DE102007054805A1

DE102007054805A1 - Schaltungsanordnung zum Betreiben von Gasentladungslampen, bspw. HID-Lampen

Info

Publication number: DE102007054805A1
Application number: DE102007054805A
Authority: DE
Inventors: Martin Huber; Michael Zimmermann; Frank Horn; Eduardo Pereira
Original assignee: TridonicAtco Schweiz AG
Current assignee: Tridonic AG
Priority date: 2007-11-16
Filing date: 2007-11-16
Publication date: 2009-05-20
Also published as: CN101448353A; EP2066152A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben von mindestens zwei Gasentladungslampen (LA1, LA2), insbesondere HID-Lampen mit voneinander abweichender Leistungsaufnahme, wobei jede Lampe (LA1, LA2) in einem Parallelzweig (PZ1, PZ2) liegt und mit einer Induktivität (L1, L2) in Serie geschaltet ist. Um zu gewährleisten, dass abweichende Impedanzen der Lampen (LA1, LA2) sich möglichst wenig störend auswirken, wird vorgeschlagen, dass zumindest die Induktivitäten (L1, L2) so hergestellt und/oder ausgewählt werden, dass ihre Induktivitätswerte innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen gleich sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Betriebsgerät zum Betreiben von mindestens zwei Gasentladungslampen, insbesondere HID-Lampen (HID = high intensity discharge) mit Wechselstrom, mit mindestens zwei Parallelzweigen, von denen jeder eine Lampe und eine mit dieser in Serie geschaltete Induktivität enthält.
Die Induktivitäten sind zur Strombegrenzung notwendig und haben gleichzeitig eine Filterfunktion zur Unterdrückung von Störfrequenzen.
Eine solche Schaltungsanordnung ist nach der US 7,164,237 B2 , bekannt.
In der Regel weichen auch Lampen gleichen Typs hinsichtlich ihrer Impedanz mehr oder weniger stark voneinander ab. Das ist insbesondere bei HID-Lampen ein Problem, weil sie bei Betrieb mit unterschiedlicher Leistung unterschiedliche Helligkeit und Farbe zeigen. Unterschiedliche Impedanzen haben ihre Ursache meistens in Herstellungstoleranzen und in Veränderungen durch Alterung.
Um dem entgegenzuwirken, wurde in der DE 38 25 654 C2 vorgeschlagen, die Ströme in den Parallelzweigen zu messen und separat zu regeln, so dass sie aneinander angeglichen werden. Durch die Angleichung der Ströme wird auch die Leistungsaufnahme angeglichen, mit der Folge, dass die Helligkeit und die Farbe der parallel geschalteten HID-Lampen dann wieder nahezu gleich sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der vorstehend beschriebenen Art so zu gestalten, dass der Schaltungsaufwand vermindert wird. Dies auch, um die Schaltungsanordnung preisgünstiger herstellen und raumsparender gestalten zu können.
Die Merkmale zur Lösung dieser Aufgabe sind im Anspruch 1 angegeben.
Es hat sich herausgestellt, dass unter den angegeben Möglichkeiten, die alternativ oder kumulativ angewendet werden können, das Auswählen der Induktivitäten dahingehend, dass ihre Induktivitätswerte innerhalb vorgegebener Toleranzen liegen (Fachausdruck „Matchen"), die wirksamste ist. Typische Toleranzgrenzen sind beispielsweise +/–3%.
Eine praktische Ausgestaltung der Erfindung kann ferner darin bestehen, dass die Parallelzweige von einem Diagonalpunkt einer Diagonalen einer Brückenschaltung ausgehen, dass die Diagonalpunkte der anderen Diagonalen mit den Polen einer Gleichspannungsquelle verbunden sind, und dass zumindest zwei Brückenzweige ein Schalterelement enthalten.
Die beiden anderen Brückenzweige können jeweils einen Kondensator oder aber ebenfalls jeweils ein Schalterelement enthalten.
Die Schalterelemente werden – wie an sich bekannt und üblich – fortlaufend – meistens mit einer relativ niedrigen Frequenz – umgeschaltet, um auf diese Weise zu verhindern, dass sich die Elektroden der Lampen einseitig abnutzen.
Ferner wird auf diese Weise durch die an der Brückenschaltung anliegende Gleichspannung der Wechselstrom erzeugt, mit dem die Lampen betrieben werden. Das Betreiben der Lampen mit Wechselstrom ist einem Betreiben mit Gleichstrom auch insofern vorzuziehen, als Induktivitäten zur Strombegrenzung verwendet werden können. Eine Strombegrenzung ist wegen der negativen Kennlinie der Lampen im Betrieb notwendig.
Für die Lösung der Aufgabe förderlich ist ferner ein gemeinsames Diodennetzwerk für alle Parallelzweige, das zur Unterstützung von Ausgleichsströmen zwischen den Parallelzweigen dient. Das Diodennetzwerk kann aus jeweils drei einem Parallelzweig zugeordneten Dioden bestehen, von denen eine erste Diode vom Ende des betreffenden Parallelzweiges zu einem Anschluss eines mit dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle verbundenen Schalterelementes und eine zweite Diode zu einem Anschluss eines mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle verbundenen Schalterelementes führt. Das Diodennetzwerk enthält ferner eine dritte Diode, die jeweils von dem Anschluss eines Schalterelementes, welches bereits mit der ersten bzw. zweiten Diode verbunden ist, zu dem Pol der Gleichspannungsquelle, mit dem der andere Anschluss dieses Schalterelementes nicht verbunden ist, wobei die ersten und zweiten Dioden in Durchlassrichtung und die dritten Dioden in Sperrrichtung gepolt sind.
Die Schalterelemente werden vorzugsweise von FETs oder MOSFETs gebildet.
Die Umschaltfrequenz und/oder das Tastverhältnis beim Umschalten der Schalterelemente wird/werden von einer Hauptregelschaltung gesteuert, welcher Informationen über die Leistungsaufnahme der Lampen durch Messung des Spannungsabfalls über den Lampen zugeführt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Die einzige Zeichnung – mit 1 bezeichnet – zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
Die in 1 gezeigte Schaltungsanordnung umfasst eine Brückenschaltung mit einem oberen und einem unteren Diagonalpunkt 1, 2 sowie einem rechten Diagonalpunkt 3. Der linke Diagonalpunkt kann nicht eindeutig bezeichnet werden.
Die Brückenschaltung weist vier Brückenzweige 4, 5, 6, 7 auf. Jeder Brückenzweig 4–7 enthält je ein Schalterelement in Form eines FET. Die Schalterelemente sind mit A, B, C, D bezeichnet.
(Bei einer Ausführung als Halbbrücken-Wechselrichter können die Schaltelemente C und D Kondensatoren an Stelle von bspw. Transistoren sein.)
An den Diagonalpunkten 1 und 2 der Brückenschaltung liegen die Pole einer Gleichspannungsquelle. Die Gleichspannungsquelle kann der Schaltungsanordnung über einen Bus zugeführt werden. Es ist aber auch möglich, dass die Gleichspannung in üblicher Weise durch Wechselrichten der Netzspannung erzeugt wird.
Von dem Diagonalpunkt 3 gehen zwei Parallelzweige PZ1 und PZ2 aus. Der obere Parallelzweig PZ1 enthält in Serienschaltung eine Zündschaltung Z1, eine HID-Lampe LA1, eine erste Wicklung W1 eines stromkompensierten Symmetrietransformators T und eine Induktivität L1.
Der zweite Parallelzweig PZ2 enthält eine Zündschaltung Z2, eine HID-Lampe LA2, eine zweite Wicklung W2 des stromkompensierten Symmetrietransformators T sowie eine zweite Induktivität L2.
Beiden Parallelzweigen PZ1 und PZ2 gemeinsam ist ein Diodennetzwerk, dass aus sechs Dioden D1–D6 besteht. Die Diode D1 verbindet die Induktivität L1 mit dem einen Anschluss des FET A, und zwar demjenigen, der nicht mit einem Pol der Gleichspannungsquelle verbunden ist. Der andere Anschluss des FET A liegt an dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle. Die Diode D2 verbindet die Induktivität L1 mit einem Anschluss des FET B, und zwar mit demjenigen, der nicht an einem Pol der Gleichspannungsquelle liegt. Der andere Anschluss des FET B liegt an dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle. Die Diode D3 verbindet den nicht mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle verbundenen Anschluss des FET B mit dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle. Die Diode D4 verbindet die Induktivität L2 mit dem nicht an dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle liegenden Anschluss des FET B. Die Diode D5 verbindet die Induktivität L2 mit dem nicht an dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle liegenden Anschluss des FET A. Die Diode D6 verbindet den nicht an dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle liegenden Anschluss des FET A mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle. Die Dioden D1, D2, D4 und D5 sind auf Durchlass gepolt. Die Dioden D3 und D6 sind in Sperrrichtung gepolt.
Die FETs A, B, C und D werden von einer Hauptregelschaltung R gesteuert, und zwar hinsichtlich der Umschaltfrequenz und des Tastverhältnisses. Die Hauptregelschaltung R erhält Informationen über die Spannungsmessung an vier Punkten der Schaltungsanordnung, bei der die Spannungen u₁, u₂, u₃, u₄ gewonnen und der Hauptregelschaltung R zugeführt werden. Aus den genannten Spannungen, die gegen ein Referenzpotential gemessen werden, beispielsweise gegen den negativen Pol der Gleichspannungsquelle, kann die Hauptregelschaltung die Spannungsabfälle über den LA1 und LA2 ermitteln. Die Hauptregelschaltung R ist dahingehend wirksam, dass sie versucht, die von den Lampen LA1, LA2 aufgenommene Gesamtleistung möglichst konstant zu halten. Es ist möglich, die Gesamtleistungsaufnahme extern einzustellen.
Um zu gewährleisten, dass die Leistungsaufnahme der HID-Lampen LA1 und LA2 möglichst gleich ist, werden die Induktivitäten L1 und L2 mit großer Genauigkeit hergestellt und/oder die Induktivitäten wird einem genauen Auswahlverfahren unterworfen, so dass gewährleistet ist, dass sich ihre Induktivitätswerte innerhalb sehr geringer Toleranzen befinden. Wenn die Induktivitätswerte der Induktivitäten L1 und L2 weitestgehend übereinstimmen, ist ein großer Schritt in die Richtung getan, dass unterschiedliche Leistungsaufnahmen der Lampen LA1 und LA2 hinsichtlich der Helligkeit und der Farbe weniger stark ins Gewicht fallen.
Einen weiteren Beitrag zu diesem Ziel leistet der stromkompensierte Symmetrietransformator T mit zwei Wicklungen W1 und W2, von denen jede in einem anderen Parallelzweig liegt. Die beiden Wicklungen W1 und W2 sind jedoch in einem hohen Grad miteinander gekoppelt.
Eine andere Möglichkeit zur Erreichung des genannten Zieles ist die, dass die Induktivitäten L1 und L2 ohne Kopplung auf den gleichen Kern gewickelt sind.
In welchem Umfang die genannten Maßnahmen wirksam sind, zeigen folgende Bespiele:

1. Die Induktivitäten L1 und L2 werden gematched, so dass ihre Induktivitätswerte 340 μH betragen mit einer Toleranz von –3% und +3%. Über der Lampe LA1 fällt eine Spannung von 80 V (87 Ω) ab, und über der Lampe LA2 fällt eine Spannung von 100 V (137 Ω) ab. Die Leistungsabweichung ist dann ohne stromkompensierten Trafo 2W (das entspricht +/–1,35%) und mit stromkompensiertem Trafo (25 μH) 0,2 W (das entspricht +/–0,14%).
2. Die Induktivitäten L1 und L2 werden nicht gematched. Der Induktivitätswert der Lampe LA1 weicht um –5% ab, und der Induktivitätswert der Lampe LA2 weicht um +5% ab. Die Spannungsabfälle der beiden Lampen betragen wieder 80 V (87 Ω) und 100 V (137 Ω). Die Leistungsabweichung ist dann ohne stromkompensierten Trafo 7W (das entspricht +/–4,8%) und mit stromkompensiertem Trafo (25 μH) 5,3 W (das entspricht +/–3,7%).

Daraus ergibt sich, dass das Matchen der Induktivitäten eine wirksame Maßnahme ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 7164237 B2 [0003]
- DE 3825654 C2 [0005]

Claims

Schaltungsanordnung zum Betreiben von mindestens zwei Gasentladungslampen (LA1, LA2), insbesondere HID-Lampen mit Wechselstrom, mit mindestens zwei Parallelzweigen (PZ1, PZ2), von denen jeder eine Lampe (LA1, LA2) und mit dieser in Serie geschaltete Induktivität (L1, L2) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivitäten (L1, L2) so hergestellt und/oder ausgewählt sind, dass ihre Induktivitätswerte innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen liegen, und/oder dass die Induktivitäten (L1, L2) ohne Kopplung auf den gleichen Kern gewickelt sind, und/oder dass jeder Parallelzweig (PZ1, PZ2) zusätzlich eine Wicklung (W1, W2) eines gemeinsamen stromkompensierten Symmetrietransformators (T) enthält.
Schaltungsanordnung nach einem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Toleranzgrenzen der Induktivitäten maximal zwischen –3% und +3% liegen.
Schaltungsanordnung nach einem Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Parallelzweige (PZ1, PZ2) von einem Diagonalpunkt (3) einer Diagonalen einer Brückenschaltung ausgehen, dass die Diagonalpunkte (1, 2) der anderen Diagonalen mit den Polen einer Gleichspannungsquelle verbunden sind und dass zumindest zwei Brückenzweige (6, 7) ein Schalterelement (B, D) enthalten.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden anderen Brückenzweige (4, 5) jeweils einen Kondensator enthalten.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden anderen Brückenzweige (4, 5) ebenfalls zwei Schalterelemente (A, C) enthalten.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalterelemente (A, B, C, D) fortlaufend umgeschaltet werden.
Schaltungsanordnung nach einem der vorherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemeinsames Diodennetzwerk für alle Parallelzweige (PZ1, PZ2) vorgesehen ist, dass zur Unterdrückung von Ausgleichsströmen zwischen den Parallelzweigen (PZ1, PZ2) dient.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das gemeinsame Diodennetzwerk aus jeweils drei einem Parallelzweig (PZ1, PZ2) zugeordneten Dioden (D1–D3, D4–D6) besteht, von denen eine erste Diode (D1, D4) vom Ende des betreffenden Parallelzweiges (PZ1, PZ2) zu einem Anschluss eines mit dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle verbundenen Schalterelementes (A, B) und eine zweite Diode (D2, D5) zu einem Anschluss eines mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle verbundenen Schaltungselementes (A, B) führt, und dass eine dritte Diode (D3, D6) jeweils von dem Anschluss eines Schalterelementes (A, B), welches bereits mit der ersten bzw. zweiten Diode (D1, D4 und D2, D5) verbunden ist, zu dem Pol der Gleichspannungsquelle führt, mit dem der andere Anschluss dieses Schalterelementes (A, B) nicht verbunden ist, wobei die ersten und zweiten Dioden (D1, D4 und D2, D3) in Durchlassrichtung und die dritten Dioden (D5, D6) in Sperrrichtung gepolt sind.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3–8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalterelemente (A, B, C, D) von FETs oder MOSFETs gebildet sind.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3–9, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltfrequenz und/oder das Tastverhältnis beim Umschalten der Schalterelemente (A, B, C, D) von einer Hauptregelschaltung (R) gesteuert wird/werden, welcher Informationen (u₁, u₂, u₃, u₄) über die Leistungsaufnahme der Lampen (LA1, LA2) durch Messung des Spannungsabfalls über den Lampen zugeführt werden.
Schaltungsanordnung nach einem der vorherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle der Schaltelemente (C und D) Kondensatoren eingesetzt werden.
Betriebsgerät für Leuchtmittel, wie bspw. HID-Lampen, aufweisend eine Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.