DE4441140A1 - Dimmschaltung für Leuchtstofflampen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Dimmschaltung für Leuchtstoff­ lampen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es sind Dimmschaltungen für Leuchtstofflampen bekannt, die davon ausgehen, daß eine Leuchtstofflampe ständig brennt und der Versorgungsstrom dieser Lampe entsprechend der Dimmstufe verändert wird. Damit besteht aber der Nachteil, daß ein hoher Schaltungsaufwand notwendig ist, um einen stabilen Arbeitspunkt zu erreichen.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine bekannte Dimmschaltung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß mit geringerem Schaltungsaufwand ein stabiler Arbeitspunkt erreicht wird.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre des Anspruches 1 gekennzeichnet.

Wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, daß eine Zweipunktarbeitsweise einer Dimmschaltung vorgeschlagen wird, d. h. sozusagen eine Zweipunktsteuerung, d. h. die Schaltung kann in zwei unterschiedliche, stabile Schaltpunkte gebracht werden, wodurch zwei unterschiedliche Helligkeitsstufen der angeschlossenen Leuchtstofflampe erreichbar sind.

Damit ergibt sich der Vorteil einer einfachen stabilen Arbeitsweise, weil nur zwei stabile Arbeitspunkte erreicht werden müssen. Bei den bekannten Dimmschaltungen wird kontinuierlich gedimmt, mit dem Nachteil von analogen Regelkreisen und damit verbundenen Stabilitätsproblemen. Bei der hier beschriebenen Schaltung wird zur Dimmung die Frequenz des Converters auf z. B. 80 kHz erhöht. Dies geschieht durch die Abkopplung des die Schwingkreisfrequenz bestimmenden Kondensators mit Hilfe eines Steuer-IC.

Dieser Kondensator wird also mit Hilfe eines Schalters, der seinerseits von dem Steuer-IC angesteuert wird, an und abge­ schaltet, wodurch gleichzeitig die Frequenz des Converters von z. B. von 40 kHz auf 80 kHz und umgekehrt erhöht bzw. erniedrigt wird.

Damit wird die Einstellung der beiden Stufen (volle Hellig­ keit und halbe Helligkeit) der angeschlossenen Leuchtstoff­ lampe eingestellt.

Der Scheinwiderstand der Drossel, die in Serie mit der Leucht­ stofflampe geschaltet ist, erhöht sich entsprechend durch die Frequenzerhöhung des Converters, wodurch der Strom durch die Gasentladungsröhre entsprechend erniedrigt wird. Dadurch steht also der Gasentladungsröhre weniger Strom zur Verfügung und diese leuchtet mit geringerer Helligkeit. Sinkt die Versorgungsspannung des Converters unter einem bestimmten Wert, so wird der Lampenstrom so klein, daß die Gasentladung abreißt. Wegen der periodisch schwankenden Versorgungsspan­ nung resultiert daraus ein ständiges Verlöschen und Neuzünden der Röhre. Durch diesen Pulsbetrieb wird die mittlere Helligkeit der Lampe verringert.

Damit besteht der Vorteil, daß keine weiteren Stabilisierungs­ maßnahmen benötigt werden, um einen stabilen Dimmbetrieb zu erreichen.

Auf diese Weise wird demgemäß die Leistungsaufnahme der Lampe auf weniger als 50% reduziert, ohne daß besondere Maßnahmen zur Stabilisierung des Dimmbetriebes (Regelschleife zur Konstanthaltung des Lampenstromes und dgl.) notwendig sind.

Das Prinzip der vorliegenden Erfindung liegt also in der Beeinflussung der Frequenz des Converters durch entsprechende Schaltmittel. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde darge­ stellt, daß durch die An- und Abkopplung eines die Schwing­ kreisfrequenz bestimmenden Kondensators die Frequenz des Converters verändert wird.

Nach einer anderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß andere Elemente des Converters periodisch verändert werden, wie z. B. eine Schwingkreisspule oder Spule und Kondensator gemeinsam, oder eine Stromdrosselung im Converter, oder auch durch periodisches An- und Abschalten der Versorgungsspannung des Converters oder ein periodisches An- und Abschalten der Last.

In einer anderen Ausgestaltung kann es noch vorgesehen sein, die parallel oder in Reihe zur Leuchtstofflampe liegenden Bauelemente periodisch an- und abzuschalten.

Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentan­ sprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Pa­ tentansprüche untereinander. Alle in den Unterlagen, ein­ schließlich der Zusammenfassung, offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung werden als erfindungswesentlich bean­ sprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert.

Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Er­ findung hervor.

Fig. 1 schematisiert einen Schaltplan des Converters mit Dimmschaltung,

Fig. 2 schematisiert die Dimmschaltung,

Fig. 3 das Stromdiagramm der Lampe im Normalbetrieb,

Fig. 4 das Spannungsdiagramm der Lampe im Normalbetrieb,

Fig. 5 das Stromdiagramm der Lampe im Dimmbetrieb,

Fig. 6 das Spannungsdiagramm im Dimmbetrieb,

Fig. 7 Spannungsverläufe im Bereich der Schaltung des IC nach Fig. 2.

Fig. 1 zeigt die Converterschaltung und die zugehörige Prinzipschaltung des Dimmers. Die Netzspannung wird über den Gleichrichter G in eine pulsierende Gleichspannung um­ gesetzt, die an den Punkten A und B anliegt. Solange der Momentanwert der Netzspannung größer ist als die Hälfte des Scheitelwertes, wird die nachfolgende Converterschaltung direkt aus dem Netz gespeist. Der Converter verhält sich dabei näherungsweise wie eine Konstantstromsenke. Wenn die Netzspannung den Scheitelwert erreicht, werden die Kondensatoren C2 und C3 in Serie über die Diode D2 geladen. Da die Serienschaltung der Kondensatoren C2 und C3 eine Kapazität von z. B. nur 0,5 Mikrofarad aufweist, ist der Ladestromstoß zum nachladen der Kondensatoren C2 und C3 verhältnismäßig klein. Während der kurzen Zeit, in der die Netzspannung kleiner als die Hälfte des Scheitelwertes ist, wird die Converterschaltung aus den Kondensatoren C2 und C3 gespeist, welche nun über die Dioden D1 und D3 parallel zueinander liegen. Während dieser Zeit ist der dem Netz entnommene Strom null. Die Kondensatoren C2 und C3 haben also die Aufgabe, das Weiterarbeiten des Converters während des Netzspannungsnulldurchgangs zu gewährleisten und die Last zu versorgen. Durch diese Art der Speisung wird auch ein guter Leistungsfaktor von etwa 0,9 erreicht.

Die Converterschaltung besteht im wesentlichen aus einem selbstschwingenden Halbbrückenwandler, der eine hochfrequente Wechselspannung erzeugt, die zur Speisung der Gasentladungsröhre verwendet wird. Beim Einschalten der Netzspannung wird der Kondensator C4 über die Widerstände R5 und R3 geladen, bis die Durchbruchspannung des Diac (etwa 245 Volt) erreicht wird. Durch das Zünden des Diac wird ein Startimpuls auf das Gate des Transistors T2 gegeben, der das Anschwingen des Converters ermöglicht. Am Meßpunkt C ist nun eine hochfrequente Wechselspannung mit rechteckförmigem Verlauf meßbar. Die mittlere Spannung am Meßpunkt C, welche am Kondensator C4 anliegt, erreicht nicht mehr die Durchbruchspannung des Diac, wodurch weitere Startimpulse verhindert werden.

Die Ansteuerung der Leistungstransistoren erfolgt über den Transformator L3. Die Schwingfrequenz des Converters wird hauptsächlich durch die Bauteile L3, C6 und C7 und die Gatekapazitäten der Leistungstransistoren bestimmt. Die Zenerdioden Z1 bis Z4 schützen die Gates der Leistungstran­ sistoren vor Überspannung.

Die Drossel L2 dient zur Einprägung des Stroms in die Lampe LA.

Über C1 ist parallel zur Lampe ein PTC angeordnet, welcher beim Einschalten der Schaltung einen niedrigen Innenwiderstand hat. Die Spannung an der Lampe ist daher im ersten Moment sehr klein.

Die Glühkathoden der Lampe werden vorgeheizt. Durch den Strom, der durch den PTC fließt, erwärmt sich dieser und wird hochohmiger. Es bildet sich eine Resonanz, bestimmt durch die Drossel L2 und den Kondensator C12. Die Spannung über der Lampe steigt an und führt schließlich bei ca. 500 Volt zur Zündung der Gasentladung. Die nun leitende Röhre bedämpft den Resonanzkreis L2, C12. Die Spannung an den Kathoden bricht auf die Brennspannung der Lampe zusammen. Der Heizstrom sinkt ebenfalls stark ab.

Da die Versorgungsspannung des Converters durch die Eingangs­ gleichrichterschaltung im 100 Hz Rhythmus pulsiert, schwankt auch der Lampenstrom und damit die Helligkeit. Dieses Pulsieren kann jedoch vom Auge normalerweise nicht wahrge­ nommen werden. Im unteren Bereich der Converterschaltung ist die erfindungsgemäße Dimmschaltung erkennbar, wobei im Dimmbetrieb die Frequenz des Converters von ca. 40 kHz auf ca. 80 kHz erhöht wird. Dies geschieht durch die Abkopplung des Kondensators C7 mit Hilfe eines Schalttransistors H1, der über die Dimmlogik (2) angesteuert wird. Durch die Frequenzerhöhung nimmt der Scheinwiderstand der Drossel L2 zu, während derjenige des Kondensators C12 abnimmt. Dadurch erfolgt eine Stromreduzierung in der Gasentladungsröhre, wobei nun, wenn die Versorgungsspannung des Converters unter einen bestimmten Wert absinkt, der Lampenstrom so klein wird, das die Gasentladung abreißt. Wegen der periodisch schwankenden Versorgungsspannung resultiert daraus ein ständiges Verlöschen und Neu-Zünden der Röhre. Durch diesen Pulsbetieb wird die mittlere Helligkeit der Röhre verringert, und der Dimmeffekt erreicht.

Auf diese Weise kann die Leistungsaufnahme der Lampe auf weniger als 50% der Normalleistung reduziert werden, ohne daß besondere Maßnahmen zur Stabilisierung des Dimmbetriebs (Regelschleife zur Konstanthaltung des Lampenstroms etc.) notwendig sind.

Es zeigte sich, daß im Dimmbetrieb ein Flackern der Lampe auf­ treten kann. Dies tritt vor allem dann auf, wenn der PTC sich im Luftzug befindet und dabei seinen Innenwiderstand ver­ ändert. Das Problem wird beseitigt, indem man den PTC mit einer wärmeisolierenden Hülle umgibt.

Fig. 2 zeigt ein ausführlicheres Beispiel der Dimmschaltung. Die Gate-Steuerspannung des Transistors T2 wird durch die Zenerdioden Z3 und Z4 auf ca. 16 Volt begrenzt. Dieser Steuerspannung kann durch Einweggleichrichtung durch die Diode D4 ein Gleichstrom von etwa 1 Milliampere entnommen werden, ohne daß die Funktion Converters merklich beeinflußt wird. Auf diese Weise wird zur Versorgung der Dimmlogik eine nahezu konstante Spannung von ca. 13 Volt gewonnen, die durch den Kondensator C5 gepuffert wird. Um den Gatesteuerkreis des Transistors T2 während der Anlaufphase der Schaltung nicht zu blockieren, wird in Serie zur Gleichrichterdiode D4 ein Widerstand R6 von mindestens 500 Ohm geschaltet.

Beim ersten Einschalten der Lampe nach längerer Unterbrechung ist der Kondensator C5 entladen. Solange die Spannung am Kondensator C5 noch unter 5 Volt liegt, ist der Ausgang des Komparators K2 auf High, und somit der Reseteingang R des Flip- Flops FF1 auf High und der Ausgang Q des Flip-Flops auf High. Der Kondensator C7 liegt über dem Transistor H1 an Masse. Damit wird erreicht, daß beim ersten Einschalten nach einer längeren Pause die Lampe stets in den Normalbetrieb gebracht wird, d. h. der Converter durch Hinzuschalten des Kondensators C7 mit einer Frequenz von etwa 40 kHz arbeitet.

Wird die Stromzufuhr vom Netz kurzfristig unterbrochen (im Bereich von 0,2 bis 5 Sekunden), so bricht die Spannung zwischen den Punkten A und B rasch zusammen. Die Dimmlogik bleibt jedoch mindestens 5 Sekunden lang durch den Kondensator C5 mit Strom versorgt. Die Netzstromunterbrechung wird durch den Komparator K1 detektiert, dabei geht der Ausgang des Komparators K1 auf Low und auf den Takteingang CP des Flip-Flops FF1 wird ein Low-Signal gegeben. Bei erneutem Einschalten des Netzstroms geht der Ausgang des Komparators K1 wieder auf High, die ansteigende Flanke am Eingang des Taktsignals CP des Flip-Flops bewirkt ein Umschalten des Flip-Flops. Der Ausgang Q des Flip-Flops schaltet auf Low, Transistor H1 sperrt, und der Converter schaltet in den Dimmbetrieb.

Die Detektion der Netzstromunterbrechung kann auch dadurch erfolgen, daß statt der Spannung zwischen den Punkten A und B die gleichgerichtete Ansteuerspannung des Transistors T2 überwacht wird. In diesem Fall muß die gleichgerichtete Spannung über eine zusätzliche Diode von der Stromversorgung der Dimmlogik entkoppelt werden. Da nach dem Ausschalten des Netzstromes der Converter noch einige Zeit nachschwingt, muß die Netzstromunterbrechung mindestens 0,3 Sekunden lang dauern. Die Erfassung der Netzstromunterbrechung zwischen den Punkten A und B ermöglicht dagegen die Erkennung noch kürzerer Unterbrechungszeiten. Zum universellen Einsatz der Dimmlogik besitzt das Flip-Flop FF1 auch einen komplementären Ausgang Q über den z. B. ein weiterer Transistor (2) angesteuert werden kann.

Die gesamte hier beschriebene Dimmlogik, bestehend im wesent­ lichen aus den Komparatoren K1 und K2, dem Flip-Flop FF1 und den Transistoren H1 und H2, wird vorzugsweise durch einen einzigen, speziell angefertigten Dimmschaltkreis realisiert.

Außerdem kann die Dimm- und Sicherungsschaltung 2 Sensoreingänge 16, 17 für Ströme- und Spannungen besitzt, so daß eine Strom-, Spannungs- und Leistungskontrolle, sowie eine Überstrom-, Überspannungs- und Überleistungsabschaltung erreicht wird.

Die Fig. 3 bis 6 zeigen die Strom- und Spannungsverläufe an der Gasentladungsröhre im Normalbetrieb sowie im Dimm­ betrieb. Bei Normalbetrieb der Lampe erkennt man in Fig. 4 die relativ gleichbleibende Brennspannung der Lampe, die zwischen 110 und 120 Volt beträgt. Da die Versorgungsspannung des Converters aber im 100 Hz Rhythmus pulsiert, schwankt auch der Lampenstrom, wie in Fig. 3 zu ersehen, im 100 Hz Rhythmus zwischen etwa 260 Milliampere als Maximalwert und 30 Milliampere als Minimalwert. Dieses Pulsieren wird jedoch vom Auge nicht wahrgenommen und wirkt daher nicht störend.

Die Fig. 6 zeigt nun den Spannungsverlauf an der Lampe im Dimmbetrieb. Das Umschalten auf Dimmbetrieb erfolgt durch kurzzeitige Stromunterbrechung und beginnt bei Position 3. Weil der PTC warm und damit hochohmig ist, steigt die Spannung an der Gasentladungsröhre stark an und führt bei ca. 420 Volt, also bei Position 4, zum Zünden der Gasentladungsröhre. Die Gasentladungsröhre arbeitet nun im Bereich 5 mit Brennspannung, die hier etwa 140 Volt beträgt. Der Bereich zwischen den Positionen 4 und 6 entspricht etwa dem Bereich, in dem die pulsierende Versorgungsspannung über 200 Volt beträgt. Sinkt die Versorgungsspannung unter einen bestimmten Wert, was bei Position 6 der Fall ist, so wird der Lampenstrom so klein, daß die Gasentladung abreißt und auch die Spannung an der Gasentladungslampe auf einen niederen Wert zusammenbricht, was im Bereich 7 gezeigt ist. Durch die periodisch schwankende Versorgungsspannung resultiert daraus ein ständiges Verlöschen und Neuzünden der Röhre.

In Fig. 5 ist der Stromverlauf gezeigt, wobei bei Position 8 die Röhre zündet und im Bereich (9) etwa eine konstante Stromaufnahme besitzt, und die Lampe bei Position 10 verlischt, und der Strom auf null zurückgeht.

Fig. 7 zeigt die Ein- und Ausgangspegel des Steuerschalt­ kreises, der in seiner Funktion schon weiter oben beschrieben wurde. Bei Position 11 wird die Netzspannung eingeschaltet. U1 wird über einen Spannungsteiler aus der Betriebsspannung zwischen punkt A und B abgeleitet. Die Versorgungsspannung U2 der Dimm­ logik ergibt sich durch Gleichrichtung des Gate-Ansteuersignals von T2. Durch den positiven Impuls am Reset-Eingang R wird der Ausgang Q des Flip-Flops High (40 kHz-Betrieb). Durch kurzzeitiges Aus- und Wieder-Einschalten der Netzspannung bei Position 12, 13 wird das Flip-Flop über den Eingang CP getaktet, erhält jedoch durch die aufrechterhaltene Versorgungsspannung der Dimmlogik keinen Reset-Puls R, und wechselt somit den Zustand des Ausgangs Q auf Low (80 kHz-Betrieb), d. h. Dimmbetrieb. Durch wiederholtes kurzes Aus- und Einschalten erfolgt wiederum ein Zustandswechsel (Positionen 14, 15).

Claims (10)

1. Dimmschaltung für Leuchtstofflampen, welche eine Converterschaltung aufweist, die mit pulsierender Gleichspannung gespeist wird und daraus eine hochfrequente Wechselspannung zur Stromversorgung der Leuchtstofflampe erzeugt, wobei im Dimmbetrieb durch An- und Abkoppeln eines die Schwingfrequenz des Converters bestimmenden Bauteiles die Schwingkreisfrequenz des Converters verändert, und dadurch eine Dimmung der Leuchtstofflampe erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei Dimmbetrieb die Schwingfrequenz des Converters erhöht wird, was zu einer Reduzierung des Stromes durch die Leuchtstofflampe führt, wobei der Lampenstrom so klein wird, daß die Gasentladung der Leuchtstofflampe in Einklang mit der pulsierenden Versorgungsspannung des Converters abreißt und ein ständiges Verlöschen und Neuzünden der Leuchtstofflampe zu Folge hat.

2. Dimmschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung zwischen Normal- und Dimmbetrieb der Leuchtstofflampe durch kurzzeitige Unterbrechung des Netzstromes geschieht.

3. Dimmschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1- 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim erstmaligen Einschalten - nach einer längeren Pause von z. B. 5 Sekunden - die Schaltung immer im Nicht-Dimmbetrieb arbeitet.

4. Dimmschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1- 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dimmschaltung über eine in einem Schaltkreis integrierte Dimmlogik verfügt.

5. Dimmschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1- 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dimmschaltung über eine aus Hybridbauelementen aufgebaute Dimmlogik verfügt.

6. Dimmschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1- 5, dadurch gekennzeichnet, daß für Dimmbetrieb das schwingkreisfrequenzbestimmende Bauteil (C7) durch einen elektronischen Schalter (H1) vom Schwingkreis abgekoppelt wird.

7. Dimmschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1- 6, dadurch gekennzeichnet, daß für Dimmbetrieb das Bauteil (C7) und/oder weitere schwingkreisfrequenzbestimmende Bauteile an- oder abgekoppelt, oder in ihrem Wert geändert werden.

8. Dimmschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1- 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Dimmbetrieb die Stromversorgung des Converters periodisch unterbrochen wird.

9. Dimmschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1- 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Dimmbetrieb die Leuchtstofflampe periodisch von ihrer Betriebsspannung an- und abgekoppelt wird.

10. Dimmschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1- 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dimmschaltung Sensoreingänge für Ströme- und Spannungen besitzt, so daß eine Strom-, Spannungs- und Leistungskontrolle, sowie eine Überstrom-, Überspannungs- und Überleistungsabschaltung erreicht wird.