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EP2774460B1 - Getaktete schaltung für betriebsgeräte für leuchtmittel - Google Patents

Getaktete schaltung für betriebsgeräte für leuchtmittel Download PDF

Info

Publication number
EP2774460B1
EP2774460B1 EP12846161.3A EP12846161A EP2774460B1 EP 2774460 B1 EP2774460 B1 EP 2774460B1 EP 12846161 A EP12846161 A EP 12846161A EP 2774460 B1 EP2774460 B1 EP 2774460B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
voltage
circuit
operating device
monitoring circuit
switch
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP12846161.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2774460A2 (de
Inventor
Florian Moosmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tridonic GmbH and Co KG
Original Assignee
Tridonic GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tridonic GmbH and Co KG filed Critical Tridonic GmbH and Co KG
Publication of EP2774460A2 publication Critical patent/EP2774460A2/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2774460B1 publication Critical patent/EP2774460B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B41/00—Circuit arrangements or apparatus for igniting or operating discharge lamps
    • H05B41/14—Circuit arrangements
    • H05B41/26—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc
    • H05B41/28—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc using static converters
    • H05B41/295—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc using static converters with semiconductor devices and specially adapted for lamps with preheating electrodes, e.g. for fluorescent lamps

Definitions

  • the invention relates generally to the field of control devices for lighting means, e.g. Gas discharge lamps having a primary side clocked and galvanically isolated transmitter as a coupling element for the main light output of the lamps and / or for a secondary power, such as. Heating, low-voltage supply, interface supply, etc.
  • lighting means e.g. Gas discharge lamps having a primary side clocked and galvanically isolated transmitter as a coupling element for the main light output of the lamps and / or for a secondary power, such as. Heating, low-voltage supply, interface supply, etc.
  • the present invention relates in particular to a circuit for heating bulbs, such as gas discharge lamps and in particular fluorescent lamps, as used by operating devices for these bulbs, z. B. in electronic ballasts (ECGs), operated.
  • bulbs such as gas discharge lamps and in particular fluorescent lamps
  • ECGs electronic ballasts
  • ECGs Electronic ballasts for fluorescent lamps are known from the prior art, which use Wendel carvingscrien. These are connected by means of a coupling element with a primary side.
  • the primary side is supplied with a voltage.
  • the heating energy transformer, capacitive, etc. are coupled to the secondary circuit, which in turn is connected to the coils.
  • Some of the transforming helical heating systems use a Flyback Power Converter clocked with a switch, hereafter referred to as a flyback converter.
  • an operating device for lighting means with a galvanically isolated and actively clocked by means of at least one switch coupling element which transmits energy from a primary side supplied with voltage to a secondary side.
  • the WO 00/72640 A1 shows a filament heater with a heating transformer having a connected to an output of an inverter of an electronic ballast primary winding. Further, the heating transformer of a arranged in a heating circuit with a coil secondary winding for heating each of the two coils of a gas discharge lamp. Parallel to a load circuit, a series circuit is provided which includes the primary winding of the heating transformer and an electronic switch device.
  • the WO 00/72642 shows a heater that is powered starting from the midpoint of an inverter. This type of supply of a heater can in principle also be applied to the invention, however, represents only one example of the supply of heating.
  • the WO 2009/000475 A2 to name a system for operating a light-emitting diode array.
  • the system includes a sensing means for a current through the light emitting diode array and a voltage drop across the light emitting diode array. It also has means for determining the number and color of the LEDs of the light-emitting diode array based on information from the detection means.
  • the US 2011/068715 A1 describes a compound light source that compensates for changes in electrical efficiency as the operating temperature increases.
  • the composite light source generates light depending on an operating current through the composite light source and a temperature.
  • the compound light source includes a primary light source and a compensation light source.
  • the primary light source and the equalizing light source convert electrical current into light, each light source being characterized by an electrical efficiency that decreases with increasing temperature and increasing current.
  • the compound light source includes a temperature sensor that measures the temperature of the primary light source and a current divider circuit that splits the operating current between the primary light source and the equalization light source to allow the primary light source efficiency to decrease at a temperature above the operating temperature by supplying power to the equalization light source compensate.
  • EP 2 312 912 A2 a circuit for temperature control of an LED, which allows a change in the intensity of the LED depending on the ambient temperature.
  • a temperature information is provided by a sensor.
  • a flyback heater for a circuit for heating at least one filament of a gas discharge lamp, as it can be used in principle in the present circuit.
  • the circuit has a coupling element which is clocked on the primary side and transmits heating energy from a primary side supplied with voltage to a secondary side, which in turn is connected to at least one coil to be heated. The transmission of heating energy is thus under galvanic isolation.
  • the present invention develops the idea of WO 2006/111163 however, and in particular refers to protecting the coupling element from overheating.
  • the coupling element is preferably a flyback converter, in particular a flyback converter, which is used for heating a coil, for example a gas discharge lamp.
  • This high degree of heating possibly leads to a heating of the components of the heating circuit.
  • This heating is particularly critical if the heating circuit has semiconductor components (eg semiconductor switches such as field-effect transistors (FET) and / or diodes) which are loaded when heat energy is transferred and thus heat up. At high temperatures, the semiconductor devices may be damaged or destroyed.
  • semiconductor components eg semiconductor switches such as field-effect transistors (FET) and / or diodes
  • the present invention therefore provides a circuit which accommodates this situation and which counteracts damage or destruction of the semiconductor devices.
  • the invention therefore provides apparatus and a method as claimed in the independent claims.
  • the invention provides a lighting apparatus according to claim 1.
  • this circuit is a circuit for heating at least one filament of a dimmable gas discharge lamp.
  • the coupling element transmits a heating energy from a voltage-supplied primary side to a secondary side, which is connected to the coil to be heated.
  • the coupling element has at least one semiconductor component on the primary side and / or secondary side.
  • a monitoring circuit is set up to detect a temperature at the at least one semiconductor component indirectly by means of an electrical parameter and / or optionally directly by means of a temperature sensor and to change the dimming level of the gas discharge lamp depending on the detected temperature and directly or indirectly the transmitted heating power.
  • the sensed electrical parameter may be a voltage / current value, a resistance value, a voltage / current value change, a resistance value change, and / or a result of a voltage / current value calculation.
  • the monitoring circuit may be configured to determine the temperature of the semiconductor switch by measuring a switch-on and / or a voltage drop across the semiconductor switch.
  • the at least one semiconductor device may be a diode disposed on the secondary side, and the monitoring circuit may be configured to determine a forward voltage at the diode.
  • the monitoring circuit may also be configured to determine the forward voltage by measuring an anode voltage and a cathode voltage of the diode.
  • the monitoring circuit may be further configured to determine the anode voltage of the diode indirectly via a stored winding ratio of the coupling element and the voltage.
  • the monitoring circuit may be configured to increase the dimming level while reducing the heat energy transmitted, or vice versa.
  • the monitoring circuit may be arranged to change the transmitted heating energy by changing the timing of the semiconductor device and / or by changing, e.g. lowering or raising, a voltage applied to the circuit, e.g. a bus voltage, to change.
  • the monitoring circuit may be configured to change the transmitted heating energy and / or the dimming level as a function of at least one predetermined threshold value for the detected temperature.
  • the monitoring circuit may be adapted to adjust the dimming level and the transmitted heating energy to an adjustment of the detected temperature with a stored table, e.g. a lookup table, and / or to change the evaluation of a stored function.
  • a stored table e.g. a lookup table
  • the monitoring circuit may be implemented by hardware, e.g. by means of an ASIC.
  • the table, the function and / or the winding ratio can be stored in the monitoring circuit.
  • the monitoring circuit may be configured to detect the measured on resistance of the semiconductor switch and / or the voltage drop across the semiconductor switch and a further parameter from another semiconductor device via the same access point of the monitoring circuit.
  • the measurement of the on-resistance and / or the voltage drop can be done with a closed semiconductor switch and the determination of other parameters can be done with open semiconductor switch.
  • the further semiconductor component may be the diode and the further parameter may be the forward voltage at the diode.
  • the coupling element may be part of a flyback converter, in particular a flyback converter.
  • the primary side of the coupling element can be fed from the midpoint voltage of a half-bridge or full-bridge inverter, or be supplied by a DC voltage supplying the inverter.
  • the invention provides a method for heating at least one filament of a dimmable gas discharge lamp, wherein a galvanically isolated and preferably actively cycled by a switch coupling element transmits a heating energy from a voltage-supplied primary side to a secondary side to be heated with the Wendel, wherein the coupling element on the primary side and / or secondary side has at least one semiconductor device, and wherein a monitoring circuit detects a temperature of the at least one semiconductor device indirectly, by means of an electrical parameter, and depending on the detected temperature, the dimming level of the gas discharge lamp and indirectly or directly the changed heat output changed.
  • the invention provides an integrated, preferably digital, control circuit, such as ASIC or microcontroller, for performing of the method as described above.
  • the invention provides an operating device for lighting means, e.g. OLED, halogen lamps or LED, ready with a clocked supply circuit, comprising: a galvanically isolated and preferably actively timed by a switch coupling element is provided, which transfers energy from a powered primary side to a secondary side connected to a load to be fed is, wherein the coupling element on the primary side and / or secondary side has at least one semiconductor device as part of the feed circuit, and a monitoring circuit which is adapted to indirectly detect a temperature of the at least one semiconductor device, by means of an electrical parameter and depending on the detected temperature Dimming level of the bulbs and directly or indirectly to change the transmitted power.
  • a galvanically isolated and preferably actively timed by a switch coupling element is provided, which transfers energy from a powered primary side to a secondary side connected to a load to be fed is, wherein the coupling element on the primary side and / or secondary side has at least one semiconductor device as part of the feed circuit, and a monitoring circuit which is adapted to indirectly detect
  • Fig. 1 schematically shows an overall operating device (ballast electronic ballast) for a lamp as a starting point for the invention.
  • the overall operating device is usually operated with mains voltage or an AC supply voltage U AC .
  • operation with a DC voltage can also be provided which, for example, is provided by a battery (eg in an emergency light mode).
  • this voltage is usually rectified by a rectifier GL and optionally filtered with a filter.
  • the rectified AC supply voltage U AC is then converted by a DC link circuit 30 to a suitable bus voltage U bus .
  • the DC link circuit 30 may have other functions, such as ensuring a sinusoidal current consumption (power factor correction, active ie switched PFC), a stabilization of the bus voltage U bus by regulation and / or a limitation of the radiated back into the network harmonics, etc.
  • the bus voltage U bus is then converted by an inverter, preferably as a half-bridge inverter 20, formed by a half-bridge with two series-connected circuit breakers, but also as a full-bridge inverter, converted into a preferred operating voltage for a resonant circuit RKL, to which the lamp preferred is connected in parallel.
  • the preferred operating voltage is tapped on the preferred half-bridge inverter 20 at the midpoint.
  • the operation of the ballast may be dictated by one or more electronic control and / or regulating units.
  • electronic control and / or regulating units For the sake of simplicity, is in Fig. 1 only a single electronic control and / or regulating unit SE provided.
  • Various parameters from the range of the AC supply voltage U AC , the region of the intermediate circuit 30, the region of the half-bridge inverter 20 and / or the region of the load or resonant circuit RKL and the lamp can be fed back to this electronic control and / or regulating unit SE.
  • control unit SE is capable of, for example, via an interface (not shown) external or internal control parameters, e.g. Dimming values for setting dimming levels to receive.
  • control parameters can be supplied for example via a connected bus, which may be, for example, a digital bus according to the industry standard DALI.
  • the control and / or regulating unit SE in particular dimming values can be fed, which represent a desired value for the lamp power to be set.
  • the bus voltage U bus for the half-bridge inverter 20 should also be changed, for example, by the control and control unit SE.
  • the control and control unit SE for example, parameters of the control of the DC link circuit 30, in particular the timing of a switch of the active PFC change, such that the bus voltage U bus is changed.
  • the heating circuit shown by way of example is supplied starting from a DC voltage supplying the half-bridge inverter 20, for example from the intermediate circuit voltage provided by the intermediate circuit 30 (switched PFC circuit).
  • the heating circuit may also be powered by the mid-point voltage of the half-bridge inverter 20 (or by a full-bridge inverter).
  • the circuit with the galvanically isolated and actively by means of at least one switch clocked coupling element also directly to the transmission for the main light output of the lamp and / or for a secondary power, such as. Low-voltage supply, Interface supply etc. serve.
  • the invention can be applied to all primary side clocked and galvanically isolated coupling circuits in operating devices for lighting (eg., OLED, halogen or LED).
  • the switching frequency of the switch of the half-bridge inverter 20 can be selected.
  • a feedback variable which represents the actual lamp power, for example, the lamp current I and / or the lamp voltage U can be selected.
  • Fig. 2 shows by way of example a circuit 10 according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 2 shows the circuit 10 with a coupling element, which is designed as a clocked flyback converter.
  • a coupling element which is designed as a clocked flyback converter.
  • other transformer or capacitive designs are also possible.
  • the primary side of the coupling element has a primary coil L1'1 connected in series with a preferably electronic switch S1, in particular a semiconductor switch (eg a field-effect transistor FET).
  • the voltage supply is a DC voltage supply, so that a DC link voltage or a bus voltage U bus regulated by the smoothing circuit GL and by the DC link circuit (PFC, Power Factor Correction Circuit) 30 can be used in an electronic ballast.
  • the electronic switch S1 is used to clock the coupling element and is controlled by a control circuit optionally with adjustable duty cycle and / or frequency.
  • the circuit 10 for example, in particular a flyback converter as a clocked flyback converter, which is operated with a defined on-time T on and a frequency f.
  • electrical energy is transmitted from the primary side to a secondary side, or from the primary coil L1'1 to a secondary coil L1'2.
  • a branch is shown starting from the secondary coil L1'2 toward a helix, which is represented here by an equivalent resistance R fil .
  • R fil an equivalent resistance
  • the secondary side can therefore supply several coils.
  • the heat energy transferred by the clocked flyback converter essentially depends on the switching frequency f and the switch-on time T on of the semiconductor switch S1.
  • the electronic switch S1 can be controlled by a heating control circuit 13 (see FIG Fig. 3 ).
  • the heating control circuit 13 may be part of the control unit SE or be arranged separately therefrom.
  • the switch control of the electronic switch also allows independent operation of the heating circuit, which is not the case for example when coupling the heating circuit to an inverter center point without individual clocking a switch of the heating circuit.
  • the independent operation of the circuit is advantageous for preheating, ignition, in which it is known that the inverter is not necessarily already operated.
  • by providing an independently clocked switch in the heating circuit for a dimming operation or a multi-lamp operation advantageous design freedoms.
  • Setpoints for the switch-on time T on and the frequency f of the switching operations of the switch S1 can be predetermined by the heating control circuit 13 (eg an ASIC or microcontroller).
  • the specifications for the on-time T on and / or the switching frequency f of the clocked flyback converter can be calculated by the control circuit, for example, depending on the current dimming state of the light source and possibly from (for example via the helical current) detected type of light source and then specified in the heating control circuit.
  • the control circuit can receive, for example, via an interface dimming commands, for example, according to the DALI standard.
  • the heating control circuit 13 can control or regulate the dimming level of the lighting means by providing at least one parameter influencing the power of the lighting means.
  • This parameter can be, for example, the frequency of a half-bridge inverter whose center point feeds a resonant circuit having the luminous means.
  • the primary side of the flyback converter / flyback transformer with the coil L1'1 and the electronic switch S1 is thus preferably connected to an intermediate circuit voltage or bus voltage U bus , as this always has a substantially constant potential, which ensures that at constant on-time T on and Frequency f of the electronic switch S1, a constant heat energy is delivered to the secondary side of the flyback converter.
  • the primary side can also be fed from the midpoint voltage of a half-bridge inverter.
  • the present invention is now particularly adapted to a temperature of the semiconductor devices used in the circuit 10, with a monitoring circuit 11 (see Fig. 3 ) which, in critical conditions, for example at high temperatures, carries out countermeasures to protect the semiconductor devices from destruction or damage.
  • This monitoring circuit can be, for example, part of the control circuit, or be formed separately from it.
  • a capacitor C1 is arranged.
  • the temperature of the semiconductor components on the respective component is detected indirectly by the monitoring circuit 11, for example via temperature-reproducing electrical parameters (U FET , U f , or U an and U cath ), which are determined for the semiconductor component.
  • temperature-reproducing electrical parameters U FET , U f , or U an and U cath
  • a switch resistance (on-resistance) of the primary-side switch S1 or a voltage drop U FET across the switch S1, for example, can be detected at a first tapping point PIN1 which is connected to the midpoint of the first voltage divider ST1.
  • the switch resistance of, or the voltage drop U FET at the switch S1 is temperature-dependent and changes with increasing (and of course also at decreasing) temperature. This behavior can therefore be detected by the monitoring circuit.
  • the switch resistance of, or the voltage drop U FET at the switch S1, which represents the temperature / temperature change at the switch S1 is then supplied as an electrical parameter of the monitoring circuit 11 and evaluated by them.
  • a forward voltage U f of the secondary-side diode D1 is also determined. This is done by detecting an anode voltage U An on the anode side of the diode D1 and detecting a cathode voltage U Kath on the cathode side of the diode D1.
  • the anode voltage U An or the cathode voltage U Kath is detected via a second voltage divider ST2 or a third voltage divider ST3.
  • the second voltage divider ST2 is formed by the third resistor R3 and the fourth resistor R4.
  • the third voltage divider ST3 is formed by the fifth resistor R5 and the sixth resistor R6.
  • the anode voltage U An can be detected by the monitoring circuit 11 via a second tapping point PIN2, which is connected to the midpoint of the second voltage divider ST2. Accordingly, the cathode voltage U Kath can be detected on the cathode side of the diode D1 via a third tap point PIN3, which is connected to the midpoint of the third voltage divider ST3.
  • the anode voltage U can alternatively also be determined indirectly at the secondary-side diode D1, namely with knowledge of the supply voltage U bus as well as the winding ratio of the primary-side coil L1'1 to the secondary-side coil L1'2 of the coupling element.
  • the second voltage divider ST2 can then be omitted, while the forward voltage U f can still be determined.
  • the winding ratio is preferably stored or ascertainable in the monitoring circuit 11.
  • the forward voltage U f is also temperature dependent and changes with increasing (and decreasing) temperature.
  • the forward voltage U f is therefore evaluated as an electrical parameter by the monitoring circuit 11, which reflects the temperature / temperature change at the diode D1.
  • the measurement of the switch resistance / voltage drop U FET can take place with the switch S1 closed, while the determination of the forward voltage U f at the secondary-side diode D1 can take place when the switch is open.
  • the measurement of the switch resistance / voltage drop U FET and the determination of the forward voltage U f can preferably take place at the same tapping point and thus be supplied via an input to the monitoring circuit 11, for example an ASIC.
  • the temperature can be determined in each case at the electronic switch S1, the diode D1, or both.
  • the monitoring circuit 11 can detect electrical parameters, such as e.g. a voltage / current value, a resistance value, a voltage / current value change, a resistance value change and / or a result of a voltage / current value calculation.
  • At least one threshold value for the determined temperature may be predetermined in the monitoring circuit 11, in the case of which the monitoring circuit 11 exceeds or falls below a measure which counteracts further heating of the circuit 10 or of the semiconductor components.
  • At least one threshold value can be predetermined for each semiconductor component. Depending on the threshold reached and also on the semiconductor device for which it is achieved, then the appropriate measure can be selected.
  • the monitoring circuit 11 may e.g. Change a dimming level of the gas discharge lamp, for example, increase. Basically, the amount of energy transferred from the coupling element is reduced. Thus, it is achieved, inter alia, that a lower heating, ie a reduced transmission of heating energy from the primary side to the secondary side, may be required. By reducing the additional heating, a further heating of the circuit 10 and in particular a further heating of the semiconductor components is counteracted.
  • the relationship between dimming level and degree of auxiliary heating for the filament is preferably stored in a table or function in the monitoring circuit 11 (e.g., an ASIC).
  • the temperature at the semiconductor devices can also be determined directly from a temperature sensor, which is arranged in the vicinity of the coupling element or the components.
  • the temperature detection determines temperature-indicating parameters from the environment of the circuit 10.
  • the semiconductor components are admittedly less loaded overall, however, due to excessive heating, the semiconductor components of the circuit 10 are heavily loaded. In contrast to the other areas of the circuit 10 so here is a strong heating occur at low levels of dimming.
  • this temperature sensor must be arranged around the region of the coupling element, and the flyback converter, and close to the semiconductor devices to specifically determine the temperature of the semiconductor devices.
  • the secondary-side diode D1 which is monitored according to the invention, can also be replaced by a capacitor. This is much less at risk from elevated temperatures.
  • the switch in such a modified circuit arrangement then only a primary-side monitoring of the switch is necessary, the switch must be present in any case for the flyback converter.
  • a flyback converter is just one example of a clocked floating heating circuit.
  • Other heating circuit topologies can also be used.
  • the monitoring circuit 11 may also be a part of the heating control circuit 13 or the control unit SE.
  • the temperature-giving electrical parameters are in this case returned to the heating control circuit 13 and the control unit SE.
  • Fig. 3 shows by way of example a circuit according to another embodiment of the invention.
  • the circuit 10 is now connected to a first filament W1 of a lamp LA instead of being connected to the equivalent resistor Rfli .
  • the heating control circuit 13 specifies setpoint values for the on-time T on and the frequency f of the switching operations of the electronic switch S1. It can communicate bidirectionally with the monitoring circuit 11. Threshold values and setpoint values for temperatures can be preset to the monitoring circuit 11 by the heating control circuit 13 via the bidirectional communication channel 14.
  • the heating control circuit 13 can receive, for example, via an interface 15 dimming commands, for example, according to the DALI standard.
  • Fig. 3 also shows a calculation unit 12 which calculates the forward voltage U f from one of the anode voltage U An and the cathode voltage U Kath . Alternatively, this calculation can also be performed by the monitoring circuit 11.
  • the monitoring circuit 11 can also determine if the initiated countermeasures have no effect, ie the semiconductor components continue to heat despite the change in dimming level and thus also the degree of heating (which is indicated by a corresponding change in the temperature-giving electrical parameters or the temperature-giving electrical parameters will not change as a result of the countermeasures.
  • the monitoring circuit 11 of the heating control circuit 13 may be e.g. to transmit overheating information to the heating control circuit 13 via the communication channel 14.
  • the heating control circuit 13 can send the operating device (electronic ballast electronic ballast) via outgoing commands 16 e.g. switch to a fault mode or switch off.
  • the reaction of the heating control circuit 13 to the overheating information may depend on the current operating state of the operating device. Possible actions initiated by the heating control circuit 13 in the operating device are, for example, switching off the half-bridge inverter 20.
  • the circuit 10 is used to heat a first filament W1 of a lamp LA.
  • the Fig. 3 also shows a second branch with a second secondary coil L1'3 to a second coil W2 of the lamp LA.
  • On the second secondary coil L1'3 also electrical energy is transmitted from the primary coil L1'1 to the heating of the coil W2 according to the transformer principle.
  • the forward voltage U f2 at a diode D2 can then be measured analogously to the forward voltage U f at the diode D1.
  • a second calculation unit 12 ' can be provided which calculates the forward voltage U f2 from a second anode voltage and a second cathode voltage. Alternatively, this calculation can also be done by the Calculation unit 12 or the monitoring circuit 11 done.
  • FIGS. 4a and 4b show two alternative power arrangements of the circuit 10 from Fig. 1 ,
  • the primary side of the coupling element is powered starting from the midpoint voltage of the half-bridge inverter 20 (or a full-bridge inverter).
  • the primary side may also be supplied by a DC voltage supplying the half-bridge inverter 20, or by an intermediate circuit voltage provided by a PFC circuit 30 with a switch.
  • Fig. 5 shows a diagram of an increase of the drain-source resistance R ds_on a semiconductor switch as a function of the temperature.
  • the source channel resistance R ds_on increases with increasing temperature and the voltage drop U FET increases when the semiconductor switch S1 is closed. For example, if the voltage drop U FET exceeds a predetermined threshold, the monitoring circuit 11 may raise the dimming level to 100% (no dimming), thereby turning off the heating circuit (the flyback converter).
  • the voltage drop U FET on the electronic switch can, as already stated, be measured when the switch S1 is closed.
  • Fig. 6 shows in a U / I diagram for a diode (eg, the diode D1 or D2), the decrease of a forward voltage U f of a diode at different temperatures T j .
  • the forward voltage U f of the diode (U An -U Kath ) decreases with increasing temperature. For example, if U f falls below a threshold value, the monitoring circuit 11 may For example, raise the dimming level to 100% (no dimming), turning off the heating circuit (the flyback converter).
  • the U f can, as already said, be determined when the electronic switch is open.
  • the invention can be applied to all the primary side clocked and galvanically isolated coupling circuits in operating devices for lamps (eg., OLED, halogen or LED).
  • the monitoring circuit 11 will preferably lower the dimming level to a lower brightness in order to reduce the amount of energy transmitted by the coupling element.

Landscapes

  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Circuit Arrangement For Electric Light Sources In General (AREA)
  • Circuit Arrangements For Discharge Lamps (AREA)

Description

  • Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Betriebsgeräte für Leuchtmittel z.B. Gasentladungslampen, die einen primärseitig getakteten und galvanisch getrennten Überträger als Koppelelement für die Haupt-Lichtleistung der Leuchtmittel und/oder für eine Neben-Leistung, wie bspw. Heizung, Niedervoltversorgung, Schnittstellenversorgung etc. aufweisen.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich dabei insbesondere auf eine Schaltung zur Heizung von Leuchtmitteln, beispielsweise Gasentladungslampen und insbesondere Leuchtstofflampen, wie sie von Betriebsgeräten für diese Leuchtmittel, z. B. in elektronischen Vorschaltgeräten (EVGs), betrieben werden.
  • Aus dem Stand der Technik sind elektronische Vorschaltgeräte (EVGs) für Leuchtstofflampen bekannt, die Wendelheizschaltungen verwenden. Diese sind mittels eines Koppelelements mit einer Primärseite verbunden. Die Primärseite ist mit einer Spannung versorgt. Dabei kann beispielsweise ausgehend von einem Ausgangskreis (Lampenbetriebsspannungsversorgung, Halbbrückenspannung, Busspannung, usw.) die Heizenergie transformatorisch, kapazitiv, usw. in den Sekundärkreis gekoppelt werden, der wiederum mit den Wendeln verbunden ist.
  • Einige der transformatorisch arbeitenden Wendelheizsysteme verwenden einen mit einem Schalter getakteten Sperrwandler (Flyback Power Converter) der im Folgenden als Flyback-Konverter bezeichnet wird.
  • Aus der DE 10 2010 000 039 ist ein Betriebsgerät für Leuchtmittel bekannt, mit einem galvanisch getrennten und aktiv mittels zumindest eines Schalters getakteten Koppelelementes, welches Energie von einer mit Spannung versorgten Primärseite zu einer Sekundärseite überträgt.
  • Die WO 00/72640 A1 zeigt eine Wendelheizung mit einem Heiztransformator, der eine mit einem Ausgang eines Wechselrichters eines elektronischen Vorschaltgerätes verbundene Primärwicklung aufweist. Weiter weist der Heiztransformator der eine in einem Heizkreis mit einer Wendel angeordnete Sekundärwicklung zum Beheizen jeder der beiden Wendeln einer Gasentladungslampe auf. Parallel zu einem Lastkreis ist eine Serienschaltung vorgesehen, welche die Primärwicklung des Heiztransformators und eine elektronische Schaltervorrichtung enthält.
  • Die WO 00/72642 zeigt eine Heizung, die ausgehend von dem Mittenpunkt eines Wechselrichters versorgt wird. Diese Art der Versorgung einer Heizung kann grundsätzlich auch bei der Erfindung angewandt werden, stellt indessen aber nur ein Beispiel der Versorgung der Heizung dar.
  • Als weiterer Stand der Technik ist die WO 2009/000475 A2 zu nennen, die ein System zum Betrieb einer Leuchtdioden-Anordnung beschreibt. Das System weist ein Erfassungsmittel für einen Strom durch die Leuchtdioden-Anordnung sowie einen Spannungsabfall über der Leuchtdioden-Anordnung auf. Sie weist zudem Mittel zur Ermittlung der Anzahl und der Farbe der Leuchtdioden der Leuchtdioden-Anordnung anhand von Informationen von den Erfassungsmitteln auf.
  • Die US 2011/068715 A1 beschreibt eine Verbundlichtquelle, die Veränderungen in einem elektrischen Wirkungsgrad bei zunehmender Betriebstemperatur kompensiert. Die Verbundlichtquelle erzeugt Licht abhängig von einem Betriebsstrom durch die Verbundlichtquelle und einer Temperatur. Die Verbundlichtquelle enthält eine primäre Lichtquelle und eine Ausgleichslichtquelle.
  • Die primäre Lichtquelle und die Ausgleichslichtquelle wandeln elektrischen Strom zu Licht, wobei jede Lichtquelle durch einen elektrischen Wirkungsgrad charakterisiert ist, der mit steigender Temperatur und zunehmendem Strom abnimmt. Die Verbundlichtquelle enthält einen Temperatursensor, der die Temperatur der primären Lichtquelle misst, und eine Stromteilerschaltung, die den Betriebsstrom zwischen der primären Lichtquelle und der Ausgleichslichtquelle aufteilt, um die Abnahme des Wirkungsgrads der primären Lichtquelle bei einer Temperatur oberhalb der Betriebstemperatur durch Stromzuleitung an die Ausgleichslichtquelle zu kompensieren.
  • Schließlich beschreibt die EP 2 312 912 A2 eine Schaltung für eine Temperaturregelung einer LED, die eine Veränderung der Lichtstärke der LED abhängig von der Umgebungstemperatur erlaubt. Dabei wird eine Temperaturinformation von einem Sensor bereitgestellt.
  • In der WO 2006/111263 wird eine Flyback-Heizung für eine Schaltung zur Heizung wenigstens einer Wendel einer Gasentladungslampe beschrieben, wie sie grundsätzlich auch bei der vorliegenden Schaltung verwendet werden kann. Die Schaltung weist dabei ein primärseitig getaktetes Koppelelement auf, das Heizenergie von einer mit Spannung versorgten Primärseite zu einer Sekundärseite überträgt, die wiederum mit wenigstens einer zu heizenden Wendel verbunden ist. Die Übertragung der Heizenergie erfolgt also unter galvanischer Trennung.
  • Die vorliegende Erfindung entwickelt den Gedanken der WO 2006/111163 jedoch weiter und bezieht sich insbesondere darauf, das Koppelelement vor Überhitzung zu schützen.
  • Das Koppelelement ist vorzugsweise ein Sperrwandler, insbesondere einen Flyback-Konverter, der zum Heizen einer Wendel, beispielsweise einer Gasentladungslampe, verwendet wird.
  • Es ist bekannt, dass in einem gedimmten Betrieb, bei niedrigem Dimmpegel, ein hoher Grad an Zuheizung der Wendel erforderlich ist, um einen zuverlässigen Betrieb, beispielweise einer Gasentladungslampe, zu ermöglichen.
  • Dieser hohe Zuheizgrad führt ggf. zu einer Erwärmung der Komponenten der Heizschaltung. Diese Erwärmung ist dann besonders kritisch, wenn die Heizschaltung Halbleiterbauteile (z. B. Halbleiterschalter wie Feldeffekttransistoren (FET) und/oder Dioden) aufweist, die bei Übertragung der Heizenergie belastet werden und sich somit aufheizen. Bei hohen Temperaturen können die Halbleiterbauteile beschädigt oder zerstört werden.
  • Die Situation verschärft sich zudem, wenn gleichzeitig eine hohe Umgebungstemperatur der Schaltung bzw. des Betriebsgerätes/Vorschaltgerätes zum Betrieb des Leuchtmittels herrscht.
  • Die vorliegende Erfindung stellt daher eine Schaltung bereit, die dieser Situation Rechnung trägt und die einer Beschädigung oder Zerstörung der Halbleiterbauteile entgegenwirkt.
    • Kurze Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Erfindung stellt daher Vorrichtungen und ein Verfahren bereit, wie sie mit den unabhängigen Ansprüchen beansprucht werden.
  • Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.
  • In einem ersten Aspekt stellt die Erfindung ein Betriebsgerät für Leuchtmittel nach Anspruch 1 bereit.
  • Beispielsweise handelt es sich bei dieser Schaltung um eine Schaltung zur Heizung wenigstens einer Wendel einer dimmbaren Gasentladungslampe. Das Koppelelement überträgt eine Heizenergie von einer mit Spannung versorgten Primärseite zu einer Sekundärseite, die mit der zu heizenden Wendel verbunden ist. Das Koppelelement weist primärseitig und/oder sekundärseitig wenigstens ein Halbleiterbauteil auf. Eine Überwachungsschaltung ist dazu eingerichtet, eine Temperatur an dem wenigstens einen Halbleiterbauteil indirekt mittels eines elektrischen Parameters und/oder optional direkt mittels eines Temperatursensors zu erfassen und abhängig von der erfassten Temperatur den Dimmpegel der Gasentladungslampe und mittelbar oder unmittelbar die übertragene Heizleistung zu verändern.
  • Der erfasste elektrische Parameter kann ein Spannungs-/Stromwert, ein Widerstandswert, eine Spannungs-/Stromwertänderung, eine Widerstandswertänderung und/oder ein Ergebnis einer Spannungs-/Stromwertberechnung sein.
  • Die Überwachungsschaltung kann dazu eingerichtet sein, die Temperatur des Halbleiterschalters durch Messung eines Einschaltwiderstands und/oder eines Spannungsabfalls über den Halbleiterschalter zu ermitteln.
  • Das wenigstens eine Halbleiterbauteil kann eine sekundärseitig angeordnete Diode sein, und die Überwachungsschaltung kann dazu eingerichtet sein, eine Flussspannung an der Diode zu ermitteln.
  • Die Überwachungsschaltung kann auch dazu eingerichtet sein, die Flussspannung durch eine Messung einer Anodenspannung und einer Kathodenspannung der Diode zu ermitteln.
  • Die Überwachungsschaltung kann weiter dazu eingerichtet sein, die Anodenspannung der Diode indirekt über ein hinterlegtes Wicklungsverhältnis des Koppelelements und die Spannung zu ermitteln.
  • Die Überwachungsschaltung kann dazu eingerichtet sein, den Dimmpegel zu erhöhen und gleichzeitig die übertragene Heizenergie zu senken, oder umgekehrt.
  • Die Überwachungsschaltung kann dazu eingerichtet sein, die übertragene Heizenergie durch ein Verändern der Taktung des Halbleiterbauteils und/oder durch Verändern, z.B. einem Absenken oder Anheben, einer der Schaltung zugeführten Spannung, z.B. einer Busspannung, zu verändern.
  • Die Überwachungsschaltung kann dazu eingerichtet sein, die übertragene Heizenergie und/oder den Dimmpegel abhängig von wenigstens einem vorgegebenen Schwellwert für die erfasste Temperatur zu verändern.
  • Die Überwachungsschaltung kann dazu eingerichtet sein, den Dimmpegel und die übertragene Heizenergie auf einen Abgleich der erfassten Temperatur mit einer hinterlegten Tabelle, z.B. einer Lookup-Tabelle, und/oder auf Auswertung einer hinterlegten Funktion hin zu verändern.
  • Die Überwachungsschaltung kann mittels Hardware, z.B. mittels eines ASICs, implementiert sein.
  • Die Tabelle, die Funktion und/oder das Wicklungsverhältnis können in der Überwachungsschaltung hinterlegt sein.
  • Die Überwachungsschaltung kann dazu eingerichtet sein, den gemessenen Einschaltwiderstand des Halbleiterschalters und/oder den Spannungsabfall über den Halbleiterschalter und einen weiteren Parameter von einem weiteren Halbleiterbauteil über denselben Zugangspunkt der Überwachungsschaltung zu erfassen. Die Messung des Einschaltwiderstands und/oder des Spannungsabfalls kann bei geschlossenem Halbleiterschalter und die Ermittlung weiteren Parameters kann bei geöffnetem Halbleiterschalter erfolgen.
  • Das weitere Halbleiterbauteil kann die Diode und der weitere Parameter kann die Flussspannung an der Diode sein.
  • Das Koppelelement kann Teil eines Sperrwandlers, insbesondere einen Flyback-Konverters, sein.
  • Bei dem Betriebsgerät kann die Primärseite des Koppelelements ausgehend von der Mittenpunktspannung eines Halbbrücken- oder Vollbrücken-Wechselrichters gespeist sein, oder von einer den Wechselrichter speisenden DC-Spannung versorgt sein.
  • In einem noch weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zur Heizung wenigstens einer Wendel einer dimmbaren Gasentladungslampe bereit, wobei ein galvanisch getrenntes und vorzugsweise aktiv mittels eines Schalters getaktetes Koppelelement eine Heizenergie von einer mit Spannung versorgten Primärseite zu einer Sekundärseite überträgt, die mit der zu heizenden Wendel verbunden ist, wobei das Koppelelement primärseitig und/oder sekundärseitig wenigstens ein Halbleiterbauteil aufweist, und wobei eine Überwachungsschaltung eine Temperatur des wenigstens einen Halbleiterbauteils indirekt, mittels eines elektrischen Parameters, erfasst und abhängig von der erfassten Temperatur den Dimmpegel der Gasentladungslampe und mittelbar oder unmittelbar die übertragene Heizleistung verändert.
  • In einem noch weiteren Aspekt stellt die Erfindung eine integrierte, vorzugsweise digitale Steuerschaltung bereit, wie bspw. ASIC oder Mikrokontroller, die zur Durchführung des Verfahrens, wie es vorstehend beschrieben ist, ausgebildet sind.
  • In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Betriebsgerät für Leuchtmittel, z.B. OLED, Halogenlampen oder LED, bereit mit einer getakteten Speiseschaltung, die aufweist: ein galvanisch getrenntes und vorzugsweise aktiv mittels eines Schalters getaktetes Koppelelement vorgesehen ist, das eine Energie von einer mit Spannung versorgten Primärseite zu einer Sekundärseite überträgt, die mit einer zu speisender Last verbunden ist, wobei das Koppelelement primärseitig und/oder sekundärseitig wenigstens ein Halbleiterbauteil als Teil der Speiseschaltung aufweist, und eine Überwachungsschaltung, die dazu eingerichtet ist, eine Temperatur des wenigstens einen Halbleiterbauteils indirekt, mittels eines elektrischen Parameters, zu erfassen und abhängig von der erfassten Temperatur den Dimmpegel der Leuchtmittel und mittelbar oder unmittelbar die übertragene Leistung zu verändern.
  • Weitere Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sollen nunmehr bezugnehmend auf die begleitenden Figuren sowie anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
    • Fig. 1
    zeigt eine schematische Darstellung eines Betriebsgerätes für Leuchtmittel, wie es der Erfindung zugrunde liegt.
    Fig. 2
    zeigt beispielhaft eine Schaltung gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.
    Fig. 3
    zeigt beispielhaft eine Schaltung gemäß eines weitern Ausführungsbeispiels der Erfindung.
    Figs. 4a und 4b
    zeigen beispielhaft zwei Einbettungen der Schaltung aus Fig. 1 in Systeme.
    Fig. 5
    zeigt in einem Diagramm eine Zunahme des Widerstands Rds_on (Drain-Source-Channel-Widerstand) eines Halbleiterschalters in Abhängigkeit der Temperatur.
    Fig. 6
    zeigt in einem U/I-Diagramm für eine Diode die Abnahme einer Flussspannung Uf einer Diode bei verschiedenen Temperaturen Tj.
    Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Fig. 1 zeigt schematisch ein Gesamt-Betriebsgerät (Vorschaltgerät EVG) für eine Lampe als Ausgangspunkt für die Erfindung. Das Gesamt-Betriebsgerät wird üblicherweise mit Netzspannung, bzw. einer AC-Versorgungsspannung UAC betrieben. Ein Betrieb mit einer Gleichspannung kann jedoch auch vorgesehen sein, die bspw. von einer Batterie bereitgestellt wird (z.B. in einem Notlichtbetrieb). Im Fall des Betriebs mit der AC-Versorgungsspannung UAC wird diese Spannung üblicherweise durch einen Gleichrichter GL gleichgerichtet und gegebenenfalls mit einem Filter gefiltert.
  • Die gleichgerichtete AC-Versorgungsspannung UAC wird dann durch einen Zwischenkreisschaltung 30 auf eine geeignete Busspannung Ubus umgesetzt. Die Zwischenkreisschaltung 30 kann weitere Funktionen aufweisen, wie beispielsweise die Sicherstellung einer sinusförmigen Stromaufnahme (Leistungsfaktorkorrektur, aktiver d. h. geschalteter PFC), eine Stabilisierung der Busspannung Ubus durch Regelung und/oder eine Beschränkung der in das Netz zurückgestrahlten Oberwellen usw.
  • Die Busspannung Ubus wird dann durch einen Wechselrichter, der bevorzugt als Halbrückenwechselrichter 20, gebildet durch eine Halbbrücke mit zwei in Serie geschalteten Leistungsschaltern, aber auch als Vollbrückenwechselrichter ausgebildet sein kann, in eine bevorzugte Betriebsspannung für einen Resonanzkreis RKL umgesetzt, zu dem die Lampe bevorzugt parallel geschaltet ist. Die bevorzugte Betriebsspannung wird an dem bevorzugten Halbrückenwechselrichter 20 am Mittenpunkt abgegriffen.
  • Der Betrieb des Vorschaltgeräts kann durch eine oder mehrere elektronische Steuer- und/oder Regeleinheiten vorgegeben werden. Der Einfachheit halber ist in Fig. 1 nur eine einzige elektronische Steuer- und/oder Regeleinheit SE vorgesehen. Dieser elektronischen Steuer- und/oder Regeleinheit SE können verschiedene Parameter aus dem Bereich der AC-Versorgungsspannung UAC, dem Bereich der Zwischenkreisschaltung 30, dem Bereich des Halbrückenwechselrichters 20 und/oder dem Bereich des Last- oder Resonanzkreises RKL und der Lampe zurückgeführt werden.
  • Weiter ist die Steuer- und/oder Regeleinheit SE in der Lage, beispielsweise über eine Schnittstelle (nicht gezeigt) externe oder interne Steuerparameter, z.B. Dimmwerte zur Einstellung von Dimmpegeln, zu empfangen. Diese Steuerparameter können beispielsweise über einen angeschlossenen Bus zugeführt werden, der beispielsweise ein Digitalbus gemäß dem Industrie-Standard DALI sein kann. Der Steuer- und/oder Regeleinheit SE sind insbesondere Dimmwerte zuführbar, die einen Sollwert für die einzustellende Lampenleistung darstellen.
  • Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Busspannung Ubus für den Halbbrückenwechselrichter 20 ebenfalls beispielsweise durch die Regel- und Steuereinheit SE verändert werden soll. Dazu kann die Regel- und Steuereinheit SE beispielsweise Parameter der Ansteuerung der Zwischenkreisschaltung 30, insbesondere der Taktung eines Schalters des aktiven PFCs verändern, derart, dass die Busspannung Ubus verändert wird.
  • In Fig. 1 wird die beispielhaft dargestellte Heizschaltung ausgehend von einer den Halbbrückenwechselrichter 20 speisenden DC-Spannung versorgt, z.B. von der durch die Zwischenkreisschaltung 30 (geschaltete PFC-Schaltung) bereitgestellte Zwischenkreisspannung. Alternativ kann die Heizschaltung auch von der Mittenpunktspannung des Halbbrückenwechselrichters 20 (oder durch einen Vollbrückenwechselrichter) gespeist werden. Alternativ kann anstelle der beispielhaft erläuterten Heizschaltung die Schaltung mit dem galvanisch getrennten und aktiv mittels zumindest eines Schalters getakteten Koppelelements auch direkt zur Übertragung für die Haupt-Lichtleistung des Leuchtmittels und/oder für eine Neben-Leistung, wie bspw. Niedervoltversorgung, Schnittstellenversorgung etc. dienen. Die Erfindung lässt sich auf sämtliche primärseitig getaktete und galvanisch getrennte Koppelschaltungen in Betriebsgeräten für Leuchtmittel (bspw. auch OLED, Halogen oder LED) anwenden.
  • Als Stellgrösse für die Einstellung der Lampenleistung kann die Schaltfrequenz der Schalter des Halbbrückenwechselrichters 20 gewählt werden. Als Rückführgrösse, die die Ist-Lampenleistung wiedergibt, kann beispielsweise der Lampenstrom I und/oder die Lampenspannung U gewählt werden.
  • Im Folgenden wird die Erfindung zunächst mit Blick auf die Figs. 2 und 3 beschrieben.
  • Fig. 2 zeigt beispielhaft eine Schaltung 10 gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Fig. 2 zeigt die Schaltung 10 mit einem Koppelelement, das als getakteter Sperrwandler ausgebildet ist. Andere transformatorische oder kapazitive Ausgestaltungen sind jedoch ebenfalls möglich.
  • Die Primärseite des Koppelelements weist eine mit einem vorzugsweise elektronischen Schalter S1, insbesondere einem Halbleiterschalter (z.B. einem Feldeffekttransistor FET), in Serie geschaltete Primärspule L1'1 auf. Die Spannungsversorgung ist im dargestellten Beispiel eine Gleichspannungsversorgung, so dass eine üblicherweise durch die Glättungsschaltung GL und die durch die Zwischenkreisschaltung (PFC, Power Factor Correction Circuit) 30 geregelte Zwischenkreisspannung oder eine Busspannung Ubus in einem elektronischen Vorschaltgerät verwendet werden kann.
  • Andere primärseitige DC- oder AC-Versorgungsspannungen können jedoch ebenfalls zum Einsatz kommen.
  • Der elektronische Schalter S1 dient dazu, das Koppelelement zu takten und wird dazu von einer Steuerschaltung ggf. mit einstellbarem Tastverhältnis und/oder Frequenz angesteuert. In dem dargestellten Beispiel weist die Schaltung 10 beispielsweise insbesondere einen Flyback-Konverter als getakteten Sperrwandler auf, der mit einer definierten Einschaltzeit Ton und einer Frequenz f betrieben wird.
  • Gemäß dem Transformatorprinzip wird in dem dargestellten Beispiel elektrische Energie von der Primärseite auf eine Sekundärseite, bzw. von der Primärspule L1'1 auf eine Sekundärspule L1'2 übertragen. Im dargestellten Beispiel ist ein Zweig ausgehend von der Sekundärspule L1'2 hin zu einer Wendel, die hier durch einen Ersatzwiderstand Rfil dargestellt ist, gezeigt. Es ist jedoch möglich, einen zweiten oder weiteren Zweig zu einer zweiten oder weiteren Wendel, die hier nicht dargestellt sind, über eine zweite oder weitere Sekundärspule mit der Primärspule zu koppeln. Die Sekundärseite kann also auch mehrere Wendeln versorgen.
  • Bei im Wesentlichen konstanter Versorgungsspannung Ubus hängt die durch den getakteten Sperrwandler übertragene Heizenergie im Wesentlichen von der Schaltfrequenz f sowie der Einschaltzeitdauer Ton des Halbleiterschalters S1 ab. Der elektronische Schalter S1 kann von einer Heizsteuerschaltung 13 (siehe Fig. 3) angesteuert werden. Die Heizsteuerschaltung 13 kann dabei Teil der Steuereinheit SE sein oder getrennt davon angeordnet sein.
  • Die Schaltersteuerung des elektronischen Schalters ermöglicht auch einen unabhängigen Betrieb der Heizschaltung, was beispielsweise bei Ankopplung der Heizschaltung an einen Wechselrichter-Mittenpunkt ohne individuelle Taktung eines Schalters der Heizschaltung nicht der Fall ist. Der unabhängige Betrieb der Schaltung ist gerade für das Vorheizen vor, dem Zünden vorteilhaft, bei dem bekanntlich der Wechselrichter nicht unbedingt bereits betrieben wird. Weiterhin ergeben sich durch das Vorsehen eines unabhängig getakteten Schalters in der Heizschaltung für einen Dimmbetrieb oder einen Multilampenbetrieb vorteilhafte Entwurfsfreiheiten.
  • Sollwerte für die Einschaltzeit Ton sowie die Frequenz f der Schaltvorgänge des Schalters S1 können dabei durch die Heizsteuerschaltung 13 (z.B. einem ASIC oder Mikrokontroller) vorgegeben sein.
  • Die Vorgaben für die Einschaltzeitdauer Ton und/oder die Schaltfrequenz f des getakteten Sperrwandlers kann von der Steuerschaltung beispielsweise abhängig vom aktuellen Dimmzustand des Leuchtmittels und ggf. vom (beispielsweise über den Wendelstrom) erfassten Typ des Leuchtmittels berechnet und dann in der Heizsteuerschaltung vorgegeben werden. Die Steuerschaltung kann beispielsweise über eine Schnittstelle Dimmbefehle beispielsweise gemäß des DALI-Standards erhalten.
  • Die Heizsteuerschaltung 13 kann den Dimmpegel des Leuchtmittels steuern oder regeln, indem sie wenigstens einen die Leistung des Leuchtmittels beeinflussenden Parameter stellt. Dieser Parameter kann bspw. die Frequenz einen Halbbrücken-Wechselrichters sein, dessen Mittenpunkt einen das Leuchtmittel aufweisenden Resonanzkreis speist.
  • Die Primärseite des Sperrwandlers/ Sperrwandeltransformators mit der Spule L1'1 und dem elektronischen Schalter S1 ist also vorzugsweise an eine Zwischenkreisspannung oder Busspannung Ubus angeschlossen, da diese stets ein im Wesentlichen konstantes Potential aufweist, wodurch sichergestellt ist, dass bei konstanter Einschaltzeit Ton und Frequenz f des elektronischen Schalters S1 eine konstante Heizenergie auf die Sekundärseite des Sperrwandlers abgegeben wird.
  • Alternativ kann die Primärseite auch ausgehend von der Mittenpunktspannung eines Halbbrücken-Wechselrichters gespeist werden.
  • Die vorliegende Erfindung ist nunmehr insbesondere dazu ausgebildet, eine Temperatur der in der Schaltung 10 verwendeten Halbleiterbauteile, mit einer Überwachungsschaltung 11 (siehe Fig. 3) zu ermitteln, die bei kritischen Zuständen, beispielsweise bei hohen Temperaturen, Gegenmaßnahmen ausführt, um die Halbleiterbauteile vor einer Zerstörung oder Beschädigung zu schützen. Diese Überwachungsschaltung kann bspw. Teil der Steuerschaltung sein, oder separat zu dieser ausgebildet sein.
  • Neben dem elektronischen Schalter S1 können in der erfindungsgemäßen Schaltung 10 selbstverständlich weitere Halbleiterbauteile vorgesehen sein. Beispielweise zeigt die Fig. 2 auf der Sekundärseite der Schaltung 10 eine in Serie mit der Sekundärspule L1'2 verbundene Diode D1, die zwischen der Sekundärspule L1'2 und der Wendel/dem Ersatzwiderstand Rfil in Durchlassrichtung angeordnet ist.
  • Parallel zu dem Ersatzwiderstand Rfil ist ein Kondensator C1 angeordnet.
  • Erfindungsgemäß wird die Temperatur der Halbleiterbauteile an dem jeweiligen Bauteil von der Überwachungsschaltung 11 indirekt, z.B. über temperaturwiedergebende elektrische Parameter (UFET, Uf, bzw. UAn und UKath), die für das Halbleiterbauteil ermittelt werden, erfasst.
  • Über einen ersten Spannungsteiler ST1, der durch den ersten Widerstand R1 und den zweiten Widerstand R2 gebildet ist, kann z.B. ein Schalterwiderstand (Einschaltwiderstand) des primärseitigen Schalters S1, bzw. ein Spannungsabfall UFET über dem Schalter S1, an einem ersten Abgriffspunkt PIN1 erfasst werden, der mit dem Mittenpunkt des ersten Spannungsteilers ST1 verbunden ist.
  • Der Schalterwiderstand des, bzw. der Spannungsabfall UFET an dem Schalter S1 ist temperaturabhängig und verändert sich bei ansteigender (und natürlich auch bei abfallender) Temperatur. Dieses Verhalten kann folglich durch die Überwachungsschaltung erfasst werden. Der Schalterwiderstand des, bzw. der Spannungsabfall UFET an dem Schalter S1, der die Temperatur/Temperaturveränderung an dem Schalter S1 wiedergibt, wird dann als ein elektrischer Parameter der Überwachungsschaltung 11 zugeführt und durch sie ausgewertet.
  • Gemäß der Erfindung wird auch eine Flussspannung Uf der sekundärseitigen Diode D1 ermittelt. Dies erfolgt durch ein Erfassen einer Anodenspannung UAn auf Anodenseite der Diode D1 und ein Erfassen einer Kathodenspannung UKath auf der Kathodenseite der Diode D1.
  • Die Anodenspannung UAn bzw. die Kathodenspannung UKath wird dabei über einen zweiten Spannungsteiler ST2 bzw. einen dritten Spannungsteiler ST3 erfasst. Der zweite Spannungsteiler ST2 wird dabei von dem dritten Widerstand R3 und dem vierten Widerstand R4 gebildet. Der dritte Spannungsteiler ST3 wird von dem fünften Widerstand R5 und dem sechsten Widerstand R6 gebildet.
  • Die Anodenspannung UAn kann von der Überwachungsschaltung 11 über einen zweiten Abgriffspunkt PIN2 erfasst werden, der mit dem Mittenpunkt des zweiten Spannungsteilers ST2 verbunden ist. Entsprechend kann die Kathodenspannung UKath auf der Kathodenseite der Diode D1 über einen dritten Abgriffspunkt PIN3 erfasst werden, der mit dem Mittenpunkt des dritten Spannungsteilers ST3 verbunden ist.
  • Die Anodenspannung UAn der sekundärseitigen Diode D1 kann alternativ auch indirekt ermittelt werden, nämlich in Kenntnis der Versorgungsspannung Ubus sowie des Wicklungsverhältnisses der primärseitigen Spule L1'1 zu der sekundärseitigen Spule L1'2 des Koppelelements. Der zweite Spannungsteiler ST2 kann dann entfallen, während die Flussspannung Uf jedoch immer noch ermittelt werden kann. Das Wicklungsverhältnis ist vorzugsweise in der Überwachungsschaltung 11 hinterlegt oder ermittelbar.
  • Die Flussspannung Uf ist ebenfalls temperaturabhängig und verändert sich bei ansteigender (und abfallender) Temperatur. Die Flussspannung Uf wird daher als ein elektrischer Parameter von der Überwachungsschaltung 11 ausgewertet, der die Temperatur/Temperaturveränderung an der Diode D1 widergibt. Die Flussspannung Uf lässt sich aus der Anodenspannung UAn und der Kathodehspannung UKath berechnen z.B. durch Uf = UAn - UKath.
  • Dabei kann die Messung des Schalterwiderstandes/Spannungsabfalls UFET bei geschlossenem Schalter S1 erfolgen, während die Ermittlung der Flussspannung Uf an der sekundärseitigen Diode D1 bei geöffnetem Schalter erfolgen kann.
  • In der Folge kann vorzugsweise die Messung des Schalterwiderstandes/Spannungsabfalls UFET und die Ermittlung der Flussspannung Uf an dem gleichen Abgriffspunkt erfolgen und somit über einen Eingang an der Überwachungsschaltung 11, z.B. einer ASIC, zugeführt werden.
  • Aus den gemessenen/ermittelten Parametern (Flussspannung Uf und Schalterwiderstand/Spannungsabfall UFET) kann jeweils die Temperaturermittlung an dem elektronischen Schalter S1, der Diode D1, oder beiden erfolgen.
  • Es ist aber zu verstehen, dass noch weitere Halbleiterbauteile in der Schaltung 10 vorgesehen sein können, für die temperaturwiedergebende Parameter von der Überwachungsschaltung 11 ermittelt werden. Allgemein kann die Überwachungsschaltung 11 elektrische Parameter erfassen, wie z.B. einen Spannungs-/Stromwert, einen Widerstandswert, eine Spannungs-/Stromwertänderung, eine Widerstandswertänderung und/oder ein Ergebnis einer Spannungs-/Stromwertberechnung.
  • Es kann in der Überwachungsschaltung 11 mindestens ein Schwellwert für die ermittelte Temperatur vorgegeben sein, bei dessen über- oder unterschreiten die Überwachungsschaltung 11 eine Maßnahme einleitet, die einer weiteren Erwärmung der Schaltung 10, bzw. der Halbleiterbauteile entgegenwirken.
  • Dabei kann für jedes Halbleiterbauteil mindestens ein Schwellwert vorgegeben sein. Abhängig von dem erreichten Schwellwert und auch von dem Halbleiterbauteil, für den er erreicht wird, kann dann die passende Maßnahme gewählt werden.
  • Wenn die ermittelte Temperatur einen vorgegebenen Schwellwert über- oder unterschreitet, kann die Überwachungsschaltung 11 z.B. einen Dimmpegel der Gasentladungslampe ändern, beispielsweise erhöhen. Grundsätzlich wird die Menge der vom Koppelelement übertragenen Energie verringert. Somit wird unter anderem erreicht, dass ein geringeres Zuheizen, also eine verminderte Übertragung von Heizenergie von der Primärseite auf die Sekundärseite, erforderlich sein kann. Durch das Verringern des Zuheizens wird einer weiteren Erwärmung der Schaltung 10 und insbesondere einer weiteren Erwärmung der Halbleiterbauteile entgegengewirkt.
  • Der Zusammenhang zwischen Dimmpegel und Grad des Zuheizens für die Wendel ist vorzugsweise in einer Tabelle oder in einer Funktion in der Überwachungsschaltung 11 (z.B. einem ASIC) hinterlegt.
  • Da eine solche Anpassung des Dimmpegels zur Folge haben kann, dass das Leuchtmittel nicht mehr mit ordnungsgemäß beheizten Wendeln betrieben wird, was zu einem vorzeitigen Ausfall des Leuchtmittels führen kann, wird bevorzugt mittelbar oder unmittelbar mit Erhöhung der Lampenleistung (also der Erhöhung des Dimmpegels) gleichzeitig die Heizleistungsübertragung verringert, oder umgekehrt.
  • Die Temperatur an den Halbleiterbauteilen kann indessen auch direkt von einem Temperatursensor ermittelt werden, der in der Nähe des Koppelelements bzw. der Bauteile angeordnet ist.
  • Allgemein ist es für die Temperaturerfassung jedoch nicht ausreichend, temperaturanzeigende Parameter aus der Umgebung der Schaltung 10 zu ermitteln. Bei geringem Dimmpegel werden die Halbleiterbauteile zwar insgesamt weniger belastet, durch starkes Zuheizen werden jedoch die Halbleiterbauteile der Schaltung 10 stark belastet. Im Gegensatz zu den übrigen Bereichen der Schaltung 10 wird hier also eine starke Erwärmung bei geringen Dimmpegeln auftreten.
  • Bei der direkten Temperaturermittlung über den Temperatursensor ist daher zu beachten, dass dieser Temperatursensor um den Bereich des Koppelelements, bzw. des Flyback-Konverters, und nahe an den Halbleiterbauteilen angeordnet sein muss, um spezifisch die Temperatur der Halbleiterbauteile zu ermitteln.
  • Die sekundärseitige Diode D1, die gemäß der Erfindung überwacht wird, kann auch durch einen Kondensator ersetzt sein. Dieser ist durch erhöhte Temperaturen weit weniger gefährdet. Insbesondere ist in einer so geänderten Schaltungsanordnung dann nur eine primärseitige Überwachung des Schalters notwendig, wobei der Schalter auf jeden Fall für den Flyback-Konverter vorliegen muss.
  • Allgemein ist ein Flyback-Konverter nur ein Beispiel für eine getaktete potentialgetrennte Heizschaltung. Andere Heizschaltungstopologien können ebenfalls zum Einsatz kommen.
  • Die Überwachungsschaltung 11 kann auch ein Teil der Heizsteuerschaltung 13 bzw. der Steuereinheit SE sein. Die temperaturwiedergebenden elektrischen Parameter werden in diesem Fall an die Heizsteuerschaltung 13 bzw. die Steuereinheit SE zurückgeführt.
  • Fig. 3 zeigt beispielhaft eine Schaltung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung. Die Schaltung 10 ist nun mit einer ersten Wendel W1 einer Lampe LA verbunden statt mit dem Ersatzwiderstand Rfli verbunden. Die Heizsteuerschaltung 13 gibt Sollwerte für die Einschaltzeit Ton sowie die Frequenz f der Schaltvorgänge des elektronischen Schalters S1 vor. Sie kann bidirektional mit der Überwachungsschaltung 11 kommunizieren. Schwellwerte und Sollwerte für Temperaturen können der Überwachungsschaltung 11 von der Heizsteuerschaltung 13 über den bidirektionalen Kommunikationskanal 14 vorgegeben werden. Die Heizsteuerschaltung 13 kann beispielsweise über eine Schnittstelle 15 Dimmbefehle beispielsweise gemäß dem DALI-Standard erhalten.
  • Fig. 3 zeigt auch eine Berechnungseinheit 12, die aus einer der Anodenspannung UAn und Kathodenspannung UKath die Flussspannung Uf berechnet. Alternativ kann diese Berechnung auch durch die Überwachungsschaltung 11 durchgeführt werden.
  • Die Überwachungsschaltung 11 kann auch feststellen, wenn die eingeleiteten Gegenmaßnahmen ohne Wirkung bleiben, sich also die Halbleiterbauteile trotz der Veränderung von Dimmpegel und somit auch Grad des Zuheizens weiter erwärmen (was durch eine entsprechende Veränderung der temperaturwiedergebenden elektrischen Parameter angezeigt wird), oder sich die temperaturwiedergebenden elektrischen Parameter auf die Gegenmaßnahmen hin nicht verändern.
  • Bei Überschreitung eines Schwellwerts kann die Überwachungsschaltung 11 der Heizsteuerschaltung 13 z.B. eine Überhitzungsinformation über den Kommunikationskanal 14 an die Heizsteuerschaltung 13 übermitteln. Wenn die Heizsteuerschaltung 13 die Überhitzungsinformation von der Überwachungsschaltung 11 erhält, kann die Heizsteuerschaltung 13 über ausgehende Befehle 16 das Betriebsgerät (elektronisches Vorschaltgerät EVG) z.B. in einen Fehlermodus schalten oder abschalten. Die Reaktion der Heizsteuerschaltung 13 auf die Überhitzungsinformation kann dabei vom aktuellen Betriebszustand des Betriebsgerätes abhängen. Mögliche durch die Heizsteuerschaltung 13 veranlasste Aktionen in dem Betriebsgerät sind beispielsweise das Abschalten des Halbbrückenwechselrichters 20.
  • In Fig. 3 wird die Schaltung 10 zum Beheizen einer ersten Wendel W1 einer Lampe LA eingesetzt. Die Fig. 3 zeigt auch einen zweiten Zweig mit einer zweiten Sekundärspule L1'3 zu einer zweiten Wendel W2 der Lampe LA. Auf die zweite Sekundärspule L1'3 wird ebenfalls nach dem Transformatorprinzip elektrische Energie von der Primärspule L1'1 zur Heizung der Wendel W2 übertragen. In der dargestellten Schaltung kann die Flussspannung Uf2 an einer Diode D2 dann analog zu der Flussspannung Uf an der Diode D1 gemessen werden. Dazu kann eine zweite Berechnungseinheit 12' bereitgestellt werden, die aus einer zweiten Anodenspannung und einer zweiten Kathodenspannung die Flussspannung Uf2 berechnet. Alternativ kann diese Berechnung auch durch die Berechnungseinheit 12 oder die Überwachungsschaltung 11 erfolgen.
  • Figuren 4a und 4b zeigen zwei alternative Speisungs-Anordnungen der Schaltung 10 aus Fig. 1. In Fig. 4a wird beispielsweise die Primärseite des Koppelelements ausgehend von der Mittenpunktspannung des Halbbrückenwechselrichters 20 (oder eines Vollbrückenwechselrichters) gespeist. Alternativ, wie in Fig. 4b dargestellt, kann die Primärseite auch von einer den Halbbrückenwechselrichter 20 speisenden DC-Spannung, bzw. einer durch eine PFC-Schaltung 30 mit Schalter bereitgestellte Zwischenkreisspannung, versorgt sein.
  • Fig. 5 zeigt in einem Diagramm eine Zunahme des Drain-Source-Widerstands Rds_on eines Halbleiterschalters in Abhängigkeit von der Temperatur. Der Source-Channel-Widerstand Rds_on erhöht sich mit steigender Temperatur auch der Spannungsabfall UFET steigt an, wenn der Halbleiterschalter S1 geschlossen wird. Wenn der Spannungsabfall UFET einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt, kann die Überwachungsschaltung 11 den Dimmpegel z.B. auf 100% (keine Dimmung) anheben, wodurch die Heizschaltung (der Flyback-Konverter) ausgeschaltet wird. Der Spannungsabfall UFET an dem elektronischen Schalter kann, wie bereits gesagt, gemessen werden, wenn der Schalter S1 geschlossen ist.
  • Fig. 6 zeigt in einem U/I-Diagramm für eine Diode (z.B. die Diode D1 oder D2) die Abnahme einer Flussspannung Uf einer Diode bei verschiedenen Temperaturen Tj. Die Flussspannung Uf der Diode (UAn - UKath) sinkt mit zunehmender Temperatur. Wenn Uf z.B. unter einen Schwellwert sinkt, kann die Überwachungsschaltung 11 den Dimmpegel z.B. auf zu 100% (keine Dimmung) anheben, wodurch die Heizschaltung (der Flyback-Konverter) ausgeschaltet wird. Die Uf kann, wie bereits gesagt, ermittelt werden, wenn der elektronische Schalter geöffnet ist.
  • Die Erfindung lässt sich dabei auf sämtliche primärseitig getaktete und galvanisch getrennte Koppelschaltungen in Betriebsgeräten für Leuchtmittel (bspw. auch OLED, Halogen oder LED) anwenden. Im Falle einer Anwendung der Erfindung auf eine Koppelschaltung, welche die Haupt-Lichtleistung des Leuchtmittels überträgt, wird die Überwachungsschaltung 11 vorzugsweise den Dimmpegel auf eine niedrigere Helligkeit absenken, um die Menge der vom Koppelelement übertragenen Energie zu verringern.

Claims (13)

  1. Betriebsgerät für Leuchtmittel, insbesondere für Gasentladungslampen (LA), mit einer Schaltung (10) aufweisend:
    - ein galvanisch getrenntes und aktiv mittels zumindest eines Schalters (S1) getaktetes Koppelelement (L1'1, L1'2), welches eine Energie von einer mit Spannung versorgten Primärseite zu einer Sekundärseite überträgt, wobei das Koppelelement (L1'1, L1'2) primärseitig und/oder sekundärseitig wenigstens ein Halbleiterbauteil aufweist,
    gekennzeichnet durch
    - eine Überwachungsschaltung (11), die dazu eingerichtet ist, eine Temperatur des wenigstens einen Halbleiterbauteils indirekt mittels eines elektrischen Parameters zu erfassen und abhängig von der erfassten Temperatur den Dimmpegel des Leuchtmittels (LA) zu verändern.
  2. Betriebsgerät nach Anspruch 1, wobei der erfasste elektrische Parameter ein Spannungs-/Stromwert, ein Widerstandswert, eine Spannungs-/Stromwertänderung, eine Widerstandswertänderung und/oder ein Ergebnis einer Spannungs-/Stromwertberechnung ist.
  3. Betriebsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Halbleiterbauteil eine sekundärseitig angeordnete Diode (D1) ist, und wobei die Überwachungsschaltung (11) dazu eingerichtet ist eine Flussspannung an der Diode zu ermitteln.
  4. Betriebsgerät nach Anspruch 3, wobei die Überwachungsschaltung dazu eingerichtet ist, die Flussspannung durch eine Messung einer Anodenspannung und einer Kathodenspannung der Diode (D1) zu ermitteln.
  5. Betriebsgerät nach Anspruch 4, wobei die Überwachungsschaltung dazu eingerichtet ist, die Anodenspannung der Diode (D1) indirekt über ein hinterlegtes Wicklungsverhältnis des Koppelelements (L1'1, L1'2) und die Spannung zu ermitteln.
  6. Betriebsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltung zur Übertragung einer Heizenergie an wenigstens eine Wendel einer dimmbaren Gasentladungslampe (GA) dient, wobei die Sekundärseite des Koppelelements (L1'1, L1'2) mit der zu heizenden Wendel verbunden ist und die Überwachungsschaltung dazu eingerichtet ist, abhängig von der erfassten Temperatur mittelbar oder unmittelbar die übertragene Heizleistung zu verändern.
  7. Betriebsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Überwachungsschaltung (11) dazu eingerichtet ist, den Dimmpegel zu erhöhen und gleichzeitig die übertragene Heizenergie zu senken, oder umgekehrt.
  8. Betriebsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Überwachungsschaltung (11) mittels Hardware, z.B. mittels eines ASICs, implementiert ist.
  9. Betriebsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Tabelle, die Funktion und/oder das Wicklungsverhältnis in der Überwachungsschaltung hinterlegt sind.
  10. Betriebsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Überwachungsschaltung dazu eingerichtet ist, einem gemessenen Einschaltwiderstand des Schalters und/oder einem Spannungsabfall über den Schalter und einen weiteren Parameter von einem weiteren Halbleiterbauteil über denselben Zugangspunkt der Überwachungsschaltung zu erfassen, und wobei die Messung des Einschaltwiderstands und/oder des Spannungsabfalls bei geschlossem Schalter und die Ermittlung des weiteren Parameters bei geöffnetem Schalter erfolgt.
  11. Betriebsgerät nach Anspruch 10, wobei das weitere Halbleiterbauteil eine Diode (D2) und der weitere Parameter die Flussspannung an der Diode (D2) ist.
  12. Betriebsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Koppelelement Teil eines Sperrwandlers, insbesondere eines Flyback-Konverters, ist.
  13. Betriebsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Primärseite des Koppelelements ausgehend von der Mittenpunktspannung eines Halbbrücken- oder Vollbrücken-Wechselrichters gespeist ist, oder von einer den Wechselrichter speisenden DC-Spannung versorgt ist.
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