DE102004016945A1 - EVG mit Regelschaltung und Störgrößenaufschaltung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Vorschaltgerät für Lampen mit einer Regelung des Lampenstroms I¶Li¶. Dabei wird die Zwischenkreisspannung U¶Zi¶ über eine Störgrößenaufschaltung SG berücksichtigt.

Description

• Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Vorschaltgerät für Lampen, insbesondere aber nicht ausschließlich Niederdruckentladungslampen.
• Stand der Technik
• Üblicherweise enthalten solche Vorschaltgeräte einen Gleichrichter, der eine Versorgungswechselspannung gleichrichtet, um eine Zwischenkreisspannung zu erzeugen. Diese Zwischenkreisspannung liegt üblicherweise an einem Zwischenkreiskondensator zur Glättung bzw. Speicherung. Mit der Zwischenkreisspannung wird ein Wandler, beispielsweise ein Halbbrückenoszillator, versorgt, der seinerseits die Versorgungsleistung für die Lampe erzeugt, im Fall einer Niederdruckentladungslampe eine Hochfrequenzversorgungsleistung, im Fall einer Hochdruckentladungslampe aber auch eine in der Polarität mit vergleichsweise niedriger Frequenz alternierende Gleichspannung.
• Es ist ferner bekannt, in solchen Vorschaltgeräten Regelschaltungen vorzusehen, mit denen der Lampenstrom oder die Lampenleistung auf einen konstanten Wert geregelt werden. Damit können Drifteffekte durch Lampenalterung, Temperaturänderungen u. Ä. kompensiert werden.
• Darstellung der Erfindung
• Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine verbessertes elektronisches Vorschaltgerät mit einer Regelschaltung anzugeben.
• Die Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Vorschaltgerät für eine Lampe mit einem Gleichrichter zur Erzeugung einer gleichgerichteten Zwischenkreisspannung, einem Wandler zum Erzeugen einer Versorgungsleistung für die Lampe, einer Steuerung zur Zwangssteuerung des Wandlers und einer Regelschaltung zur Regelung des Lampenstromes oder der Lampenleistung, die dazu ausgelegt ist, die Steuerung des Wandlers zu beeinflussen, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorschaltgerät dazu ausgelegt ist, dass die Steuerung des Wandlers auch durch eine Schwankungen der gleichgerichteten Zwischenkreisspannung berücksichtigende Störgrößenaufschaltung beeinflusst wird.
• Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein entsprechendes Verfahren.
• Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
• Die Grundidee der Erfindung ist die Folgende: Bei der Gleichrichtung der Versorgungsleistung verbleibt prinzipiell eine Restmodulation der Zwischenkreisspannung. Diese Modulation beeinflusst den Wandler und damit den Betrieb der Lampe. Zwar lässt sich bei einer an sich bekannten Regelschaltung auch eine solche Modulation ausregeln, jedoch hat der Erfinder festgestellt, dass die Zwischenkreisspannungsmodulation im Vergleich zu anderen Störgrößen wie Lampenalterung, Temperaturänderungen und dgl. vergleichsweise schnell ist und vor allem in vielen Fällen die einzige in diesem Sinn schnelle Störgröße ist. Da das Modulationsverhalten der Zwischenkreisspannung bei einem bekannten Gleichrichter und einem gegebenen Zwischenkreiskondensator relativ konstant im Sinne von vorhersagbar oder berechenbar ist, schlägt die Erfindung vor, die Modulation der Zwischen kreisspannung als Störgröße im Rahmen einer Störgrößenaufschaltung außerhalb der eigentlichen Regelungsrückkopplung zu berücksichtigen. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die Regelschaltung auf einen deutlich langsameren Betrieb ausgelegt werden kann und auch die notwendigen Messungen, etwa die Lampenstrommessung, entsprechend langsam durchgeführt werden können. Der rückgekoppelte Regelkreis wird also weniger anspruchsvoll und die konventionellerweise für eine relativ schnelle Regelung ursächliche Störgröße "ausgegliedert" und separat über die Störgrößenaufschaltung berücksichtigt. Die Störgrößenaufschaltung bedeutet dabei eine "rechnerische" Berücksichtigung im Sinne einer – im Regelfall proportionalen – Berücksichtigung der Abweichung der Störgröße von einem Nennwert bei der Steuerung des Wandlers.
• Vorzugsweise kann ein relativ langsamer I-Regler verwendet werden, der einfach zu realisieren ist und bei langsamen Regelungen gut arbeitet. Er hat überdies den Vorteil, keine bleibende Regelabweichung zuzulassen.
• Ferner ist bevorzugt, die Regelschaltung digital auszuführen. Eine digitale Regelschaltung erfordert jedenfalls dann, wenn keine hohen Anforderungen an die Geschwindigkeit gestellt werden, einen begrenzten technischen Aufwand. Darüber hinaus eignet sie sich gut für eine im Rahmen der Erfindung bevorzugte Integration in eine ebenfalls digitale Steuerschaltung, die vorzugsweise durch einen Mikrocontroller, also einen programmierbaren IC, realisiert ist. Die Regelschaltung lässt sich dann also im Wesentlichen softwaretechnisch realisieren. In solchen Fällen, in denen also aus von der Regelung unabhängigen Gründen ohnehin eine digitale Schaltung, insbesondere ein Mikrocontroller, vorgesehen ist, ist der für die digitale Regelschaltung erforderliche Aufwand deutlich geringer als der für eine konventionelle analoge Regelschaltung. Auch hier kann der Aufwand bei geringen Geschwindigkeitsanforderungen deutlich reduziert werden.
• Das erfindungsgemäße Vorschaltgerät weist vorzugsweise eine sog. Leistungsfaktorkorrekturschaltung auf, also eine Schaltung, die für eine möglichst sinusförmige Leistungsaufnahme aus dem Wechselspannungsnetz sorgt. Damit können die pulsartigen Stromspitzen vermieden werden, die bei einer einfachen Aufladung des Zwischenkreiskondensators mit einem Gleichrichter dann entstehen, wenn die Netzspannung über die momentane Zwischenkreisspannung ansteigt. Ein bevorzugtes Beispiel für eine solche Leistungsfaktorkorrekturschaltung (auch als PFC-Schaltung bezeichnet) sind ein sog. Hochsetzer (Boost-Wandler) und ein sog. SEPIC-Wandler, die an sich bekannt sind.
• Zur Steuerung der Leistungsfaktorkorrekturschaltung ist ohnehin eine Messung der Zwischenkreisspannung erforderlich, so dass die Erfindung in solchen Fällen einen besonders geringen Zusatzaufwand erfordert. Vorzugsweise ist dabei die Steuerung der Leistungsfaktorkorrekturschaltung ebenfalls in der digitalen Steuerschaltung integriert.
• Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines schematischen Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die Einzelmerkmale auch in anderen Kombinationen erfindungswesentlich sein können. Insbesondere wird noch einmal ausdrücklich festgestellt, dass die Erfindung sowohl einen Vorrichtungs- als auch einen Verfahrenscharakter hat und sich die vorstehende sowie die nachfolgende Beschreibung implizit auf beide Aspekte beziehen.
• 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer analogen Regelschaltung in einem konventionellen Vorschaltgerät.
• 2 zeigt im Vergleich zu 1 eine digitale Regelschaltung mit Störgrößenaufschaltung in einem erfindungsgemäßen Vorschaltgerät.
• 3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen elektronischen Vorschaltgeräts mit einer digitalen Regelschaltung nach 2.
• Bevorzugte Ausführung der Erfindung
• 1 zeigt einen schnellen analogen Regler zur Regelung des Lampenstroms einer Niederdruckentladungslampe nach dem Stand der Technik. In 1 bezeichnet W/L einen Wandler, hier einen Halbbrückenoszillator, mit einer angeschlossenen Niederdruckentladungslampe L. Die in den Block W/L hineinführende Signalleitung ist mit ΔT bezeichnet, womit symbolisiert ist, dass hier die Schaltzeiten bzw. die Periodendauer des Wandlerbetriebs eingestellt werden. Die aus dem Block W/L hinausführende Signalleitung ist mit I_Li bezeichnet, womit symbolisiert ist, dass hier der Lampenstrom durch die Lampe L gemessen wird. Im linken Bereich der 1 erkennt man, dass der gemessene "Ist"-Lampenstrom I_Li über einen Komparator verglichen wird mit einem Stromsollwert I_LS. Die Sollwertabweichung wird einem mit I bezeichneten schnellen analogen Integralregelglied zugeführt. Das Ausgangssignal des Integralregelgliedes I wird mit einem bestimmten Faktor k₁ multipliziert und, wie bereits erwähnt, zur Einstellung der Periodendauer T des Wandlerbetriebs verwendet. Wenn das Integralregelglied I ein Nullsignal ausgibt, bleibt die Periodendauer gleich. Daher ist die Signalleitung zu dem Block W/L mit ΔT im Sinne einer Periodendaueränderung bezeichnet.
• Ein weiteres gemäß 1 in den Block W/L eingehendes "Signal" ist die Zwischenkreisspannung U_Z. Damit wird symbolisiert, dass der Wandlerbetrieb und der Lampenbetrieb, sowie insbesondere der Lampenstrom I_Li von der Zwischenkreisspannung U_Z abhängen und insbesondere deren Modulationen unterworfen sind. Der in 1 dargestellte konventionelle Regelkreis muss also schnell genug sein, die Zwischenkreisspannungsmodulation mit einer typischen Frequenz von 100 Hz auszuregeln. Bei hochwertigen elektronischen Vorschaltgeräten darf die Modulation des Lampenstromes bzw. der Lampenleistung bestimmte Grenzen nicht überschreiten.
• Eine Alternative bzw. auch flankierende Maßnahme besteht darin, den Zwischenkreiskondensator ausreichend groß zu wählen, um die Zwischenkreisspannungsmodulation an sich klein zu halten. Ein großer Zwischenkreiskon densator ist jedoch mit zusätzlichen Kosten verbunden und erhöht überdies den Einschaltstrom des Vorschaltgeräts.
• 2 zeigt im Vergleich zu 1 die Erfindung. Dabei werden für entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet. Die folgende Beschreibung konzentriert sich auf die Unterschiede.
• Zunächst ist die Zwischenkreisspannung hier mit dem Symbol U_Zi bezeichnet. Im Unterschied dazu bezeichnet U_Zs einen Zwischenkreisspannungs-Sollwert. Der Zwischenkreisspannungs-Istwert (Messwert) U_Zi wird über einen Komparator mit dem Zwischenkreisspannungs-Sollwert U_Zs verglichen, mit einer Konstanten k₂ multipliziert und mit dem bereits anhand 1 beschriebenen, mit der Konstanten k₁ multiplizierten Ausgang des Integralregelgliedes I addiert, um in der bereits beschriebenen Weise die Periodendauer des Wandlerbetriebs zu beeinflussen. Die Konstanten k₁ und k₂ erlauben eine Anpassung des Verhaltens.
• Die mit dem Symbol SG bezeichnete Einheit aus dem Komparator zum Vergleich des Zwischenkreisspannungs-Istwerts U_Zi mit dem Zwischenkreisspannungs-Sollwert U_Zs und der k₂-Multiplikation bildet damit eine Störgrößenaufschaltung zu dem im Übrigen im Prinzip 1 entsprechenden Regelkreis.
• Allerdings kann mit der Störgrößenaufschaltung SG die Zwischenkreisspannungsmodulation ausreichend genau und vor allem ohne technischen Aufwand relativ schnell berücksichtigt werden. Daher muss bei dem Regelkreis nach 2 keine schnelle Messung des Lampenstromes I_Li erfolgen. Ferner kann das Integralregelglied I langsam sein. Der Regelkreis hat nämlich nunmehr nur die Aufgabe, zeitlich relativ langsam erfolgende Änderungen des Wandler- und Lampenbetriebs auszuregeln.
• Die in 2 beschriebene Anordnung ist Bestandteil eines im Übrigen konventionellen elektronischen Vorschaltgeräts zur Versorgung einer Niederdruckentladungslampe L. Ein Blockschaltbild dazu zeigt 3. Die Zwi schenkreisspannung U_Zi wird über einen konventionellen Diodenbrückengleichrichter mit üblichen Filterelementen zur Verhinderung der Rückspeisung von Hochfrequenzanteilen ins Netz, in 3 mit FR bezeichnet, erzeugt. Dabei findet eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung Anwendung, in diesem Fall ein Boost-Wandler mit dem Schalttransistor T3, der Induktivität L1, der Diode D1 und dem Speicherkondensator C1 für die Zwischenkreisspannung U_Zi. Zur Steuerung des Schalttransistors T3 des Boost-Wandlers muss die Zwischenkreisspannung U_Zi ohnehin gemessen werden, was in 3 durch den Abgriff an der nicht näher bezeichneten Spannungsteilerschaltung dargestellt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird diese Messung gleichzeitig für die in 2 dargestellte Störgrößenaufschaltung verwendet. Im Übrigen sind die Störgrößenaufschaltung, der Regelkreis, die Steuerung des Halbbrückenoszillators W und die Steuerung des Boost-Wandlers gemeinsam softwaretechnisch in einem digitalen Mikrocontroller μC realisiert. Der Halbbrückenoszillator W weist die beiden Schalttransistoren T1 und T2 aus 3 auf und versorgt den in üblicher Weise beschalteten und hier nicht näher erläuterten Lampenkreis mit der Lampe L an dem Mittenabgriff zwischen den Schalttransistoren T1 und T2 mit einer hochfrequent oszillierenden Versorgungsspannung. Der Mikrocontroller μC misst in der in 3 angedeuteten Weise den Strom durch die Lampe L und den Strom durch den unteren Schalttransistor T2, um den Halbbrückenoszillator W entsprechend anzusteuern.

Claims (8)

1. Elektronisches Vorschaltgerät für eine Lampe (L) mit einem Gleichrichter zur Erzeugung einer gleichgerichteten Zwischenkreisspannung (U_Z), einem Wandler (W) zum Erzeugen einer Versorgungsleistung für die Lampe (L), einer Steuerung zur Zwangssteuerung des Wandlers (W) und einer Regelschaltung (I) zur Regelung des Lampenstromes (I_Li) oder der Lampenleistung, die dazu ausgelegt ist, die Steuerung des Wandlers (W) zu beeinflussen, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorschaltgerät dazu ausgelegt ist, dass die Steuerung des Wandlers (W) auch durch eine Schwankungen der gleichgerichteten Zwischenkreisspannung (U_Z) berücksichtigende Störgrößenaufschaltung (SG) beeinflusst wird.
2. Vorschaltgerät nach Anspruch 1, bei dem die Regelschaltung ein I-Regler (I) ist.
3. Vorschaltgerät nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Regelschaltung (I) digital arbeitet.
4. Vorschaltgerät nach Anspruch 3, bei dem die Regelschaltung (I) in eine digitale Steuerschaltung integriert ist.
5. Vorschaltgerät nach Anspruch 4, bei dem die digitale Steuerschaltung ein Mikrocontroller ist.
6. Vorschaltgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einer Leistungsfaktorkorrekturschaltung.
7. Vorschaltgerät nach Anspruch 6, bei dem die Steuerung des Wandlers (W) auch für die Steuerung der Leistungsfaktorkorrekturschaltung ausgelegt ist und die Zwischenkreisspannung (U_Z) für die Steuerung die Leistungsfaktorkorrekturschaltung einerseits und die Störgrößenaufschaltung (SG) andererseits einheitlich gemessen wird.
8. Verfahren zum Betreiben einer Lampe (L) mit einem elektronischen Vorschaltgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem eine Versorgungswechselspannung zu einer Zwischenkreisspannung (U_Z) mit einem Gleichrichter gleichgerichtet wird, mit der Zwischenkreisspannung (U_Z) ein Wandler (W) versorgt wird, mit dem Wandler (W) eine Versorgungsleistung für die Lampe (L) erzeugt wird, mit einer Steuerung der Wandler (W) zwangsgesteuert wird, mit einer Regelschaltung der Lampenstrom (I_Li) oder die Lampenleistung geregelt und dabei die Steuerung des Wandlers (W) beeinflusst wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des Wandlers (W) auch durch eine Schwankungen der gleichgerichteten Zwischenkreisspannung (U_Z) berücksichtigende Störgrößenaufschaltung (SG) beeinflusst wird.