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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung einer eine Leuchtstofflampe aufweisenden Last mit dem Ziel, einen Zündvorgang der Leuchtstofflampe zu optimieren.
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Zum besseren Verständnis der nachfolgend erläuterten Erfindung wird anhand der
1 bis
3 zunächst der grundsätzliche Aufbau eines zur Ansteuerung einer Leuchtstofflampe dienenden elektronischen Vorschaltgeräts (EVG) und dessen Funktionsweise erläutert. Ein solches Vorschaltgerät ist beispielsweise in der
EP 1 066 739 B1 , der
US 6,617,805 B2 oder dem Datenblatt Nr. PD 60182-I betreffend den integrierten Baustein IR2156(S) von International Rectifier, Kalifornien, USA, beschrieben.
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Das Vorschaltgerät umfasst als wesentliche Schaltungsanordnung eine Halbbrücke mit einem ersten Halbleiterschaltelement Q1 und einem zweiten Halbleiterschaltelement Q2, deren Laststrecken in Reihe zwischen Klemmen K1, K2 geschaltet sind, zwischen denen eine Gleichspannung Vb anliegt. Die Ansteuerung dieser beiden Halbleiterschaltelemente S1, S2 erfolgt über eine Ansteuerschaltung 20, die die beiden Halbleiterschaltelemente S1, S2 jeweils getaktet ansteuert. Die beiden Halbleiterschalter Q1, Q2 werden dabei abwechselnd zueinander angesteuert, um sicherzustellen, dass die beiden Halbleiterschalter nie gleichzeitig leitend angesteuert sind. Als Last ist an diese Halbbrückenschaltung ein Resonanzschwingkreis mit einer Resonanzinduktivität L1 und einem Resonanzkondensator C1 geschaltet, wobei parallel zu dem Resonanzkondensator eine Leuchtstofflampe 10 geschaltet ist. Ein weiterer Kondensator C2, der in Reihe zu der Resonanzinduktivität L1 und vor die Parallelschaltung der Leuchtstofflampe 10 und des Resonanzkondensators C1 geschaltet ist, dient als Abblockkondensator, der Gleichstromanteile abblockt.
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Parallel zur Laststrecke des zweiten Halbleiterschaltelements Q2 liegt ein Snubber-Kondensator C3, dessen Aufgabe es ist, einen Nullspannungsschaltbetrieb (Zero Voltage Switching, ZVS) der beiden Halbleiterschaltelemente Q1, Q2 zu ermöglichen.
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In Reihe zu diesem Snubber-Kondensator C3 kann eine Zenerdiode Z4 geschaltet sein, die zusammen mit einer Diode D4 und einem Kondensator C4 eine Ladungspumpe bildet, die einen Teil der Spannungsversorgung der Ansteuerschaltung 20 übernimmt.
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Um in der Ansteuerschaltung 20 ein Ansteuerpotential zur Verfügung stellen zu können, das größer ist als die an den Klemmen anliegende Gleichspannung Vb, ist eine Bootstrap-Schaltung mit einem Kondensator C5, der zwischen den Ausgang K3 der Halbbrückenschaltung Q1, Q2 und einen weiteren Eingang der Ansteuerschaltung 20 geschaltet ist, und einer Diode D5, die zwischen diesen Kondensator und den Ladungspumpenkondensator C4 geschaltet ist, vorhanden. Dieses hohe Ansteuerpotential wird für die Ansteuerung des als High-Side-Schalter dienenden ersten Halbleiterschaltelements S1 benötigt.
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Die Gleichspannung Vb, wird bei derartigen Vorschaltgeräten beispielsweise durch eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung 30 (Power Factor Controller, PFC) zur Verfügung gestellt. Eine derartige PFC-Schaltung 30 ist hinlänglich bekannt und in Figur lediglich aus Gründen der Vollständigkeit dargestellt. Die PFC-Schaltung umfasst einen Hochsetzsteller mit einer Drossel 34, einem weiteren Halbleiterschalter Q30, einer Diode D30 und mit einem Ausgangskondensator C30, der zwischen die Klemmen K1, K2, an denen die Gleichspannung Vb zur Verfügung gestellt wird, geschaltet ist. Die Eingangsspannung dieses Hochsetzstellers liegt an einem Ausgang eines Brückengleichrichters 33 an, der durch eine Wechselspannung Vn beispielsweise eine Netzspannung gespeist ist. Die Ansteuerung des Schalters Q30 der Leistungsfaktorkorrekturschaltung kann ebenfalls durch die Ansteuerschaltung 20 erfolgen, der zur Ansteuerung des Halbleiterschaltelements mehrere Signale zugeführt sind, nämlich über einen Spannungsteiler R32, R34 ein von der Gleichspannung Vb abhängiges Signal, über einen in Reihe zu dem Halbleiterschaltelement Q30 geschalteten Strommesswiderstand R33 ein Strommesswert und über eine Hilfswicklung der Drossel 34 und einen weiteren Widerstand R31 ein den Magnetisierungszustand der Drossel 34 anzeigendes Signal.
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2 zeigt für einen Betriebszustand nach Zünden der Leuchtstofflampe den zeitlichen Verlauf der zwischen einer Ausgangsklemme K3 und Bezugspotential GND anliegenden Ausgangsspannung V2 der Halbbrückenschaltung Q1, Q2, des Stromes Iq2 durch das zweite Halbleiterschaltelement Q2, des Stromes I1 in die an die Halbbrückenschaltung Q1, Q2 angeschlossene Last, sowie der Ansteuersignale S1, S2 der Halbleiterschaltelemente S1, S2.
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Die Halbleiterschaltelemente Q1, Q2 werden hierbei über die Ansteuersignale S1, S2 phasenverschoben jeweils für Einschaltdauern Ton1, Ton2 leitend angesteuert, wobei die Ansteuerperioden Tp der beiden Halbleiterschalter S1, S2 jeweils gleich sind. Die Ansteuerung erfolgt derart, dass zwischen dem Ausschalten eines der beiden Halbleiterschaltelemente und dem Einschalten des anderen eine minimale Ausschaltzeit toff vorhanden ist. Die Einschaltdauern Ton1, Ton2 sind normalerweise jeweils gleich lang, der Duty-Cycle, also das Verhältnis aus Einschaltdauer und Periodendauer beträgt beispielsweise etwa 45%.
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Bei eingeschaltetem ersten Halbleiterschalter S1 und sperrendem zweiten Halbleiterschalter S2 entspricht die Ausgangsspannung V2 der Halbbrückenschaltung Q1, Q2 unter Vernachlässigung des Einschaltwiderstandes des ersten Halbleiterschaltelements Q1 in etwa der zwischen den Klemmen K1, K2 anliegenden Gleichspannung Vb. Aus dieser Spannung resultiert ein Lampenstrom I1, der entgegen der in 1 eingezeichneten Richtung fließt und dessen Betrag mit zunehmender Einschaltdauer des ersten Halbleiterschaltelements S1 zunimmt. Nach Abschalten des ersten Halbleiterschaltelements S1 wird dieser Strom bedingt durch die Induktivität L1 des Reihenschwingkreises L1, C1 zunächst noch aufrechterhalten und entlädt dadurch den parallel zu dem zweiten Halbleiterschaltelement Q2 geschalteten Snubber-Kondensator C3, wodurch die Spannung über der Laststrecke dieses zweiten Halbleiterschaltelements Q2 zu Null wird. Nach Entladung dieses Kondensators C3 übernimmt die Body-Diode des als n-Kanal-MOSFET ausgebildeten zweiten Halbleiterschaltelements Q2 den Lampenstrom I1. Dieser Lampenstrom I1 ändert im zeitlichen Verlauf nach Einschalten des zweiten Halbleiterschaltelements S2 seine Polarität und fließt vor Sperren des zweiten Halbleiterschaltelements S2 in der in 1 eingezeichneten Richtung. Nach dem Sperren des zweiten Halbleiterschaltelements Q2 wird der Snubber-Kondensator C3 über den durch die Induktivität L1 fließenden Strom auf den Wert der Gleichspannung Vb aufgeladen, wobei ein weiterer Spannungsanstieg durch eine integrierte Body-Diode des als n-Kanal-MOSFET ausgebildeten ersten Halbleiterschaltelements begrenzt wird. Das erste Halbleiterschaltelement Q1 wird dabei erst eingeschaltet, nachdem die Spannung an dem Ausgang K3 auf den Wert der Gleichspannung Vb angestiegen ist, und die Spannung über der Laststrecke des ersten Halbleiterschaltelements Q1 somit Null ist.
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Der Snubber-Kondensator C3 bewirkt zusammenfassend, dass das erste und zweite Halbleiterschaltelement Q1, Q2 spannungslos geschaltet werden können, dass diese Halbleiterschaltelemente Q1, Q2 also dann eingeschaltet werden, wenn die Spannung über deren Laststrecke gleich Null ist.
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Bevor die Leuchtstofflampe in den in 2 erläuterten Betriebszustand übergeht, muss ein Zünden der Leuchtstofflampe erfolgen.
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Bezugnehmend auf 2 wird die Leuchtstofflampe hierfür während einer Vorheizdauer Th zunächst vorgeheizt, indem die Halbbrückenschaltung Q1, Q2 bei einer ”Vorheizfrequenz” fph getaktet angesteuert wird. Hieraus resultiert bezugnehmend auf 2 an dem Ausgang K3 der Halbbrückenschaltung Q1, Q2 eine wenigstens annäherungsweise rechteckförmige Spannung mit dieser Vorheizfrequenz. Während der Vorheizphase stellt sich über der Leuchtstofflampe 10 eine Vorheizspannung V10h ein, die zu gering ist, um ein Zünden der Leuchtstofflampe 10 zu bewirken, die jedoch dafür sorgt, dass die Elektroden 11, 12 (vgl. 1) der Leuchtstofflampe 10 auf eine Emissionstemperatur aufgeheizt werden.
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Nach Abschluss dieser Vorheizdauer Th wird die Betriebsfrequenz ausgehend von der Vorheizfrequenz fph stetig reduziert, wodurch die Lampenspannung V10 ansteigt, bis die Lampenspannung V10 zu einem Zündzeitpunkt ti den Wert einer Zündspannung V10ign erreicht und die Leuchtstofflampe 10 zündet. Nach dem Zünden verhält sich die Leuchtstofflampe 10 elektrisch im wesentlichen wie ein ohmscher Widerstand, wodurch die Lampenspannung V10 nach dem Zünden auf einen niedrigeren Wert V10run absinkt, die im weiteren durch eine Normalbetriebsfrequenz fpr aufrechterhalten wird. Dieser Normalbetriebszustand entspricht dem anhand von 2 bereits erläuterten Betriebszustand der Leuchtstofflampe.
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Während der Zündphase können unter Umständen sehr hohe Ströme und sehr hohe Spannungen auftreten, die zu einer Zerstörung des Vorschaltgeräts führen können. Bei dem aus dem Datenblatt PD60182-I, aaO. bekannten Vorschaltgerät ist deshalb vorgesehen, den Strom durch den Low-Side-Schalter der Halbbrückenschaltung zu überwachen und die Halbbrückenschaltung für eine vorgegebene Zeitdauer abzuschalten, wenn dieser Strom einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, bevor eine erneute Vorheizphase und ein erneuter Zündversuch unternommen wird.
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Schwierig ist bei diesem Verfahren insbesondere die Einstellung des Abschaltpegels. Wird dieser Abschaltpegel zu niedrig gewählt, so kann es vorkommen, dass Zündvorgänge häufig abgebrochen werden, obwohl die Lampe bereits bei einer etwas größeren Spannung zünden würde. Wird dieser Abschaltpegel zu hoch gewählt, besteht die Gefahr einer Beschädigung für das Vorschaltgerät.
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Die
DE 102 05 896 A1 beschreibt ein Verfahren zur Ansteuerung einer eine Leuchtstofflampe aufweisenden Last. Zum Zünden der Leuchtstofflampe wird bei diesem Verfahren eine Betriebsfrequenz ausgehend von einer Start-Betriebsfrequenz schrittweise abgesenkt, wobei gleichzeitig ein Zündsignal überwacht wird. Überschreitet das Zündsignal einen ersten Grenzwert, so erfolgt eine Sicherheitsabschaltung und die Betriebsfrequenz wird erhöht. Übersteigt das Zündsignal den ersten Grenzwert nach einer vorherigen Änderung der Betriebsfrequenz nicht, so erfolgt eine weitere schrittweise Absenkung der Betriebsfrequenz. Diese Verfahrensschritte werden solange wiederholt, bis eine minimale Betriebsfrequenz erreicht ist, oder bis eine maximale Zünddauer erreicht ist.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Ansteuerung einer eine Leuchtstofflampe aufweisenden Last zur Verfügung zu stellen, bei dem ein Zündvorgang der Leuchtstofflampe optimiert ist.
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Dieses Ziel wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das wenigstens eine Zündsignal ist ein Signal, dem eine Information über den Zündzustand der Leuchtstofflampe entnommen werden kann. Diese Zündsignal ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise eine über der Leuchtstofflampe anliegende Spannung bzw. ein von dieser Spannung abhängiges Signal, insbesondere der Maximalwert der Amplitude dieser Spannung oder ein dazu proportionales Signal. Darüber hinaus kann das Zündsignal auch ein Strom durch einen Schalter einer Halbbrückenschaltung oder ein von diesem Strom abhängiges Signal, insbesondere der Maximalwert der Amplitude dieses Signals sein.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich grundsätzlich drei unterschiedliche Szenarien für den Zündverlauf unterscheiden:
- – Ein ”normaler Zündverlauf” bei dem das Zündsignal den ersten Grenzwert nie übersteigt, und die Betriebsfrequenz ausgehend von der ersten Betriebsfrequenz stufenweise stets abgesenkt wird, bis die zweite Betriebsfrequenz erreicht ist. Während des stufenweisen Absenkens der Betriebsfrequenz erfolgt hierbei eine Zündung der Leuchtstofflampe, wodurch das Zündsignal auf einen Wert absinkt, der deutlich unterhalb des ersten Grenzwertes liegt.
- – Ein ”zeitweise gestörter Zündverlauf”, bei dem während des stufenweisen Absenkens der Betriebsfrequenz das Zündsignal den ersten Grenzwert übersteigt, wodurch die Betriebsfrequenz vorrübergehend wieder angehoben wird, bei dem die Leuchtstofflampe jedoch noch innerhalb der maximalen Zünddauer zündet und die Betriebsfrequenz noch innerhalb dieser maximalen Zünddauer stufenweise auf den Wert der zweiten Betriebsfrequenz abgesenkt wird.
- – Ein ”permanent gestörter Zündverlauf”, bei dem die Betriebsfrequenz innerhalb der maximalen Zünddauer nicht auf den zweiten Betriebsfrequenzwert abgesenkt werden kann, weil der Betrag des Zündsignals den ersten Grenzwert bei Absenken der Betriebsfrequenz immer wieder übersteigt.
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Die besonderen Vorteile des vorliegenden Verfahrens werden anhand des oben erläuterten temporär gestörten Zündverlaufes deutlich. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, die Spannung über der Leuchtstofflampe für eine längere Zeitdauer, die kürzer als die maximale Zünddauer ist, auf einem vergleichsweise hohen Pegel zu halten, bis eine zunächst ”zündunwillige” Leuchtstofflampe doch noch zündet. Eine solche anfängliche ”Zündunwilligkeit” kann beispielsweise daraus resultieren, dass die Leuchtstofflampe während der der Zündphase vorangegangenen Vorheizphase nicht auf eine ausreichend hohe Emissionstemperatur der Elektroden aufgeheizt wurde, wofür beispielsweise sehr niedrige Umgebungstemperaturen ursächlich sein können.
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Erfindungsgemäß wird das Zündsignal zusätzlich mit einem zweiten Grenzwert verglichen, der höher als der erste Grenzwert liegt, wobei die Ansteuerung der Last vollständig unterbrochen wird, wenn das wenigstens eine Zündsignal diesen zweiten Grenzwert übersteigt. Hierdurch ist sichergestellt, dass die Ansteuerung der Last sofort unterbrochen wird, wenn beispielsweise im Normalbetrieb bei einer Betriebsfrequenz in der Nähe der Resonanzfrequenz die Lampe plötzlich entfernt wird und damit die Dämpfung des Schwingkreises durch die Lampenlast entfällt, wodurch die Spannung an der Lampenfassung in wenigen Schwingungen stark ansteigt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bei dem die Betriebsfrequenz während der Zünddauer stufenweise abgesenkt wird, können jeweils gleiche Frequenzschritte für das stufenweise Absenken vorgesehen werden, so dass die Betriebsfrequenz mit jedem Absenkungsschritt um einen gleichen Frequenzwert verringert wird. Die Amplitude des Frequenzschrittes beim Erhöhen der Betriebsfrequenz, nachdem das überwachte Zündsignal den ersten Grenzwert überstiegen hat, kann dabei der Höhe des Frequenzschrittes beim Absenken entsprechen. Die Amplitude des Frequenzschrittes beim Erhöhen kann jedoch auch unterschiedlich zur Amplitude des Frequenzschrittes beim Absenken der Betriebsfrequenz gewählt werden. Vorzugsweise ist der Frequenzschritt beim Erhöhen der Betriebsfrequenz etwas größer als der Frequenzschritt beim vorherigen Absenken, um nach dem Erhöhen der Betriebsfrequenz zu erreichen, dass das überwachte Zündsignal bzw. die Lampenspannung sicher unter den ersten Grenzwert absinkt.
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Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, die Amplitude der Frequenzschritte variabel zu gestalten und insbesondere abhängig vom Absolutwert der Betriebsfrequenz zu wählen. So besteht die Möglichkeit, zu Beginn der Zünddauer, wenn die Betriebsfrequenz noch einen vergleichsweise hohen Wert besitzt, die Frequenzschritte höher zu wählen als bei kleineren Betriebsfrequenzen, wenn bereits eine Absenkung der Betriebsfrequenz erfolgt ist. Die Amplitude der Frequenzschritte kann insbesondere proportional zum Momentanwert der Betriebsfrequenz gewählt werden, der zu einem Zeitpunkt unmittelbar vor Durchführen eines nächsten Änderungsschrittes vorliegt.
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Die maximale Zünddauer, nach der die Ansteuerung der Last unterbrochen wird, wenn die Betriebsfrequenz bis dahin nicht auf den zweiten Betriebsfrequenzwert abgesunken ist, wird abhängig von der jeweiligen Last und den gewählten Betriebsfrequenzwerten zwischen 0,1 Sekunde und 1 Sekunde gewählt.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren näher erläutert:
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1 zeigt eine Ansteuerschaltung für eine eine Leuchtstofflampe aufweisenden Last nach dem Stand der Technik.
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2 veranschaulicht die Funktionsweise der Ansteuerschaltung nach 1 für eine Betriebsphase nach Zünden der Leuchtstofflampe anhand ausgewählter in der Ansteuerschaltung vorkommender Signale der Schaltung nach 1.
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3 veranschaulicht das Vorgehen zur Zündung der Leuchtstofflampe anhand zeitlicher Verläufe einer Betriebsfrequenz der Ansteuerschaltung und einer Spannung über der Leuchtstofflampe.
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4 veranschaulicht ausschnittsweise eine Ansteuerschaltung für eine eine Leuchtstofflampe aufweisende Last, wobei die Ansteuerschaltung Mittel zur Bereitstellung von Zündsignalen aufweist.
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5 veranschaulicht den zeitlichen Verlauf einer Spannung über der Leuchtstofflampe für eine Betriebsphase vor Zünden der Leuchtstofflampe und eine Betriebsphase nach Zünden der Leuchtstofflampe.
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6 veranschaulicht das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines ersten Zündszenarios, bei dem eine Leuchtstofflampe ordnungsgemäß zündet.
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7 veranschaulicht das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines zweiten Zündszenarios, bei dem eine zunächst zündunwillige Leuchtstofflampe noch innerhalb einer Zünddauer zündet.
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8 veranschaulicht das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines dritten Zündszenarios, bei dem eine Leuchtstofflampe innerhalb einer maximalen Zünddauer nicht zündet.
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9 veranschaulicht den Verlauf der Betriebsfrequenz und der Spannung über der Leuchtstofflampe ab Beginn einer Ansteuerung bis zum Übergang in einen Normalbetriebszustand nach Zünden der Leuchtstofflampe.
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10 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand des zweiten Zündszenarios.
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In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile und Signale mit gleicher Bedeutung.
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Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren zur Ansteuerung einer eine Leuchtstofflampe aufweisenden Last ist die Überwachung wenigstens eines Zündsignals, also eines Signals, das sich mit Zünden der Leuchtstofflampe ändert und das somit eine Information über den Zündstatus der Leuchtstofflampe enthält.
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Die Erzeugung zweier unterschiedlicher solcher Zündsignale IGN1 IGN2 wird nachfolgend anhand von 4 kurz erläutert. 4 zeigt einen Teil einer Ansteuerschaltung für eine eine Leuchtstofflampe 10 aufweisenden Last. Diese Ansteuerschaltung entspricht weitgehend der eingangs anhand von 1 erläuterten Ansteuerschaltung, wobei entsprechende Bauteile und Signale mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet sind. Bezüglich des grundsätzlichen Aufbaus dieser Ansteuerschaltung mit einer Halbbrückenschaltung Q1, Q2 und einer an die Halbbrückenschaltung Q1, Q2 angeschlossenen Last, die einen Reihenschwingkreis L1, C1 und eine Leuchtstofflampe 10 aufweist, wird auf die Ausführungen zu 1 verwiesen.
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Zur Erzeugung eines ersten Zündsignals IGN1 umfasst die Ansteuerschaltung einen Spannungsteiler R1, R2, der zwischen Anschlüsse 11, 12 der Leuchtstofflampe 10 geschaltet ist, wobei das Zündsignal IGN1 an einem Mittenabgriff dieses Spannungsteilers R1, R2 abgreifbar ist. Das erste Zündsignal IGN1 ist ein Spannungssignal, das gegen Bezugspotential GND anliegt.
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Zur Bereitstellung eines zweiten Zündsignals IGN2 weist die Ansteuerschaltung einen Strommesswiderstand R3 auf, der in zu dem zweiten Halbleiterschaltelement Q2 geschaltet ist und dessen einer Anschluss an Bezugspotential GND liegt. Das zweite Zündsignal IGN2 ist ebenfalls ein Spannungssignal, das gegen Bezugspotential GND anliegt.
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Das erste Zündsignal IGN1 ist proportional zu der Spannung V10 über der Leuchtstofflampe und ist damit sowohl vor als auch nach Zünden der Leuchtstofflampe ein periodisches, um einen Mittelwert schwankendes Signal, wie nachfolgend anhand von 5 erläutert ist.
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5 veranschaulicht den zeitlichen Verlauf der Spannung V10 über der Leuchtstofflampe für einen Betriebszustand vor Zünden der Leuchtstofflampe und einen Betriebszustand nach Zünden der Leuchtstofflampe, wobei dieser zeitliche Verlauf qualitativ dem zeitlichen Verlauf des ersten Zündsignals IGN1 entspricht. Die Kurve für den Spannungsverlauf vor Zünden der Leuchtstofflampe ist dabei mit V10i bezeichnet, und die Kurve für den zeitlichen Verlauf der Spannung nach Zünden der Leuchtstofflampe ist mit V10r bezeichnet.
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Der Spannungsverlauf V10r nach Zünden der Leuchtstofflampe gleicht dem Verlauf des anhand von 2 erläuterten Lampenstromes, woraus deutlich wird, dass sich die Leuchtstofflampe nach dem Zünden im Wesentlichen wie ein Ohmscher Widerstand verhält. Die Frequenz, mit der die Lampenspannung V10r nach dem Zünden variiert entspricht der Betriebsfrequenz, mit der die beiden Transistoren Q1, Q2 der Halbbrückenschaltung angesteuert werden.
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Vor dem Zünden der Leuchtstofflampe liegt ein sinusförmiger Spannungsverlauf V10i vor, dessen Frequenz der Betriebsfrequenz entspricht, mit der die beiden Halbleiterschaltelemente Q1, Q2 angesteuert sind. Zur Vereinfachung der Darstellung ist in 5 für die zeitlichen Verläufe der Lampenspannung vor dem Zünden der Leuchtstofflampe und nach dem Zünden der Leuchtstofflampe jeweils dieselbe Frequenz gewählt.
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Kritisch für die Ansteuerschaltung sind vor Zünden der Leuchtstofflampe insbesondere die Spannungsspitzen dieser sinusförmigen Lampenspannung V10i. Mit +V1 bzw. –V1 sind in 5 symmetrisch zum Nullpunkt liegende erste Grenzwerte bezeichnet, die so gewählt sind, dass die Gefahr einer Beschädigung der Ansteuerschaltung besteht, wenn die in dem Beispiel auf den Nullpunkt bezogenen Maximalwerte der Lampenspannung V10i für einen längeren Zeitraum diese ersten Grenzwerte immer wieder erreichen.
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In 5 sind des Weiteren zweite Grenzwerte +V2, –V2 eingezeichnet, die so gewählt sind, dass die unmittelbare Gefahr einer Beschädigung der Ansteuerschaltung besteht, wenn die Maximalwerte der Lampenspannung V10i diese zweiten Grenzwerte V2 erreichen.
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Um ein Erreichen der ersten oder zweiten Grenzwerte durch die Lampenspannung V10 zu überwachen könnten die zuvor erläuterten Zündsignale IGN1, IGN2 unmittelbar verwendet werden, indem erste und zweite Zündsignalgrenzwerte erzeugt werden, die proportional sind zu den ersten und zweiten Grenzwerten +V1, –V1, +V2, –V2 gemäß 5, wobei die Proportionalitätsfaktoren so gewählt sind, dass sie den Proportionalitätsfaktoren zwischen der Lampenspannung V10 und dem ersten bzw. zweiten Zündsignal entsprechen. Während der positiven Halbwellen des jeweils betrachteten Zündsignals wird das Zündsignal dann mit dem jeweiligen positiven Grenzwert und während der negativen Halbwelle mit dem jeweiligen negativen Grenzwert verglichen.
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Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit als Zündsignale die Beträge der anhand von 4 erläuterten Signale IGN1, IGN2 zu verwenden, was den Vorteil besitzt, dass diese Signale nur mit jeweils einem (positiven) Amplitudenwert verglichen werden müssen, um zu ermitteln, ob die Amplitude der Lampenspannung einen ersten oder zweiten kritischen Wert übersteigt.
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Vorteilhafte werden als Zündsignale die Beträge der Maximalwerte der anhand von 4 erläuterten Signale verwendet. Solche Maximalwertsignale können aus den vor Zünden der Leuchtstofflampe sinusförmigen Zündsignalen IGN1, IGN2 in hinlänglich bekannter Weise durch eine Schaltung erzeugt werden, die den Betrag der Zündsignale IGN1, IGN2 bildet und den Maximalwert dieses Signals ermittelt. Der Spitzenwert des Stromes Iq2 durch den Low-Side-Schalter Q2 ist proportional zum Spitzenwert der Lampenspannung V10i wodurch ein auf diese Weise erzeugtes Zündsignal proportional zu dem Spitzenwert der Lampenspannung ist, während der zeitliche Verlauf dieses Transistorstromes Iq2 phasenverschoben gegenüber dem zeitlichen Verlauf der Lampenspannung V10i.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ansteuerung der die Leuchtstofflampe 10 aufweisenden Last unter Verwendung eines Zündsignals, beispielsweise eines der Zündsignale IGN1, IGN2 nach 4 wird für ein erstes Zündszenario, bei dem die Leuchtstofflampe ordnungsgemäß zündet, anhand von 6 erläutert. Verwendet wird als Zündsignal hierbei insbesondere der Maximalwert der Amplitude eines dieser Signale, der in den nachfolgenden Figuren mit IGNmax bezeichnet ist.
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6a zeigt dabei den zeitlichen Verlauf der Betriebsfrequenz fp, mit der die Halbleiterschaltelemente Q1, Q2 der Halbbrückenschaltung angesteuert werden, und 6b zeigt den zeitlichen Verlauf des Zündsignals, das insbesondere proportional ist zum Maximalwert der Lampenspannung V10.
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Bei der erfindungsgemäßen Verfahren ist bezugnehmend auf 6a vorgesehen, die Betriebsfrequenz fp von einem Ausgangsfrequenzwert fph, der beispielsweise der Betriebsfrequenz beim Vorheizen entspricht, zu Beginn einer Zündperiode Ti stufenweise abzusenken. Die Absenkung erfolgt in dem Beispiel in jeweils gleichen Frequenzstufen bzw. Frequenzschritten Δf1. Das Zündsignal IGNmax, das in dem Beispiel proportional zu dem Maximalwert der Lampenspannung V10 ist, steigt mit jeder Absenkung der Betriebsfrequenz fp zunächst an, bis die Leuchtstofflampe zu einem Zeitpunkt ti zündet und die Lampenspannung, und somit auch das Zündsignal IGNmax wieder absinkt. Das Verfahren sieht vor, das Zündsignal permanent zu überwachen und mit einem ersten Grenzwert V1 zu vergleichen, der von dem zuvor anhand von 5 erläuterten Grenzwert V1 abhängig ist bzw. proportional zu diesem Grenzwert ist. Bei dem Verfahren erfolgt ein Absenken der Betriebsfrequenz fp nur dann, wenn innerhalb einer Verzögerungsdauer Td nach einer Änderung der Betriebsfrequenz das Zündsignal IGNmax den ersten Grenzwert V1' nicht erreicht oder übersteigt.
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Bei dem anhand der 6a und 6b dargestellten Zündszenario, bei dem das Zündsignal IGNmax den ersten Grenzwert V1' nie erreicht, wird die Frequenz somit in regelmäßigen, durch die Verzögerungsdauer Td vorgegebenen Zeitabständen jeweils um den Frequenzschritt Δf1 abgesenkt, bis die Betriebsfrequenz einen zweiten Betriebsfrequenzwert fr erreicht, der der Betriebsfrequenz für den Normalbetrieb der Leuchtstofflampe nach der Zündung entspricht.
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Wenngleich in dem Beispiel gemäß 6a die Frequenzschritte Δf1 bei der stufenweisen Absenkung der Betriebsfrequenz fp jeweils gleich groß gewählt sind, besteht selbstverständlich auch die Möglichkeit, diese Frequenzschritte in ihrer Höhe zu variieren, und insbesondere abhängig vom Momentanwert der Betriebsfrequenz fp vor der jeweiligen Frequenzabsenkung zu machen. So besteht beispielsweise die Möglichkeit, die Höhe der Frequenzschritte proportional zum Momentanwert der Betriebsfrequenz fp zu wählen, so dass bei einer anfänglich noch hohen Betriebsfrequenz fp größere Frequenzschritte als bei einem weiteren Verlauf kleineren Betriebsfrequenz fp vorgenommen werden.
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Die besonderen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich bei der Ansteuerung einer zunächst zündunwilligen Leuchtstofflampe. Ein Zündszenario einer solchen Leuchtstofflampe wird nachfolgend anhand der 7a und 7b erläutert.
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Bei dem in diesen Figuren dargestellten Zündszenario erreicht das Zündsignal IGNmax nach einem stufenweisen Absenken der Betriebsfrequenz fp jeweils um Frequenzschritte Δf1 zu einem Zeitpunkt t1 den ersten Grenzwert V1'. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht nun vor, die Betriebsfrequenz sofort um einen vorgegebenen zweiten Frequenzschritt Δf2 anzuheben, wenn das Zündsignal IGNmax den ersten Grenzwert V1' erreicht. Die Höhe dieses zweiten Frequenzschrittes Δf2 ist in dem Ausführungsbeispiel gleich der Höhe des ersten Frequenzschrittes Δf1 gewählt, kann jedoch auch verschieden zu dem ersten Frequenzschritt Δf1, insbesondere größer als der erste Frequenzschritt Δf1 gewählt werden. Das Zündsignal IGNmax sinkt infolge der Anhebung der Betriebsfrequenz fp wieder unter den ersten Grenzwert V1' ab, wodurch die Betriebsfrequenz fp nach Ablauf der Verzögerungsdauer Td nach der letzten Änderung der Betriebsfrequenz, nämlich dem Anheben der Betriebsfrequenz um den zweiten Frequenzschritt Δf2, wieder um den ersten Frequenzschritt hf1 abgesenkt wird. Das Zündsignal IGNmax steigt daraufhin erneut an, da ein Zünden der Leuchtstofflampe noch nicht erfolgt ist, um zu einem Zeitpunkt t2 erneut den ersten Grenzwert V1' zu erreichen. Die Betriebsfrequenz fp wird daraufhin zu diesem Zeitpunkt t2 wieder um den zweiten Frequenzschritt Δf2 angehoben, woraufhin die Spannung über der Leuchtstofflampe und damit das Zündsignal IGNmax wieder unter den Wert des ersten Grenzwertes V1' absinkt. Ein Zünden der Leuchtstofflampe erfolgt in dem Beispiel zu einem Zeitpunkt ti noch während sich die Betriebsfrequenz fp auf dem höheren Niveau befindet. Da das Zündsignal IGNmax im weiteren Verlauf den ersten Grenzwert V1' nicht mehr erreicht, wird die Betriebsfrequenz im weiteren stufenweise jeweils um den ersten Frequenzschritt Δf1 schrittweise abgesenkt, bis der zweite Betriebsfrequenzwert fr erreicht ist. Diese zweite Betriebsfrequenz fr wird dabei noch erreicht, bevor das Ende der vorgegebenen Zündperiode Ti erreicht ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Lampenspannung somit für eine vorgegebene Zeit auf einem vergleichsweise hohen Pegel gehalten werden, der so gewählt ist, dass bei temporärem Vorliegen einer solchen Spannungsbelastung keine Gefahr einer Beschädigung einer Steuerschaltung besteht. Anstelle die Ansteuerung sofort zu unterbinden, wenn die Lampenspannung einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt bzw. wenn das Zündsignal den ersten Grenzwert V1' erreicht, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Betriebsfrequenz während der Zündperiode stufenweise variiert, um die Lampenspannung bei einer zunächst zündunwilligen Lampe auf einem durch den ersten Grenzwert V1' vorgegebenen vergleichsweise hohen Wert zu halten, um doch noch ein Zünden der Leuchte zu bewirken. Ein Anheben der Betriebsfrequenz erfolgt dabei unmittelbar dann, wenn das Zündsignal IGNmax den ersten Grenzwert V1' erreicht, ein weiteres stufenweises Absenken der Betriebsfrequenz fp erfolgt nur dann, wenn das Zündsignale IGNmax innerhalb einer Verzögerungsdauer Td nach der letzten Änderung der Betriebsfrequenz den ersten Grenzwert V1' nicht erreicht.
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Die Verzögerungsdauer Td ist vorzugsweise so gewählt, dass innerhalb dieser Verzögerungsdauer der in Reihe zu der Leuchtstofflampe 10 geschaltete Resonanzschwingkreis mit der Resonanzspule L1 und dem Resonanzkondensator C1 einschwingen kann. Die Verzögerungsdauer beträgt somit vorzugsweise wenigstens eine Periodendauer dieses Schwingkreises.
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In 7 nicht dargestellt ist der Fall, bei dem das Zündsignal IGN nach Erhöhung der Frequenz fp und Abwarten der Wartedauer Td immer noch oberhalb des ersten Grenzwertes V1' liegt. In diesem Fall wird die Frequenz fp erneut um einen Frequenzschritt Δf2 angehoben, wobei nach Ablauf einer weiteren Verzögerungsdauer Td eine erneute Auswertung vorgenommen wird, um die Frequenz weiter anzuheben oder abzusenken.
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In den 8a und 8b ist ein Zündszenario für eine Leuchtstofflampe veranschaulicht, die innerhalb der Zündperiode Ti nicht zündet, obwohl die Lampenspannung bedingt durch das abwechselnde Absenken und Anheben der Betriebsfrequenz für eine längeren Zeitraum auf einem hohen Spannungspegel gehalten wird. Um eine Überlastung der Ansteuerschaltung zu verhindern ist bei dem Verfahren deshalb vorgesehen, die Ansteuerung der Last mit der Leuchtstofflampe nach Ablauf der Zünddauer Ti zu beenden, wenn die Betriebsfrequenz fp innerhalb dieser Zünddauer Ti nicht bis auf den zweiten Betriebs frequenzwert Fr abgesenkt werden kann. Die Ansteuerung der Last wird in dem Beispiel dadurch unterbunden, dass die Ansteuerung der beiden Schalter Q1, Q2 ausgesetzt wird, wodurch beide Schalter Q1, Q2 sperren.
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10 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei diesem Verfahren wird während der Zündperiode jeweils periodisch in regelmäßigen Zeitintervallen Td, die mindestens mehrere Perioden der Betriebsfrequenz fp auseinander liegen, entschieden, ob die Betriebsfrequenz fp um einen ersten Frequenzschritt Δf1 verringert oder um einen zweiten Frequenzschritt Δf2 erhöht wird. Der erste und zweite Frequenzschritt sind dabei vorzugsweise gleich.
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Für die Entscheidung, ob die Frequenz fp abgesenkt oder erhöht wird, wird ermittelt, ob das Zündsignal IGN während eines dem Entscheidungszeitpunkt vorhergehenden Intervalls Ta den ersten Grenzwert wenigstens einmal überschritten hat. Die Zeitdauer dieses Intervalls Ta ist dabei vorzugsweise kürzer als die Dauer des Zeitintervalls bzw. der Verzögerungsdauer Td. Die Dauer des Zeitintervalls Td ist vorzugsweise so bemessen, dass während der Zeit beginnend mit dem Zeitpunkt der Frequenzänderung um einen Frequenzschritt Δf1 bzw. Δf2 bis zum Beginn des Zeitintervalls Ta die Schwingungsamplitude des Resonanzschwingkreises sich auf die geänderte Frequenz einstellt. Wenn das Zündsignal IGN während dieses Auswerte-Intervalls Ta den ersten Grenzwert wenigstens einmal überschritten hat, wird die Betriebsfrequenz angehoben, was in 10 zu den Zeitpunkten t4 und t6 erfolgt. Wenn das Zündsignal IGN während dieses Intervalls Ta den ersten Grenzwert hingegen nicht überschritten hat, wird die Betriebsfrequenz abgesenkt, was in 10 beispielsweise zu den Zeitpunkten t3 und t5 dargestellt ist.
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Zusammenfassend sieht das erfindungsgemäße Verfahren bezugnehmend auf die 6 bis 8 vor, die Betriebsfrequenz fp ausgehend von einem Anfangswert stufenweise abzusenken, dabei das Zündsignal zu überwachen und die Betriebsfrequenz nach einer erfolgten Änderung nur dann um eine weitere Frequenzstufe abzusenken, wenn innerhalb eines Zeitintervalls Ta das überwachte Zündsignal einen ersten Grenzwert V1' nicht erreicht. Erreicht das Zündsignal IGNmax den ersten Grenzwert V1' so wird die Betriebsfrequenz unmittelbar um einen Frequenzschritt Δf2 oder am Ende der Verzögerungszeit Td angehoben, um ein weiteres Ansteigen der zu dem Zündsignal in Beziehung stehenden Lampenspannung zu verhindern.
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Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren auch ein Vergleich des Zündsignals IGNmax mit einem zweiten Grenzwert V2', wobei die Ansteuerung der Last sofort unterbrochen wird, wenn das Zündsignal IGNmax diesen zweiten Grenzwert V2' erreicht. Dieser zweite Grenzwert ist so gewählt, dass er beispielweise dann erreicht wird, wenn keine Leuchtstofflampe vorhanden ist bzw. wenn diese beschädigt ist.
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Bei dem Verfahren besteht insbesondere die Möglichkeit, ein erstes und ein zweites Zündsignal vorzusehen, wobei das erste Zündsignal zur Überwachung des ersten und Grenzwertes und das zweite Zündsignal zum Überwachen des zweiten Grenzwertes dient.
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9 zeigt der Vollständigkeit halber den zeitlichen Verlauf der Betriebsfrequenz fp und der Lampenspannung V10 ab Beginn der Ansteuerung der Last bis zu einem Zeitpunkt nach Zünden der Leuchtstofflampe. Vorzugsweise ist hierbei eine Softstart-Phase vorhanden, während der die Frequenz von einem hohen Anfangswert fs auf den Vorheizwert fph abgesenkt wird, wobei während dieser Softstart-Phase Ts die Lampenspannung V10 von Null auf den Vorheizwert ansteigt. Nach Ablauf der Vorheizdauer Th wird die Betriebsfrequenz fp ausgehend von dem Vorheizfrequenzwert fph erfindungsgemäß stufenweise abgesenkt, wobei in dem dargestellten zeitliche Verlauf die Lampenspannung V10 für eine Zeitdauer um den Wert des ersten Grenzwertes V1 schwankt, bis die Lampe zündet und die Betriebsfrequenz fp schließlich auf den zweiten Betriebsfrequenzwert fr abgesenkt wird.