DE10101275C2 - Vorschaltgerät für Kaltkathoden-Fluoreszenzlampen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Vorschaltgerät für Kaltkathoden-Fluoreszenzlampen (CCFL).

Kaltkathodenfluoreszenzlampen dienen insbesondere zur Hintergrundbeleuchtung für Computer und Messgerätedisplays. Die typische Versorgungsspannung für solche Lampen liegt bei etwa 5 bis 20 V Gleichstrom. Für ihren Betrieb benötigen sie jedoch Brennspannungen von einigen 100 V. Die Hochspannung für das Zünden der Lampe und ihren Betrieb erzeugt man mit soge­ nannten "Royer class convertern". Diese regeln kleine Ein­ gangsspannungstoleranzen aus und ermöglichen innerhalb be­ stimmter Bereiche eine Anpassung des Lampenstroms.

Als nachteilig wird am Royerkonverter empfunden, daß starke Lampenstromschwankungen in Abhängigkeit von der Lampen- und/oder Umgebungstemperatur auftreten, welche durch die Eigenschaften der Lampe verursacht werden. Somit steigt in einem herkömm­ lichen System der Lampenstrom mit zunehmender Temperatur deutlich an, wodurch die Lampenhelligkeit ebenfalls unkon­ trolliert steigen kann. Dies führt zu einer wesentlichen Verkürzung der Lebensdauer der Lampe oder zu thermischen Schäden der Schaltung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Vorschaltgerät für CCFL bereitzustellen, das die oben be­ schriebenen Nachteile des bekannten Royerkonverters vermeidet und insbesondere einen einfachen Schaltungsaufbau aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß wenigstens ein temperaturempfindliches Bauteil die Transisto­ ren des Royerkonverters zur Stromregelung einer CCFL ansteu­ ert. Einzelheiten des erfindungsgemäßen Vorschaltgeräts sind im Patentanspruch 1 beschrieben.

Die Erfindung beruht demnach auf dem Gedanken, daß ein in thermischer Wechselwirkung mit der Schaltung und/oder mit der CCFL stehendes temperaturempflindliches Bauteil die Transisto­ ren des Royerkonverters ansteuert.

Die durch die Erfindung erzielbare, von der Umgebungs- und/oder Lampentemperatur abhängige Steuerung der CCFL stei­ gert neben dem thermischen Schutz auch den optischen Wirkungs­ grad eines Beleuchtungssystems, das mit einem Vorschaltgerät nach Anspruch 1 ausgestattet ist.

Dabei sind aus der US 5 019 749 und der EP 477 922 A1 Vorschaltgeräte für Kaltkathoden-Fluoreszenzlampen bekannt, die jedoch kein mit den Klemmen der Gleichspannungsversorgung verbundenes strombegrenzendes Netzwerk aufweisen. Dort erfolgt der strombegrenzende Eingriff durch einen mit der Lampe in Reihe geschalteten Belastungskondensator mit negativer Tempe­ raturkennlinie bzw. durch einen Temperaturfühler, der auf die Spannung der Gleichstromversorgung einwirkt. Ein weiteres Vorschaltgerät mit temperaturabhängiger Steuerung des Lampen­ stroms einer CCFL ist aus der US 6 069 448 bekannt, wobei ein hierzu vorgesehener temperaturabhängiger Widerstand mit entwe­ der positivem oder negativem Temperaturkoeffizienten in den Lampenstromkreis geschaltet ist.

Weitere vorteilhafte und bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Vorschaltgerätes sind Gegenstand der An­ sprüche 2 bis 9.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 das Schaltbild eines bekannten Vorschaltgeräts für eine CCFL,

Fig. 2 das Schaltbild einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Vorschaltgeräts,

Fig. 3 das Schaltbild einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Vorschaltgeräts.

Fig. 1 zeigt das Schaltbild eines Vorschaltgeräts für CCFL nach einem internen Stand der Technik. Auf der Primärsei­ te eines Transformators L2 befinden sich drei magnetisch miteinander gekoppelte Teilwicklungen L2.1, L2.2, L2.3, wobei die beiden ersten miteinander in Reihe geschaltet sind. Auf den Verbindungspunkt zwischen den beiden Teilwicklungen L2.1 und L2.2 ist über eine Drossel L1 die positive Klemme +U_b einer Gleichspannungsversorgung geführt. Die Sekundärwicklung L2.4 des Transformators L2 speist über einen Kondensator C3 eine Kaltkathodenfluoreszenzlampe. Da die CCFL einen stark nicht linearen Widerstand darstellt, ist der Kondensator C3 mit der Lampe CCFL in Reihe geschaltet. Er wirkt als kapaziti­ ver Widerstand und begrenzt den Lampenstrom.

Auf der Primärseite des Transformators L2 ist die Span­ nung vor der Drossel L1 über einen Widerstand R1 auf die Steuerelektrode eines Transistors Q1 bzw. Q2 geführt. Die Steuerelektroden der beiden Transistoren Q1, Q2 sind über die Primärteilwicklung L2.3 des Transformators L2 miteinander verbunden. Die Kollektoren der beiden Transistoren Q1, Q2 sind über die beiden Teilwicklungen L2.1 und L2.2 des Transforma­ tors L2 sowie ferner durch einen Kondensator C2 miteinander verbunden. Die Emitter der beiden Transistoren Q1, Q2 sind auf die Klemme -Ub der Gleichspannungsversorgung geführt. Der Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R1 und der Steuer­ elektrode eines Transistor Q1 bzw. Q2 ist über einen Wider­ stand R2 an die Klemme -U_b der Gleichspannungsversorgung angeschlossen.

In der so aufgebauten Schaltung werden die Transistoren Q1 und Q2 in den entgegengesetzten Richtungen durch die Rück­ führwicklung L2.3 so gesteuert, daß der Transformator L2 eine sinusförmige Ausgangsspannung liefert. Beim Zuschalten der Betriebsspannung wird über den Widerstand R1 Basisstrom für die Transistoren Q1, Q2 geliefert. Parallel zu dem Basisstrom für die Transistoren Q1, Q2 ist der Strom über den Widerstand R2 geführt. Der "schnellere" der beiden Transistoren wird lei­ tend. Die Polarität der Teilwicklung L2.3 garantiert, daß der jeweils andere Transistor gesperrt wird. Der Umschaltvor­ gang geschieht, während der Transformator L2 in die magneti­ sche Sättigung gelangt. Dabei reißt mangels Energietransport der Basisstrom ab. Die entstehende Änderung der Stromstärke in der Teilwicklung L2.1 bzw. L2.2 erzwingt einen Spannungsumkehr an der Teilwicklung L2.3. Die Induktivität des Transformators L2 bildet mit dem Kondensator C2 einen Schwingkreis. Damit läuft der beschriebene Vorgang mit sinusförmigem Verlauf ab. Die Sekundärwicklung L2.4 liefert die gewünschte Hochspannung, auf die die Spannung der miteinander in Reihe geschalteten Teilwicklungen L2.1 und L2.2 hochtransformiert wird. Die Drossel L1 entkoppelt die Schaltung von der Betriebsspannung.

Die Leistung und damit die Helligkeit der CCFL ist ab­ hängig von der Hochspannung, die der Transformator L2 liefert, sowie vom Strom, der vom Kondensator C3 teilweise begrenzt wird.

Weil die CCFL große thermische Driften der elektrischen Eigenschaften und der Helligkeit hat, ändert sich die abgegebene elektrische Leistung des Royerkonverters mit Temperatur­ schwankungen der Umgebung und/oder der CCFL. Dies manifestiert sich z. B. in einer Steigung des Lampenstroms mit zunehmender Temperatur, was sich negativ auf die Lebensdauer der Lampe auswirkt.

Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfin­ dungsgemäßen Vorschaltgeräts. Die Schaltung der Fig. 2 ähnelt weitgehend der der Fig. 1. Zwischen den Steueranschluß des Transistors Q1 bzw. Q2 und die Klemme -U_b der Gleichspannungs­ versorgung ist ein Widerstand R3 mit negativem Temperaturkoef­ fizient (NTC) geschaltet. Mit steigender Temperatur sinkt der Widerstand R3, was die Basisansteuerung des Transistors Q1 bzw. Q2 auf einen Minimalwert begrenzt. Dieser Minimalwert wird bei einer hinreichend hohen Temperatur erreicht, bei der im Grenzfall der Widerstand R3 vernachlässigbar klein ist. Der Heißleiter R3 ist dabei so ausgewählt, daß mit zunehmender Temperatur der Lampenstrom annähernd konstant gehalten wird oder nur leicht steigt. Dadurch bleibt die Lampe innerhalb der vom Hersteller erlaubten elektrischen Betriebswerte. Eine Schädigung der Lampe wird sicher vermieden.

In einem in Fig. 1 gezeigten herkömmlichen System rea­ giert auch der mit einer CCFL erzeugte Lichtstrom empfindlich auf eine Temperaturänderung. Für eine mit annähernd konstanten Strom betriebene CCFL ist diese Änderung nicht monoton, sie weist bei einer bestimmten erhöhten Temperatur ein Maximum auf, wobei im Hochtemperaturbereich der erzeugte Lichtstrom höher ist, als der Lichtstrom in kaltem Zustand.

Basierend auf der Fig. 2 wird eine weitere Ausführungs­ form der Erfindung vorgeschlagen, bei der der NTC-Widerstand R3 so ausgelegt ist, daß mit steigender Umgebungstemperatur ein annähernd konstanter oder leicht steigender Lampen­ lichtstrom gewährleistet wird. Dadurch wird eine wesentlich geringere Abhängigkeit des Lichtstroms der Lampe von der Umgebungstemperatur erreicht. Die Lampe wird dabei in kaltem Zustand mit maximal erlaubtem elektrischen Strom betrieben. Mit steigendem optischem Wirkungsgrad der Lampe, d. h. mit steigendem Lichtstrom wird der Lampenstrom reduziert, bis die Helligkeit der Lampe bei maximaler Einsatztemperatur wieder den Anfangswert in kaltem Zustand erreicht. Somit ist die Lampe im mittleren Temperaturbereich um den optimalen Arbeits­ punkt nur geringfügig heller, als im Zustand bei minimaler oder maximaler Temperatur. Die so ausgelegte Steuerung der CCFL erlaubt einen schonenden Betrieb der gesamten Lichtanlage und führt somit zu einer Steigerung des Wirkungsgrades des gesamten lichterzeugenden Systems.

Es ist allgemein bekannt, daß mit steigendem Lampenstrom die Lampentemperatur ebenfalls erhöht wird. In einem herkömm­ lichen System nach Fig. 1 zeigt der Lampenstrom und somit auch die Lampentemperatur eine starke Erhöhung des Wertes mit steigender Umgebungstemperatur. Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gegenstandes nach Fig. 2 erlaubt es diese Abhängigkeit weitgehend zu unterdrücken, indem man den Widerstand R3 mit negativem Temperaturkoeffizient in thermi­ sche Wechselwirkung mit der CCFL bringt und so auslegt, daß eine annähernd konstante Lampentemperatur im Betrieb gewähr­ leistet wird, wodurch die CCFL im Maximum ihres optischen Wirkungsgrades betrieben wird. Beim Einschalten wird die Lampe in kaltem Zustand mit dem maximal erlaubten elektrischen Strom betrieben. Erreicht die Lampe ihren optimal vorgegebenen Arbeitspunkt, wird mit steigender Lampentemperatur der Lampen­ strom reduziert. Weil bei maximaler Lampentemperatur ein vor­ gegebenes Minimum des Lampenstroms erreicht wird, wird die Lampe über einen weiten Umgebungstemperaturbereich nahe ihres lichttechnischen Optimums betrieben. Besonders vorteilhaft ist diese Ausführungsform für eine batteriebetriebene CCFL, da bei dieser Variante dank des optimalen Wirkungsgrads der Lampe ein Maximum an Lichtmenge (Lichtstrom x Zeit) erzeugt wird.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Vor­ schaltgeräts der CCFL. Zwischen den Steueranschluß des Transi­ stors Q1 bzw. Q2 und die Klemme +U_b der Gleichspannungsver­ sorgung ist ein Widerstand R4 mit positivem Temperaturkoeffi­ zient (oder PTC-Widerstand) geschaltet. Steigt die Temperatur des Kaltleiters R4 an, so wird der Basisstrom der Transistoren Q1 bzw. Q2 verringert. Damit liegt an der Primärwicklung des Tansformators L2 weniger Spannung an und der Lampenstrom wird reduziert. Im Grenzfall bei hinreichend hoher Temperatur ist der Widerstand R4 so hoch, daß der Lampenstrom wesentlich sinkt oder zu Null wird.

In einem herkömmlichen System nach Fig. 1 wird die Lampe nicht, oder mit einem zusätzlichen Leistungsschalter bei Übertemperatur abgeschaltet. Die erfindungsgemäße Lösung nach Fig. 3 stellt gegenüber der mit einem Leistungsschalter erwei­ terten Lösung nach Fig. 1 eine wesentliche Vereinfachung der Konstruktion und einen Preisvorteil dar. Bei dem erfindungs­ gemäßen Vorschaltgerät ist der Widerstand R4 mit positivem Temperaturkoeffizient so ausgelegt, daß bei Überschreitung einer Umgebungstemperatur eine Abnahme des Lampenstroms ge­ währleistet wird. Dadurch läßt sich die Schaltung sehr effek­ tiv und kostengünstig vor thermischen Schäden schützen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gegenstandes (nicht gezeigt) ähnelt weitgehend der der Fig. 3, die jedoch einen weiteren NTC-Widerstand aufweist, der zwi­ schen den Steueranschluß des Transistors Q1 bzw. Q2 und die Klemme +U_b der Gleichspannungsversorgung geschaltet ist. Die in Reihe geschaltete NTC- und PTC-Widerstände sind so ausge­ legt, daß bei Über- oder Unterschreitung einer Umgebungsgrenz­ temperatur eine Abnahme des Lampenstroms gewährleistet wird. Bei Überschreitung einer Grenztemperatur sinkt der Widerstand des Heißleiters, und gleichzeitig steigt der Widerstand des Kaltleiters. Die temperaturabhängigen Widerstände sind so ausgelegt, daß eine Zunahme des PTC-Widerstandes über eine vorgegebene kritische Temperatur größer ist, als die Abnahme des NTC-Widerstandes bei der gleichen Temperaturänderung, was zu einer Steigerung des Gesamtwiderstandes führt. Und umge­ kehrt, bei einer Unterschreitung einer vorgegebenen Grenztem­ peratur führt eine stärkere Zunahme des NTC-Widerstandes im Vergleich zur Abnahme des PTC-Widerstandes zur Vergrößerung des Gesamtwiderstandes, was ebenfalls eine Lampenstromsenkung bewirkt. Dadurch läßt sich die elektrische Schaltung auf einfache und kostengünstige Weise im Vergleich zum Stand der Technik vor thermischen Schäden schützen.

Claims (9)

1. Vorschaltgerät für Kaltkathoden-Fluoreszenzlampen (CCFL) mit einem Transformator (L2), dessen Primärwicklung eine erste (L2.1), eine zweite (L2.2) und eine dritte Teilwicklung (L2.3) umfaßt und an dessen Sekundärwicklung (L2.4) die zu steuernde CCFL angeschlossen ist, und mit zwei Transistoren (Q1, Q2), deren Steueranschlüsse über die dritte Teilwicklung (L2.3), deren Kollektoren über die beiden anderen in Reihe geschal­ teten Teilwicklungen (L2.1, L2.2) und deren Emitter direkt miteinander verbunden sind, wobei die Steueranschlüsse der Transistoren (Q1, Q2) über ein strombegrenzendes Netzwerk (R1, R2) mit Klemmen (+U_b, -U_b) einer Gleichspannungsversorgung verbunden sind, wobei wenigstens ein temperaturempfindliches Bauteil die Transistoren (Q1, Q2) zur Stromregelung der CCFL ansteuert.

2. Vorschaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das temperaturempfindliche Bauteil ein zwischen den Steu­ eranschluß eines der Transistoren (Q1, bzw. Q2) und die nega­ tive Klemme (-U_b) der Gleichspannungsversorgung geschalteter Widerstand (R3) mit negativem Temperaturkoeffizient ist.

3. Vorschaltgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R3) mit negativem Temperaturkoeffizient so ausgelegt ist, daß mit steigender Umgebungstemperatur ein annähernd konstanter oder leicht steigender Lampenstrom ge­ währleistet wird.

4. Vorschaltgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R3) mit negativem Temperaturkoeffizient so ausgelegt ist, daß mit steigender Umgebungstemperatur ein annähernd konstanter oder leicht steigender Lampenlichtstrom gewährleistet wird.

5. Vorschaltgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R3) mit negativem Temperaturkoeffizient in thermischer Wechselwirkung mit der CCFL steht und so ausgelegt ist, daß eine konstante Lampentemperatur im Betrieb gewähr­ leistet wird, wodurch die CCFL im Maximum ihres Wirkungsgrades betrieben wird.

6. Vorschaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das temperaturempfindliche Bauteil ein zwischen den Steu­ eranschluß eines der Transistoren (Q1, bzw. Q2) und die posi­ tive Klemme (+U_b) der Gleichspannungsversorgung geschalteter Widerstand (R4) mit positivem Temperaturkoeffizient ist.

7. Vorschaltgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R4) mit positivem Temperaturkoeffizient so ausgelegt ist, daß bei Überschreitung einer Umgebungsgrenztem­ peratur eine Abnahme des Lampenstroms gewährleistet wird.

8. Vorschaltgerät nach Anspruch 1, dadruch gekennzeichnet, daß die temperaturempfindlichen Bauteile sowohl einen Wider­ stand mit negativem Temperaturkoeffizient als auch einen Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizient umfassen, die zwischen den Steueranschluß eines der Transistoren (Q1, bzw. Q2) und die positive Klemme (+U_b) der Gleichspannungsversorgung geschaltet sind, und die so ausgelegt sind, daß bei Über- oder Unterschreitung einer Umgebungsgrenztemperatur eine Abnahme des Lampenstroms gewährleistet wird.

9. Vorschaltgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine im wesentlichen vollständige Abnahme des Lampenstroms gewährleistet wird.