DE69621889T2 - Anordnung zum Betreiben einer Kaltkathodenlampe mit einem piezoelektrischen Wandler - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf Wechselrichtervorrichtungen, die als Leistungs- bzw. Stromversorgungsquelle eines Verbrauchers geeignet sind, dessen Strom in einem weiten Bereich gesteuert werden soll, insbesondere auf eine Wechselrichtervorrichtung, die in einer Leistungsquelle verwendet werden kann, deren Verbraucher eine Kaltkathodenröhre mit frei gesteuerter Zündung oder Helligkeit ist.
• Eine Wechselrichtervorrichtung ist eine Vorrichtung zum Umformen einer Gleichleistung in eine Wechselleistung und wird als sogenannter Sperrwandler für verschiedene Arten elektrischer Maschinen und Geräte verwendet.
• Fig. 13 stellt ein Schaltbild einer bekannten Wechselrichtervorrichtung dar, die für eine Entladungsröhre verwendet wird. In Fig. 13 ist mit T10 ein Aufwärts- Transformator für eine Royer-Oszillatorschaltung mit einer Primärwicklung 10P, einer Sekundärwicklung 10S und einer Rückführwicklung 10F bezeichnet. Mit TR11 und TR12 sind NPN-Transistoren für einen Schaltbetrieb bezeichnet, die zusammen mit dem Aufwärts-Transformator T10 eine Royer-Oszillatorschaltung bilden. Mit C13 ist ein Kondensator für eine Spannungsresonanz und mit L14 eine Drosselspule - ebenfalls für eine Spannungsresonanz - bezeichnet. Wenn sich dabei die Transistoren TR11 und TR12 im ausgeschalteten (gesperrten) Zustand befinden, hat die Kollektor-Emitter-Spannung die Form einer Sinuswelle, und die Spannungen an der Primärwicklung 10P und der Sekundärwicklung 10S des Aufwärts- Transformators T10 sind ebenfalls sinusförmig. Die Drosselspule L14 ist mit einem Gleichspannungswandler verbunden, der nachstehend noch beschrieben wird, und eine Kaltkathodenröhre CEL31 ist mit der Ausgangsseite verbunden. Dabei wird ausgangsseitig eine hohe sinusförmige Spannung mit einer Frequenz von einigen 10 KHz durch die selbsterregte Schwingung der Wechselrichtervorrichtung erzeugt, so daß die Kaltkathodenröhre CFL31 aufleuchtet. Mit IC20 ist eine integrierte Schaltung (IC) zur Steuerung des Basiskreises eines PNP-Transistors TR21 für den die Gleichspannungswandlung bewirkenden Schaltbetrieb bezeichnet. Diese IC arbeitet als Abwärts-Zerhackerwandler. Sie enthält einen Oszillator OSC zur Erzeugung einer Dreieckschwingung, zwei Operationsverstärker A1 und A2 zur Durchführung eines Vergleichs, einen PDM-Komparator COMP zum Vergleichen der Ausgangsspannung des Oszillators OSC mit der Ausgangsspannung eines der Operationsverstärker A1 und A2 und einen Ausgangstransistor 113, der durch den PDM-Komparator gesteuert wird und die Basis des NPN-Transistors TR21 für den Schaltbetrieb ansteuert. In der IC20 ist der Oszillator OSC mit dem einen Eingang des PDM-Komparators COMP verbunden, und die beiden Operationsverstärker A1, A2 sind mit dem anderen Eingang des PDM- Komparators für den Vergleich mit dem Oszillator OSC verbunden, wie zuvor beschrieben, und die höhere Ausgangsspannung dieser beiden Operationsverstärker wird mit der Ausgangsspannung des Oszillators OSC verglichen.
• Außerdem wird die IC20 mit dem beschriebenen Aufbau als eine IC zur Steuerung des Gleichspannungswandlers definiert, und selbst wenn diese nicht für andere Zwecke verwendet wird, wird sie, solange der innere Aufbau nicht verändert wird, als IC zur Steuerung des Gleichspannungswandlers bezeichnet. Mit D22 ist eine Freilaufdiode und mit L23 eine Drosselspule bezeichnet. Mit C24 ist ein Kondensator bezeichnet, und die Drosselspule L23 und der Kondensator C24 bilden ein LC-Filter. Mit C25 und R26 sind jeweils ein Kondensator und ein ohmscher Widerstand bezeichnet, die die Schwingungsfrequenz des Oszillators bestimmen. Die Kondensatoren C27, C29 und ohmschen Widerstände R28, R30 sind RC-Glieder zur Phasenkorrektur der Operationsverstärker A1, A2 der IC20 zur Steuerung des Gleichspannungswandlers. Die Dioden D15, D16 dienen der Gleichrichtung positiver Komponenten des Entladungsstroms, der durch die Kaltkathodenröhre CFL31 fließt. R18, C19 sind ein ohmscher Widerstand und ein Kondensator, die ein Tiefpaßfilter zur Umwandlung der Stromwellenform in die Gleichstromkomponente bilden. Der Filterausgang ist mit dem positiven Eingang des Operationsverstärkers A2 in der IC20 zur Steuerung des Gleichspannungswandlers verbunden.
• Das heißt, am Kondensator C19 ergibt sich eine Spannung, die dem Mittelwert in einer positiven Halbwelle des Entladungsstroms proportional ist, und diese Spannung und die Bezugsspannung innerhalb der IC20 zur Steuerung des Gleichspannungswandlers werden durch den Rechenverstärker A2 miteinander verglichen, so daß sich eine Ausgangsspannung ergibt, die der Differenzspannung zwischen den beiden miteinander verglichenen Spannungen proportional ist. Wie Fig. 14 zeigt, werden die Ausgangsspannung und die dreieckförmige Ausgangsspannung des Oszillators OSC der IC20 zur Steuerung des Gleichspannungswandlers in dem PDM-Komparator miteinander verglichen. Das heißt, wenn der Entladungsstrom aus irgendeinem Grund ansteigt, wird die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers A2, der als Fehler- oder Regelabweichungsverstärker arbeitet, von der Linie A zur Linie B transferiert. Infolgedessen ändert sich die Ausgangsspannung des PDM-Komparators von der Linie C zur Linie D. Das heißt, die Einschaltdauer des PNP-Transistors TR21 für den Schaltbetrieb, bei dem es sich um einen Ausgangstransistor handelt, wird kürzer, so daß die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers abnimmt, und da die Betriebsspannung der Royer-Oszillatorschaltung verringert wird, nimmt der Entladungsstrom ab.
• Infolgedessen wird eine Konstantstromregelung des Entladungsstroms möglich. R32 und R33 sind ohmsche Widerstände, so daß die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers konstant wird, und dies sind Widerstände zum Messen der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers, so daß die Spannung an der Sekundärwicklung lOS des Aufwärts-Transformators T10 konstant wird, wenn die Kaltkathodenröhre CFL31 nicht angeschlossen ist oder bevor die Entladung ausgelöst wird. Der Verbindungspunkt der Widerstände R32 und R33 ist mit dem positiven Eingang des Operationsverstärkers A1 der IC20 zur Steuerung des Gleichspannungswandlers verbunden, um einen negativen Rückführzweig zu bilden, so daß die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers konstant geregelt wird. Die Ausgangsspannungen der Operationsverstärker A1 und A2 werden nach einer ODER-Funktion verknüpft, so daß die höhere der beiden Ausgangsspannungen der Operationsverstärker A1 und A2 Vorrang hat und in den PDM-Komparator eingegeben wird.
• Die zum Zünden der Kaltkathodenröhre erforderliche Hochspannung von etwa 1000 bis 1500 V wird dadurch erzeugt, daß die Sekundärwicklung des Aufwärts- Transformators mit einigen 1000 Windungen gewickelt und eine Spannung von 5 bis 19 V hochtransformiert wird. Für diese Wicklung wird ein dünner Draht mit einer Dicke von etwa 40 um benutzt. Wenn ein derartiger Wandler mit Windungen bzw. Wicklungs-Transformator mit dünnem Draht verwendet wird, entstehen Probleme, wie ein Drahtbruch, Kurzschlüsse zwischen Wicklungslagen oder dergleichen, und um solche Fehler zu vermeiden, ist ein erheblicher Arbeitsaufwand erforderlich. Wenn ferner ein Wicklungs-Transformator in einem Notebook-PC oder dergleichen verwendet wird, in dem eine bestimmte Formgebung erwünscht ist, ergeben sich strukturelle Einschränkungen, um kleine Abmessungen zu realisieren. Als Verbesserungsmaßnahme wird ein System untersucht, bei dem ein Wicklungstransformator durch einen piezoelektrischen Transformator (Wandler) aus einer Keramikplatte ersetzt ist.
• Um darüber hinaus das Aufwärts-Übersetzungsverhältnis eines piezoelektrischen Transformators zu erhöhen, sind besondere Maßnahmen erforderlich, wie eine dünne Ausbildung der Plattendicke oder eine Erhöhung der Breitenabmessung. Wenn die Platte dünn ist, besteht auch dann, wenn die Leistung der Treiberstufe im Vergleich zur Leistung des Stromversorgungsteils gesteigert werden kann, ein Nachteil darin, daß der Ausgangswiderstand hoch wird und die Änderung der Ausgangsspannung bei Belastung zunimmt. Wenn dagegen die Breitenabmessung vergrößert werden soll, kann sie, obwohl der Ausgangswiderstand verringert werden kann, da die elektrischen Maschinenkopplungskoeffizienten K31, K33 formabhängig sind und wenn das Verhältnis von Breite zu Länge gleich oder größer als 0,3 wird, da die Werte von K31 und K33 abzunehmen beginnen, nicht viel vergrößert werden, und wenn die Breite über ein bestimmtes Maß hinaus vergrößert wird, nimmt das Aufwärts-Wandlungsverhältnis ab.
• Wenn daher eine Miniaturisierung in Betracht gezogen wird, ist das Aufwärts-Wandlungsverhältnis begrenzt. Um ferner ein hinreichend hohes Aufwärts-Wandlungsverhältnis zu erzielen, wird die Aufwärtswandlung durch den Wicklungs-Transformator bewirkt oder der piezoelektrische Transformator entsprechend betrieben, doch ergibt sich dann das Problem, daß die Kosten der Vorrichtung steigen und die Vorrichtung größere Abmessungen erhält.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Betreiben einer Kaltkathodenlampe mit einem piezoelektrischen Transformator anzugeben, bei der verschiedene Probleme der Wechselrichtervorrichtung, die durch die Verwendung eines Wicklungs-Transformators verursacht werden, durch Verwendung eines piezoelektrischen Transformators gelöst werden und ferner das Leuchtenlassen (Zünden) und die Helligkeitssteuerung der Kaltkathodenröhre bewirkt werden können.
• Erfindungsgemäß ist eine Kaltkathodenröhren-Leuchtvorrichtung mit einer Kaltkathodenröhre und einem piezoelektrischen Wechselrichter zum Leuchtenlassen der Kaltkathodenröhre vorgesehen, wobei der Wechselrichter einen Leistungsschalter und die Vorrichtung aufweist:
• eine Drosselspule, die mit der Primärseite eines piezoelektrischen Transformators verbunden ist;
• einen Quasi-E-Klasse-Spannungsresonanz-Wechselrichter und
• eine Zerhackerschaltung zur Aufwärtswandlung der Eingangsspannung und zur Stromversorgung des Wechselrichters, gekennzeichnet durch
• eine Steuerschaltung zum Steuern eines Leistungsschalters der Zerhackerschaltung mit einem Signal, dessen Tastverhältnis mit zunehmender Spannung, die der Zerhackerschaltung zugeführt wird, verringert wird, um die Ausgangsspannung der Zerhackerschaltung konstant zu halten, wobei das Signal mit dem Steuersignal des Wechselrichter-Leistungsschalters synchronisiert ist, das Wechselrichter-Leistungsschalter-Steuersignal während der AUS-Zeit konstant und während der EIN-Zeit variabel ist, um den Wechselrichter im Quasi-Klasse-E-Betrieb zu halten und einen vorgeschriebenen Wert des durch die Kaltkathodenröhre fließenden Stroms beizubehalten, und durch
• eine Weichstartschaltung, um die Schaltfrequenz des Wechselrichter-Leistungsschalters, wenn die Leuchtvorrichtung eingeschaltet wird, allmählich von einer höheren Frequenz als die Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Transformators an zu verringern und die EIN-Zeit des Wechselrichter-Leistungsschalters auf einen Wert zu begrenzen, der unter einem vorbestimmten Wert liegt.
• Eine Schutzschaltung kann so installiert sein, daß, wenn die Kaltkathodenröhre während einer vorbestimmten Zeit ausgeschaltet ist, der Betrieb des Wechselrichters angehalten wird, so daß eine Beschädigung des piezoelektrischen Transformators verhindert wird.
• Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines piezoelektrischen Transformators können mithin die Anzahl der Bauteile verringert, die Vorrichtung mit kleinen Abmessungen hergestellt und die Herstellungskosten verringert werden. Da ferner die Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Transformators hoch ist, kann die Leuchtfrequenz der Entladungsröhre hoch sein, so daß der Entladungswirkungsgrad erhöht wird.
• Nachstehend werden Beispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben. Darin stellen dar:
• Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Aufbaus einer Ausführungsform einer Kaltkathodenröhren-Leuchtvorrichtung mit einem piezoelektrischen Transformator,
• Fig. 2 die Grundschaltung eines Quasi-Klasse-E- Spannungsresonanz-Wechselrichters,
• Fig. 3 ein Wellenform-Diagramm jedes Teils eines Quasi-Klasse-E-Spannungsresonanz-Wechselrichters,
• Fig. 4 ein Ersatzschaltbild eines piezoelektrischen Transformators,
• Fig. 5 ein Ersatzschaltbild eines piezoelektrischen Transformators im Resonanzzustand,
• Fig. 6 ein Wellenform-Diagramm jedes Teils einer Kaltkathodenröhren-Leuchtvorrichtung,
• Fig. 7 ein Wellenform-Diagramm einer Gatt-Treiberschaltung,
• Fig. 8 ein Wellenform-Diagramm einer Gatt-Treiberschaltung FET-TREIBER 2,
• Fig. 9 ein Wellenform-Diagramm jedes Teils einer Kaltkathodenröhren-Leuchtvorrichtung mit einem piezoelektrischen Transformator gemäß der Erfindung,
• Fig. 10 ein Blockschaltbild des Aufbaus eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
• Fig. 11 ein Blockschaltbild von Einzelheiten einer Spannungsresonanz-Steuerungs-IC in dem zweiten Ausführungsbeispiel,
• Fig. 12 ein Blockschaltbild des Aufbaus eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
• Fig. 13 ein Schaltbild einer bekannten Wechselrichtervorrichtung für eine Entladungsröhre nach dem Stand der Technik und
• Fig. 14 ein Wellenform-Diagramm einer bekannten Wechselrichtervorrichtung.
• Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben. Fig. 1 stellt ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Kaltkathodenröhren-Leuchtvorrichtung mit einem piezoelektrischen Transformator gemäß der Erfindung dar. Während bei dem in Fig. 13 dargestellten bekannten Stand der Technik die Betriebsspannung der Royer-Oszillatorschaltung, das heißt der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers, in Abhängigkeit von dem Istwert des Entladungsstroms geändert wird, so daß der Entladungsstrom der Kaltkathodenröhre geregelt wird, ist erfindungsgemäß ein Quasi-Klasse-E- Spannungsresonanz-Wechselrichter mit einem Aufwärts- Zerhacker verbunden, und sein Ausgang und die Kaltkathodenröhre CFL1 wird direkt angesteuert, und der durch die Kaltkathodenröhre CFL1 fließende Strom wird negativ zu einer Schaltung zurückgeführt, die ein Leistungsschaltelement steuert, so daß eine optimale Lichtregelung bewirkt wird.
• Ein Quasi-Klasse-E-Spannungsresonanz-Wechselrichter ist als ein Wechselrichter bekannt, bei dem sowohl der durch einen Leistungsschalter fließende Strom als auch die an den Schalter angelegte Spannung teilweise sinusförmig werden und ein sinusförmiges Ausgangssignal erzeugt wird. Die prinzipielle Wirkungsweise wird nachstehend beschrieben. Fig. 2 stellt den prinzipiellen Aufbau einer Schaltung eines Quasi-Klasse-E-Spannungsresonanz-Wechselrichters dar. In Fig. 2 ist eine Spule L als Drosselspule ausgebildet, so daß ihr Strom annähernd ein Gleichstrom Ic ist. Eine Drosselspule LT und ein Kondensator CT bilden eine Resonanzschaltung.
• Einem RLC-Schwingkreis wird eine impulsförmige Spannung zugeführt, und zwar durch einen EIN/AUS-Betrieb eines Schalters. Wenn die Schaltfrequenz etwas höher als die Resonanzfrequenz von Lt-Ct ist, wird der durch R-Lt-Ct fließende Strom durch den Resonanzkreis annähernd sinusförmig. In diesem Fall hat der Resonanzkreis R-L-C eine induktive Reaktanz, und der durch den Resonanzkreis fließende Strom It eilt in der Phase der an den Resonanzkreis angelegten Spannung nach, das heißt der Grundschwingung der Spannung Vs des Schalters. Da hier Ic = Isdc + It ist, fließt durch die Parallelschaltung aus Schalter S. Diode Ds und Kondensator Cs der um den sinusförmigen Strom It verminderte Gleichstrom Ic, das heißt der Strom Isdc, der mithin ebenfalls sinusförmig ist.
• Fig. 3 (a) stellt die Betriebswellenformen eines Klasse-E-Resonanz-Wechselrichters bei einem Tastverhältnis des Schalters S von 50% dar. Wenn der Schalter S ausgeschaltet (geöffnet) ist, fließt der Strom durch den Kondensator C5, so daß der Kondensator C5 aufgeladen wird und die Spannung Vs von Null aus sinusförmig ansteigt. Das Ausschalten des Schalters erfolgt daher, wenn die Spannung Null und der Strom nicht Null ist. Bei optimaler Belastung Ropt, wie es in Fig. 3 (a) dargestellt ist, nimmt die Spannung Vs mit dem Gradienten dVs/dt nahezu bis auf Null ab, und wenn Vs = 0 ist, so daß auch dVs/dt = 0 ist, wird der Schalter eingeschaltet (geschlossen). Wenn die Belastung kleiner als die optimale Belastung Ropt ist, wird der Schalter S eingeschaltet, während die Spannung Vs auf Null festgehalten wird, wie es in Fig. 3 (b) dargestellt ist. Dies ist ein Quasi-Klasse-E-Betrieb, und das Schalten bei Spannung Null erfolgt in ähnlicher Weise, wenn bei Spannungsresonanz geschaltet wird. Bei einem Betrieb als Schaltregler kann ein Klasse-E-Betrieb nicht über den gesamten veränderlichen Bereich der Belastung und der Eingangsspannung durchgeführt werden, so daß der Quasi- Klasse-E-Betrieb durchgeführt wird. Da die Impedanz des R-L-C-Schwingkreises von der Schaltfrequenz abhängt, wenn die Ausgangsspannung Vo ( = It) durch die Schaltfrequenzmodulation gesteuert wird, ergibt sich der Vorteil, daß die Änderung der Schaltfrequenz gering ist.
• Bei dem einen Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in Fig. 1 dargestellt ist, ist T1 ein piezoelektrischer Transformator (oder piezoelektrischer Wechselspannungswandler). Fig. 4 stellt ein Ersatzschaltbild eines piezoelektrischen Kreises dar. Darin ist mit C1 eine Eingangskapazität, mit C2 eine Ausgangskapazität, mit LE eine Ersatzinduktivität, mit CE eine Ersatzkapazität, mit n das Transformationsverhältnis und mit RL ein ohmscher Lastwiderstand bzw. Verbraucherwiderstand bezeichnet. Wenn LE und CE in Resonanz sind, kann das Ersatzschaltbild nach Fig. 4, unter Transformation der physikalischen Größe auf die Sekundärseite, zu dem in Fig. 5 dargestellten Ersatzschaltbild vereinfacht werden.
• Nach Fig. 1 ist Q1 ein N-Kanal-Leistungs-MOSFET. Mit L2 ist eine Drosselspule bezeichnet. Die Ersatzinduktivität LE und die Ersatzkapazität CE des piezoelektrischen Transformators T1 bilden einen Resonanzkreis, zu dem die Kaltkathodenröhre CFL1 in Reihe geschaltet ist. Die Resonanzfrequenz des Resonanzkreises ergibt sich aus der nachstehenden Gleichung 1:
• fr = 1/(2π LE·CE) (1)
• Die Drain-Source-Spannung im AUS-Zustand (im gesperrten Zustand) des Leistungs-MOSFET Q1 wird durch die Drosselspule L2 und die Eingangskapazität C1 des piezoelektrischen Transformators T1 sinusförmig. Andererseits bilden die Drosselspule L1, der Leistungs-MOSFET (Q2), die Diode D1 und der Kondensator C1 eine Aufwärts- Zerhackerschaltung, und die aufwärtstransformierte Ausgangsspannung wird zur Eingangsspannung der Quasi- Klasse-E-Spannungsresonanz-Steuerung IC, um den Gatt- Kreis des Leistungs-MOSFET (Q1) und die Funktion der Aufwärts-Zerhackerschaltung zu steuern. Die IC wird durch einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO), einen Operationsverstärker A1 und eine Schaltfrequenz- Modulationsschaltung (PFM-Logik) gesteuert und enthält eine Gatt-Steuerschaltung (FET-TREIBER 1) zur Steuerung des Gatts des Leistungs-MOSFET (Q1). R4 und C2 dienen zur Phasenkorrektur des Operationsverstärkers A1 der IC1. R5 und C3 bilden ein RC-Glied zur Bestimmung der Schwingungsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators VCO. Mit R6 und R7 sind ohmsche Widerstände zum Anlegen einer Gleichspannung an den negativen Eingang des Operationsverstärkers A1 der IC1 bezeichnet.
• Mit R1 ist ein Gatt-Treiberwiderstand des Leistungs- MOSFET (Q1) bezeichnet. Mit D1 ist eine Beschleunigungsdiode zur Gatt-Entladung bezeichnet. Der Lampenstrom wird durch einen ohmschen Widerstand R12 gemessen, und die positive Halbwelle des Lampenstroms wird durch eine Diode D3 und einen Kondensator C4 gemessen und in einen Gleichstrom umgewandelt. Das Meßsignal wird über einen veränderbaren Widerstand VR1 dem positiven Eingang des Operationsverstärkers A1 der IC1 zugeführt. Das heißt, es wird eine dem Mittelwert der positiven Halbwelle des Entladungsstroms proportionale Spannung am Abgriff des veränderbaren Widerstands VR1 abgenommen. Die Ausgangsspannung wird dem Eingang des spannungsgesteuerten Oszillators VCO zugeführt und steuert die Schwingungsfrequenz des Oszillators. Das heißt, wenn der Entladungsstrom aus irgendeinem Grund ansteigt, steigt auch die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers A1 und damit auch die Schwingungsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators VCO an. Ein monostabiler Multivibrator MM1 wird beim Abfall der Ausgangsspannung des spannungsgesteuerten Oszillators VCO gesetzt, so daß sein Ausgangssignal hoch wird. Ein ohmscher Widerstand R3 und ein Kondensator C5 dienen zur Bestimmung der Impulsdauer des Ausgangssignals des monostabilen Multivibrators MM1 und halten das Ausgangssignal des monostabilen Multivibrators MM1 während der durch die Zeitkonstante von R3 und C5 bestimmten Dauer auf dem hohen Wert. Fig. 6 stellt die Wellenformen aller Teile dar. Die AUS-Zeit (Ausschaltdauer) Taus ist so eingestellt, daß der Quasi-Klasse-E-Betrieb möglich ist, und zwar unter Berücksichtigung einer Änderung der Schwingungsfrequenz infolge einer Streuung der Drosselspule, des Spannungsresonanz-Kondensators oder dergleichen oder einer Temperaturänderung. Das heißt, da die Schwingungsfrequenz ansteigt, während Taus konstant bleibt, nimmt die EIN-Zeit (die Einschaltdauer) des Schalters ab. Infolgedessen nimmt der der Kaltkathodenröhre CFL1 zugeführte Strom ab, und der konstante Strom wird beibehalten. Wenn der Lampenstrom abnimmt, nehmen auch das Ausgangssignal des Operationsverstärkers A1 und die Schwingungsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators VCO ab, und es wird die Konstantstromregelung durchgeführt. Mit C7 ist ein Kondensator zur Einstellung der Verzögerungszeit der Weichstart- oder Weicheinsatzschaltung bezeichnet. Wenn die Spannung eingeschaltet wird, wird die Schwingungsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators VCO höher als im Normalbetrieb, und sie nimmt allmählich ab, während der Kondensator C7 aufgeladen wird.
• Damit die Entladung der Kaltkathodenröhre CFL1 einsetzt, muß eine hohe Spannung (normalerweise 1 KV - 1,5 KV) angelegt werden. Diese wird Leerlaufspannung genannt. Während die Kaltkathodenröhre CFL1 nicht leuchtet, weil der Innenwiderstand der Kaltkathodenröhre CFL1 sehr groß ist, und die Schwingungsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators VCO gleich der Resonanzfrequenz fr des piezoelektrischen Transformators wird, wird am Ausgangsanschluß des piezoelektrischen Transformators T1 eine hohe Spannung erzeugt, so daß die Kaltkathodenröhre CFL1 gezündet wird und leuchtet. Durch dieses Zünden oder zum Leuchtenbringen nimmt der Innenwiderstand der Kaltkathodenröhre CFL1 sehr rasch ab. Da der piezoelektrische Transformator T1 die Konstantstromcharakteristik durch den Innenwiderstand R anzeigt, nimmt die Ausgangsspannung des piezoelektrischen Transformators T1 ab. Durch diese Charakteristik kann ein Vorschaltkondensator, wie er bei einem System mit einem gewickelten Transformator im Stand der Technik erforderlich ist, entfallen. Das heißt, wenn die Stromversorgungsquelle bzw. Leistungs- oder Betriebsspannungsquelle durch die Weichstartschaltung der IC1 eingeschaltet wird, setzt die Schaltfrequenz der IC1 bei einer Frequenz ein, die höher als im normalen Betriebszustand ist, wonach sie allmählich geringer wird, und wenn sie gleich der Resonanzfrequenz fr des piezoelektrischen Transformators T1 wird, wird die CFL1 gezündet, so daß sie leuchtet. Bezeichnet man ferner die Dicke des piezoelektrischen Transformators mit d und die Länge mit L, dann gilt für das Aufwärts-Transformationsverhältnis n des piezoelektrischen Transformators T1 die Gleichung 2:
• n ~ L/d ... (2)
• Das Aufwärts-Transformationsverhältnis n ist jedoch aus dem vorstehend erwähnten Grund begrenzt. Ferner pflegt die Batteriespannung eines Notebook-PC oder dergleichen mehr und mehr abzunehmen, so daß das Aufwärts-Transformationsverhältnis des piezoelektrischen Transformators unvermeidlich groß wird. Erfindungsgemäß ist der Aufwärts-Zerhacker in der Eingangsstufe des Quasi- Klasse-E-Spannungsresonanz-Wechselrichters eingebaut, und die Eingangsspannung des Wechselrichters steigt an, so daß das Aufwärts-Transformationsverhältnis N des piezoelektrischen Transformators T1 entsprechend zunimmt.
• Nachstehend wird der Weichstart-Betrieb ausführlicher beschrieben. Für die Ausgangsspannung Vo der Aufwärts- Zerhackerschaltung gilt nachstehende Gleichung 3:
• wobei V1 die Eingangsspannung, Tein die EIN-Zeit des Leistungsschalters, Taus die AUS-Zeit und T die Schaltperiodendauer ist. Mithin muß, damit sich eine hohe Ausgangsspannung Vo ergibt, Tein im Vergleich zu Taus groß gewählt werden. Infolgedessen wird der Ausgangsimpuls des FET-TREIBERS 1 der PDM-Schaltung zugeführt, die EIN-Zeit groß gewählt und der Leistungs-MOSFET Q2 der Aufwärts-Zerhackerschaltung durch den FET-TREIBER 2 (siehe Fig. 7) angesteuert. Auch wenn das System bei eingeschalteter Leistungsquelle oder bei niedrigem Lampenstrom ansteigt, nimmt die Ausgangsspannung der Aufwärts-Zerhackerschaltung zu, so daß der FET mit einer zu hohen Spannung belastet wird. Um dies zu verhindern, wird der Maximalwert der EIN-Zeit des Leistungs-MOSFET (Q1) durch eine Begrenzungsschaltung TeinMaxLIMIT bestimmt. Das heißt, wenn der Leistungsschalter eingeschaltet ist, wird der Anstieg der Leistungsquellenspannung (der Betriebsspannung) gemessen, so daß das Ausgangssignal des monostabilen Multivibrators MM2 einen hohen Wert annimmt und der am Ausgang des monostabilen Multivibrators MM2 angeschlossene Transistor Q3 eingeschaltet (durchgesteuert) wird. Ein ohmscher Widerstand R9 und ein Kondensator C8 bilden ein RC-Glied, das die Zeitkonstante bestimmt. Ein ohmscher Widerstand R8 und ein Kondensator C6 bilden ein RC-Glied zur Bestimmung der maximalen EIN-Zeit im Normalzustand der Maximal-EIN-Zeit-Begrenzungsschaltung TeinMaxLIMIT. Der Widerstandswert eines mit dem Transistor Q3 verbundenen ohmschen Widerstands R10 wird im Vergleich zu dem des Widerstands R8 hinreichend niedrig gewählt. Wenn der Transistor Q3 eingeschaltet wird, weil der Kondensator C6 während der Zeit T1 durch den Widerstand R10 aufgeladen wurde, erfolgt der weiche Start (Einsatz) in dem Zustand, in dem die EIN-Zeit begrenzt wird (siehe Fig. 8).
• Nachstehend wird für den Fall, daß die Eingangsspannung ansteigt, ein Verfahren zur Verhinderung des Anstiegs der Ausgangsspannung des Aufwärts-Zerhackers beschrieben. Da sich die Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Transformators nicht ändert, und auch, wenn die Eingangsspannung des Wechselrichters nicht geändert wird, wird der Betrieb so durchgeführt, daß die Schaltfrequenz des Wechselrichters nicht geändert wird. Das heißt, da die EIN-Zeit nicht geändert wird, wenn die Eingangsspannung des Aufwärts-Zerhackers ansteigt, steigt die Ausgangsspannung des Aufwärts-Zerhackers an, so daß eine zu hohe Spannung an den piezoelektrischen Transformator angelegt und der Transformator zerstört wird. Um dies zu verhindern, wird die Änderung der Eingangsspannung VCC durch den Operationsverstärker A2 überwacht und die EIN-Zeit der PDM-Schaltung so gesteuert, daß sie abnimmt, wenn die Eingangsspannung ansteigt, wodurch die Ausgangsspannung des Aufwärts- Zerhackers unterdrückt werden kann.
• Nachstehend wird eine Schutzschaltung für einen piezoelektrischen Transformator beschrieben. Wenn ein Zustand lange andauert, in dem eine Kaltkathodenröhre nicht mit der Sekundärseite des piezoelektrischen Transformators verbunden ist oder nicht leuchtet, wird der piezoelektrische Transformator erheblich mechanisch belastet, was zu einem Bruch des piezoelektrischen Transformators führt. Um dies zu verhindern, werden die Schaltimpulse (die Ausgangsimpulse der PFM-Logik) etwa 5 Sekunden lang durch den Zähler 5S-ZÄHLER gezählt. Dabei ergibt sich ein ÜBERTRAG-Ausgangssignal. Darüber hinaus wird der Lampenstrom durch den Transistor Q4 überwacht. Wenn die Lampe nicht leuchtet, wird der Transistor Q4 ausgeschaltet (gesperrt), so daß die Kollektor-Ausgangsspannung einen hohen Wert annimmt. Das ÜBERTRAG-Ausgangssignal des 5S-ZÄHLERS und die Kollektor-Ausgangsspannung des Transistors Q4 werden einem zwei Eingänge aufweisenden, als integrierte Schaltung ausgebildeten UND-Glied IC3 zugeführt. Wenn der Zustand, in dem die Lampe nicht angeschlossen ist (nicht leuchtet) nicht länger als 5 Sekunden andauert, nimmt das Ausgangssignal des UND-Glieds IC3 einen hohen Wert an, und da der Ausgang mit dem EIN/AUS-Anschluß des FET-TREIBERS 1 verbunden ist, nimmt das Ausgangssignal des FET-TREIBERS 1 einen niedrigen Wert an, so daß der Betrieb des Wechselrichters angehalten wird (siehe Fig. 9).
• Fig. 10 stellt ein zweites Ausführungsbeispiel dar. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Spannungsresonanz- Steuerung IC1 eines Aufwärts-Zerhackers neben einer PDM-Steuerung IC2 zur Steuerung eines Wechselrichters vorgesehen. Die Steuerung des Zerhackers wird in der PDM-Steuerung durchgeführt. Da die Ausgangsspannung des Zerhackers durch die Steuerung IC zu einer definierten Spannung gemacht wird, sind die Durchführung des Weichstarts, während die EIN-Zeit begrenzt wird, und die Unterdrückung des Anstiegs der Ausgangsspannung des Aufwärts-Zerhackers bei einem Anstieg der Eingangsspannung nicht erforderlich. Fig. 11 stellt ein Blockschaltbild der Spannungsresonanz-Steuerung IC1 dar.
• Fig. 12 stellt ein drittes Ausführungsbeispiel dar. Wenn das Aufwärts-Transformationsverhältnis des piezoelektrischen Transformators T1 hinreichend groß ist, wird die Vorrichtung nur durch den Quasi-Klasse-E- Spannungsresonanz-Wechselrichter gebildet, da das Aufwärts-Transformationsmittel nicht erforderlich ist.
• Fig. 12 veranschaulicht eine Überspannungsschutzschaltung. Wenn an den piezoelektrischen Transformator aus irgendeinem Grund eine zu hohe Spannung angelegt wird, wird die Primärspannung des piezoelektrischen Transformators T1 durch ohmsche Widerstände R13, R14 erfaßt und dem positiven Eingang eines Komparators CMP3 zugeführt, und wenn die Spannung gleich der eingestellten Spannung oder größer ist, nimmt das Ausgangssignal des Komparators CMP3 einen hohen Wert an, so daß der FET-TREIBER ausgeschaltet und der Betrieb des Wechselrichters angehalten wird.
• Nachstehend wird ein Zündregelverfahren für eine Kaltkathodenröhre anhand von Fig. 1 beschrieben. Wenn die Leistungsquelle eingeschaltet wird, wird die Schaltfrequenz allmählich durch den Weichstart-Betrieb herabgesetzt. Wenn die Änderungsgeschwindigkeit der Schaltfrequenz jedoch hoch ist, wird die Kaltkathodenröhre nicht gezündet und die Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Transformators durchlaufen. Daher wird die Zeitkonstante der WEICHSTART-Schaltung erhöht (der Wert des ohmschen Widerstands R13 und die Kapazität des Kondensators C7 vergrößert), und die Abnahmegeschwindigkeit der Schaltfrequenz verringert, so daß das Zünden möglich wird. Da die Güte Q des piezoelektrischen Transformators sehr hoch ist, wird die Verstärkung des geschlossenen Kreises des Wechselrichters hoch, so daß die Schaltfrequenz von der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Transformators aufgrund einer Störung oder dergleichen abweicht und die Kaltkathodenröhre in den nichtleuchtenden Zustand übergeht. Als Gegenmaßnahme dafür wird die Spannungsverstärkung im hohen Bereich des Operationsverstärkers A1 verringert, so daß die Empfindlichkeit auf eine Störung verringert werden kann. Als Mittel dafür wird die Verstärkungs-Frequenz- Kennlinie im hohen Bereich durch den Widerstand R5 und den Kondensator C3 so eingestellt, daß sich eine Phasenkorrektur des Operationsverstärkers A1 ergibt.
• Wie vorstehend ausführlich beschrieben wurde, wird zur Kompensation des Aufwärts-Transformationsverhältnisses des piezoelektrischen Transformators ein Aufwärts- Zerhacker in der Eingangsstufe des Quasi-Klasse-E- Spannungsresonanz-Wechselrichters eingebaut und eine Konstantstromregelung der Kaltkathodenröhre mittels der Spannungsresonanzsteuerung IC bewirkt, so daß die Anzahl der Bauteile erheblich im Vergleich zum Stand der Technik verringert und eine preiswerte Wechselrichterschaltung mit hohem Wirkungsgrad hergestellt werden kann. Ferner wird die Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Transformators hoch gewählt, so daß die Zünd- oder Leuchtfrequenz der Entladungsröhre hoch gewählt werden kann und sich ein hoher Entladungswirkungsgrad ergibt.

Claims (3)

1. Kaltkathodenröhren-Leuchtvorrichtung mit einer Kaltkathodenröhre (CFL1) und einem piezoelektrischen Wechselrichter zum Leuchtenlassen der Kaltkathodenröhre, wobei der Wechselrichter einen Leistungsschalter (Q1) und die Vorrichtung aufweist:

eine Drosselspule (L1), die mit der Primärseite eines piezoelektrischen Transformators (T1) verbunden ist;

einen Quasi-E-Klasse-Spannungsresonanz- Wechselrichter (L2, Q1, R1, D2) und

eine Zerhackerschaltung (L1, Q2, D1, C1) zur Aufwärtswandlung der Eingangsspannung und zur Stromversorgung des Wechselrichters, gekennzeichnet durch

eine Steuerschaltung (IC1) zum Steuern eines Leistungsschalters (Q2) der Zerhackerschaltung mit einem Signal, dessen Tastverhältnis mit zunehmender Spannung, die der Zerhackerschaltung zugeführt wird, verringert wird, um die Ausgangsspannung der Zerhackerschaltung konstant zu halten, wobei das Signal mit dem Steuersignal des Wechselrichter- Leistungsschalters (Q1) synchronisiert ist, das Wechselrichter-Leistungsschalter-Steuersignal während der AUS-Zeit konstant und während der EIN-Zeit variabel ist, um den Wechselrichter im Quasi- Klasse-E-Betrieb zu halten und einen vorgeschriebenen Wert des durch die Kaltkathodenröhre fließenden Stroms beizubehalten, und durch

eine Weichstartschaltung (WEICHSTART, FET- TREIBER 1, PWM, FET-TREIBER 2), um die Schaltfrequenz des Wechselrichter-Leistungsschalters (Q1), wenn die Leuchtvorrichtung eingeschaltet wird, allmählich von einer höheren Frequenz als die Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Transformators an zu verringern und die EIN-Zeit des Wechselrichter-Leistungsschalters auf einen Wert zu begrenzen, der unter einem vorbestimmten Wert liegt.

2. Kaltkathodenröhren-Leuchtvorrichtung nach Anspruch 1, mit einer Schutzschaltung (PFM-LOGIK, 5-SEK- ZÄHLER, IC3), so daß, wenn die Kaltkathodenröhre während einer vorbestimmten Zeit ausgeschaltet ist, der Betrieb des Wechselrichters angehalten wird, so daß eine Beschädigung des piezoelektrischen Transformators (T1) verhindert wird.

3. Kaltkathodenröhren-Leuchtvorrichtung nach Anspruch 1, mit einer Überspannungs-Schutzschaltung, so daß, wenn dem piezoelektrischen Transformator (T1) eine Überspannung zugeführt wird, gleichzeitig der Betrieb des Wechselrichters angehalten wird.