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Die Erfindung betrifft ein Vorschaltgerät und ein Verfahren, das es erlaubt, eine Änderung in einer Wechselrichterfrequenz eines Lastkreises zu ermitteln, daraus auf eine Temperaturänderung an/in einer Gasentladungslampe zu schließen und eine Heizleistung in einem Heizkreis in Abhängigkeit von der ermittelten Änderung zu steuern/regeln. Die Erfindung betrifft weiter eine Schaltung zur Durchführung des Verfahrens.
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Es ist aus der
WO 01/76325 (
EP 1 269 801 B1 ) bekannt, Gasentladungslampen bei niedrigen Dimmwerten und auch vor einem Zünden der Gasentladungslampen zu beheizen. Weiter ist bekannt, in einem Vorschaltgerät mit einer Lampenstromzuführung und einer Heizstromzuführung eine gemeinsame Steuerschaltung für die Heiz- und Lampenstromsteuerung vorzusehen, mit der ein elektronisches Schaltelement gesteuert wird. Mit der Steuerschaltung werden beim Dimmen einer Leuchtstofflampe die Amplitude und/oder die Frequenz eines Wechselrichters des Vorschaltgeräts variiert. Eine Heizstromeinstellung erfolgt durch periodisches Ein- und Ausschalten des Schalterelements mit einer Frequenz, die der halben Frequenz des Wechselrichters entspricht oder gleich ist wie diese. Damit ist die Steuerung der Heizleistung abhängig von der Wechselrichterfrequenz und damit abhängig vom Dimmwert. Ein Summenstrom aus Entladestrom und Heizstrom wird als Rückführsignal verwendet.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt sogenannte gesteuerte Heizkreise („open-loop”) zum Beheizen von Wendeln zu verwenden. Dabei wird ausgehend von einem einer Steuerschaltung bekannten Dimmwert ein die Heizleistung beeinflussender Parameter (beispielsweise die Ton-Zeit eines Konverters) ohne Rückführsignal eingestellt. Die Steuerschaltung nimmt also den Dimmwert entgegen und steuert danach den Heizkreis. Dies ist schematisch in den 1 und 2 gezeigt. Dabei stellt 1 schematisch ein Vorschaltgerät nach dem Stand der Technik dar, an das eine Lampe angeschlossen ist.
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Seine Funktionsweise ist in 2 verdeutlicht. Der Heizkreis wird in direkter Abhängigkeit von dem Sollwert gesteuert.
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Die Wendeln einer Gasentladungslampe werden sowohl durch einen Entladungsstrom aus einem Lastkreis als auch durch einen Heizstrom aus einem Heizkreis erwärmt. Bei niedrigen Dimmwerten wird der Entladungsstrom stark reduziert, so dass der Heizstrom erhöht werden muss, um die Temperatur der jeweiligen Wendel auf einem gewünschten Wert der Emissionstemperatur zu halten. Die Reduktion des Entladestrom muss deshalb durch eine Erhöhung des Heizstroms kompensiert werden.
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Die gewünschte Genauigkeit stellt sich allerdings nur dann ein, wenn die Heizleistung tatsächlich nur von dem Dimmwert abhängt. Es wird jedoch nicht berücksichtigt, dass bei identischem Dimmwert die erforderliche Heizleistung und auch die (Halbbrücken-)Wechselrichterfrequenz nicht konstant sein muss, da ein weiterer, die Frequenz und somit die erforderliche Heizleistung beeinflussender Parameter, die Temperatur der Lampe ist. So kann es zu einer Variation der Halbbrückenfrequenz und somit der erforderlichen Heizleistung bei konstantem Dimmwert kommen.
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Diese Variation wird im Stand der Technik nicht berücksichtigt. Insbesondere werden Änderungen an der Lampenphysik, z. B. durch Alterung, Kühlung, usw., nicht berücksichtigt.
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Die Erfindung schlägt daher vor, eine Änderung in der Lampenphysik direkt oder indirekt zu erfassen und eine Heizleistung in einem offenen Regelkreis („open-loop”), also einem Regelkreis ohne Rückführung eines Istwerts, zu steuern. Die vorliegende Erfindung bezieht sich dabei lediglich auf eine Bestimmung einer Abweichung einer Wechselrichterfrequenz z. B. bei gleichbleibendem Dimmwert.
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Die vorliegende Erfindung löst die oben genannte Aufgabe durch Bereitstellung eines Vorschaltgeräts, eines Verfahrens zum Steuern einer Heizleistung sowie einer Schaltung zur Durchführung dieses Verfahrens, wie es/sie mit den unabhängigen Ansprüchen beansprucht wird. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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In einem Aspekt stellt die Erfindung ein Vorschaltgerät für mindestens eine Gasentladungslampe bereit, mit einem von einem getakteten Wechselrichter versorgten Lastkreis, an den die Gasentladungslampe anzuschließen ist einem Heizkreis für wenigstens eine Wendel der Gasentladungslampe, und einer Steuerschaltung, die den Heizkreis und den Wechselrichter ansteuert. Die Steuerschaltung ist dazu ausgelegt, ein die durch den Heizkreis übertragene Heizleistung bestimmendes Ausgangssignal abhängig von der gerade durch die Steuerschaltung in einem Regelkreis ermittelten und angesteuerten Frequenz der Taktung des Wechselrichters einzustellen.
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Der Heizkreis kann einen primärseitig durch einen Schalter PWM-getakteten Transformator aufweisen, dessen Steuergröße vorzugsweise die Ton-Zeit des Schalters ist.
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Die Steuerschaltung kann die Heizleistung erhöhen, wenn sich die Frequenz der Taktung des Wechselrichters erhöht oder der Dimmwert verringert.
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Eine Änderung der Frequenz der Taktung des Wechselrichters kann eine Temperaturänderung an der Lampe anzeigen.
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In der Steuerschaltung kann mindestens eine Kennlinie hinterlegt sein, die die Abhängigkeit der Frequenz der Taktung des Wechselrichters von einem Dimmwert für eine Normtemperatur der Gasentladungslampe wiedergibt.
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Eine Kennlinie kann in Abhängigkeit von einem erkannten Typ der Gasentladungslampe ausgewählt werden.
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Die Steuerschaltung kann aufgrund einer Abweichung der Frequenz der Taktung des Wechselrichters bei einem bestimmten Dimmwert von einer Norm-Frequenz eine Abweichung der Lampentemperatur von der Normtemperatur erfassen.
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Die Abweichung der Frequenz der Taktung des Wechselrichters von der Norm-Frequenz durch die Steuerschaltung kann in einem zweistufigen Einstellverfahren für die Steuerung der Heizleistung verwendet.
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Die Wechselrichterfrequenz kann sich aus der Regelschleife und dem Regelalgorithmus ergeben.
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In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zum Steuern einer Heizleistung in einem Heizkreis für eine Gasentladungslampe bereit, mit den Schritten: Ansteuern eines Lastkreises mit einem getakteten Wechselrichter, an den die Gasentladungslampe anzuschließen ist, durch eine Steuerschaltung Ansteuern eines Heizkreises für wenigstens eine Wendel der Gasentladungslampe und des Wechselrichter durch die Steuerschaltung. Die Steuerschaltung steuert ein die durch den Heizkreis übertragene Heizleistung bestimmendes Ausgangssignal abhängig von der gerade durch die Steuerschaltung in einem Regelkreis ermittelten und der angesteuerten Frequenz der Taktung des Wechselrichters ein.
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In noch einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung eine Schaltung, insbesondere μC oder ASIC, bereit, die zur Durchführung eines Verfahrens, wie es oben beschrieben ist, ausgebildet ist.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden mit Blick auf die Figuren beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt schematisch ein Vorschaltgerät nach dem Stand der Technik.
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2 zeigt schematisch eine Regelung der Heizleistung nach dem Stand der Technik.
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3 zeigt schematisch eine Steuerung der Heizleistung nach der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung steuert den Heizkreis abhängig von der aktuellen Wechselrichterfrequenz. Hintergrund ist, dass Änderungen an der Lampenphysik sich auf das Verhalten Lampe und damit auf den Leistungs- und/oder Stromregelkreis auswirken. Insbesondere wirkt sich z. B. eine Veränderung der Temperatur in/an der Lampe auf die Frequenz aus, mit der der (Halbbrücken-)Wechselrichter, der die Lampe mit einer Wechselspannung versorgt, arbeitet.
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Um eine Verfeinerung der „open-loop” Heizleistungssteuerung zu erreichen, kann beispielsweise die Steuerschaltung SS (z. B. ASIC, Mikrokontroller) die Frequenz mit der der Wechselrichter getaktet ist oder einen diese wiedergebenden Parameter ermitteln und für die Steuerung/Regelung des Heizkreises verwenden.
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So kann insbesondere die Taktung/die Ton Zeit eines primärseitigen Schalters des Heizkreises abhängig von der bekannten Frequenzinformation eingestellt werden. Da sich die Frequenzinformation für den Wechselrichter aus der Leistungs- und/oder Stromregelung für die Gasentladungslampe ergibt, wird über die Frequenzinformation eine Kompensation von Temperaturschwankungen der Lampe berücksichtig. Der Ansatz erfolgt somit ohne Messung und Rückführung eines Messwerts.
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Die Frequenzabhängigkeit kann beispielsweise wie folgt für die Heizleistungssteuerung verwendet werden:
Je höher die Wechselrichterfrequenz ist, desto geringer ist der Dimmgrad und desto höher muss die Heizleistung sein. Daher muss z. B. die Ton Zeit bei Erhöhung der Wechselrichterfrequenz länger werden.
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Vorzugsweise ist in der Steuerschaltung mindestens eine Normkennlinie hinterlegt, die die Abhängigkeit der Frequenz von dem Dimmwert für eine Normtemperatur der Lampe wiedergibt. Die Steuerschaltung kann so ermitteln, dass, aufgrund einer Abweichung der Wechselrichterfrequenz (die sich aus der Regelschleife und dem Regelalgorithmus ergibt) von der Norm-Frequenz bei einem bestimmten Dimmwert, eine Abweichung der Temperatur an/in der Lampe von der Normtemperatur vorliegt. Die Abweichung der Frequenz von der Norm-Frequenz und damit von der Normkennlinie kann für die Steuerung/Regelung der Heizleistung berücksichtigt werden. Die Steuerschaltung SS wird bei einer Abweichung in der Wechselrichterfrequenz folglich die Heizleistung senken oder erhöhen.
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3 zeigt schematisch die Steuerung nach der Erfindung. Der Steueralgorithmus bestimmt aufgrund der ermittelten Differenz zwischen Ist- und Sollwert eine Änderung der Wechselrichterfrequenz. Daraus bestimmt er die Stellgröße für den Heizkreis. Der Steueralgorithmus kann aus der Differenz auch einen Parameter, der die Temperatur an/in der Lampe wiedergibt, berechnen und, ausgehend von einem Vergleich der Ist-Temperatur und der Soll-Temperatur, z. B. anhand der Kennlinie, den Heizkreis entsprechend steuern. Der Steueralgorithmus kann also beispielweise einen die Temperatur in/an der Lampe wiedergebenden Parameter ermitteln.
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Es können dabei auch mehrere Kennlinien hinterlegt sein, die z. B. Abhängig vom Betriebszustand der Lampe sind und/oder von einem Lampentyp, der von der Steuerschaltung SS erkannt wird. Diese Kennlinien können dann auch, z. B. durch ein Software-Update, verändert werden. Werden mehrere Lampen am Lastkreis betrieben, so kann für jede Lampe eine oder mehrere Kennlinien hinterlegt sein oder je nach Lampe und/oder Zustand eine Kennlinie ausgewählt werden.
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Zur Steuerung der Heizleistung kann die Steuerschaltung SS einen primärseitigen Schalter eines Transformators, vorzugsweise eines Flyback-Konverters, takten. Die von der Steuerschaltung SS bestimmte Steuergröße ist dann eine Ton-Zeit dieses Schalters. Das Prinzip des Flyback-Konverters ist, dass eine Menge Energie im Magnetfeld einer magnetisch gekoppelten Spule bei geschlossenem Schalterelement gespeichert wird (1. Phase, „Laden”, Leitphase) und diese danach auf der Verbraucherseite bezogen wird (2. Phase, „Entladen”, Sperrphase), wenn das Schalterelement geöffnet wird. Dieser Zyklus wird gesteuert und mit einer Schaltfrequenz durchlaufen, so dass z. B. ein quasi kontinuierlicher Energiefluss von der Erzeuger- zur Verbraucherseite entsteht.
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Während der Leitphase fließt ein Strom durch eine primärseitige Spule, welcher durch die Eingangsspannung verursacht wird. Die sekundärseitige Spule ist stromlos. Dadurch baut sich im Luftspalt eine magnetische Spannung auf. In dieser Phase gibt es keine Energieübertragung, die Ausgangsspannung wird durch einen Kondensator gehalten.
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Öffnet sich das Schalterelement, so beginnt die Sperrphase. Der Strom durch die primärseitige Spule fällt durch das Öffnen des Schalterelements schlagartig auf null. Dadurch nimmt der Strom durch die sekundärseitige Spule zu und lädt den Kondensator auf eine Ausgangsspannung auf. Dieser Strom nimmt linear ab und wird in einem lückenden Betrieb schließlich Null, wenn alle Energie aus der sekundärseitigen Spule. abgeflossen ist, die Spule also „entladen” ist. Danach schließt der Schalter wieder, die Leitphase beginnt wieder, und der Zyklus beginnt von neuem. Der eigentliche Energietransport auf die Sekundärseite findet während der Sperrphase statt.
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Ist der Sollwert für den ermittelten Parameter Dimmwert abhängig, so nimmt der Sollwert zu höheren Dimmwerten hin vorzugsweise ab.
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Der Grund für diese Abnahme ist, dass bei höheren Dimmwerten und somit einem höheren Entladungsstrom eine lokal eingeschränkte Erwärmung der Heizwendel (Hot Spot) auftritt. Durch die lokal eingeschränkte Erwärmung erfolgt die notwendige Erwärmung, da ja im Emissionsbereich lediglich die Solltemperatur vorliegen soll. Aufgrund dieser eingeschränkten Erwärmung (Hot Spot) kann also im Bereich höherer Dimmwerte der Heizstrom abgeschaltet werden.
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Neben einer Erhöhung und Steuerung der Einschaltzeit Ton des Transformators kann auch ein Ein-Aus-Verhältnis (Duty-cycle, Tastgrad) des Schalterelements in dem Heizkreis mit geringer werdendem Dimmwert erhöht werden, wenn die Frequenz für die Taktung des Schalterelements des Transformators direkt/fest an die Frequenz der Taktung des Wechselrichters gekoppelt ist. Dadurch kann eine Frequenzabhängigkeit der durch den Transformator übertragenen Leistung kompensiert werden.
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Der Sollwert kann darüber hinaus abhängig von einem beispielsweise über einen elekrischen Wendelparameter erkannten Lampentyp sein. Weiter kann der Sollwert auch bei installierten Anlagen programmierbar ausgestaltet sein und vorzugsweise durch ein Softwareupdate verändert werden. Dabei können auch Absolutwerte sowie Abhängigkeiten des Sollwerts verändert werden.
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Durch die Erfindung wird es ermöglicht, eine maximale Lebenszeit von Gasentladungslampen in einem Dimmbetrieb zu ermöglichen, da die Gasentladungslampenwendeln auf Emissionstemperatur gehalten werden können. Ist der Sollwert erreicht, so kann die Ton-Zeit des primärseitigen Schalters des Transformators wieder reduziert werden.
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Die Ermittlung Abweichung in Frequenz und/oder Temperatur kann durch eine Hardware oder Softwarekomponente und z. B. abhängig von einem erkannten Lampentyp erfolgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 01/76325 [0002]
- EP 1269801 B1 [0002]