DE3943350A1 - Gas discharge lamp operating circuit - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben der Helligkeit (Dimmen) von Gasentladungslampen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft ferner ein elektronisches Vorschaltgerät, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1.The invention relates to a method for operating the Brightness (dimming) of gas discharge lamps according to the Preamble of claim 1. It also relates to a electronic ballast, especially for implementation of the method according to claim 1.
Verfahren zur Helligkeitseinstellung von Leuchtstofflampen bzw. Gasentladungslampen sowie Schaltungsanordnungen zur Durchführung derartiger Verfahren erlauben es, die bisher nur mit konstanter Nenn-Helligkeit betreibbaren Leuchtstofflampen wie gewöhnliche Glühlampen zu dimmen (in ihrer Helligkeit einzustellen). Herkömmliche mechanische Starterschaltungen vermögen die Helligkeitseinstellung von Leuchtstofflampen nicht zu gewährleisten, auch sind herkömmliche Dimmer, wie sie für Glühlampen Einsatz finden, für Leuchtstofflampen nicht verwendbar. Es werden daher sogenannte elektronische Vorschaltgeräte (EVG) eingesetzt, die eine hochfrequente Wechselspannung an die Leuchtstoffröhren abgeben und auf diese Weise sowohl einen frequenzgesteuerten Startvorgang (Zündvorgang) der Gasentladungslampe als auch einen frequenzgesteuerten Dimmbetrieb ermöglichen.Process for adjusting the brightness of fluorescent lamps or Gas discharge lamps and circuit arrangements for Carrying out such procedures allow, so far, only Fluorescent lamps that can be operated with constant nominal brightness to dim like ordinary light bulbs (in their brightness adjust). Conventional mechanical starter circuits are unable to adjust the brightness of fluorescent lamps To ensure, too, are conventional dimmers as they are for Incandescent lamps are used, but not for fluorescent lamps usable. So there are so-called electronic Ballasts (EVG) used that have a high frequency Output AC voltage to the fluorescent tubes and on them Way both a frequency controlled starting process (Ignition process) of the gas discharge lamp as well enable frequency-controlled dimming.
Ein Verfahren und ein elektronisches Vorschaltgerät der genannten Art ist beispielsweise aus der EP 00 59 064 bekannt. Dort wird ein fremdgeführter transistorisierter Wechselrichter eingesetzt, der über einen Serienresonanzkreis eine direkt beheizte Gasentladungslampe speist. Die beiden Heizwendel der Gasentladungslampe werden über einen zur Gasentladungslampe parallelgeschalteten Parallel-Heizkondensator verbunden. In den Serienresonanzkreis ist ferner eine induktive Stromerfassung eingeschaltet, die den Lampenstrom mißt. Durch Verschieben der Ausgangsfrequenz des selbstgeführten Wechselrichters von einer Heizfrequenz von 50 kHz in Richtung zu der nahe der Resonanzfrequenz des Serienschwingkreises liegenden Betriebsfrequenz von 28 kHz kann die Lampe sowohl vorgeheizt werden (50 kHz), wie auch durch Resonanzspannungsüberhöhung oberhalb der Resonanzfrequenz gezündet werden (fzünd<28 kHz). Nach Zünden der Lampe wird der nunmehr mit der Lampe gedämpfte Serienresonanzschwingkreis mit der Nenn-Betriebsfrequenz von 28 kHz betrieben. Zur Helligkeitsänderung, d. h. zum Dimmen der Gasentladungslampe kann die Ausgangsfrequenz des selbstgeführten Wechselrichters nun wieder erhöht werden. Gleichzeitig mit der Erhöhung der Ausgangsfrequenz vergrößert sich durch den bei höherer Frequenz sinkenden Schein-Widerstand des Parallel-Heizkondensators der Heizstrom in den Heizwendeln. Die erwünschte Anhebung der Ausgangsfrequenz des Wechselrichters zur Helligkeitsänderung erfolgt über einen Komparator (als Regler), dessen Ausgangssignal einen den Wechselrichter ansteuernden Frequenzgenerator in seiner Frequenz verschiebt. Der eine Eingangsanschluß des Komparators ist mit einem Dimm-Potentiometer verbunden, dem anderen Eingangsanschluß wird das Strom-Meßsignal des induktiven Lampenstromsensors zugeführt. Auf diese Weise wird durch Regelung des Lampenstromes über reine Frequenzänderung des selbstgeführten Wechselrichters eine stabile Helligkeitsänderung erzielt.A method and an electronic ballast of the type mentioned is known for example from EP 00 59 064. An externally operated transistorized inverter is used there, which feeds a directly heated gas discharge lamp via a series resonance circuit. The two heating filaments of the gas discharge lamp are connected via a parallel heating capacitor connected in parallel with the gas discharge lamp. In the series resonance circuit, an inductive current detection is also switched on, which measures the lamp current. By shifting the output frequency of the self-commutated inverter from a heating frequency of 50 kHz towards the operating frequency of 28 kHz, which is close to the resonance frequency of the series resonant circuit, the lamp can be preheated (50 kHz) as well as ignited by resonance voltage increase above the resonance frequency (f ignition <28 kHz). After the lamp has been ignited, the series resonant circuit, now damped with the lamp, is operated at the nominal operating frequency of 28 kHz. To change the brightness, ie to dim the gas discharge lamp, the output frequency of the self-commutated inverter can now be increased again. Simultaneously with the increase in the output frequency, the heating current in the heating coils increases due to the apparent resistance of the parallel heating capacitor, which decreases at a higher frequency. The desired increase in the output frequency of the inverter in order to change the brightness takes place via a comparator (as a controller), the output signal of which shifts the frequency of a frequency generator which drives the inverter. One input connection of the comparator is connected to a dimming potentiometer, the other input connection is supplied with the current measurement signal from the inductive lamp current sensor. In this way, a stable change in brightness is achieved by regulating the lamp current by simply changing the frequency of the self-commutated inverter.
Aus der DE-OS 33 38 464 ist sowohl ein elektronisches Vorschaltgerät mit selbstschwingendem Wechselrichter als auch ein solches mit fremdgesteuertem Wechselrichter bekannt. Dabei speist ein MOS-FET-Transistoren aufweisender Ausgangszweig des Wechselrichters einen Serienresonanzkreis, der aus einer Kapazität und einer Parallelschaltung aus je einer in Reihe geschalteten Gasentladungslampe und Induktivität gebildet wird. Hierbei ist es nun einerseits möglich, das Tastverhältnis von 50%, bzw. 1 : 1, stets unverändert zu erhalten und lediglich die Ausgangs-Frequenz f des Wechselrichters für die Helligkeitsverminderung zu erhöhen, dies entspricht dem oben genannten Beispiel. Andererseits ist es zur Helligkeitsregelung einer Gasentladungslampe, insbesondere bei einem selbstgeführten Wechselrichter, möglich und bekannt, das Impuls/Pausenverhältnis, d. h. das Tastverhältnis, der von dem Mittelabgriff des Ausgangszweiges des Wechselrichters abgegebenen hochfrequenten Wechselspannung zu verringern. Dieses wird von einem symmetrischen 1 : 1 Verhältnis bis auf etwa 1 : 10, d. h. 10%, reduziert, womit die Lichtstärke der Leuchtstofflampe um mehr als den Faktor 10 zurückgeht. Die Reduzierung des Tastverhältnisses wirkt bei rechteckförmiger, nicht sinusförmiger Ausgangs-Wechselspannung als eine Amplitudenerhöhung der Oberwellen bei gleichzeitiger Amplitudenreduzierung der Grundwelle. Dies bewirkt denselben Effekt, wie reine Frequenzvariation, nur wird bei reiner Tastverhältnisänderung die Frequenz der Grundwelle beibehalten und die Amplituden (Fourierkoeffizienten) der Oberwellen verschoben.From DE-OS 33 38 464 is both an electronic Ballast with self-oscillating inverter as well one with an externally controlled inverter is known. Here feeds an output branch of the MOS-FET transistor Inverter has a series resonance circuit that consists of a Capacity and a parallel connection of one in series switched gas discharge lamp and inductance is formed. On the one hand, it is now possible to change the duty cycle from 50%, or 1: 1, always unchanged and only that Output frequency f of the inverter for the To increase the reduction in brightness, this corresponds to the above mentioned example. On the other hand, it is for brightness control a gas discharge lamp, especially one self-commutated inverters, possible and known that Pulse / pause ratio, i.e. H. the duty cycle of that Center tap of the output branch of the inverter to reduce emitted high-frequency AC voltage. This is based on a symmetrical 1: 1 ratio about 1:10, i.e. H. 10%, which reduces the light intensity of the Fluorescent lamp decreases by more than a factor of 10. The Reduction of the duty cycle works with rectangular, non-sinusoidal AC output voltage as one Amplitude increase of the harmonics with simultaneous Reduction in amplitude of the fundamental wave. This does the same Effect, like pure frequency variation, only becomes with pure Duty cycle change maintain the frequency of the fundamental and the amplitudes (Fourier coefficients) of the harmonics postponed.
Mehr beiläufig wird in der letztgenannten Druckschrift die Kombination einer Frequenz- und Impulsbreitensteuerung erwähnt, diese verringert die Stromaufnahme des Wechselrichters und erhöht seine Ausgangsfrequenz, womit die Lampenhelligkeit herabgesetzt werden kann.The latter is more casual Combination of frequency and pulse width control mentioned, this reduces the power consumption of the inverter and increases its output frequency, which increases the lamp brightness can be reduced.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren und/oder eine hierzu geeignete Vorrichtung zum Steuern der Helligkeit einer Gasentladungslampe zu schaffen.It is an object of the invention to provide an improved method and / or a suitable device for controlling the To create brightness of a gas discharge lamp.
Die Aufgabe ist bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.The task is in a method according to the preamble of Claim 1 according to the invention in the characterizing of Features specified claim 1 solved.
Alternativ hierzu wird die Aufgabe bei einem Verfahren gemäß Oberbegriff des Anspruchs 13 durch seine kennzeichnenden Merkmale gelöst. Die Lösung derselben Aufgabe liegt bei einer Schaltung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 6 in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 6. As an alternative to this, the task is performed according to a method Preamble of claim 13 by its characterizing Features solved. The solution to the same problem lies with one Circuit according to the preamble of claim 6 in the characterizing features of claim 6.
Ein wesentlicher Zweck der Erfindung liegt dabei darin, den Dimmbetrieb, d. h. den Betrieb der Lampe bei reduzierter Helligkeit, zu stabilisieren. Die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale wirken dahingehend, daß die Lampenhelligkeits-Kennlinie des die Lampe beinhaltenden Serienresonanzkreises in ihrer Form verändert wird. Durch diese Änderung wird bei sinkender Helligkeit der Lampe gleichzeitig ihre Lampenhelligkeits-Kennlinie verändert. Diese Veränderung ebnet den steilen Bereich in der jeweils gültigen Helligkeits-Kennlinie und ermöglicht eindeutig definierte, stabile Betriebspunkte auch für stark gedimmten Betrieb.An essential purpose of the invention is that Dimming operation, d. H. the operation of the lamp at reduced Brightness, stabilize. The characteristic of the Features specified claim 1 act in that the Lamp brightness characteristic curve of the one containing the lamp Series resonance circuit is changed in shape. Through this The change is simultaneous with decreasing brightness of the lamp their lamp brightness characteristic changed. This change levels the steep area in the currently valid Brightness characteristic and enables clearly defined, stable operating points even for heavily dimmed operation.
Durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale wird vermieden, daß die genannten Betriebspunkte bzw. Arbeitspunkte in dem steilen Abschnitt einer für eine jeweilige Frequenz oder ein jeweiliges Tastverhältnis gültigen Lampenhelligkeits-Funktion zu liegen kommen. Insbesondere bei einem freischwingenden (selbstgeführten) Wechselrichter, bei dem die Schwingungsfrequenz u. a. von der Höhe der Netzspannung bzw. der Höhe der den Wechselrichter speisenden Gleichspannung abhängt, ist die erfindungsgemäße Stabilisierung des Dimmbetriebes ohne zusätzlichen Regler besonders wirksam.By the features specified in the characterizing part of claim 1 it is avoided that the mentioned operating points or Working points in the steep section one for each Frequency or a respective duty cycle valid Lamp brightness function come to rest. Especially at a free-swinging (self-guided) inverter, at which the oscillation frequency u. a. on the level of the mains voltage or the level of the DC voltage feeding the inverter depends, is the stabilization of the invention Dimming operation without additional controller is particularly effective.
Die für einen Dimmbetrieb vorteilhafte Erhöhung des Heizstromes wird durch die kombinierte Frequenzerhöhung und Tastverhältnisreduzierung verstärkt erzielt, dieser Effekt wirkt für die in ihrer Helligkeit reduzierte Gasentladungslampe zusätzlich stabilisierend.The advantageous increase in heating current for dimming is due to the combined frequency increase and Reduced duty cycle reduction achieved this effect works for the gas discharge lamp, which is reduced in brightness additionally stabilizing.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann durch beliebige Vorgabe einer nichtlinearen Steuerkurve die Abhängigkeit der Helligkeit von einer diese steuernden Steuerspannung oder Potentiometerstellung linearisiert werden. According to an advantageous development of the invention The method can be set by any nonlinear Control curve the dependence of the brightness of one of these controlling control voltage or potentiometer setting be linearized.
Die erfindungsgemäßen Verfahren gemäß Anspruch 1 und Anspruch 13 können einerseits mit zweidimensionalen Kennlinien oder mit dreidimensionaler Kennfläche arbeiten. Die unabhängige Variable für eine Kennlinie bildet entweder die Frequenz f oder das Tastverhältnis T, der abhängige Parameter ist in beiden Fällen die abgegebene Lampenleistung Pab bzw. die Lampenhelligkeit. Die im zweidimensionalen Fall jeweils nicht als Abszissen- Variable eingesetzte weitere Variable bildet einen Parameter, mit dem die im Oberbegriff des Anspruchs 1 erläuterte ineinander liegende Schar von glockenförmigen Kennlinien gebildet werden. Ein jeweiliges Paar aus einem Tastverhältnis d1 und einer Frequenz f1 ergibt eine eindeutige Lampenhelligkeit, da sowohl die Kennlinie als auch der Abszissenwert festliegt, womit der Ordinatenwert ablesbar ist. Mittels erfindungsgemäßer Funktionsgeber ist es möglich, abhängig von einer Führungsgröße, die entweder Psoll (erwünschte Lampenleistung) oder die Frequenz f oder das Tastverhältnis d sein kann, eine oder beide Parameter (Frequenz und Tastverhältnis) in erwünschter Weise dem Wechselrichter des EVG vorzugeben. Die jeweilige Vorgabe kann lampenindividuell erfolgen, demnach abhängig von der Lampenart, beispielsweise Krypton oder Argon, oder abhängig von der eingesetzten Lampen- Nennleistung PN. Die Verbindung aller Betriebspunkte bildet erfindungsgemäß eine Steuerkurve, die sowohl linear als auch bewußt verzerrt, d. h. nichtlinear sein kann.The methods according to the invention according to claim 1 and claim 13 can work on the one hand with two-dimensional characteristic curves or with three-dimensional characteristic surface. The independent variable for a characteristic is either the frequency f or the duty cycle T, the dependent parameter is given in both cases, the lamp power P and from the lamp brightness. The further variable which is not used as the abscissa variable in each case in the two-dimensional case forms a parameter with which the family of bell-shaped characteristic curves explained in the preamble of claim 1 are formed. A respective pair of a pulse duty factor d 1 and a frequency f 1 results in a clear lamp brightness, since both the characteristic curve and the abscissa value are fixed, with which the ordinate value can be read. Means according to the invention function generator it is possible, depending on a command which either P soll (desired lamp power) or the frequency f or the duty cycle may be d to specify one or both of parameters (frequency and duty cycle) in a desired manner the inverter of the ballast. The respective specification can be made individually for the lamp, accordingly depending on the type of lamp, for example krypton or argon, or depending on the nominal lamp power P N used . The connection of all operating points forms, according to the invention, a control curve which can be both linear and deliberately distorted, ie non-linear.
Neben der Möglichkeit der Steuerung der Helligkeit der Gasentladungslampe über zweidimensionale Kennlinien besteht alternativ die Möglichkeit der Steuerung über ein dreidimensionales Kennlinienfeld, d. h. eine lampenspezifische Kennfläche. Die Steuerkurve wird hierbei im Raum gebildet, auf der Oberfläche der Kennfläche. Die jeweilige Projektion dieser im Raum liegenden Steuerkurve auf die von den Achsen Pab und f aufgespannte Ebene oder die von den Achsen Pab und d aufgespannte Ebene bildet die zuvor erläuterte zweidimensionale Steuerkurve. Der Vorteil einer dreidimensionalen Vorgabe liegt in einem einzelnen Funktionsgeber, der ebenfalls abhängig von einer Führungsgröße, beispielsweise Psoll ein jeweiliges Paar aus Frequenz und Tastverhältnis auswählt. Die Gleichsetzung von Sollwert (Führungsgröße Psoll) und Istwert, d. h. abgegebene Lampenleistung Pab, ermöglicht hierbei die Einstellung einer Wunsch-Helligkeit ohne Einsatz eines Reglers. Die erfindungsgemäße Steuerkurve wird dabei gemäß Anspruch 13 auf die Kennfläche gelegt, wodurch jeder erwünschten Lampenhelligkeit, d. h. jeder Lampenleistung Pab, für Psoll=Pab ein eindeutiges Wertepaar aus Tastverhältnis und Frequenz zuordnungsbar ist.In addition to the possibility of controlling the brightness of the gas discharge lamp using two-dimensional characteristics, there is also the alternative of controlling using a three-dimensional characteristic field, ie a lamp-specific characteristic surface. The control curve is formed in space, on the surface of the characteristic surface. The respective projection of this control curve lying in space onto the plane spanned by the axes P ab and f or the plane spanned by the axes P ab and d forms the previously explained two-dimensional control curve. The advantage of a three-dimensional specification lies in a single function generator, which also selects a respective pair of frequency and duty cycle as a function of a reference variable, for example P should . Equating setpoint (reference variable P set), and the actual value, ie given lamp power P, this allows you to set a desired brightness without using a controller. The control curve according to the invention is placed on the characteristic surface, whereby any desired lamp brightness, ie each lamp power P ab , for P soll = P ab a definable pair of values from the duty cycle and frequency can be assigned.
Die erwünschte Helligkeit, bzw. die erwünschte abgegebene Lampenleistung Psoll, kann gemäß vorteilhafter Weiterbildung entweder mittels Potentiometer oder einer extern zugeführten Steuerspannung uSt erreicht werden.The desired brightness, and the desired output light power P should, in accordance with an advantageous further development may be achieved either by means of a potentiometer or an externally supplied control voltage U ST.
Ein weiterer Zweck der Erfindung liegt in der Schaffung eines elektronischen Vorschaltgerätes mit vorzugsweise freischwingendem Wechselrichter, das einfach und modular für den Dimmbetrieb, insbesondere gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 13, anpaßbar ist. Die Modulation der Unsymmetrie in einem Wechselrichter- Ausgangszweig erlaubt, gemäß dem Kennzeichen des eigenen erfinderischen Gehalt aufweisenden Anspruchs 6, die gleichzeitige Veränderung des Tastverhältnisses d sowie der Frequenz f einer Ausgangs-Wechselspannung oder -strom. Die erfindungsgemäße Steuerschaltungsanordnung moduliert hierbei die bestehende Unsymmetrie derart, daß ausgehend von einer im Tastverhältnis symmetrischen Nennbetriebs-Frequenz ein Dimmbetrieb durch gleichzeitiges Erhöhen der Ausgangs-Frequenz sowie Absenken des Tastverhältnisses ermöglicht wird. Die erfindungsgemäße Steuerschaltungsanordnung ist hierbei modular einem fertigen EVG hinzufügbar, so daß ein und dasselbe EVG sowohl für den Nennbetrieb als auch - mit Zusatz der Steuerschaltungsanordnung - für den Dimmbetrieb einsetzbar ist. Another purpose of the invention is to provide a electronic ballast with preferably cantilevered inverter that is simple and modular for the dimming operation, in particular according to claim 1 or claim 13, is customizable. The modulation of the asymmetry in one Inverter output branch allowed, according to the label of claim 6 having its own inventive content, which simultaneous change in the duty cycle d and the Frequency f of an AC output voltage or current. The Control circuit arrangement according to the invention modulates here the existing asymmetry such that starting from an im Duty cycle symmetrical nominal operating frequency Dimming operation by simultaneously increasing the output frequency as well as lowering the duty cycle is made possible. The The control circuit arrangement according to the invention is modular here can be added to a finished electronic ballast so that one and the same electronic ballast for both nominal operation and - with the addition of Control circuit arrangement - can be used for dimming.
Die Unsymmetrie wird vorteilhafterweise von ungleichen ohmschen Widerständen gebildet und mittels eines dem größeren der beiden Widerständen parallelgeschalteten steuerbaren Widerstandes, vorzugsweise eines MOS-FETs, kann zwischen voller Symmetrie (50% Tastverhältnis) und durch Widerstandswertunterschied bedingter Unsymmetrie variiert werden. Die Unterschiede in den Widerständen wirken erfindungsgemäß zurück auf die Sättigungszeiten des zur Steuerung des selbstgeführten Wechselrichters mit seiner Primärwicklung in den Serienresonanzkreis eingefügten Steuerübertragers. Seine Sekundärwicklungen steuern die Steueranschlüsse der Ausgangs- Leistungshalbleiter des Wechselrichters.The asymmetry is advantageously of unequal ohmic Resistors formed and one of the larger of the two Resistors connected in parallel controllable resistor, preferably a MOS-FET, can be between full symmetry (50% duty cycle) and by resistance difference conditional asymmetry can be varied. The differences in the According to the invention, resistances act back on the Saturation times of the to control the self-guided Inverter with its primary winding in the Series resonance circuit inserted control transmitter. His Secondary windings control the control connections of the output Power semiconductor of the inverter.
Ausführungsbeispiele der bekannten Schaltung und der erfindungsgemäßen Schaltung sowie eines erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigenEmbodiments of the known circuit and the circuit according to the invention and a circuit according to the invention Processes are described below with reference to the drawing. Show it
Fig. 1 ein Leistungs-Frequenzdiagramm mit einer Lampenhelligkeits-Kennlinie für ein Tastverhältnis von 50% und einem beispielhaft eingestellten Betriebspunkt B4, Fig. 1 is a power-frequency diagram with a lamp brightness characteristic curve for a 50% duty cycle and an exemplary set operating point B 4,
Fig. 2 drei Zeitdiagramme einer tastfrequenzvariablen Rechteckschwingung, wie sie von einem fremdgeführen oder selbstgeführten Wechselrichter abgegeben werden, Fig. 2 shows three time diagrams of a tastfrequenzvariablen square wave as fremdgeführen of one or self-commutated inverter are submitted,
Fig. 3 ein der Fig. 1 ähnliches Diagramm, an dem die erfindungsgemäße Änderung der Lampenhelligkeits- Kennlinie sowie eine lineare beispielhafte Steuerkurve 1 erläutert wird, Fig. 3 is a FIG. 1, similar diagram, where the change of the present invention Lampenhelligkeits- characteristic and a linear exemplary control curve 1 is explained,
Fig. 4 ein erfindungsgemäßes elektronisches Vorschaltgerät in Ausführung mit selbstschwingendem Wechselrichter, Fig. 4 an inventive electronic ballast in embodiments with selbstschwingendem inverter,
Fig. 5a ein Detail-Schaltbild einer erfindungsgemäßen Steuerschaltungsanordnung zur Modulation der Unsymmetrie des Wechselrichters von Fig. 4, FIG. 5a is a detail circuit diagram of a control circuit of the invention for modulating the unbalance of the inverter of Fig. 4,
Fig. 5b ein Detailschaltbild zur Erläuterung der sättigungsgesteuerten Frequenz/Tastverhältnis-Modulation anhand des unteren Teilzweiges des Wechselrichterausgangszweiges, Fig. 5b is a detailed circuit diagram for explaining the saturation-controlled frequency / duty-cycle modulation by means of the lower part of the branch of the inverter output branch,
Fig. 6 ein dreidimensionales Kennlinienfeld (-Fläche) gebildet von den unabhängigen Parametern f (Frequenz) und d (Tastverhältnis) und der die Kennfläche in z-Richtung bildenden abhängigen Variablen Pab (Lampenhelligkeit), wobei Pab als Funktion von d und f dargestellt ist, Fig. 6 is a three-dimensional characteristic field (area) formed by the independent parameters f (frequency) and d (duty cycle) and the characteristic area forming in z-direction dependent variables P from (lamp brightness), wherein P ab as a function of d and f is shown
Fig. 7 eine Lampenhelligkeits-Kennlinie in Abhängigkeit des Tastverhältnisses mit dem Parameter "Frequenz" zur Erläuterung einer reinen Frequenzsteuerung, Fig. 7 is a lamp brightness characteristic as a function of the duty cycle with the "frequency" for explaining a pure frequency control,
Fig. 8 eine Lampenhelligkeits-Kennlinie in Abhängigkeit von der Frequenz mit dem Parameter "Tastverhältnis" zur Erläuterung einer reinen Tastverhältnissteuerung, Fig. 8 is a lamp brightness characteristic as a function of the frequency with the parameter "duty cycle" for explaining a pure duty ratio,
Fig. 9 ein der Fig. 3 entsprechendes Diagramm mit Erläuterung einer nichtlinearen Steuerkurve II in Beabsichtigung der Linearisierung der Lampenhelligkeitsfunktion, abhängig von einer Steuerspannung oder einer Potentiometeränderung. FIG. 9 shows a diagram corresponding to FIG. 3 with an explanation of a non-linear control curve II with a view to the linearization of the lamp brightness function, depending on a control voltage or a change in the potentiometer.
Fig. 10a Funktionsgeber, der ausgehend von der in Fig. 6 dargestellten Kennfläche F abhängig von einer Führungsgröße, hier Psoll, das zu einer gewünschten Helligkeit zugehörige lampenindividuelle Wertepaar aus einer Frequenz (f) und einem Tastverhältnis (d) an den Wechselrichter 20 abgibt, FIG. 10a function generator which, starting in Fig. Characteristic surface depicted 6 F depending on a reference variable, P is intended here emits from the corresponding to a desired brightness lamp individual pair of values of a frequency (f) and a duty cycle (d) to the inverter 20 ,
Fig. 10b alternative Vorgabe der jeweiligen Frequenz und des zugehörigen Tastverhältnisses über einen einfachen weiteren Funktionsgeber, der abhängig von einer Frequenz, welche hier als Führungsgröße eingesetzt wird, ein zugehöriges Tastverhältnis abgibt, Fig. 10b alternative specification of the respective frequency and duty cycle associated with a simple additional function generator which, an associated duty cycle outputs depending on a frequency which is used here as a reference variable,
Fig. 11 Realisierungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes EVG, welches den Lampen-Lastkreis X speist, und dessen Wechselrichter 20 die gemäß Fig. 10a und 10b erzeugten Wertepaare aus Tastverhältnis und Frequenz zuführbar sind. Fig. 11 implementation example for an inventive electronic ballast, which feeds the lamp load circuit X, and the inverter 20 in accordance with Fig. 10a and 10b generated pairs of values of pulse duty factor and frequency can be fed.
Fig. 1 zeigt eine Lampenhelligkeits-Kennlinie bzw. die Funktion der abgegebenen Leistung Pab, welche der Helligkeit entspricht, in Abhängigkeit von der Frequenz einer einem Serienresonanzkreis mit Gasentladungslampe GE zugeführten Wechselspannung. Es ist ein beispielhafter Betriebspunkt B4 eingezeichnet, der bei einer eingestellten Frequenz f4 eine abgegebene Leistung P4 bedingt. Diese abgegebene Leistung P4 entspricht einer bestimmten Helligkeit H4. Fig. 1 shows a lamp brightness characteristic or the function of the output power P from which corresponds to the brightness, supplied in dependence on the frequency of a series resonant circuit with a gas discharge lamp GE AC voltage. There is shown an exemplary operating point B 4, the f at a set frequency 4 is an output power P due 4. This output power P 4 corresponds to a certain brightness H 4 .
Zunächst ist anhand der Lampenhelligkeits-Kennlinie ersichtlich, daß die Lampenhelligkeit grundsätzlich durch eine Frequenzänderung erzielt werden kann. Die Lampenhelligkeits- Kennlinie verläuft bei niedrigen Frequenzen sowie bei hohen Frequenzen relativ flach, d.h. die Leistungsänderung ΔPab für ein vorgegebenes Δf ist gering, und weist einen diese beiden flachen Bereiche verbindenden steilen Bereich mit einem hohen Maß an Leistungsänderung für dieselbe vorgegebene Frequenzänderung auf. Die Eigenschaft dieser Lampenhelligkeits-Funktion, die hier beispielsweise für ein symmetrisches Tastverhältnis von d1=50% bzw. 1 : 1 gezeigt wird, ist abhängig von den Eigenschaften des Serienresonanzkreises L1/C1 sowie gasentladungslampenabhängig. Eine ähnliche Lampenhelligkeits-Kennlinie ergibt sich für eine konstante Frequenz bei variablem Tastverhältnis. First of all, it can be seen from the lamp brightness characteristic curve that the lamp brightness can basically be achieved by changing the frequency. The lamp brightness characteristic curve is relatively flat at low frequencies and at high frequencies, ie the power change ΔP ab for a given Δf is small, and has a steep area connecting these two flat areas with a high degree of power change for the same predetermined frequency change. The property of this lamp brightness function, which is shown here for example for a symmetrical pulse duty factor of d 1 = 50% or 1: 1, is dependent on the properties of the series resonant circuit L 1 / C 1 and on gas discharge lamps. A similar lamp brightness characteristic curve results for a constant frequency with a variable duty cycle.
Die Differenzgröße Δ wird im folgenden mit "DELTA" bezeichnet.The difference Δ is referred to below as "DELTA".
Wird mittels eines elektronischen Vorschaltgerätes (EVG) bzw. des in diesem enthaltenen Wechselrichters 20 (s. Fig. 11) eine vorgegebene Frequenz f4 eingestellt und diese dem die Gasentladungslampe GE enthaltenden Serienresonanzkreis zugeführt, so stellt sich für einen bestimmten Lampentyp bei dem erwähnten Tastverhältnis von d1=50% ein Arbeitspunkt B4 ein, der einer abgegebenen Leistung P4 bzw. H₄ entspricht. Eine geringfügige Frequenzschwankung, in Fig. 1 mit DELTA f4 bezeichnet, die beispielhaft symmetrisch zu f4 liegt, führt nun aufgrund der steilen Kennlinie zu einer vergleichsweise hohen Leistungsänderung DELTA P4. Diese relativ hohe Leistungsänderung äußert sich bei nicht konstanter Frequenz in einem Flackern der Lampe, welches für das menschliche Auge als unangenehm und störend empfunden wird. Ein geringfügiges Verschieben der Frequenz f4 bewirkt demnach einerseits zwar eine starke stationäre Helligkeitsänderung, jedoch andererseits die unerwünschte Flackereigenschaft. Eine parasitäre geringfügige Frequenzänderung DELTA f4 kann, insbesondere bei der Verwendung von selbstgeführten Wechselrichtern, von einer nicht konstanten (schwankenden) Netzspannung verursacht werden.If a predetermined frequency f 4 is set by means of an electronic ballast (EVG) or the inverter 20 contained therein (see FIG. 11) and this is fed to the series resonance circuit containing the gas discharge lamp GE, then for a certain type of lamp this results in the duty cycle mentioned of d 1 = 50% an operating point B 4 , which corresponds to a power output P 4 or H₄. A slight frequency fluctuation, denoted by DELTA f 4 in FIG. 1, which is, for example, symmetrical to f 4 , now leads to a comparatively high change in power DELTA P 4 due to the steep characteristic. If the frequency is not constant, this relatively high change in output manifests itself in a flickering of the lamp, which is perceived as unpleasant and annoying for the human eye. A slight shift in the frequency f 4 accordingly causes a strong stationary change in brightness on the one hand, but on the other hand the undesirable flickering property. A parasitic slight change in frequency DELTA f 4 can be caused by a non-constant (fluctuating) mains voltage, especially when using self-commutated inverters.
Der Arbeitspunkt (Betriebspunkt) B4 kann nun beispielsweise mit dem Nenn-Arbeitspunkt BN, der sich bei einer Nenn-Arbeitsfrequenz fN einstellt, verglichen werden. Hier gibt die Lampe die Nennleistung PN, was der Nenn-Helligkeit entspricht, ab. Die Nenn-Frequenz liegt üblicherweise geringfügig oberhalb der Schwinkreisresonanzfrequenz, beispielhaft bei ca. 20 kHz, vorzugsweise oberhalb der Hörfrequenz. Die an dem genannten Nenn-Arbeitspunkt BN auftretende Änderung der Leistungsabgabe für eine vorgegebene geringfügige Frequenzänderung DELTA f5 beträgt nur DELTA P₅. Diese Lampen-Helligkeitsänderung ist um ein Vielfaches geringer, als die am Dimm-Betriebspunkt B4 durch eine gleiche Frequenzänderung (bei DELTA f4=DELTA f5) bewirkte Lampenhelligkeitsänderung. Somit wird ersichtlich, daß ausgehend vom Nennbetrieb, wo eine Gasentladungslampe nicht oder nur gering flackert, ein Dimmen der Lampe mit einem elektronischen Vorschaltgerät durch alleinige Frequenzerhöhung (bei konstantem Tastverhältnis d1) zu einem erhöhten Flackern, d. h. zu Instabilität, führt.The operating point (operating point) B 4 can now be compared, for example, with the nominal operating point BN, which is established at a nominal operating frequency f N. Here the lamp emits the nominal power P N , which corresponds to the nominal brightness. The nominal frequency is usually slightly above the resonant circuit resonance frequency, for example approximately 20 kHz, preferably above the hearing frequency. The change in the power output occurring at the named nominal operating point BN for a predetermined slight frequency change DELTA f 5 is only DELTA P₅. This change in lamp brightness is many times smaller than the change in lamp brightness caused by the same frequency change at dimming operating point B 4 (with DELTA f 4 = DELTA f 5 ). It can thus be seen that, starting from the nominal operation, where a gas discharge lamp does not or only flickers slightly, dimming the lamp with an electronic ballast by increasing the frequency alone (with a constant pulse duty factor d 1 ) leads to increased flickering, ie to instability.
Hier setzt der Erfindungsgedanke an, er ermöglicht die Änderung der Lampenhelligkeits-Kennlinie gemäß Fig. 3 durch Variation des Tastverhältnisses d. Das Tastverhältnis (relatives Tastverhältnis d, absolutes Tastverhältnis D) ist definiert als das Verhältnis von Einschaltdauer zu Ausschaltdauer der hochfrequenten von dem EVG abgegebenen Wechselspannung uW. Ein symmetrisches Tastenverhältnis bedeutet, daß die Einschaltzeit sowie die Ausschaltzeit der Wechselspannung identisch sind, mithin dSYMM=50% bzw. D=50 : 50 oder 1 : 1. Ein Verschieben des Tastverhältnisses zu geringeren relativen Tastverhältnissen d<50% bedeutet eine Reduzierung der Einschaltzeit bei gleichzeitiger Vergrößerung der Ausschaltzeit. Als Summe verbleibt die gleiche Zeit T, so daß die Frequenz f=1/T unverändert ist (Fig. 2).This is where the idea of the invention comes in; it enables the lamp brightness characteristic curve according to FIG. 3 to be changed by varying the duty cycle d. The duty cycle (relative duty cycle d, absolute duty cycle D) is defined as the ratio of the on-time to the off-time of the high-frequency AC voltage emitted by the electronic ballast u W. A symmetrical key ratio means that the switch-on time and the switch-off time of the AC voltage are identical, i.e. d SYMM = 50% or D = 50: 50 or 1: 1. Shifting the pulse ratio to lower relative pulse duty factors d <50% means a reduction in Switch-on time while increasing the switch-off time. The same time T remains as a sum, so that the frequency f = 1 / T is unchanged ( FIG. 2).
Gemäß Fig. 3 wird nun durch Senken des Tastverhältnisses bzw. Senken der relativen Einschaltdauer d die Lampenhelligkeits-Kennlinie flacher. Der steile Bereich verliert an Steigung, das Risiko von frequenzänderungsinduzierten Flackerungen der Gasentladungslampe sinkt.According to FIG. 3, the lamp brightness characteristic curve becomes flatter by lowering the duty cycle or lowering the relative duty cycle d. The steep area loses slope, the risk of frequency change-induced flickering of the gas discharge lamp decreases.
Es läßt sich eine Steuerkurve I definieren, die gebildet ist durch alle sich ergebenden Betriebspunkte B1, B2, B3 . . ., welche für jeweilige Frequenz/Tastverhältnis-Kombinationen gelten. Die Verbindung aller Betriebspunkte bildet die Steuerkurve 1. Diese kann beliebige Formen aufweisen. B1, B2, B3 sind beispielhaft herausgegriffene Betriebspunkte. Auch die gezeigten 3 Kennlinien K1; K2, K3 sind beispielhafte Kennlinien. Es existieren für kontinuierlich änderbares Tastverhältnis unendich viele glockenförmige Kennlinien, diese werden bei kontinuierlichem Durchstimmen des Tastverhältnisses d (oder der Frequenz f) kontinuierlich verschoben und in ihren Steigungen geändert. Die Steuerkurve, in Fig. 3 mit I bezeichnet und in Fig. 9 mit II bezeichnet, kann nichtlinear gewählt werden. Dies ist abhängig von der erwünschten Steuerfunktion sowie von dem eingesetzten Lampentyp. Andererseits kann eine Steuerkurve ebenfalls dadurch definiert werden, daß für viele jeweilige Kombinationen aus einer Frequenz, beispielsweise f2, und einem Tastverhältnis, beispielsweise d2=25%, jeweils ein eindeutiger Arbeitspunkt (Betriebspunkt), hier B2, existiert. Die Frequenz gibt hierbei die Abszissenkoordinate an, während durch das Tastverhältnis die jeweils gültige Lampenhelligkeits-Funktion ausgewählt wird, auf der der Betriebspunkt für die gewählte Frequenz liegt. Auf gleiche Weise ist eine Steuerkurve definierbar, bei der in Abszissenrichtung das Tastverhältnis aufgetragen ist, während als Parameter der Schaar von Lampenhelligkeits-Kennlinien die Frequenz f herangezogen wird (Fig. 7).A control curve I can be defined, which is formed by all the resulting operating points B 1 , B 2 , B 3 . . ., which apply to the respective frequency / duty cycle combinations. The control curve 1 forms the connection of all operating points. This can have any shape. B 1 , B 2 , B 3 are exemplary operating points. The 3 characteristic curves K 1 ; K 2 , K 3 are exemplary characteristic curves. There are an infinite number of bell-shaped characteristic curves for continuously changeable duty cycle, these are continuously shifted with continuous tuning of the duty cycle d (or the frequency f) and their slopes are changed. The control curve, labeled I in FIG. 3 and labeled II in FIG. 9, can be selected to be non-linear. This depends on the desired control function and the type of lamp used. On the other hand, a control curve can also be defined by the fact that for many respective combinations of a frequency, for example f 2 , and a pulse duty factor, for example d 2 = 25%, there is in each case a clear operating point (operating point), here B 2 . The frequency specifies the abscissa coordinate, while the duty cycle selects the currently valid lamp brightness function on which the operating point for the selected frequency is located. In the same way, a control curve can be defined, in which the pulse duty factor is plotted in the abscissa direction, while the frequency f is used as the parameter of the pair of lamp brightness characteristics ( FIG. 7).
Für den flackerfreien Betrieb einer Gasentladungslampe GE ist es nun relevant, die Steuerkurve in einer solchen Art verlaufen zu lassen, daß alle Betriebspunkte in dem anfänglichen flachen Bereich bzw. oberhalb des Wendepunktes der jeweils gültigen Lampenhelligkeits-Kennlinien zu liegen kommen.For the flicker-free operation of a GE gas discharge lamp it is now relevant to run the tax curve in such a way to let all of the operating points in the initial flat Range or above the turning point of the applicable one Lamp brightness characteristics come to rest.
Die in Fig. 3 beispielhaft eingezeichnete Steuerkurve I ermöglicht den flackerfreien Dimm-Betrieb einer Leuchtstofflampe. Die Steuerkurve ist beispielhaft durch drei Arbeitspunkte (Betriebspunkte) B1, B2 und B3 festgelegt, welche jeweils auf einer Kennlinie liegen, die für ein festes Tastverhältnis gilt. Die drei eingetragenen Kennlinien K1, K2 und K3, welche den Tastverhältnissen dl, d2 und d3 entsprechen, bilden nur eine beispielhafte Auswahl aus einer unendlichen Zahl von Kennlinien. Die unendliche Zahl von Kennlinien entsteht bei kontinuierlich variierbarem Tastverhältnis. Jeder einstellbare Betriebspunkt auf jeder Kennlinie bildet einen Punkt der Steuerkurve I. Die Betriebspunkte werden durch Wahl des Tastverhältnisses und der Frequenz derart gewählt, daß jeder Betriebspunkt soweit wie möglich von dem Wendepunkt seiner zugehörigen Kennlinie entfernt ist. Auf diese Weise kommen die Betriebspunkte in denjenigen Kennlinienbereichen zu liegen, die eine geringe oder eine minimale Steigung aufweisen. Stehen nur bestimmte Kennlinien zur Verfügung, beispielsweise bei nichtkontinuierlichem Verändern des Tastverhältnisses, so ist jeder Betriebspunkt derart zu wählen, daß er auf einer Kennlinie zu liegen kommt, die für die erwünschte abgegebene Lampenleistung eine minimale Steigung aufweist.The control curve I shown by way of example in FIG. 3 enables the flicker-free dimming operation of a fluorescent lamp. The control curve is defined, for example, by three operating points (operating points) B 1 , B 2 and B 3 , each of which lies on a characteristic curve that applies to a fixed duty cycle. The three entered characteristic curves K 1 , K 2 and K 3 , which correspond to the duty ratios d 1 , d 2 and d 3 , form only an exemplary selection from an infinite number of characteristic curves. The infinite number of characteristic curves arises with a continuously variable duty cycle. Each adjustable operating point on each characteristic curve forms a point on the control curve I. The operating points are selected by selecting the duty cycle and the frequency such that each operating point is as far as possible from the turning point of its associated characteristic curve. In this way, the operating points come to lie in those characteristic curve areas that have a slight or minimal slope. If only certain characteristic curves are available, for example when the duty cycle is not continuously changing, each operating point must be selected such that it comes to lie on a characteristic curve which has a minimal gradient for the desired lamp output.
Je geringer das Tastverhältnis wird, umso flacher werden die Maxima der Kennlinien und umso weniger steil werden die anfangs steilen Bereiche um den Wendepunkt. Die auf diesen Kennlinien liegenden Betriebspunkte können näher am Wendepunkt liegen, da auch hier eine vergleichsweise geringe Steigung der Kennlinie gegeben ist.The lower the duty cycle, the flatter they become Maxima of the characteristic curves and the less steep they become at the beginning steep areas around the turning point. The on these characteristics lying operating points can be closer to the turning point because here too a comparatively small slope of the characteristic given is.
Die unabhängige Frequenz- und Tastverhältnissteuerung ist sowohl für den selbstgeführten Wechselrichter eines EVG als auch für einen fremdgeführten Wechselrichter einsetzbar. In einem fremdgeführten Wechselrichter können dabei Frequenzänderung sowie Tastverhältnisänderung unabhängig voneinander eingestellt werden. Eine Steuerkurve und Lampenhelligkeit kann somit durch zwei unabhängig voneinander wählbare Einflußgrößen frei bestimmt werden bzw. festgelegt werden.The independent frequency and duty cycle control is both for the self-commutated inverter of an electronic ballast and can also be used for an externally managed inverter. In an externally managed inverter can do this Frequency change and duty cycle change independent from each other. A control curve and Lamp brightness can thus be controlled independently by two selectable influencing variables can be freely determined or specified will.
Als Eingangsgröße für eine kombinierte (gemeinsame) Frequenz- und Tastverhältnissteuerung findet entweder eine von extern zugeführter Steuerspannung uSt Anwendung oder die Frequenz- und Tastverhältnissteuerung erfolgt aufgrund einer Potentiometerstellung. Either an externally supplied control voltage u St is used as the input variable for a combined (common) frequency and duty cycle control, or the frequency and duty cycle control is based on a potentiometer setting.
Bei einem selbstgeführten Wechselrichter erfolgt die kombinierte Frequenz- und Tastverhältnisänderung bereits durch Ändern der Einschaltdauer der dem Lastkreis X zugeführten Wechselspannung uW. Hierdurch ändert sich bei konstanter Ausschaltzeit bereits Tastverhältnis und Frequenz.In the case of a self-commutated inverter, the combined change in frequency and duty cycle already takes place by changing the duty cycle of the alternating voltage u W supplied to the load circuit X. As a result, the duty cycle and frequency change with a constant switch-off time.
Die Fig. 7 und 8 zeigen ein weiteres Mal Lampenhelligkeits-Kennlinien, einmal in Abhängigkeit von dem Tastverhältnis d und im zweiten Fall in Abhängigkeit von der Frequenz f (wie bereits in Fig. 3). Als Parameter wird der jeweils andere Wert verwendet, d. h. die Lampenhelligkeits-Kennlinien, die in Abhängigkeit vom Tastverhältnis d in Fig. 7 gezeigt sind, zeigen die Frequenz f als Parameter für die unterschiedlichen Kennlinien. FIGS. 7 and 8 show lamp brightness characteristic curves once again, once as a function of the pulse duty factor d and in the second case as a function of the frequency f (as already in FIG. 3). The respective other value is used as a parameter, ie the lamp brightness characteristics, which are shown as a function of the pulse duty factor d in FIG. 7, show the frequency f as parameters for the different characteristics.
Auf der Ordinate ist für beide Fälle die abgegebene Leistung Pab, die der Lampenhelligkeit entspricht, aufgetragen. Eine reine Frequenz-Steuerung sowie eine reine Tastverhältnis-Steuerung, die beide alleinig helligkeitsvariierend wirken, sind in ihren jeweiligen Diagrammen durch eine vertikale Linie darzustellen. Hierbei wird bei konstantem Tastverhältnis von 50% in Fig. 7 eine Helligkeitsvariation durch Frequenzänderung erzielt, die Steuerkurve verläuft vertikal, unterschiedliche Frequenzen führen zu unterschiedlichen Schnittpunkten (Betriebspunkten) und unterschiedlichen Lampenhelligkeiten. Auf gleiche Weise wird bei konstanter Frequenz f1 in Fig. 8 eine unterschiedliche Lampenhelligkeit jeweils durch Wahl unterschiedlicher Tastverhältnisse eingestellt. Das erfindungsgemäße Neigen bzw. das freie Vorgeben der Steuerkurve entspricht einer gleichzeitigen Änderung der Frequenz f und des Tastverhältnisses d und ermöglicht den stationären flackerfreien Dimmbetrieb von Leuchtstofflampen. The output power P ab , which corresponds to the lamp brightness, is plotted on the ordinate for both cases. A pure frequency control and a pure duty cycle control, both of which have a brightness-varying effect, are to be represented in their respective diagrams by a vertical line. Here, with a constant pulse duty factor of 50% in FIG. 7, a brightness variation is achieved by changing the frequency, the control curve runs vertically, different frequencies lead to different intersection points (operating points) and different lamp brightnesses. In the same way, at a constant frequency f 1 in FIG. 8, a different lamp brightness is set in each case by choosing different duty cycles. The inclination according to the invention or the free specification of the control curve corresponds to a simultaneous change in the frequency f and the duty cycle d and enables the stationary flicker-free dimming operation of fluorescent lamps.
Die üblicherweise nichtlineare Abhängigkeit der Lampenhelligkeit von der Frequenzänderung und/oder Tastverhältnisänderung kann durch beliebige Krümmung der Steuerkurve, wie sie beispielsweise anhand von Fig. 9 als Steuerkurve II identifiziert ist, linearisiert werden. Dies ist insbesondere bei Helligkeitssteuerungen über Steuerspannungsänderung uSt von Vorteil, eine separate Regelung für die Helligkeitsstabilisierung ist entbehrlich.The usually non-linear dependence of the lamp brightness on the frequency change and / or change in the duty cycle can be linearized by any curvature of the control curve, as is identified, for example, as control curve II on the basis of FIG. 9. This is particularly advantageous in the case of brightness controls via control voltage change u St ; a separate regulation for the brightness stabilization is unnecessary.
Die von den Fig. 7, 8 und 9 dargestellten zweidimensionalen Kennlinien, die auf der Ordinate jeweils Pab als abhängige Variable zeigten, können gemeinsam in einem dreidimensionalen Koordinatensystem dargestellt werden. Dies zeigt Fig. 6. Die lampenspezifischen Kennlinien sind als isometrisches Netz in der Kennfläche F dargestellt, die Steuerkurve II oder III sind räumlich eingezeichnet. Die beiden unabhängigen Variablen Tastverhältnis d und Frequenz f verlaufen in x- und y-Richtung. In z-Richtung ist die abhängige Variable, die abgegebene Leistung Pab aufgetragen. Die abhängige und die unabhängigen Variablen sind vertauschbar, beispielsweise für den beschriebenen Fall, in welchem Pab=Psoll vorgegeben wird (über uSt) und entsprechend der auf der im Raum gebildeten Kennfläche F liegenden Steuerkurve 2 ein eindeutiges Paar aus Frequenz und Tastverhältnis für eine jeweilige gewünschte Lampenhelligkeit vorgegeben wird. Jeder Betriebspunkt wird als Durchstoßpunkt der Steuerkurve II oder III durch die Ebene definiert, welche parallel zu der von den Achsen d und f aufgespannten Ebene liegt und die auf der Höhe der erwünschten abgegebenen Leistung Pab liegt.The two-dimensional characteristics shown in FIGS. 7, 8 and 9, each showing P ab as a dependent variable on the ordinate, can be represented together in a three-dimensional coordinate system. This is shown in FIG. 6. The lamp-specific characteristic curves are shown as an isometric network in the characteristic surface F, the control curve II or III are shown spatially. The two independent variables duty cycle d and frequency f run in the x and y directions. The dependent variable, the output power P ab, is plotted in the z direction. The dependent and the independent variables are interchangeable, for example for the described case in which P ab = P should be specified (above u St ) and, according to the control curve 2 lying on the characteristic surface F formed in space, a unique pair of frequency and duty cycle for a respective desired lamp brightness is specified. Each operating point is defined as the point of intersection of the control curve II or III through the plane which is parallel to the plane spanned by the axes d and f and which is at the level of the desired output P ab .
Fig. 7 sowie die Fig. 8 können aus der Kennfläche F abgeleitet werden. Beispielsweise die Fig. 8 wird gebildet durch alle Schnittkurven, die zwischen der Kennfläche F und Ebenen existieren, welche zu der Ebene parallel verlaufen, die durch die Achsen f und Pab gebildet werden. Ein Parallelverschieben dieser Ebenen in Richtung d-Achse bildet als jeweilige Schnittkurve mit der Kennfläche F von Fig. 6 die in Fig. 8 dargestellten Kennlinien. Gleiches gilt für Ebenen, die parallel zu der Ebene verlaufen, welche von der d- und Pab-Achse aufgespannt werden und welche ebenfalls mit der Kennfläche F Schnittkurven bilden, wenn die Ebene in Richtung der Frequenzachse f verschoben wird. Hieraus entsteht die Fig. 7. Fig. 7 and Fig. 8 can be derived from the characteristic area F. For example, FIG. 8 is formed by all intersection curves that exist between the characteristic surface F and planes that run parallel to the plane that are formed by the axes f and P ab . A parallel displacement of these planes in the direction of the d-axis forms the characteristic curves shown in FIG. 8 as a respective intersection curve with the characteristic surface F from FIG. 6. The same applies to planes that run parallel to the plane that are spanned by the d and P ab axes and that also form intersection curves with the characteristic surface F when the plane is shifted in the direction of the frequency axis f. This results in FIG. 7.
Die Schnittkurve einer Ebene, welche parallel zu der Ebene verläuft, die von den Achsen d und f aufgespannt wird, gibt all diejenigen Betriebspunkte an, die für eine bestimmte Leistung Pab bei vorgegebener Kennfläche F möglich sind. Einer dieser möglichen Punkte wird für die Steuerkurve II ausgewählt. Beispielsweise die Ebene E2 verläuft parallel zu der von den Achsen f und d aufgespannten Ebene und liegt auf der Höhe von P2. Die Schnittkurve dieser Ebene E2 mit der Kennfläche F stellt all diejenigen Betriebspunkte dar, die zur Erzielung der Leistung P2 möglich sind. Einer dieser Betriebspunkte wird ausgewählt zur Gewährung minimaler Flackereigenschaften, wodurch ein Punkt der Steuerkurve II festgelegt ist. Auf diese Weise kann im Bereich O<Pab<PN (Nennleistung der Lampe) zur Bildung einer vollständigen Steuerkurve II verfahren werden.The intersection curve of a plane, which runs parallel to the plane spanned by the axes d and f, indicates all those operating points that are possible for a specific power P ab with a predetermined characteristic surface F. One of these possible points is selected for control curve II. For example, the plane E 2 runs parallel to the plane spanned by the axes f and d and lies at the height of P 2 . The intersection curve of this plane E 2 with the characteristic surface F represents all those operating points that are possible to achieve the power P 2 . One of these operating points is selected in order to grant minimal flicker properties, whereby a point of the control curve II is defined. In this way it is possible to proceed in the range O <P from <P N (nominal lamp power) to form a complete control curve II.
Fig. 4 zeigt einen Wechselrichter-Ausgangszweig eines selbstgeführten Wechselrichters in einem EVG zur Lampenhelligkeitsänderung durch kombiniertes Verändern des Tastverhältnisses d und der Frequenz f der Ausgangsspannung uW(t). Die Anwendung bei einem selbstgeführten Wechselrichter ist beispielhaft zu verstehen, die Erfindung ist auch, wie beschrieben, für anders geartete Wechselrichter, beispielsweise fremdgeführte Wechselrichter einsetzbar. Selbstgeführte Wechselrichter haben den Vorteil, daß sie einfach und robust, sowie kostengünstig aufgebaut werden können, fremdgeführte Wechselrichter sind flexibler, d. h. einfacher regelbar, jedoch teurer im Aufbau. Fig. 4 shows an inverter output branch of a self-commutated inverter in an electronic ballast for the lamp brightness change by combined varying the duty cycle d and the frequency f of the output voltage u W (t). The use in a self-commutated inverter is to be understood as an example; the invention, as described, can also be used for other types of inverters, for example externally managed inverters. Self-commutated inverters have the advantage that they can be constructed simply and robustly and inexpensively; externally-guided inverters are more flexible, ie easier to regulate, but more expensive to build.
Der bereits in Fig. 1 erwähnte Serienresonanzkreis weist zunächst die Reihenschaltung einer Induktivität L1, einer Kapazität C₁ sowie die Reihenschaltung beider Heizwendel der GE-Lampe und eines Parallel-Heizkondensators C₀ auf. Der Heizkondensator C0 ist parallel zur Gasentladungslampe GE geschaltet, dieses bezeichnet man als Parallel-Heizkreis. In Fig. 4 sind ferner die Primärwicklung T2-D eines Steuerübertragers T2 sowie die beiden Primärwicklungen T1-A und T1-B eines zusätzlichen Zünderkennungs-Übertragers T1 in den Serienresonanzkreis eingeschaltet. Letzterer bildet eine vorteilhafte Ergänzung des erfindungsgemäßen Ausgangskreises, ist jedoch für deren grundsätzliche Funktion nicht erforderlich.The series resonance circuit already mentioned in Fig. 1 first has the series connection of an inductor L 1 , a capacitance C 1 and the series connection of both heating filaments of the GE lamp and a parallel heating capacitor C₀. The heating capacitor C 0 is connected in parallel to the gas discharge lamp GE, this is referred to as a parallel heating circuit. The primary winding T are turned on in the series resonant circuit in FIG. 4 further 2-D a Steuerübertragers T 2 and the two primary windings of T 1 and T -A 1 -B an additional detonator identification transformer T 1. The latter forms an advantageous addition to the output circuit according to the invention, but is not necessary for its basic function.
Die beiden Eingangs-Anschlüsse des Serienresonanzkreises werden an zwei Ausgangsanschlüsse eines Wechselrichterzweiges S1, R1, S2, R2 angeschlossen. Der Ausgangs-Wechselrichterzweig wird in dem Ausführungsbeispiel gebildet durch die Reihenschaltung eines ersten elektronischen Schalters S1, eines ersten Widerstandes R1, eines zweiten elektronischen Schalters S2 sowie eines zweiten Widerstandes R2. Dieser Ausgangszweig ist mit seinem oberen und mit seinem unteren Anschluß an eine Versorgungs-Gleichspannung +, - geschaltet. Er enthält die beiden Teilzweige S1 und R1 sowie S2 und R2. Die beiden Anschlüsse des Serienresonanzkreises sind nun entweder parallel zu dem einen Teilzweig oder parallel zu dem zweiten Teilzweig zu schalten. Im Ausführungsbeispiel sind sie parallel zu dem oberen Teilzweig S1, R1 geschaltet.The two input connections of the series resonance circuit are connected to two output connections of an inverter branch S 1 , R 1 , S 2 , R 2 . In the exemplary embodiment, the output inverter branch is formed by the series connection of a first electronic switch S 1 , a first resistor R 1 , a second electronic switch S 2 and a second resistor R 2 . This output branch is connected with its upper and with its lower connection to a DC supply voltage +, -. It contains the two branches S 1 and R 1 as well as S 2 and R 2 . The two connections of the series resonance circuit are now to be connected either in parallel to the one branch or in parallel to the second branch. In the exemplary embodiment, they are connected in parallel to the upper branch S 1 , R 1 .
Die beiden Widerstände R1 und R2 weisen unterschiedliche Widerstandswerte auf, die Widerstandsdifferenz ist ein Maß für die gewählte Unsymmetrie der beiden Teilzweige des Wechselrichter-Ausgangszweiges. In dem Ausführungsbeispiel wird ferner eine Steuerschaltungsanordnung 10 parallel zu dem Widerstand R2 geschaltet, der als größerer Widerstand angenommen werden soll. Es ist jedoch ebenso möglich, die Steuerschaltungsanordnung parallel zu Widerstand R1 zu schalten, wenn dieser den größeren Wert der beiden Widerstände R1 und R2 aufweist. Es ist ferner möglich, die Steuerschaltungsanordnung 10 in Reihe zu einem der Teilzweige zu schalten, hierbei bestimmt sich die Unsymmetrie allein durch den Durchgangswiderstand (Längswiderstand) RDS der Schaltungsanordnung 10.The two resistors R 1 and R 2 have different resistance values, the difference in resistance is a measure of the selected asymmetry of the two sub-branches of the inverter output branch. In the exemplary embodiment, a control circuit arrangement 10 is also connected in parallel with the resistor R 2 , which is to be assumed to be a larger resistor. However, it is also possible to connect the control circuit arrangement in parallel with resistor R 1 if this has the larger value of the two resistors R 1 and R 2 . It is also possible to connect the control circuit arrangement 10 in series to one of the sub-branches, in this case the asymmetry is determined solely by the volume resistance (series resistance) R DS of the circuit arrangement 10 .
Die Steuerschaltungsanordnung 10 wird wahlweise über eine Steuerspannung uSt oder über eine Potentiometerstellung, Fig. 5a zeigt das hierfür eingesetzte Potentiometer POT, angesteuert. Die Steuerspannung uSt oder die Potentiometerstellung bestimmen den Durchlaßwiderstand der Schaltungsanordnung 10, mithin den dem Widerstand RDS parallelgeschalteten Widerstand. Eine Symmetrie der beiden Teilzweige wird erreicht, wenn die Parallelschaltung aus größerem Widerstand R2 und Durchgangswiderstand RDSon der Steuerschaltungsanordnung 10 dem Widerstand R1 entspricht. Das höchste Maß an Unsymmetrie und mithin das geringste Tastverhältnis bei höchster Frequenz wird erreicht, wenn die Steuerschaltung 10 sperrt, bzw. ihren höchsten Längswiderstand aufweist. Die Unsymmetrie wird dann im wesentlichen durch das Verhältnis der beiden Widerstände R1 und R2 bestimmt. Hierdurch ist es einstellbar und der Betriebsbereich des Wechselrichters kann abgeglichen bzw. vorbestimmt werden.The control circuit arrangement 10 is optionally controlled via a control voltage u St or via a potentiometer position, FIG. 5a shows the potentiometer POT used for this. The control voltage u St or the potentiometer position determine the forward resistance of the circuit arrangement 10 , and consequently the resistance connected in parallel with the resistor R DS . A symmetry of the two sub-branches is achieved when the parallel connection of larger resistor R 2 and contact resistance R DSon of control circuit arrangement 10 corresponds to resistor R 1 . The highest degree of asymmetry and therefore the lowest duty cycle at the highest frequency is achieved when the control circuit 10 blocks or has its highest series resistance. The asymmetry is then essentially determined by the ratio of the two resistors R 1 and R 2 . This makes it adjustable and the operating range of the inverter can be adjusted or predetermined.
Der in den Serienresonanzkreis eingefügte Steuerübertrager T2-D weist für den selbstgeführten Wechselrichter zumindest zwei Sekundärwicklungen auf, T2-A und T2-C. Diese steuern gegensinnig kreuzweise die beiden elektronischen Schalter S1 und S2 des Wechselrichterzweiges. Die Sättigungseigenschaft dieses Übertragers T2 ist aufgrund des Kernes und der Wicklungszahlen der Wicklungen vorgegeben. Sättigung tritt nach Erreichen einer vorbestimmten Spannungszeitfläche ein. Durch Variieren des Widerstandes R2 kann bei Erhöhen der Sekundärs-Spannung jene Zeit verkürzt werden, die zum Erreichen der sättigungserzeugenden Spannungszeitfläche benötigt wird. The control transformer T 2 -D inserted in the series resonance circuit has at least two secondary windings for the self-commutated inverter, T 2 -A and T 2 -C. These control the two electronic switches S 1 and S 2 of the inverter branch crosswise in opposite directions. The saturation property of this transformer T 2 is predetermined on the basis of the core and the number of windings of the windings. Saturation occurs after a predetermined voltage time area has been reached. By varying the resistance R 2 , the time required to reach the saturation-generating voltage time area can be shortened when the secondary voltage is increased.
Fig. 5b zeigt beispielhaft das Ansteuerschema des zweiten elektronischen Schalters S2 mit der ihm zugeordneten Sekundärwicklung T2-C des Steuerübertrager. Es wird angenommen, daß negativer Laststrom iw(t) durch die Primärwicklung des Steuerübertragers fließt, so daß die an der zweiten Sekundärwicklung anliegende Steuerspannung u2 positiv ist, womit der den zweiten elektronischen Schalter S2 in diesem Ausführungsbeispiel bildende Leistungstransistor in Emitterschaltung durchgesteuert wird. Bei vorgegebenem Laststrom iw(t) kann mittels Variation (Modulation) des wirksamen Emitterwiderstandes R2||LRDS (Parallelschaltung aus R2 und Durchlaßwiderstand RDS der Steuerschaltungsanordnung 10) - was gerade durch die Steuerschaltungsanordnung 10 geschieht - die Spannung u2 beeinflußt werden. Wird diese bei größerem wirksamen Emitterwiderstand R2||LRDS vergrößert, so wird der Steuerübertrager T2 schneller gesättigt. Nach Eintreten der Sättigung beginnt der zweite Leistungshalbleiter S2 zu sperren, der erste Leistungshalbleiter S1 beginnt zu leiten. Anhand dieses Prinzips wird gezeigt, daß ein unveränderter Widerstand R1 und ein modulierter zweiter Emitterwiderstand R2||LRDS gleichzeitig eine Frequenz- sowie Tastverhältnisänderung erwirken. Fig. 5b shows an example of the driving scheme of the second electronic switch S 2 with its associated secondary winding T 2 -C of the control transformer. It is assumed that negative load current i w (t) flows through the primary winding of the control transformer, so that the control voltage u 2 applied to the second secondary winding is positive, whereby the power transistor forming the second electronic switch S 2 in this exemplary embodiment is turned on in an emitter circuit . For a given load current i w (t), the voltage u 2 can be influenced by variation (modulation) of the effective emitter resistance R 2 || LR DS (parallel connection of R 2 and forward resistance R DS of the control circuit arrangement 10 ) - which is just happening through the control circuit arrangement 10 will. If this is increased with a larger effective emitter resistance R 2 || LR DS , the control transformer T 2 is saturated more quickly. After saturation occurs, the second power semiconductor S 2 begins to block, the first power semiconductor S 1 begins to conduct. This principle shows that an unchanged resistor R 1 and a modulated second emitter resistor R 2 || LR DS simultaneously effect a change in frequency and duty cycle.
Vorzugsweise findet als steuerbarer Widerstand für die Steuerschaltungsanordnung ein MOS-FET Anwendung. Ebenso vorzugsweise werden als elektronische Schalter S1 und S2 Leistungstransistoren eingesetzt. Es versteht sich, daß jede Art von Leistungshalbleitern in die beiden Teilzweige geschaltet werden können und daß ebenso jede Art von steuerbarem Widerstand RDS inklusive eines Schalterelementes für die Steuerschaltungsanordnung 10 in Parallel- oder Reihenschaltung Einsatz finden können.A MOS-FET is preferably used as the controllable resistor for the control circuit arrangement. Power transistors are also preferably used as electronic switches S 1 and S 2 . It goes without saying that any type of power semiconductors can be connected into the two branches and that any type of controllable resistor R DS including a switch element for the control circuit arrangement 10 can also be used in parallel or series connection.
Fig. 5a zeigt das Detailschaltbild einer Steuerschaltungsanordnung 10, in welcher der steuerbare Widerstand durch ein MOS-FET V4 gebildet ist. Zur Änderung seines Durchlaßwiderstandes RDS wird ein Potentiometer POT derart verändert, daß die GATE-Spannung des V4 variiert wird, wodurch sein Durchlaßwiderstand RDS geändert wird. Dies gilt für duchgeschalteten Transistor V3 und Zufuhr einer positiven Gate-Versorgungsspannung für V4 über einen Vorspannwiderstand R5. Fig. 5a zeigt ferner, wie mit der einen Sekundärwicklung des Zünderkennungs-Übertragers T1 über einen weiteren MOS-FET V3 die dimmende Steuerschaltungsanordnung 10 abhängig von dem erfolgten Zünden der Gasentladungslampe aktiviert wird. Die beiden gegensinnig gewickelten Primärwicklungen T1-A,T1-B, wovon die eine in den Lastkreis und die andere in den Heizkreis der GE-Lampe geschaltet ist, erzeugen in der Sekundärwicklung T1-C nur dann eine positive Spannung ue(t), wenn die GE-Lampe bereits gezündet hat. Aufgrund einer positiven Spannung ue(t) wird nun V3, POT, V4 und damit die Steuerschaltungsanordnung 10 aktiviert, ein Dimmbetrieb wird ermöglicht. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, daß ein Helligkeitssteuern der GE-Lampe nur dann erfolgen kann, wenn diese bereits gezündet hat (s. auch Fig. 4). Fig. 5a shows the detail circuit diagram of a control circuitry 10, in which the controllable resistor formed by a MOS-FET V4. To change its forward resistance R DS , a potentiometer POT is changed in such a way that the GATE voltage of the V4 is varied, as a result of which its forward resistance R DS is changed. This applies to through-connected transistor V 3 and supply of a positive gate supply voltage for V4 via a bias resistor R 5 . FIG. 5 a further shows how, with the one secondary winding of the ignition detection transmitter T 1, the dimming control circuit arrangement 10 is activated depending on the ignition of the gas discharge lamp, via a further MOS-FET V3. The two oppositely wound primary windings T 1 -A, T 1 -B, one of which is connected to the load circuit and the other to the heating circuit of the GE lamp, only generate a positive voltage u e () in the secondary winding T 1 -C t) if the GE lamp has already ignited. Due to a positive voltage u e (t), V3, POT, V4 and thus the control circuit arrangement 10 are now activated, dimming operation is made possible. In this way it can be ensured that brightness control of the GE lamp can only take place if it has already ignited (see also FIG. 4).
Die Vorspannung für den das Maß der Unsymmetrie beeinflussenden MOS-FET V4 kann aus dem Lastkreis oder aus dem Versorgungsgleichspannungskreis + entnommen werden, ferner kann dem steuerbaren MOS-FET V4 an seinem Gate-Anschluß ein zeitabhängiger Schaltungskreis zum Steuern der Vorheizung und Zündung der Lampe zugeordnet werden. Dieser verändert das Frequenz- und Tastverhältnis der Wechselrichter-Ausgangsspannung uW(t) zu Beginn vor Zündung der GE-Lampe.The bias voltage for the MOS-FET V4 influencing the degree of asymmetry can be taken from the load circuit or from the DC supply circuit +, and the controllable MOS-FET V4 can also be assigned a time-dependent circuit at its gate connection for controlling the preheating and ignition of the lamp will. This changes the frequency and duty cycle of the inverter output voltage u W (t) at the beginning before the GE lamp is ignited.
Fig. 11 zeigt ein Realisierungsbeispiel eines EVG mit einem Gleichrichter 19, zur Gleichrichtung einer Versorgungs- Wechselspannung. Ein Wechselrichter 20, der eine Ausgangs- Wechselgröße uW(t) an den Lampen-Lastkreis X (s. Fig. 1) abgibt, ist derart steuerbar, daß die Ausgangs-Wechselgröße uW(t) in Frequenz und Tastverhältnis einstellbar ist. Der Gleichrichter 19 kann entfallen, wenn die Lampe GE (im Lastkreis X) aus einer Batterie oder einem Gleichstromnetz gespeist wird. Das Detailschaltbild des Ausgangszweiges des Wechselrichters 20 zeigt die bereits beschriebene Fig. 4. Fig. 11 shows one exemplary implementation of an electronic ballast having a rectifier 19 for rectifying an AC voltage supply. An inverter 20 , which outputs an alternating output variable u W (t) to the lamp load circuit X (see FIG. 1), can be controlled in such a way that the alternating output variable u W (t) is adjustable in frequency and duty cycle. The rectifier 19 can be omitted if the lamp GE (in the load circuit X) is fed from a battery or a direct current network. The detailed circuit diagram of the output branch of the inverter 20 is shown in FIG. 4, which has already been described.
Fig. 10a zeigt die in Fig. 6 erläuterte Kennfläche F in einem Funktionsgeber 11, der abhängig von einer Eingangsgröße zwei Ausgangsgrößen für den Wechselrichter 20 abgibt. Der Funktionsgeber 11 ist beispielsweise durch ein ROM oder mittels nichtlinearer Kennlinien aufgebaut. Psoll oder uSt bilden seine Eingangsgröße, abhängig hiervon wird nur ein gültiges Paar von Ausgangsgrößen (Tastverhältnis d und Frequenz f) gemäß der eingestellten Steuerkurve II (oder einer ähnlichen) an den Wechselrichter 20 abgegeben. FIG. 10a shows the characteristic surface F explained in FIG. 6 in a function generator 11 , which outputs two output variables for the inverter 20 depending on an input variable. The function generator 11 is constructed, for example, by a ROM or by means of non-linear characteristic curves. P should or u St form its input variable, depending on this, only a valid pair of output variables (duty cycle d and frequency f) are output to the inverter 20 in accordance with the set control curve II (or a similar one).
Fig. 10b zeigt eine alternative Form der Frequenz- und Tastverhältniseinstellung der Ausgangs-Wechselgröße uW(t) des Wechselrichters 20. Hier wird über eine Führungsgröße f (Frequenz) und einen nichtlinearen Funktionsgeber 12 ein jeweiliges Paar von Frequenz und Tastverhältnis gebildet. Diese werden dem Wechselrichter 20 zugeführt. Die Helligkeitsvorgabe der Lampe GE über Frequenzvorgabe f gemäß Fig. 10b und ein von der Frequenz f abhängiges Tastverhältnis d (entsprechend der von Funktionsgeber 12 festgelegten Steuerkurve/Kennlinie) können auch dahingehend modifiziert werden, daß als Führungsgröße das Tastverhältnis d eingesetzt wird und der Funktionsgeber 12 hiervon abhängig einen bestimmten Verlauf der Frequenz f erzeugt. Fig. 10b shows an alternative form of the frequency and duty setting of the output AC size & W (t) of the inverter 20. Here, a respective pair of frequency and duty cycle is formed via a reference variable f (frequency) and a non-linear function generator 12 . These are fed to the inverter 20 . The brightness specification of the lamp GE via frequency specification f according to FIG. 10 b and a pulse duty factor d dependent on the frequency f (corresponding to the control curve / characteristic curve determined by function generator 12 ) can also be modified in such a way that the pulse duty factor d and the function generator 12 are used as reference variables depending on this, a specific course of the frequency f is generated.
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