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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf den Betrieb von
Leuchtmitteln, die Elektroden (Wendeln) aufweisen, die vor und ggf.
auch während
dem Brennbetrieb der Leuchtmittel resistiv geheizt werden, um ein
Zünden
der Leuchtmittel zu erleichtern bzw. im Brennbetrieb ein Erlöschen der Leuchtmittel
zu vermeiden. Das Heizen der Elektroden verlängert die Lebensdauer der Leuchtmittel.
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Die
Erfindung bezieht sich dabei insbesondere auf Schaltungen, bei denen
der Heizstrom, bspw. durch Resonanzeffekte, von der Betriebsfrequenz
des Heizkreises abhängt.
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In 4 ist
eine Schaltung eines Betriebsgeräts
für Gasentladungslampen
gezeigt, die eine abschaltbare Heizschaltung für die Elektroden der Lampe
aufweist.
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Die
Bauteile Wechselrichter-Steuerschaltung 1, Schaltersteuerung 2 und
Heizstromdetektor 4 können
in eine integrierte Steuerschaltung integriert sein. Das Wechselrichter-Steuerschaltungsmodul 1 steuert
beispielsweise die Schalter S1, S2 einer Halbbrückenschaltung an, die eine
anliegende DC-Busspannung in eine hochfrequente Wechselspannung
umsetzt. An dem Mittenpunkt der Schalter S1, S2 ist ein Lastkreis
mitvorgesehen, der einen Resonanzkreis L1, C3 sowie einen Koppelkondensator C2
aufweist, an dem die Lampe LA angeschlossen ist.
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Gleichzeitig
ist an dem Mittenpunkt der Schalter S1, S2 auch ein Heizkreis angeschlossen, der
einen Übertrager
T mit dem primärseitigen
Wicklungen T1, T3 und den sekundärseitigen
Wicklungen T2, T4 aufweist. Die sekundärseitigen Wicklungen T2, T4
sind jeweils mit Elektroden K3, K4 bzw. K1, K2 der Lampe LA verbunden,
wobei diese Elektroden also geheizt werden sollen.
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Im
Heizbetrieb wird also der Übertrager
T mit der Frequenz der Halbbrückenschaltung
S1, S2 betrieben.
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Mittels
des Schalters S3, der in Serie zu der Primärseite des Übertragers T geschaltet ist,
kann angesteuert durch das Schaltersteuermodul 2 der Heizkreis
selektiv ein- und ausgeschaltet werden.
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In 2 sind
die wesentlichen Elemente dieser Schaltung, von 4,
insbesondere was den Heizbetrieb betrifft nochmals herausgestellt.
Die Steuerschaltung 5, die also beispielsweise die Halbbrückenschaltung
S1, S2 sowie den Heizkreisschalter S3 ansteuert, ist in dem in 2 dargestellten Beispiel
als ASIC ausgeführt
und kann bekanntlich auch weitere Ansteuerfunktionen im Bereich
der Zwischenkreisspannung (P4 etc.) aufweisen. Darüber hinaus
können
der Steuerschaltung 5 Parameter aus dem Bereich der Eingangsspannung
des Betriebsgeräts
(beispielsweise Erfassung der Versorgungsspannung), aus dem Bereich
der Zwischenkreisspannung (Parameter einer PFC-Schaltung etc.) sowie
aus dem Lastkreis (Lampenparameter, Halbbrückenparameter) zugeführt werden.
Die Steuerschaltung 5, die insofern auch bei der Erfindung
Verwendung finden kann, kann ganz allgemein Ansteuersignale für den Bereich
der Zwischenkreisspannung (Schalter eines PFC etc.), der Halbbrücke, der
Heizung und/oder des Ausgangskreises mit den Leuchtmitteln ausgeben.
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In 1 ist
eine von der Topologie von 2 abweichende
Heizkreistopologie dargestellt. Bei der Topologie gemäß 1 ist
wiederum die Heizschaltung an dem Mittenpunkt der Halbbrückenschaltung S1,
S2 versorgt. Der Vorheizstrom IL(t) wird
in diesem Fall über
den Resonanzkondensator Cres geführt. Die
Heizkreisschaltungstopologie von 1 benötigt also
keinen dem Schalter S3 von 2 vergleichbaren
Schalter. Dafür
ist diese Heizkreisschaltung natürlich
im Brennbetrieb auch nicht abschaltbar, so dass sie gewisse Verluste
der Leuchtmittel mit sich bringt. Um diese Verluste gering zu halten,
wird die Heizleistung entsprechend bei der Topologie von 1 in
Vergleich zu der Topologie von 2 eher kleiner
dimensioniert, was wiederum bedeutet, dass üblicherweise die Vorheizzeit
bei einer Topologie von 1 größer ist als bei einer Topologie
gemäß der 2.
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Üblicherweise
wird der Heizkreis vor dem Zünden
mit einer Frequenz betrieben, die anhand der Bauteileauslegung und
der zu betreibenden Lampe ausgewählt
wird. Üblicherweise
weist eine Steuereinheit (ASIC) einen Konfigurierungseingang (Pin)
auf, an dem die feste Betriebsfrequenz des Heizbetriebs einstellbar
ist.
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Dabei
besteht das Problem, dass über
die Betriebsfrequenz aufgrund von Streuungen der Bauteile des Heizkreises
und insbesondere der Bauteile, die eine Resonanzkurve des Heizkreises
mitbestimmen, der sich einstellende Heizstrom unterschiedliche Werte
einnehmen kann. Bei einer üblicherweise auftretenden
Bauteilstreuung hat dieser Ansatz indessen zur Folge, dass der Heizstrom
und somit die Heizleistung nicht ihren nominalen Wert erreicht,
was ein erfolgreiches Zünden
der Lampe gefährden
kann.
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Ein
Ansatz wäre
es, vor dem eigentlichen Heizbetrieb die Frequenz-Kennlinie des
Heizkreises abzufahren, um die tatsächliche Kennlinie zu erfassen
und dann die Heizfrequenz im Betrieb darauf abzustellen. Dies mach
indessen nur Sinn, wenn der ermittelte Wert für spätere Heizvorgänge verfügbar gehalten
werden kann, was einen nichtflüchtigen
Speicher voraussetzt.
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Die
vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gemacht, eine vereinfachte
Technik zur Kompensation der Bauteilstreuung des Heizkreises vorzuschlagen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäss
durch die Merkmale der unabhängigen
Ansprüche
gelöst. Die
abhängigen
Ansprüche
bilden den zentralen Gedanken in besonders vorteilhafter Weise weiter.
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Erfindungsgemäss kann
die Bauteilstreuung durch Variation der Heizfrequenz zeitlich herausgemittelt
werden.
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Gemäss einem
ersten Aspekt schlägt
die Erfindung vor ein Betriebsgerät mit für Leuchtmittel mit wenigstens
einer beheizten Elektrode. Das Betriebsgerät weist auf einen mit AC-Frequenz
betriebenen Heizkreis, der die Elektrode(n) mit elektrischer Leistung
versorgt und der eine frequenzabhängige Kennlinie aufweist, derart,
dass der durch die Elektrode fliessende Heizstrom von der Betriebsfrequenz
des Heizkreises abhängt.
Eine Steuereinheit gibt die Betriebsfrequenz des Heizkreises vor.
Die Steuereinheit ist dabei dazu ausgelegt, die Betriebsfrequenz
des Heizkreises während
einer Heizperiode zu verändern.
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Die
Heizschaltung kann ausgehend von dem Mittenpunkt einer mit DC-Spannung
versorgten Halbrückenschaltung
mit zwei wechselseitig getakteten Schaltern versorgt sein, wobei
die Steuereinheit die Schalter der Halbbrücke im Gegentakt ansteuert.
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Das
Betriebsgerät
kann ein elektronisches Vorschaltgerät für Gasentladungslampen sein.
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Das
Betriebsgerät
als Steuereinheit ein ASIC aufweisen.
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Die
Steuereinheit kann dabei dazu ausgelegt sein, keine Regelung des
Heizstroms durchzuführen („Open Loop").
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Die
Steuereinheit kann die Heizfrequenz im Laufe jeder Heizperiode gemäss einer
vorgegebene Kennlinie verändern.
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Die
Steuereinheit kann die Heizfrequenz zick-zackförmig um einen Nominalwert der
Heizfrequenz herum modulieren.
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Die
Steuereinheit kann die Heizfrequenz um weniger als ±10%, vorzugsweise ±5% des
zeitlichen Mittelwerts der Heizfrequenz verändern.
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Eine
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine integrierte Steuereinheit
für Betriebsgeräte für Leuchtmittel
mit wenigstens einer beheizten Elektrode. Die Steuereinheit ist
dazu ausgelegt, in einem Heizbetrieb versetzbar zu sein, in dem
sie wenigstens ein Schaltersignal zum Betrieb einer frequenzabhängigen Heizschaltung
ausgibt. Dabei ist die Steuereinheit dazu ausgelegt, die Frequenz
des Schaltersignal über
die Dauer des Heizbetriebs zu verändern.
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Schliesslich
betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Heizen von Elektrode
von Leuchtmitteln durch einen mit AC-Frequenz betriebenen Heizkreis, der
die Elektrode(n) mit elektrischer Leistung versorgt und der eine
frequenzabhängige
Kennlinie aufweist, derart, dass der durch die Elektrode fliessende
Heizstrom von der Betriebsfrequenz des Heizkreises abhängt, wobei
die Betriebsfrequenz des Heizkreises im Laufe einer Heizperiode
verändert wird.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung
sollen nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen erläutert werden.
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1 zeigt
dabei schematisch eine erste Heiztopologie eines Heizkreises, bei
dem der Heizstrom frequenzabhängig
ist,
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2 zeigt
eine weitere frequenzabhängige Heiztopologie,
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3 zeigt
ein Beispiel für
eine Heizfrequenz-Kennnlinie gemäss
der vorliegenden Erfindung,
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4 zeigt
eine aus dem Stand der Technik bekannte Heizschaltung, und
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5 zeigt
eine zusammen mit der Erfindung verwendbare Heizkreistopologie.
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Die
vorliegende Erfindung lässt
sich mit beliebigen Heizkreistopologien für Wendeln von Gasentladungslampen
implementieren, bei denen eine Steuerschaltung direkt oder indirekt
die Betriebsfrequenz des Heizkreises vorgibt.
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Insofern
stellen die Topologien von 1 und 2 Beispiele
dafür dar.
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Die
Betriebsfrequenz wird dabei vorzugsweise durch eine digitale integrierte
Schaltung, wie beispielsweise dem ASIC 5 vorgegeben. Dieses
ASIC 5 gibt dabei nicht nur die Betriebsfrequenz beispielsweise
durch Ansteuerung der Schalter S1, S2 (oder des Schalters S3) vor,
sondern stellt auch die gesamte Vorheizzeitdauer ein. Wie gesagt,
sämtliche
im folgenden beschriebene Abläufe
beziehen sich auf Vorgänge
während
der eigentlichen Heizphase und nicht etwa auf Vorgänge davor.
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Wie
schematisch in 3 dargestellt, erfolgt vorzugsweise
kontinuierlich über
die gesamte Vorheizzeitdauer eine Veränderung der Heizkreisfrequenz
fheiz.
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Die
Vorheizzeitdauer kann dabei beispielsweise 0,5 bis mehrere Sekunden
betragen.
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Zur
Kompensation von Bauteilstreuungen, die die Resonanzfrequenz des
Heizkreises und somit den sich damit ergebenden Heizstrom beeinflussen, wird
die Betriebsfrequenz der Heizschaltung fheiz um die
Nominalfrequenz herum verändert.
Die Nominalfrequenz wird berechnet über die Nominalkennlinie des
Heizkreises, die sich einstellt, wenn tatsächlich sämtliche Bauteile des Heizkreises
den Nominalwert aufweisen.
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Vorzugsweise
gibt es wenigstens einen ersten Abschnitt oberhalb der Nominalfrequenz
sowie wenigstens einen Abschnitt unterhalb der Nominalfrequenz.
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Ein
beispielsweiser Verlauf ist in 3 gezeigt,
nämlich
ein zickzackförmiges
Verändern
der Heizfrequenz fheiz um die Nominalfrequenz
herum. Die Frequenzkurve zeigt somit stetig steigende bzw. stetig
fallende Abschnitte.
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Ein
Beispiel ist eine Veränderung
der Heizfrequenz in einem Bereich von +/– 10%, vorzugsweise +/– 5% um
die Nominalfrequenz herum.
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In
dem dargestellten Beispiel wird die Heizfrequenz zuerst ausgehend
von der Nominalfrequenz erhöht,
um dann auf einen spiegelbildlich niedrigeren Wert verringert zu
werden, der also unterhalb der Nominalfrequenz liegt, bevor sie
wieder auf die Nominalfrequenz erhöht wird.
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Wie
dargestellt, beträgt
die Periode der Heizfrequenzmodulation genau der der Vorheizzeitdauer.
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Indessen
kann vorgesehen sein, dass die Vorheizzeitdauer ein Vielfaches der
Frequenzmodulationsperiode beträgt.
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Vorzugsweise
wird diese Frequenzkurve in einer open loop-Steuerung erfahren, d. h. das ASIC 5 gibt
die Frequenzkennlinie mit einer reinen Ansteuerung beispielsweise
an die Schalter S1, S2 vor, ohne dass ein Feedback des Heizstroms
erfolgt.
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Der
Vorgang wird bei jedem Heizvorgang wiederholt. Vorzugsweise werden
also keine Rückführ-Meßwerte beim
Durchlaufen dieser Heizfrequenz/Modulationskurve abgespeichert.
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Die
Frequenzkennlinie ist in dem ASIC 5 herstellerseitig hinterlegt.
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Die
Funktion der Heizfrequenzänderung während der
Vorheizzeitdauer kann selektiv aktivierbar sein, bspw. durch einen
extern dem Betriebsgerät zugeführten Befehl
oder durch eine interne Konfigurierung, d. h. bspw. einen Konfigurierungswiderstand an
dem ASIC.
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Die
Erfindung lässt
sich auch mit einer Heizschaltungstopologie wie in 5 gezeigt
anwenden, bei der ein resonantes Heizen unter Verwendung eines Transformators
T1, T2, T3, T4 und einem Kondensator C3 vergleichbar dem von 4 dargestellt ist.
Zur Verbesserung der Resonanzeigenschaften kann eine weitere Induktivität vorgesehen
sein.