Die Lam ^¬ penspannung korreliert direkt mit der Temperatur des Gasentladungslampenbrenners) akustische Resonanzen im Gasentladungslampenbrenner auftreten können, die Flickern verursachen und im schlimmsten Fall zum Verlöschen der Gasentladungslampe führen können. Wie schon erwähnt, ist die Lampenspannung direkt abhängig vom Druck im Entladungsgefäß des Gasentladungslampenbrenners. Je größer der Druck im Gasentladungslampenbrenner, desto größer ist auch die Kontraktion des Entladungsbogens. Je kontrahier ^¬ ter der Entladungsbogen ist, umso anfälliger ist er im Bezug auf akustische Resonanzen im Gasentladungslampenbrenner. Die Anfälligkeit für akustische Resonanzen hängt also direkt mit dem Druck im Gasentladungslampenbrenner, und somit auch direkt mit der Brennspannung der Gasentla ^¬ dungslampe zusammen. Dadurch gibt es eine Grenze in Form der vorbestimmten oberen Lampenspannung U _L krit _/ ab der ein hochfrequenter Betrieb der Gasentladungslampe kritisch wird. Die vorbestimmte obere Lampenspannung U _L krit kann je nach Lampentyp zwischen 20V und 60V betragen, bei den gängigen Lampentypen bewegt sie sich im Bereich zwischen 30V und 50V. Dies ist zum Beispiel für gängige Hochdruck ^¬ entladungslampen mit Nennleistungen von 20W, 35W, 70W und 150W gültig. Die genaue Spannung ist vom Lampentyp und der Geometrie abhängig. Quarzglaslampen werden andere vorbestimmte obere Lampenspannungen U _L krit als Keramiklam ^¬ pen aufweisen.

Ab der vorbestimmten unteren Lampenspannung U _L v kann auf den niederfrequenten Rechteckbetrieb im lückenden Betrieb umgeschaltet werden. Die vorbestimmte untere Lampenspan ^¬ nung U _Lv , ab der ein niederfrequenter lückender Betrieb möglich ist, kann durch folgende Beziehung berechnet

/ -2-L · f■

werden: U _T =— —^ ² - . D ist hierbei das Tastverhältnis

^Lv \-D

der Vollbrückenanordnung im tiefsetzenden Betrieb, und kann auch durch den Quotienten aus Lampenspannung U _L und Eingangsgleichspannung Uo beschrieben werden: D= U _L /Uo- Wenn bei einer Lampenspannung zwischen der vorbestimmten unteren Lampenspannung U _L v und der vorbestimmten oberen Lampenspannung U _Lkr i _t vom hochfrequenten Betrieb in den tiefsetzenden niederfrequenten Rechteckbetrieb umgeschal- tet wird, kann die Vollbrücke direkt im lückenden Betrieb gefahren werden. Durch diese erfindungsgemäße Betriebs ^¬ weise ist eine völlig andere Dimensionierung der betrof ^¬ fenen Bauteile möglich. Die Bauteile können wesentlich kleiner dimensioniert werden und müssen weniger robust ausgelegt werden, was Kosten spart und eine Miniaturisie ^¬ rung möglich macht. Die Schaltungsanordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann dadurch deutlich kleiner werden, als bekannte herkömmliche Schaltungsanordnungen . Um den UmschaltZeitpunkt bestimmen zu können, sollte der Schaltungsanordnung die aktuelle Lampenspannung bekannt sein. Für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen gibt es beispielsweise zwei Möglichkeiten: Eine erste Möglichkeit besteht im Messen der Lampenspannung im Hochfrequenzbetrieb. Dazu sind aber recht aufwändige Messglieder notwendig, die auf die Betriebsfrequenz abgestimmt sein sollten.

Eine zweite Möglichkeit der Lampenspannungsmessung ist in Fig. 3 dargestellt. Diese Figur zeigt ein Lampenspan- nungsdiagramm über der Zeit zum Messen der Lampenspannung im Gleichspannungsbetrieb. Dazu wird in regelmäßigen Abständen, z.B. jede Sekunde, vom Hochfrequenzbetrieb 32 für eine sehr kurze Zeit von z.B. einer ms in einen niederfrequenten Rechteckbetrieb mit einer Gleichspan- nungsphase 34 umgeschaltet. Während dieser Zeit wird eine Lampenspannungsmessung durchgeführt, um danach wieder in den Hochfrequenzbetrieb 32 umzuschalten. Die Lampenspannungsmessung während der Gleichspannungsphase 34 birgt den Vorteil einer einfacheren und genaueren Messung, da die Spannung direkt über einfache Messglieder abgegriffen werden kann. Während der kurzen Gleichspannungsphasen 34 muss die Vollbrücke in den nichtlückenden Betrieb ge ^¬ schaltet werden. Da diese Phase mit 1ms aber sehr kurz ist, ist diese Betriebsweise auch mit der , kleinen' Dimensionierung der Bauteile für den lückenden Betrieb möglich. Wie in der Figur gut zu sehen ist, wird in der Gleichspannungsphase 34 immer eine ganze Vollwelle durch ^¬ laufen. Dies geschieht, um die Elektroden der Gasentla ^¬ dungslampe 5 gleichmäßig zu belasten.