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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Entladungslampe.
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Bei
Niederdruckentladungslampen gibt es einen optimalen Betriebspunkt,
der annähernd
durch den für
die Gasentladung optimalen Dampfdruck in der Entladungslampe definiert
ist. Dieser optimale Dampfdruck stellt sich bei einer bestimmten
Umgebungstemperatur der Lampe und einem bestimmten Lampenstrom ein.
Die Brennspannung erreicht dann ihr Maximum. Bei größeren (und
kleineren) Umgebungstemperaturen fällt die Brennspannung ab, wenn
der Lampenstrom konstant gehalten wird.
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Beim üblichen
elektronischen Vorschaltgerät mit
einer Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Niederdruckentladungslampe
wird auf eine aktive Regelung der Lampenleistung unabhängig von
der Eingangsspannung verzichtet. Insbesondere weist die Lampe bei
Netz-Unterspannung eine geringere Leistungsaufnahme und einen geringeren
Lichtstrom, bei Netz-Überspannung
jedoch eine höhere Leistungsaufnahme
und einen höheren
Lichtstrom auf als beim Betrieb mit Netz-Nennspannung. Da die Leistungsaufnahme
der Lampe nicht geregelt wird, ändert
sich bei der oben genannten thermisch bedingten Änderung der Brennspannung der Ausgangsstrom
des elektrischen Vorschaltgeräts.
Ein erhöhter
Ausgangsstrom führt
wiederum zu einem Temperaturanstieg der Lampe und damit zu einer weiteren
Abnahme der Brennspannung. Diese Mitkopplung verstärkt den
Effekt der Brennspannungsabnahme bei steigender Umgebungstemperatur.
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Eine
ansteigende Umgebungstemperatur bedingt also eine Zunahme der Ströme in der
Lampe oder in der Schaltungsanordnung, was erhöhte Verluste und damit ein
weiteres Erhitzen der Bauteile des elektrischen Vorschaltgeräts zur Folge
hat. Es kann zu thermischen Überlastungen
des Systems oder einzelner Bauteile kommen.
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Nach
dem gegenwärtigen
Stand der Technik müssten
für die
Schaltungsanordnung Bauteile verwendet werden, die auch im schlimmsten
Falle („worst
case"), beispielsweise
bei einem Betrieb an Überspannung
oder einer hohen Umgebungstemperatur, der thermischen Belastung
standhalten. Vor allem bei Transistoren und Kondensatoren entstehen dadurch
höhere
Bauteilkosten.
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Darstellung
der Erfindung
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung
zum Betrieb einer Niederdruckentladungslampe der oben genannten
Art derart zu verbessern, dass mit ausreichender Zuverlässigkeit
thermische Überlastungen
der Bauteile der Lampe verhindert werden. Es sollen insbesondere kostengünstige Bauteile
verwendbar sein.
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Diese
Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden
Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Demnach
werden leistungsbestimmende Bauteile der Schaltungsanordnung so
temperaturabhängig
ausgeführt,
dass bei steigender Temperatur die Leistungsaufnahme der Lampe begrenzt
wird.
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Für Drosseln
bietet sich zur Erreichung des gewünschten Effekts beispielsweise
die Verwendung eines Ferritmaterials mit niedriger Curie-Temperatur an, für keramische
Kapazitäten
kann ein Keramikmaterial mit temperaturabhängiger Dielektrizitätskonstante
verwendet werden.
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Leistungsbestimmende
Bauteile können
insbesondere solche Bauteile sein, die einen Einfluss auf die Betriebsfrequenz
haben, mit der die Lampe betrieben wird, wodurch der Strom, mit
dem die Lampe beaufschlagt wird, beeinflusst wird.
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Die
Schaltung nach der
EP
0 781 077 B1 ist eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer
Entladungslampe, insbesondere einer Niederdruckentladungslampe,
mit einem Lastkreis, der mindestens eine strombegrenzende Resonanzinduktivität und mindestens
einen Kondensator aufweist, sowie mit einem freischwingenden Inverter,
der als Halb- oder Vollbrückenschaltung
mit mindestens zwei Schaltelementen ausgebildet ist. Die Schaltungsanordnung weist
ferner eine Ansteuerschaltung zum Ansteuern der Schaltelemente auf,
welche einen LC-Parallelschwingkreis aufweist, der aus einer Kapazität und einer
diese Kapazität
entladenden Induktivität
besteht.
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Bevorzugt
steht der LC-Parallelschwingkreis parallel zu einem Zweig, der die
Schaltstrecke zwischen Steuer- und Referenzelektroden eines Schaltelements
bildet, wobei die strombegrenzende Resonanzinduktivität des Lastkreises
eine Hilfswicklung trägt,
die mit dem LC-Parallelschwingkreis über einen Widerstand galvanisch
verbunden ist.
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Es
kann nun sowohl die Kapazität
als auch die Induktivität
des LC-Parallelschwingkreises
temperaturabhängig
ausgeführt
werden. Entweder kann für
die Kapazität
ein temperaturabhängiger
Kondensator verwendet werden oder für die Induktivität eine temperaturabhängige Drossel
oder beides.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist nicht die vollständige
Kapazität
oder Induktivität
temperaturabhängig
ausgeführt.
Die Kapazität
kann aus zwei Kondensatoren bestehen, von denen der eine Kondensator
temperaturunabhängig
ausgeführt
ist und der zweite temperaturabhängig
ausgeführt
ist. Dasselbe ist bei der Drossel möglich, es können zur Verwirklichung der
Induktivität
zwei Drosseln vorgesehen sein, von denen die eine temperaturunabhängig und
die andere temperaturabhängig
ausgeführt ist.
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Die
Bauelemente stehen jeweils in Serie miteinander.
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Durch
die temperaturabhängige
Kapazität bzw.
Induktivität ändert sich
die Frequenz des LC-Parallelschwingkreises temperaturabhängig. Entsprechend
ist die Ansteuerung der gesamten Schaltung temperaturabhängig, und
es steigt die Betriebsfrequenz der Schaltungsanordnung mit der Temperatur, und
die Ströme
in den Bauteilen der Schaltungsanordnung werden kleiner, der Strom
in der Lampe wird kleiner und die thermische Belastung des Systems wird
begrenzt.
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Die
Schaltungsanordnung nach
EP
0 530 603 B1 ist eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer
Entladungslampe, insbesondere einer Niederdruckentladungslampe,
mit einem Lastkreis, der mindestens eine strombegrenzende Resonanzinduktivität und mindestens
einen Kondensator aufweist, sowie mit einem freischwingenden Inverter,
der als Halbbrückenschaltung
mit mindestens zwei Schaltelementen ausgebildet ist, und mit einer
Ansteuerschaltung zur Ansteuerung der Schaltelemente, wobei die
Ansteuerschaltung ein RC-Glied aufweist. Der Widerstand des RC-Glieds
ist hierbei derjenige, der mit einer von der strombegrenzenden Resonanzinduktivität des Lastkreises
getragenen Hilfswicklung galvanisch verbunden ist.
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Das
RC-Glied beeinflusst hierbei mit seinem Tiefpassverhalten ebenfalls
die Betriebsfrequenz, so dass auch hier die Kapazität temperaturabhängig ausgeführt sein
kann. Abermals ist es möglich,
zwei Kondensatoren in Serie vorzusehen, von denen der eine temperatur-unabhängig und
der andere temperaturabhängig
ausgeführt
ist.
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Das
oben Gesagte gilt nicht nur für
diejenigen Ausführungsformen
aus der
EP 0 781 077
B1 und der
EP
0 530 603 B1 mit jeweils einem LC-Parallelschwingkreis oder einem RC-Glied,
sondern auch für
diejenigen Ausführungsformen,
die in diesen Schriften offenbart sind, bei denen zwei getrennte Ansteuerschaltungen
für die
Halbbrückentransistoren
realisiert sind. Es können
dann die Elemente in beiden Ansteuerschaltungen temperaturabhängig ausgeführt sein.
Allerdings ist auf ein ausreichend synchrones Temperaturverhalten
beider Ansteuerkreise zu achten um ein gleichzeitiges Einschalten beider
Halbbrückentransistoren
zu verhindern.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
näher erläutert werden.
Es zeigen:
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1 eine
Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Niederdruckentladungslampe
gemäß der
EP 0 781 077 B1 ,
bei der die vorliegende Erfindung verwirklicht werden kann,
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2 eine
erste Abwandlung der Schaltungsanordnung nach 1,
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3 eine
zweite Abwandlung der Schaltungsanordnung nach 1,
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4 das
Temperaturverhalten einer Kapazität, die aus zwei in Serie geschalteten
Kondensatoren besteht, von denen der eine näherungsweise linear temperaturabhängig ist,
und
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5 das
Verhalten der Betriebsfrequenz, die von der Kapazität gemäß 4 bestimmt
ist.
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Bevorzugte
Ausführung
der Erfindung
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Die
in
1 dargestellte Schaltungsanordnung zum Betrieb
einer Niederdruckentladungslampe EL ist aus der
EP 0 781 077 B1 bekannt.
Es handelt sich hierbei um eine Halbbrückenanordnung mit zwei Transistoren
T1 und T2, die von einer gemeinsamen Ansteuerschaltung AS gesteuert
werden. Diese Ansteuerschaltung besteht aus einer Sekundärwicklung
HW1 auf einer den Lampenstrom strombegrenzenden Drossel L1, die über einen
Widerstand R2 einen Parallelschwingkreis C2a, L2a anregt. Die Wechselspannung,
die von diesem Parallelschwingkreis an die Steuereingänge der
komplementären Halbbrückentransistoren
gelegt wird, führt
zu einem alternierenden Einschalten der beiden Transistoren T1 und
T2, wodurch die am Kondensator C1 anliegende Gleichspannung in bekannter
Weise in eine hochfrequente Wechselspannung zur Versorgung des Lastkreises
(bestehend aus C5, C6, C7, C8, KL, EL, R3 und L1) umgeformt wird.
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Der
LC-Parallelschwingkreis aus C2a und L2a ist also zur Energieeinkopplung
aus dem Lastkreis mit der Hilfswicklung HW1 über den Widerstand R2 galvanisch
verbunden.
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Das
hier mit TS bezeichnete Element muss nicht näher beschrieben werden. Es
ist eine Anlaufschaltung, die zum Start der selbstschwingenden Oszillation
verwendet wird.
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Die
Betriebsfrequenz, mit der der Resonanzkreis gespeist wird, ist stark
von der Eigenresonanzfrequenz des aus C2a und L2a bestehenden Schwingkreises
abhängig.
Die Bauteile C2a und L2a sind also leistungsbestimmende Bauteile,
weil die Eigenresonanzfrequenz über
die Betriebsfrequenz der Schaltungsanordnung den Strom beeinflusst,
mit dem die Lampe EL beaufschlagt wird.
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Erfindungsgemäß ist nun
die Kapazität
C2a oder die Induktivität
L2a temperaturabhängig
ausgeführt.
Bei steigender Temperatur soll hierbei die Kapazität bzw. die
Induktivität
abnehmen und so die Eigenresonanzfrequenz des Parallelschwingkreises ansteigen.
Dadurch erhöht
sich die Betriebsfrequenz der Schaltungsanordnung und damit der
Wechselstromwiderstand der Lampendrossel L1 mit steigender Temperatur.
Die Ströme
in den Bauteilen der Schaltungsanordnung sowie in der Lampe werden dadurch
kleiner, und die thermische Belastung des Systems wird begrenzt.
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Bei
handelsüblichen
Bauelementen kann die Variation der Kapazität bzw. der Induktivität im zulässigen Temperaturbereich
eventuell zu groß sein.
Um eine einwandfreie Funktionsweise der Schaltungsanordnung zu gewährleisten,
und dies bei allen Temperaturwerten, wird eine Ausführungsform
gemäß der 2 vorgeschlagen.
Hierbei ist nur die Kapazität temperaturabhängig ausgeführt. Die
Kapazität
besteht aus zwei Kondensatoren C2 und C3, von denen der Kondensator
C2 einen temperaturunabhängigen Wert
aufweist, der näherungsweise
dem bei minimaler Temperatur gewünschten
maximalen Wert der Kapazität
entspricht. Der zweite Kondensator C3 soll bei niedrigerer Temperatur
einen deutlich größeren Wert als
der Kondensator C2 aufweisen, so dass die Gesamtkapazität der Serienschaltung
aus C2 und C3 im Wesentlichen durch die Größe von C2 definiert wird. Bei
steigender Temperatur soll die Kapazität von C3 deutlich kleiner werden,
wodurch die Gesamtkapazität
der Serienschaltung abnimmt. Bei maximaler Temperatur soll die Kapazität einen
minimalen Wert erreichen.
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Das
Verhalten der Kapazität
der Serienschaltung aus C2 und C3 ist in 4 dargestellt.
Gezeigt ist beispielhaft die Gesamtkapazität eines Parallelschwingkreises
nach 2, bei dem C2 = 3,3 nF und C3 = 100 nF bei 10° Celsius.
Die Kapazität
des Kondensators C3 ist als linear abnehmend angenommen und nimmt
bis ca. 100° Celsius
(im Modell sind dies nur Näherungen)
einen Wert von ebenfalls 3,3 nF an. Bei 100° Celsius sinkt daher die Gesamtkapazität auf fast
die Hälfte
des Werts bei 10° Celsius.
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In 5 ist
die Abhängigkeit
der Eigenresonanzfrequenz des parallelen Schwingkreises der oben
genannten Art von der Temperatur des Kondensators C3 dargestellt.
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In 5 ist
insbesondere deutlich zu erkennen, dass die Temperatur erst ab ca.
50° bis
60° Celsius
einen merklichen Einfluss auf die Resonanzfrequenz hat. Bei Näherung an
100° Celsius,
wo es besonders kritisch wird, ist die Änderung der Resonanzfrequenz
besonders deutlich.
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Zwischen
50° und
100° Celsius
wird daher der Strom in der Entladungslampe stark reduziert, so dass
es nicht zu weiteren Erhitzungen von Bauteilen kommen kann.
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Alternativ
zu der in 2 dargestellten Maßnahme,
dass zwei Kondensatoren zur Verwirklichung der Kapazität C2a bereitgestellt
sind, von denen der eine temperaturabhängig ist, kann auch die Induktivität L2a so
gebildet sein, dass sie aus zwei Induktivitäten L2 und L3 in Serie besteht,
so wie dies in 3 dargestellt ist. Eine der
Drosseln, L2, weist einen temperaturunabhängigen Wert auf, der näherungsweise
dem bei maximaler Temperatur gewünschten minimalen
Wert entspricht. Die zweite Drossel L3 soll bei niedriger Temperatur
einen solchen Wert aufweisen, mit dem die Gesamtinduktivität der Serienschaltung
aus L2 und L3 dem für
normale Temperaturen erforderlichen Wert entspricht. Bei steigender
Temperatur soll die Induktivität
von L3 deutlich kleiner werden, bis sie bei maximaler Temperatur
einen minimalen Wert erreicht.
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Die
Ausführungsformen
gemäß 2 und 3 sind
auch miteinander kombinierbar, d.h., es kann auch vorgesehen sein,
dass sowohl die Kapazität
C2a als auch die Induktivität
L2a jeweils aus temperaturabhängigen
Elementen in Serie mit temperaturunabhängigen Elementen bestehen.
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Die
Verwendung der Schaltung aus der
EP 0 781 077 B1 ist nur beispielhaft und
dient der Erläuterung
dessen, was unter leistungsbestimmendem Bauteil zu verstehen ist.
Die Schaltungsanordnung nach
EP 0 530 603 B1 ist in wesentlichen Teilen
mit der hier unter Bezug auf die in
1 dargestellten Schaltungsanordnung
aus der
EP 0 781 077
B1 identisch, wobei in der Ansteuerschaltung die Drossel L2a
wegzulassen ist. Anstelle eines LC-Parallelschwingkreises ergibt sich ein
RC-Glied, dessen Tiefpasseigenschaften in ähnlicher Weise Einfluss auf die
Betriebsfrequenz haben. Entsprechend sieht es die Erfindung bei
dieser Schaltung auch vor, die Kapazität aus dem Ansteuerschaltkreis
temperaturabhängig
auszubilden. Dies kann insbesondere auch anhand von zwei Kondensatoren
geschehen, die in Serie geschaltet sind, von denen einer stark temperaturabhängig ist
und der andere temperaturunabhängig
ist.
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Unter
leistungsbestimmendem Bauteil im Sinne der Erfindung ist nicht jedes
Bauteil zu verstehen, das in marginaler Art und Weise Einfluss auf
die Leistung hat, sondern Bauteile, die geeignet sind, bei temperaturabhängiger Ausführung die
Leistungsaufnahme der Lampe merklich zu beeinflussen, um so einen
sichtbaren Effekt betreffend die Temperatursteuerung hervorzurufen.