DE69023205T2

DE69023205T2 - Schaltanordnung.

Info

Publication number: DE69023205T2
Application number: DE69023205T
Authority: DE
Inventors: Marcel Beij; Bernardus Josephus Ma Overgoor; Meurs Johannes Maria Van
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1989-11-29
Filing date: 1990-11-23
Publication date: 1996-05-30
Anticipated expiration: 2010-11-24
Also published as: EP0430358A1; US5075599A; KR100210548B1; KR910011092A; EP0430358B1; HUT55935A; DE69023205D1; JPH03246892A; JP3176914B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Entladungslampe, mit einem Wechselrichter mit
- einer Schaltung A mit wenigstens einem Schaltelement zum Erzeugen eines Stromes mit Wechselpolarität durch abwechselndes Leitendmachen und Sperren mit einer Frequenz f, und mit geeigneten Enden zum Anschließen an eine Gleichspannungsquelle,
- einer Belastungsschaltung B, gekoppelt mit der Schaltung A und mit Lampenanschlußklemmen und Induktionsmitteln,
- einer Steuerschaltung zum Erzeugen eines Steuersignals zum abwechselnden Aufsteuern und Sperren des Schaltelements mit einer Frequenz f,
- einem Stromsensor,
- einer Meßschaltung, gekoppelt mit dem Stromsensor und mit dem Schaltelement zum Erzeugen eines Steuersignals, das von einem Phasenunterschied zwischen einer Spannung an der Belastungsschaltung B und einem Strom durch die Belastungsschaltung B abhängig ist, und
- einer Steuerschaltung zum Einführen einer Änderung in einem Betriebszustand des Wechselrichters, wobei diese Änderung vom Steuersignal abhängig ist.
Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der europäischen Patentanmeldung 178852 bekannt.
In der bekannten Schaltungsanordnung besteht die Änderung im Betriebszustand aus einer Änderung in der Frequenz f. Wenn eine Lampe mit Hilfe der bekannten Schaltungsanordnung betrieben wird, durchfließt ein Strom J dessen Polarität sich mit der Frequenz f ändert, die Belastungsschaltung B, wobei ein periodisches Potential Vp zwischen den Enden der Belastungsschaltung B mit einer Wiederholungsfrequenz liegt, die ebenfalls gleich f ist. Allgemein eilt J Vp voraus oder eilt nach.
Wenn J Vp nacheilt, ist der Betrieb induktiv und ist der Phasenunterschied zwischen Vp und J positiv. Wenn J Vp voreilt, ist der Betrieb kapazitiv und ist der Phasenunterschied zwischen Vp und J negativ.
Eine große Leistungsdissipation tritt in den Schaltelementen bei kapazitivem Betrieb auf. Dies kann sogar zu Beschädigungen führen. Kapazitiver Betrieb des Wechselrichters ist daher allgemein unerwünscht.
Im Gegensatz zum kapazitiven Betrieb bedeutet Induktionsbetrieb, daß das Schaltelement der Schaltung A leitend gemacht wird, während eine verhältnismäßig niedrige Spannung am Schaltelement liegt, so daß die Leistungsdissi pation im Schaltelement verhältnismäßig niedrig ist. Kapazitiver Betrieb eines Wechselrichters kann beispielsweise dadurch auftreten, daß die Eigenschaften eines oder mehrerer der Bauteile, aus denen die Belastungsschaltung B aufgebaut ist, während der Lebensdauer dieser Bauteile sich ändern. Kapazitiver Betrieb kann beispielsweise auch auftreten, wenn keine Lampe zwischen den Anschlußklemmen vorhanden ist, während ein Strom die Belastungsschaltung B durchfließt.
Verhältnismäßig langer Betrieb wird im Fall des f-Betriebs mit Hilfe der bekannten Schaltungsanordnung derart verhindert, daß die Steuerschaltung die Frequenz f zu dem Zeitpunkt ändert, in dem die Meßschaltung kapazitiven Betrieb detektiert. Beispielsweise in Abhängigkeit vom Typ des Schaltelements in der Schaltung A kann jedoch kapazitiver Betrieb des Schaltelements für nicht länger als eine oder wenige Perioden der Frequenz f bereits Beschädigungen am Schaltelement verursachen.
Der Erfindung liegt daher u.a. die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, mit der eine große Leistungsdissipation und Beschädigungen an den Bauteilen des Wechselrichters durch kapazitiven Betrieb verhindert werden, daß das Zeitintervall, in dem die Schaltungsanordnung kapazitiv betrieben wird, wenn kapazitiver Betriebe auftritt, sehr kurz gemacht wird.
Die Lösung dieser Aufgabe wird mit einer Schaltungs-anordnung mit den im Anspruch 1 erwähnten Eigenschaften erhalten. Die Änderung im Betriebszustand des 35 ? Wechselrichters kann sehr schnell erreicht werden. Es wurde gefunden, daß durch diese schnelle Änderung kapazitiver Betrieb in einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nur für sehr kurze Perioden oder gar nicht in der Praxis auftritt, sogar wenn eine sprunghafte Änderung in der an die Schaltungsanordnung angeschlossenen Belastung auftritt.
Es ist in der Meßschaltung möglich, ein Bezugssignal zu verwenden, das ein Maß für einen minimal erforderlichen Phasenunterschied ist. Das Steuersignal aktiviert die Steuerschaltung, wenn der Phasenunterschied zwischen Vp und J kleiner ist als der minimal erforderliche Phasenunterschied.
Der minimal erforderliche Phasenunterschiedswert kann gleich Null gewählt werden, da dieser Phasenunterschieds-wert die Begrenzung zwischen kapazitivem und induktivem Betrieb bildet. Ein Nachteil des Wertes Null für den minimal erforderlichen Phasenunterschied ist jedoch, daß die Meßschaltung die Steuerschaltung erst aktiviert, wenn der Wechselrichtung in den kapazitiven Zustand eingetreten ist. Da ein bestimmtes Zeitintervall zum Erzeugen des Steuersignals und zum Beeinflußen der Änderung im Betriebszustand des Wechselrichters erforderlich ist, ist es im allgemeinen wünschenswert, den minimal erforderlichen Phasenunterschieds-wert größer als Null zu wählen. Wenn das Steuersignal periodisch statt kontinuierlich erzeugt wird, ist es im allgmeinen wünschenswert, den minimal erforderlichen Phasenunterschiedswert verhältnismäßig größer zu wählen, wenn die Periode zwischen zwei aufeinanderfolgenden Werten des Steuersignals größer ist.
Der Stromwert durch den Stromsensor zum Zeitpunkt, zu dem ein Schaltelement gesperrt wird, ist ein Maß für den Phasenunterschied zwischen dem periodischen Potential Vp und dem Strom J. Dies macht es möglich, die Meßschaltung wie folgt aufzubauen. Die Meßschaltung enthält einen Komparator, von dem ein erster Eingang mit dem Stromsensor gekoppelt ist, während das Bezugssignal an einem anderen Eingang liegt, wobei das Steuersignal vom Antriebssignal und von einem Ausgangssignal des Komparators abhängig ist. Das Signal am ersten Eingang wird vom Strom durch den Stromsensor abgeleitet. Das Bezugssignal dient als zweites Signal, das ein Maß für einen minimal erforderlichen Phasenunterschied ist. Also wird ein Anteil der Meßschaltung auf einfache und zuverlässige Weise verwirklicht.
In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist der Wechselrichter eine unvollständige Halbbrückenschaltung und der Stromsensor bildet einen Teil der Belastungsschaltung B. Ein Vorteil dabei ist, daß der Strom J in einer Periode von Vp im wesentlichen die Schaltung B ununterbrochen durchfließt. Wenn der Stromsensor einen Teil der Schaltung A bildet, durchfließt Strom den Stromsensor nur in der Hälfte jeder Periode von Vp. Deshalb erfolgt Messung des Phasenunterschieds zwischen Vp und J nur in jener Hälfte jeder Periode von Vp, in der Strom den Stromsensor durchfließt. Wenn jedoch der Stromsensor ein Teil der Schaltung B ist, kann der Phasenunterschied zwischen Vp und J in beiden Hälften jeder Periode von Vp gemessen werden. Dies macht es möglich, die Intervallzeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messungen sehr klein zu wählen.
Ein besonderes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Stromsensor mit einer Schaltung zum Steuern der Leistungsaufnahme von der Lampe durch Einstellung der Frequenz f gekoppelt ist, mit der der Antriebssignal abwechselnd die Schaltelemente leitend macht. Wenn ein derartiger Wechselrichter verwendet wird, ist die von der Lampe aufgenommene Leistung steuerbar, während gleichzeitig jeder kapazitive Betrieb durch eine Frequenaänderung eine sehr kurze Dauer haben wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein schematisches Bild der Anordnung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäen Schaltungsanord-nung,
Fig. 2 weitere Einzelheiten des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1,
Fig. 3 und 4 Spannungs- und Stromformen im Wechsel-richter nach Fig. 1 und 2, und
Fig. 5 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Meßschaltung I.
In Fig. 1 ist mit der Bezugsziffer 1 eine erste Klemme einer Schaltung A und mit 2 eine weitere Klemme derr Schaltung A bezeichnet. 1 und 2 eignen sich zum Anschließen an die Klemmen einer Gleichspannungsquelle. Die Schaltung A enthält ein Schaltelement zum Erzeugen eines Stroms wechselnder Polarität durch seinen abwechselnden leitenden und gesperrten Zustand mit einer Frequenz f. B ist eine Belastungsschaltung mit induktiven Mitteln und mit Lampenanschlußklemmen. Die Belastungsschaltung B ist mit der Schaltung A gekoppelt. Eine Lampe La ist mit den Lampenanschlußklemmen verbunden.
III bezeichnet eine Antriebsschaltung zum Erzeugen eines Antriebssignals zum abwechselnden Leitendmachen und Sperren des Schaltelements der Schaltung A.
I ist eine Meßschaltung zum Erzeugen eines Steuersignais, das von einem Phasenunterschied zwischen einer Spannung an der Belastungsschaltung B und einem Strom durch die Belastungsschaltung B abhängig ist.
Zu diesem Zweck ist die Meßschaltung I mit einem Stromsensor und mit einem Schaltelement der Schaltung A gekoppelt. Ein Ausgang der Meßschaltung list mit einem Eingang der Steuerschaltung II verbunden. Die Steuerschaltung II ist eine Schaltung zum Sperren des Schaltelements für den Rest einer Periode, die zur Frequenz f des Schaltelements gehört. Zu diesem Zweck ist ein Ausgang der Steuerschaltung II mit einem Eingang der Antriebsschaltung III verbunden. Die Antriebsschaltung III ist mit den Schaltungselementen der Schaltung A verbunden.
Der Betrieb der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 sieht wie folgt aus.
Wenn die Eingangsklemmen 1 und 2 mit Polen einer Gleichspannungsquelle verbunden werden, macht die Antriebsschaltung das Schaltelement in der Schaltung A abwechselnd leitend und gesperrt mit einer Frequenz f. Hierdurch durchfließt ein Strom J die Belastungsschaltung mit einer Polarität, die sich mit der Frequenz f ändert, während eine periodische Spannung zwischen den Enden der Belastungsschaltung B liegt. Im allgemeinen gibt es einen Phasenunter-schied zwischen der periodischen Spannung Vp und dem Strom J. Die Meßschaltung 1 erzeugt ein Steuersignal abhängig von diesem Phasenunterschied. Abhängig vom Steuersignal macht die Steuerschaltung II das Schaltelement für den Rest einer Periode gesperrt, die zur Frequenz f des Schaltelements gehört.
In Fig. 2 wird die Schaltung A durch die Enden 1 und 2, die Schaltelemente S1 und S2 und die Dioden D1 und D2 gebildet. Die Belastungsschaltung B besteht aus einer Spule L, den Lampenanschlußklemmen K1 und K2, den Kondensatoren C1 und C2 und einem Stromsensor SE. An die Belastungsschaltung kann eine Lampe La angeschlossen werden. Die Spule L in diesem Ausführungsbeispiel bildet das Induktionsmittel. Die Eingangsklemmen 1 und 2 werden über eine Reihenschaltung der Schaltelement S1 und S2 derart miteinander verbunden, daß eine Hauptelektrode des Schaltelements S1 mit der Klemme 1 und eine Hauptelektrode des Schaltelements S2 mit der Klemme 2 verbunden sind. Das Schaltelement S1 wird von einer Diode D1 derart nebengeschlossen, daß eine Anode der Diode D1 mit einem gemeinsamen Punkt P der zwei Schaltelemente S1 und S2 verbunden ist. Das Schaltelement S2 wird von einer Diode D2 derart nebengeschlossen, daß eine Anode der Diode D2 mit der Klemme 2 verbunden wird.
Das Schaltelement S2 wird ebenfalls von einer Reihenschaltung mit der Spule L, der Verbindungsklemme K1, der Lampe La, der Verbindungsklemme K2, dem Kondensator C2 und dem Stromsensor SE nebengeschlossen, der im dargestellten Ausführungsbeispiel von einem Widerstand gebildet wird. Die Lampe La wird vom Kondensator C1 nebengeschlossen. Beide Enden des Sensors SE sind mit getrennten Eingängen der Meßschaltung 1 verbunden. Ein weiterer Eingang der Meßschaltung list mit einer Steuerelektrode eines Schaltelements verbunden. Ein Ausgang der Steuerschaltung III ist an eine STeuerelektrode des Schaltelements S1 angeschlossen, und eine zweiter Ausgang der Steuerschaltung III ist mit einer Steuerelektrode des Schaltelements S2 verbunden.
Der Betrieb des Wechselrichters nach Fig. 2 sieht wie folgt aus.
Wenn die Klemmen 1 und 2 mit Polen einer Gleichspan-nungsquelle verbunden werden, macht das Antriebssignal die Schaltelemente S1 und S2 mit einer Wiederholungsfrequenz f abwechselnd leitend. Also ist ein gemeinsamer Punkt P der zwei Schaltelemente abwechselnd mit dem negativen und mit dem positiven Pol der Gleichspannungquelle verbunden. Hierdurch liegt eine im wesentlichen rechteckige Spannung Vp am Punkt P mit einer Wiederholungsfrequenz f. Diese im wesentlichen rechteckige Spannung Vp bewirkt einen Strom J, dessen Pola-rität sich mit der Wiederholungsfrequenz f zum Durchfließen der Belastungsschaltung B ändert. Zwischen Vp und J gibt es einen Phasenunterschied abhängig von der Wiederholungsfrequenz f. Die Meßschaltung 1 erzeugt ein Steuersignal, das vom Phasenunterschied zwischen der im wesentlichen rechteckigen Spannung Vp und dem Strom J abhängig ist. Abhängig vom Steuersignal sperrt die Steuerschaltung ein Schaltelement für den Rest der zur Frequenz f des Schaltelements gehörigen Periode. Die Sperrung eines Schaltelements fällt im wesentlichen zeitlich mit einer Vorder- oder Rückflanke der im wesentlichen rechteckigen Spannung Vp zusammen. Dies macht es möglich, den Phasenunterschied zwischen der im wesentlichen rechteckigen Spannung Vp und dem Wechselstrom J durch Sperrung eines leitenden Schaltelements zu steuern, wenn der absolute Momentanwert des Wechselstroms 3 einen Beeugspegel unterschreitet, der ein Maß für einen minimal erforderlichen Phasenunterschied ist.
In Fig. 3 und 4 zeigt die Horizontalachse den zeitlichen Wert im Relativwert und die vertikale Achse den Strom- oder Spannungswert im Relativwert. J ist der Strom in der Belastungsschaltung B. Vp ist die im wesentlichen rechteckige Spannung am gemeinsamen Punkt P der zwei Schaltelemente S1 und S2. Im dargestellten Zustand eilt der Strom J der Spannung Vp in der Phase nach, so daß Induktivbetrieb erhalten wird. e ist der Phasenunterschied zwischen Vp und J, und q ist ein minimaler erforderlicher Phasenunterschied zwischen Vp und J. e' ist ein Momentanwert des Stroms J, der zeitlich mit einer Vorderflanke von Vp zusammenfällt. e' ist gleichzeitig ein Maß für den Phasenunterschied zwischen Vp und J.
In Fig. 4 ist Ia ein Strom in der Schaltung A. Dieser Strom fließt nicht in einer Hälfte jeder Periode von Vp.
In Fig. 5 ist IV ein Komparator mit den Eingängen 3 und 4. Ein Ausgang des Komparators IV ist mit einem Eingang des logischen UND-Gatters V verbunden. Die Bezugsziffer 5 bezeichnet einen anderen Eingang des logischen UND-Gatters V. Ein Ausgang von V ist mit einem Eingang der Steuerschaltung II verbunden.
Von den Eingängen 3 und 4 ist der Eingang 4 mit dem Stromsensor SE verbunden, während am Eingang 3 ein Bezugssignal liegt, das ein Maß für einen minimalen erforderlichen Wert des Phasenunterschieds zwischen Vp und J ist. Der Eingang 5 ist mit einer Steuerelektrode eines Schaltelements gekoppelt.
Wenn der Strom J sich von positiv nach negativ ändert, sieht der Betrieb der Schaltung nach Fig. 5 wie folgt aus.
Wenn der Strom durch den Stromsensor abfällt, fällt der Wert des Signals am Eingang 4 unter den Wert des Bezugssignals am Eingang 3. Hierdurch kann sich der Signal am Ausgang des Komparators IV von niedrig nach hoch ändern. Wenn das entsprechende Schaltelement S1 oder S2 leitet, ist das Signal am Eingang 5 so hoch, daß auch das Signal am Ausgang des logischen UND-Gatters V sich von niedrig nach hoch ändert. Das Signal am Ausgang des logischen UND-Gatters V in diesem Ausführungsbeispiel der Meßschaltung ist das Steuersignal und aktiviert die Steuerschaltung II, so daß sie das zu diesem Zeitpunkt leitende Schaltelement sperrt.
Wenn der Phasenunterschied zwischen der periodischen Spannung Vp und dem Wechselstrom J größer ist als der minimale erforderliche Wert, ist das Signal am Eingang 5 zu dem Zeitpunkt niedrig, zu dem das Signal am Ausgang des Komparators IV sich von niedrig nach hoch ändert, da das betreffende Schaltelement dann gesperrt ist. In diesem Zustand bleibt das Signal am Ausgang des logischen UND-Gatters V niedrig und die Steuerschaltung II wird nicht aktiviert.
Auf eine Weise analog der Art und Weise nach obiger Beschreibung zur Prüfung des Phasenunterschieds zu dem Zeitpunkt, zu dem der Strom 3 sich von positiv nach negativ ändert, ist es möglich, die Prüfung mit derselben Meßschaltung durch eine Anpassung der Signale an den Eingängen 3, 4 und 5 durchzuführen, wenn der Strom J sich von negativ nach positiv ändert.
Auf diese Weise ist es möglich, die Phasenunterschiedsprüfung in jedem Zyklus des Wechselstroms J zweimal durchzuführen.
In einem praktischen Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wurde die Meßschaltung entsprechend Fig. 5 aufgebaut. Die Frequenz f betrug 228 kHz. Gefunden wurde, daß es möglich ist, eine brennende Lampe von den Lampenanschlußklemmen zu entfernen, ohne daß dadurch eine sprunghafte Änderung in der Belastung der Schaltungsanordnung auftritt, wodurch kapazitiver Betrieb des Wechselrichters entsteht.

Claims

1. Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Entladungslampe (La), mit einem Wechselrichter mit

- einer Schaltung A mit wenigstens einem Schaltelement (S1, S2) zum Erzeugen eines Stromes mit wechselnder Polarität durch wechselndes Aufsteuern und Sperren mit einer Frequenz f, und mit Enden (1, 2), die zum Anschließen an einer Gleichspannungsquelle geeignet sind,

- einer Belastungsschaltung B, gekoppelt mit der Schaltung A und mit Lampenanschlußklemmen und Induktionsmitteln (L),

- einer Steuerschaltung (III) zum Erzeugen eines Antriebssignals zum abwechselnden Aufsteuern und Sperren des Schaltelements mit einer Frequenz f,

- einem Stromsensor (SE),

- einer Meßschaltung (I), gekoppelt mit dem Stromsensor und mit dem Schaltelement zum Erzeugen eines Steuersignals, das von einem Phasenunterschied zwischen einer Spannung an der Belastungsschaltung B und einem Strom durch die Belastungsschaltung B abhängig ist, und

- einer Steuerschaltung (II) zur Durchführung einer Änderung in einem Betriebszustand des Wechselrichters, wobei diese Änderung vom Steuersignal abhängig ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung im Betriebszustand des Wechselrichters darin besteht, daß ein leitendes Schaltelement gesperrt wird, wenn der absolute Momentanwert des Stromes bei Wechselpolarität unter einem Bezugspegel abfallt, was ein Maß für einen minimalen erforderlichen Phasenunterschied ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal von einem Bezugssignal abhängig ist, das ein Maß für einen minimalen erforderlichen Phasenunterschied ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung einen Komparator (III) enthält, von dem ein Eingang mit dem Stromsensor gekoppelt ist, während das Bezugssignal an einem anderen Eingang zur Verfügung steht, und das Steuersignal vom Antriebssignal und von einem Ausgangssignal des Komparators abhängig ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter eine unvollständige Halbbrückenschaltung und der Stromsensor ein Teil der Belastungsschaltung B ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromsensor mit einer Schaltung zum Steuern der Leistungsaufnahme von der Lampe durch die Einstellung der Frequenz f gekoppelt ist, bei der das Antriebssignal die Schaltelemente abwechselnd leitend macht.