DE60122727T2

DE60122727T2 - Intregrierte schaltung zur lampenerwärmung und dimmersteuerung

Info

Publication number: DE60122727T2
Application number: DE60122727T
Authority: DE
Inventors: John Monterey Park Chou; Yung-Lin Palo Alto LIN
Original assignee: O2Micro International Ltd
Current assignee: O2Micro International Ltd
Priority date: 2000-05-12
Filing date: 2001-04-03
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2021-04-04
Also published as: CN1809239A; HK1087886A1; EP1300055A1; CN1251558C; ATE338443T1; EP1300055A4; CN1457623A; AU2001251230A1; US6531831B2; WO2001089271A1; US20020140371A1; DE60122727D1; CN100591187C; TW507472B; EP1300055B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Zum Betreiben einer Heißkathoden-Leuchtstofflampe (HCFL = Hot Cathode Fluorescent Lamp) wird ein elektronisches Vorschaltgerät benötigt. Das elektronische Vorschaltgerät muss sowohl die Vorheizleistung für die Heizdrähte als auch die Zündspannung zum Zünden der Lampe liefern. Nach dem erfolgten Zünden der Lampe sollte das elektronische Vorschaltgerät den Lampenstrom regeln und fortgesetzt Heizleistung für die Heizdrähte bereitstellen, wenn auch in einer geringeren Menge. Zur Energieerhaltung soll das elektronische Vorschaltgerät bevorzugt für eine Dimmersteuerung geeignet sein.
Die europäische Patentanmeldung EP 0399613 A2 betrifft Leuchtstofflampenregler und Dimmersteuerungen für die Verwendung in diesen Reglern und die Bereitstellung einer Dimmersteuerung, die eine Schutzisolierung zwischen Eingangsanschlüssen und einem Lampen-Erregerstromkreis vorsieht und die eine genaue und sichere Steuerung/Regelung der Lampenintensität über einen weiten Bereich ermöglicht. Nach Beendigung der Vorheizphase variiert der Heizdrahtstrom etwa proportional zu dem Lampenstrom.
Wenn die HCFL unter verschiedenen Dimmzuständen betrieben wird, sollte die Heizleistung für die Heizdrähte entsprechend eingestellt/angepasst werden, um eine normale Lebensdauer der Heizdrähte sicherzustellen. Demgemäß sieht die vorliegende Erfindung eine Steuer/Regelschaltung vor, die sowohl für eine Vorheizleistung für die Heizdrähte als auch für eine variable Dimmersteuerung der Lampe sorgt.
ÜBERSICHT DER ERFINDUNG
Demgemäß wird durch die vorliegende Erfindung ein elektronisches Vorschaltsystem geschaffen, umfassend eine variable Spannungsquelle, die ein erstes Signal erzeugt, das einen gewünschten Dimmwert für eine Heißkathoden-Leuchtstofflampe anzeigt, und ein zweites Signal, das die mittlere Leistung der variablen Spannungsquelle anzeigt. Es ist ein Controller für ein Vorschaltgerät vorgesehen, der eine Steuerungsschaltungsanordnung für den Lampenheizdrahtstrom aufweist, umfassend eine Steuerungsschaltungsanordnung für den Vorheizstrom, die über eine vorgegebene Zeitspanne einen Vorheizstrom für die Heizdrähte der Lampe erzeugt, und eine Steuerungsschaltungsanordnung, die einen stationären bzw. Dauerheizstrom für die Heizdrähte erzeugt, der während der Zeiten nach der vorgegebenen Zeitspanne umgekehrt proportional zu dem gewünschten Dimmwert ist. Der Controller weist auch eine Dimmerschaltungsanordnung auf, um die der Lampe zugeführte Leistung als eine Funktion des Wertes des ersten Signals zu variieren, und einen Inverterschaltkreis, der auf der Grundlage eines Ausgangssignals der Dimmerschaltung aus dem zweiten Signal ein Wechselstromsignal erzeugt. Der Controller des Vorschaltgeräts umfasst auch eine Ausgangsschaltungsanordnung, die mit dem Ausgang des Inverterschaltkreises gekoppelt ist, umfassend einen offenen, resonanten Schwingkreis, der das Wechselstromsignal empfängt und der ein sinusförmiges Signal erzeugt, um eine Zündleistung und eine stationäre Leistung an die Lampe zu liefern.
Der Fachmann wird erkennen, dass die angegebenen Ausführungs- und Anwendungsbeispiele, auf die in der nachfolgenden Beschreibung Bezug genommen wird, keine Einschränkung der Erfindung darstellen, deren Rahmen allein durch die anliegenden Ansprüche definiert ist.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus deren nachfolgender Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm einer exemplarischen Steuerungsschaltung zum Dimmen und Heizen einer Lampe gemäß vorliegender Erfindung;
2 ist eine exemplarische Schaltung für die Steuerung eines Lampenheizdrahtstroms gemäß der vorliegenden Erfindung; und
3A, B, C zeigen jeweils Schaltungsbeispiele und Zeitsteuerungsdiagramme für die exemplarische HCFL-Dimmerschaltungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Detailbeschreibung der Erfindung
Bezugnehmend auf 1 ist ein exemplarisches Vorschaltgerät-Steuer/Regelsystem 10 für eine Heißkathoden-Leuchtstofflampe (HCFL) vorgesehen. Das Steuer/Regelsystem 10 weist konventionelle Gleichrichter 14 und 16 auf, die ein Dimmpegelspannungssignal (Gleichrichter 2) und ein Leitungspegelspannungssignal (1) erzeugen, einen Controller/Regler 12 mit einer Vorheizschaltungsanordnung für die Heizdrähte, eine Schaltungsanordnung für die Dauerheizung der Heizdrähte, eine Dimmerschaltungsanordnung und einen Inverterschaltkreis zum Erzeugen eines Hochspannungs-Wechselstromsignals zum Betreiben einer Heißkathoden-Leuchtstofflampe (HFCL). Das System enthält ferner eine Treiberschaltungsanordnung 18, die einen Vorheiz strom und einen stationären Heizdrahtstrom an eine Lampe 20 und eine gesteuerte Spannung für den Betrieb der Lampe 20 liefert. Ein Rückkopplungsschaltkreis 22 ist vorgesehen, um Rückkopplungssignale zu erzeugen, die Zustände an der Lampe anzeigen. Jede dieser Funktionskomponenten wird nachstehend jeweils in größerem Detail beschrieben.
Dabei versteht sich, dass die IC-Implementierung in dem Blockdiagramm von 1 eine beispielhafte Ausführungsform eines einzelnen IC für die Steuerung/Regelung einer oder mehrerer HFCLs ist, die eine Schaltungsanordnung zum Vorheizen des Heizdrahts und eine Dimmerschaltung umfasst. Der Fachmann wird erkennen, dass die in 1 abgebildete integrierte Schaltung nur ein Beispiel von vielen Implementierungen der Erfindung ist und dass die vorliegende Erfindung nicht auf die beispielhafte Konfiguration von 1 beschränkt ist. Darüber hinaus wird im Verlauf der nachfolgenden Beschreibung auf spezielle Pinbelegungen des IC von 1 Bezug genommen, die jedoch nur exemplarisch sind und keine Einschränkung der Erfindung darstellen.
Heizdraht-Steuerung/Regelung
Der erfindungsgemäße Controller 12 umfasst sowohl eine Steuerungsschaltungsanordnung 26 für den Vorheizstrom, die für eine vorgegebene Zeitdauer einen vorgegebenen Strom an die Lampenheizdrähte liefert, und eine Steuerungsschaltungsanordnung 28 für den stationären Heizdrahtstrom, um die Stromzufuhr zu den Heizdrähten während des Betriebs der Lampe im stationären Zustand zu steuern/regeln. Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, müssen vor dem Zünden von Lampen aus der Vielfalt von Heißkathoden die Heizdrähte vorgeheizt werden, ehe die notwendige Zündspannung angelegt wird. Die folgende Beschreibung ist auf die Schaltungsanordnung und Methodologie der Blöcke 24, 26, 28, 30 und 32 des Controllers 12 der beispielhaften Ausführungsform gerichtet.
Eine detailliertere Beschreibung der Dimmerschaltungsanordnung erfolgt nachstehend. Zum besseren Verständnis der Heizdrahtsteuerung jedoch erzeugt der Gleichrichter 2 (14) eine Gleichspannung, die durch den Gleichrichter-Positionswinkel bestimmt wird, wie dieser zum Beispiel durch die Kombination der Position des Triacs in Relation zum Spannungsteiler des Gleichrichters 2 eingestellt wird. Dieser Vorgang ist fachbekannt. Dadurch wird ein Spannungssignal erzeugt, das zu dem gewünschten Dimmwert, Vdim 42, proportional ist. Das Dimmpegelsignal 42 wird in den Controller und in den VBus-Detektorblock 24 eingegeben. In dem Ausführungsbeispiel umfasst der VBus-Detektorblock 24 einen gattungsgemäßen Hysterese-Komparator, der das Vorhandensein einer Spannung an dem Triac erfasst und der verwendet wird, um ein Freigabesignal 40 zu erzeugen, welches die Steuerungsschaltungsanordnung 26 für das Vorheizen der Heizdrähte und die Heizdraht-Steuerungsschaltungsanordnung 28 (und andere nachstehend beschriebene Komponenten des Controllers 12) anschaltet. Mit anderen Worten: Bei Fehlen einer durch das Triac erzeugten brauchbaren Spannung erzeugt der Controller 12 weder einen Vorheizstrom noch einen stationären Heizdrahtstrom.
Wie auf dem einschlägigen Fachgebiet für Vorschaltgeräte und insbesondere Vorschaltgeräte für den Betrieb von HCFLs bekannt ist, können unterschiedliche Lampen 20 einen unterschiedlichen Heizdraht-Vorheizstrom und/oder eine unterschiedliche Vorheizzeit für die Heizdrähte erfordern. Demzufolge weist die vorliegende Erfindung eine Pinbelegung (Pin) 64 auf, die ein benutzerdefinierbarer Pin für die Zuleitung eines Signals ist, das proportional zu dem gewünschten Vorheizstrom ist, der an die Heizdrähte der Lampe zu liefern ist. Ähnlich erlaubt die Pinbelegung 72 den Konstrukteuren von Vorschaltgeräten, eine Zeitdauer einzustellen, die eine Vorheizzeit definiert, wie sie zum Beispiel durch den externen Kondensator an dem C_preheat-Pin 72 einstellbar ist. Zur Festlegung eines während des sta tionären Betriebszustands bzw. Dauerbetriebs der Lampe von dieser verwendeten minimalen und maximalen Heizdrahtstroms werden die Pins 68 und 72 benutzt, um die an die Heizdrähte der Lampe 20 zu liefernde minimale und maximale Heizdrahtstrommenge festzulegen.
Es wird nunmehr auf das detaillierte exemplarische Blockdiagramm von 2 Bezug genommen, wobei eine exemplarische Schaltungsanordnung gezeigt ist für die Box 26 mit der Vorheizstromsteuerung für die Heizdrähte, die Box 28 mit der Steuerung für den stationären Heizdrahtstrom, die Box 30 mit dem Hochfrequenz-Implusbreitenmodulator und die Box 36 für die Vorheiz-Zeitsteuerung von 1. Das Signal 64 für das Vorheizen des Heizdrahts, das Signal 68 für die Steuerung des maximalen stationären Heizdrahtstroms und das Signal 70 für die Steuerung des minimalen stationären Heizdrahtstroms (jeweils bezeichnet als Heizdraht DIM_MAX und Heizdraht DIM_MIN) können zum Beispiel unter Verwendung eines Spannungsteilers und eines Spannungs-Referenzsignals V_ref 86 wie gezeigt erzeugt werden. Der Fachmann wird erkennen, dass die dargestellte Erzeugung der Signale lediglich beispielhaft ist und auf vielfältige Weise erfolgen kann, um die nachfolgend beschriebene Funktionalität zu erzielen, wobei all diese Alternativen im Rahmen der Erfindung enthalten sind. Der Vorgang des Vorheizens des Heizdrahts wird nachstehend erläutert.
Sobald die Freigabe durch die VBus-Detektionsschaltungsanordnung 24 (nachfolgend beschrieben) erfolgt ist, empfängt die Schaltungsanordnung 26 für die Steuerung des Vorheizstroms für die Heizdrähte das Signal 64 zum Vorheizen der Heizdrähte und erzeugt ein Gleichstromsignal, das die Einstellung eines gewünschten Stroms für das Vorheizen der Heizdrähte anzeigt (oder proportional dazu ist). Die Schaltungsanordnung 26 für die Steuerung des Vorheizens der Heizdrähte umfasst im wesentlichen einen Wahlschalter, der durch das Freigabesignal angesteuert wird, welches das Signal 64 zum Erzeugen eines vorge gebenen Heizdrahtstroms für das Vorheizen der Heizdrähte der Lampe passieren lässt. In den Ausführungsformen, die beispielhaft in 2 gezeigt sind, liegt der von den meisten Lampenherstellern geforderte Bereich zwischen etwa 2 Volt bis 7 Volt, wenngleich dieser Bereich auf jede gewünschte, durch die Betriebscharakteristiken der Lampe vorgeschriebene Höhe eingestellt werden kann.
Die Vorheizzeit wird durch die Schaltungsanordnung 36 zum Steuern der Vorheizzeit eingestellt und wird allgemein wie folgt definiert. Der externe Kondensator C_preheat an der Pinbelegung 72 definiert allgemein die Zeit, in der der durch die Schaltungsanordnung 26 erzeugte Vorheizstrom die Lampe vorheizt. Wie auf dem einschlägigen Fachgebiet bekannt ist, wird eine Strom- oder Spannungsquelle 106 durch einen durch das Freigabesignal 40 gesteuerten Schalter 108 zugeschaltet, um den Vorheizkondensator zu laden. Ein Komparator 110 vergleicht die durch das Laden des Vorheizkondensators erzeugte Spannung mit einer Referenzspannung (in dem Beispiel von 2 ist die Referenzspannung mit 6,8 Volt angegeben, wobei jedoch jede andere Referenzspannung für einen gewünschten Ausgang gewählt werden kann). Normalerweise wird die Strom- oder Spannungsquelle 106 größer gewählt als die dem Komparator 110 zugeführte Referenzspannung, wenngleich auch das Umgekehrte zutreffen kann, abhängig von dem vorgesehenen Schaltschema. Sobald die Ladung des Vorheizkondensators die Referenzspannung übersteigt, erzeugt der Komparator 110 ein Steuersignal zum Schalten der Leitungszustände von Schaltern S1 und S2, die nachfolgend beschrieben werden. Die Schaltungsanordnung 36 zum Steuern der Vorheizzeit weist ferner einen Rückstellschalter 112 auf, der durch ein Rückstellsignal gesteuert wird und der wirksam ist, um die in dem Vorheizkondensator gespeicherte Energie zu entnehmen, so dass nach der Rückstellung des Controllers ein falsches Signal in den Komparator vermieden wird. Es versteht sich, dass die Zeitkonstante des Vorheizkondensators proportional zu der definierten Vorheizzeitperiode des Controllers vorliegender Erfindung ist und auf jede gewünschte Zeit eingestellt werden kann, indem ein gewünschter Kondensator gewählt wird. Die Zeitperiode für das Vorheizen der Heizdrähte ist ähnlich einstellbar, indem die dem Komparator 110 zugeführte Referenzspannung erhöht oder verringert wird, um die Dauer zu verkürzen oder zu verlängern, über welche die Schaltungsanordnung 26 für die Steuerung des Vorheizens der Heizdrähte einen Vorheizstrom an die Heizdrähte der Lampe liefert.
Sobald die durch die Steuerschaltung 36 für die Vorheizzeit definierte Zeitperiode abgelaufen ist, schaltet der Schalter S1 (gesteuert durch das von dem Komparator 110 erzeugte Steuersignal) auf den Ausgang der Steuerschaltung 28 für den Heizdrahtstrom, der einen stationären Heizdrahtstrom an die Lampe liefert. Um einen zufriedenstellenden Betriebsbereich für den zu den Heizdrähten zu leitenden stationären Strom sicherzustellen, stellt die Schaltungsanordnung 28 für die Heizdrahtsteuerung einen minimalen und einen maximalen Strom ein, der über die Signale 68 und 70 zu den Heizdrähten der Lampe zu leiten ist. Betriebsmäßig empfängt die Schaltungsanordnung 28 die bestimmte Dimmspannung, die durch den Gleichrichter 2 (14) eingestellt wurde, und stellt sicher, dass der Wert der Dimmspannung zwischen den durch die Signale 68 und 70 eingestellten Minimal- und Maximalwerten wirksam ist.
Sowohl während der Vorheizzeit als auch während der Zeit des stationären Zustands bzw. Dauerbetriebs werden die Ausgangssignale der Schaltungen 26 und 28 der Hochfrequenz-Pulslängenmodulationsschaltung 30 zugeleitet, um während dieser beiden Zeitperioden einen proportionalen Betrag eines Heizdrahtstroms zu den Heizdrähten der Lampe zu leiten. Die Hochfrequenz-Pulslängenmodulationsschaltung 30 umfasst im wesentlichen einen Komparator 114, der die Ausgänge der Schaltungen 26 bzw. 28 mit einem Hochfrequenz-Sägezahnsignal (C_t) vergleicht, wie dieses beispielsweise von dem in 1 ge zeigten Hochfrequenzoszillator 44 bereitgestellt wird. Das Ausgangssignal beider Schaltungen 26 und 28 ist ein Gleichstromsignal. Ein Schalter 34 ist vorgesehen, um das Tastverhältnis eines von der exemplarischen Rücklaufantriebsschaltung 18 erzeugten PWM-Signals (Pulsbreitenmodulationssignals) einzustellen, um den gewünschten Heizdrahtstrom zu liefern. Die Überschneidung des Gleichstromsignals und des Sägezahnsignals steuert das Tastverhältnis des PWM-Signals, wie durch den Komparator 114 bestimmt. Die Heizdraht-Treiberschaltungsanordnung 32 ist vorgesehen, um den Ausgang des Komparators 114 und die relativ hohe Impedanz der Lampe zu puffern.
In der exemplarischen Ausführungsform ist das Dimmspannungssignal Vdim 42 proportional zu dem gewünschten Dimmwert. Es ist fachbekannt, dass bei einem Betrieb der Lampe unter normalen Betriebsbedingungen die (durch die Invertertopologie der A, B, C, D Schaltertreiber 54 und der Vollbrückenschalter 56 gelieferte) den Elektroden der Lampe zugeführte Energie auch den Effekt des Erwärmens/Heizens der Heizdrähte der Lampe hat. Unter variablen Dimmkonditionen, bei denen Energie steuerbar/regelbar an die Lampe geliefert wird, ist der Betrag des durch die Energieversorgung 54 und 56 bereitgestellten Heizstroms proportional zu dem gewünschten Dimmwert. Wie nachstehend im Detail beschrieben wird, ist Vdim 42 die Spannung, die die Leistungsmenge bestimmt, die durch den Inverterschaltkreis 54 und 56 geliefert wird. Mit einer gewünschten zunehmenden Helligkeit nimmt der Wert von Vdim zu und umgekehrt. Um Energie zu konservieren und eine Überhitzung der Heizdrähte zu vermeiden, stellt die Schaltungsanordnung von 2 demzufolge sicher, dass, während der gewünschte Dimmwert zunimmt, der Ausgang der Schaltungsanordnung 30 wie vorstehend beschrieben abnimmt. Der Standardzustand des Schalters S1 ist, die Schaltungsanordnung 26 mit dem Komparator 114 zu koppeln. Der Standardzustand des Schalters S2 ist die Überbrückung des Inverters 122, wie dargestellt.
Da der Ausgang der Schaltung 28 im Verhältnis zu dem gewünschten Dimmwert ist, weist die Hochfrequenz-Pulslängenmodulationsschaltung 30 einen Inverter auf, der durch den Schalter S2 angesteuert wird, der den Inverter 122 einschaltet oder überbrückt. Wenn die Vorheizzeit beendet ist, erzeugt die Schaltung 36 zum Steuern der Vorheizzeit ein Signal ENDHT, das auf das Ende der Vorheizperiode hinweist. ENDHT steuert die Leitungszustände der Schalter S1 und S2. Wenn der Schalter S1 schaltet, um die Schaltung 30 mit der Schaltung 28 zu koppeln, schließt der Schalter S2, um den Inverter 122 mit dem Ausgang des Komparators 114 zu koppeln. Der Ausgang des Inverters liefert ein PWM-Antriebssignal an die Heizdrahttreiber 32 in umgekehrtem Verhältnis zu dem gewünschten Dimmwert. Wie vorstehend beschrieben wurde, erzeugen die invertierten und nichtinvertierten Ausgänge der PWM-Schaltung 30 ein Steuersignal für den Schalter 34, um über den Konverter 18 ein Heizdrahtstromsignal zu erzeugen.
Zünden der Lampe und Dauerbetrieb der Lampe
Es wird erneut auf 1 Bezug genommen und dabei angenommen, dass die Vorheizperiode beendet ist, weshalb das ENDHT-Signal aktiviert wird, welches die Wobbelschaltung 52 und den Hochfrequenz-Oszillator 44 aktiviert, um über die A, B, C, D Treiber 54 die H-Brücken-MOSFETs anzusteuern, um Strom an die Lampe 20 liefern. Am Ausgang bildet ein resonanter offener LC-Schwingkreis die primäre Seite des Transformators, und es ist der mit der Lampe parallelgeschaltete Kondensator vorgesehen, der die notwendige Zündspannung und stationäre Spannung für die Lampe liefert, wie das nachstehend erläutert wird.
Wie im Laufe der folgenden Erläuterung der Dimmfunktion des erfindungsgemäßen Controllers 12 verdeutlicht wird, ist der Ausgang des Stromkomparators in der Stromdetektorschaltung 60 zu Beginn hoch, da anfänglich kein Lampenstrom und daher kein erfasster Strom an dem I_s-Ende 96 vorliegt. Auch, weil der Stromdetektor 60 den Niederfrequenz-PLB-Burstmodus in den Fehlerverstärker sperrt. Ähnlich erzeugt der Spannungs-Rückkopplungsdetektor 62 einen niedrigen Ausgang, da der VFB-Pin 92 unterhalb einer durch die Schaltungsanordnung 62 festgelegten Schwelle liegt (unter der Annahme, dass eine funktionsfähige Lampe vorhanden ist). In diesem Fall beginnt die Wobbelschaltung mit der Erzeugung von Antriebssignalen an die A, B, C, D Treiber 54, beginnend bei einer oberen Frequenz, die sich nach unten bis zu einer vorgegebenen niedrigeren Frequenz ändert. An einem Punkt während des Wobbelns stimmt die an die Treiber 54 gelieferte Frequenz (die, wie fachbekannt ist, die Inverterschalter 56 ansteuert, um ein Wechselstromsignal auf der Frequenz der Treiber 54 zu erzeugen) mit der Resonanzfrequenz des LC-Oszillatorschwingkreises überein. An diesem Punkt wird eine maximale Spannung an die Lampe 20 angelegt und die Lampe gezündet. Sobald der Stromdetektor 60 einen Strom in dem Oszillatorschwingkreis feststellt (was bedeutet, dass die Lampe nunmehr leitend ist und erfolgreich gezündet wurde), wird der Ausgang der Stromdetektorschaltung 60 und insbesondere des Stromrückkopplungsreglers 58 kleiner, wodurch die Phase zwischen den vier Signalen der Treiberschaltungsanordnung 54 gesteuert/geregelt wird, die wirksam ist, um die Leistung zu erhöhen oder zu reduzieren. Dieses Phasenverschiebungsverfahren für Vollbrücken/H-Brückentopologien ist fachbekannt. Sobald die Zündung erfolgt ist, setzt die Wobbelschaltungsanordnung 52 die Abwärtsänderung der Frequenz bis unter die Resonanzfrequenz des Oszillatorschwingkreises 22 fort bis zu einer Betriebsfrequenz, die jeweils durch externe Resistoren und Kondensatoren RT (74) und CT (76) eingestellt wurde. Die Leistung wird auf diese Weise der Lampe 20 zugeführt.
Dimmsteuerung
Es wird weiterhin auf 1 Bezug genommen, wobei der exemplarische Controller 12 gemäß vorliegender Erfindung für zwei Dimmverfahren sorgt: das konventionelle analoge Dimmen, welches wirksam ist für das direkte Steuern/Regeln der an die Lampe gelieferten Strommenge, und ein Burstmodus-Verfahren, welches die an die Lampe gelieferte Strommenge über das Tastverhältnis eines steuerbaren/regelbaren pulslängenmodulierten Signals einstellt. Für konventionelles analoges Dimmen wird das Dimmspannungssignal 42 (zum Beispiel über den Einstell-Pin ADJ 90) in die Stromrückkopplungs-Steuerungsschaltung 58 eingegeben und mit dem Rückkopplungsstrom I_s 96 verglichen, um die Phase zwischen den Antriebssignalen in der A, B, C, D Treiberschaltungsanordnung 54 zu erhöhen oder zu verringern, wodurch die Menge des an die Lampe 20 gelieferten Stroms erhöht oder verringert wird. I_s 96 wird von dem Pin LC 98 abgeleitet, der mit einem der MOSFETs in der Brücke 56 gekoppelt ist (wobei zum Beispiel ein unterer Schalter in der Brücke 56 für diesen Zweck gewählt werden kann). Die Schaltung, die I_s mit LC koppelt, ist ein Gleichrichter und ein Tastwiderstand, um einen Gleichstromwert für I_s zu erzeugen.
Alternativ dazu kann der Controller 12 gemäß vorliegender Erfindung eine Burstmodus-Dimmerschaltungsanordnung aufweisen, die einen größeren Dimmbereich als das konventionelle analoge Dimmen erlaubt. In dem exemplarischen Controller von 1 weist die Burstmodus-Dimmerschaltungsanordnung einen Niederfrequenz-Oszillator 46 und einen PWM-Signalgenerator 50 auf. Wenn der Controller 12 das Burstmodus-Dimmen freigegeben hat, wird der ADJ-Pin 90 auf eine feste Spannung eingestellt, vorzugsweise eine zu dem maximal zulässigen Lampenstrom proportionale Spannung, und zwar aus Gründen, die sich aus dem Nachstehenden ergeben.
Der Niederfrequenz-Oszillator 46 erzeugt ein Sägezahnsignal mit einer Frequenz, die wesentlich niedriger ist als die durch den Hochfrequenz-Oszillator 44 eingestellte Betriebsfrequenz der Inverterschalter 56. Zum Beispiel kann der Niederfrequenz-Oszillator derart gewählt werden, dass er bei 500 Hz arbeitet, wie durch den externen Kondensator an dem CBurst-Pin 80 eingestellt, während die durch den Hochfrequenz-Oszillator 44 eingestellte Betriebsfrequenz der Schaltung in der Größenordnung von 10 bis 1000 kHz liegen kann. Es wird nunmehr auf 3 Bezug genommen, wobei die Schaltungsanordnung 50 für die Erzeugung des Burstmodus-PWM-Signals einen Komparator umfasst, der das Dimmspannungssignal 42 VDim mit dem von dem Niederfrequenz-Oszillator 46 erzeugten Sägezahnsignal vergleicht. Der Ausgang ist ein PWM-Signal, das an dem PWM-Pin 88 von 1 dargestellt ist.
Wenn in dem Ausführungsbeispiel das Burstmodus-Dimmen durch den Controller 12 freigegeben wird, wird der PWM-Pin 88 mit dem Stromrückkopplungs-Pin I_s 96 gekoppelt, wodurch die Schaltung veranlasst wird, in folgender Weise zu arbeiten. Es ist anzumerken, dass die Überschneidung des Dimmspannungssignals VDim mit dem Sägezahnsignal über den Komparator 116 ein PWM-Signal erzeugt, dessen Tastverhältnis durch die Überschneidung zwischen diesen beiden Werten definiert wird. Darüber hinaus ist für eine Durchführbarkeit des Burstmodus-Dimmens, wie vorstehend angeführt, der ADJ-Pin auf einen Wert fixiert, der proportional zu dem maximal zulässigen Betriebsstrom für die Lampe ist. Das ausgegebene PWM-Signal aus dem Komparator 116 hat zwei Zustände: im AUS-Zustand hat der PWM-Pin eine hohe Impedanz, was keine Wirkung auf den Lampenbetrieb hat, und im AN-Zustand hat er den Wert des PWM-Signals. Wenn der Komparator ausgeschaltet (oder LOW) ist, arbeitet die Lampe mit der durch den ADJ-Pin eingestellten maximalen Stromrate, da sowohl das PWM-Signal (und das Rückkopplungstromsignal I_s) als auch das ADJ-Signal 90 in den Stromrückkopplungsschaltkreis 58 eingegeben werden. Die Stromrückkopplungsschaltungsanordnung 58 umfasst eine Summierschaltung, die den Wert des PWM-Signals und von I_s summiert und diesen Wert mit dem Wert von ADJ vergleicht. Normalerweise ist der Wert von ADJ niedriger eingestellt als das PWM-Signal. Wenn das PWM-Signal HIGH ist, bewirkt der Summenwert von I_s und PWM, dass der Ausgang des Stromrückkopplungsschaltkreises 58 LOW wird, wodurch wiederum die Treiberschaltungsanordnung 54 abgeschaltet wird und dadurch die Brückenschalter 56 abgeschaltet werden und momentan Leistung von dem Verbraucher weggenommen wird.
Wie erkennbar ist, ist die Lampe daher umso mehr gedimmt, je größer das Tastverhältnis des von dem Komparator 116 erzeugten PWM-Signals ist, da der Wert der Einschaltzeiten der PWM niedriger ist als der durch den ADJ-Pin eingestellte Wert, d.h. ein zu dem maximalen Nennstrom der Lampe proportionaler Wert. Ähnlich ist der Prozentsatz des den Lampenstrom pro Betriebsperiode steuernden/regelnden ADJ-Werts umso höher, je geringer das Tastverhältnis des PWM-Signals 50 ist, da der ADJ-Wert steuert/regelt, wann das PWM-Signal ausgeschaltet wird. In dem Ausführungsbeispiel verwendet die Burst-PWM-Schaltungsanordnung 50 das von dem Komparator 116 erzeugte PWM-Signal, um eine Spannungsquelle mit dem PWM-Pin 88 zu verbinden und von diesem zu trennen. Die Spannungsquelle hat den PWM-Wert, wenn sie angeschaltet ist, und hat eine hohe Impedanz (offener Stromkreis), wenn sie abgeschaltet ist. Dieses Konzept ist in den Zeitdiagrammen der 3B und 3C dargestellt, wobei die Überschneidung zwischen VDim und dem Niederfrequenz-Sägezahnsignal ein geringes Tastverhältnis (3B) und ein hohes Tastverhältnis (3C) erzeugt. Es ist zu anzumerken, dass der Wert des Tastverhältnisses umso geringer ist, je höher der Wert von VDim ist.
Rücksetz- und Lampenausfall-Schaltungsanordnung
Ferner empfängt ein Spannungsrückkopplungsschaltkreis 62 ein Spannungsrückkopplungssignal von dem Pin 92, das über dem Oszillatorschwingkreis abgenommen wird (speziell über dem Spannungsteiler, der dargestellt ist, um ein Signal zu erzeugen, dessen Größenordnung im Vergleich zu der der Lampe zugeführten hohen Spannung wenige Volt beträgt), um ein Signal zu erzeugen, das auf einen offenen Zustand oder einen Ausfall der Lampe hinweist. Ähnlich überwachen der Stromrückkopplungsregler und die Stromdetektorschaltungen 58 und 60 jeweils über den Pin 96 einen Strom über der Lampe, um zusätzlich zu den oben beschriebenen Funktionen den Stromzustand an der Lampe zu bestimmen, der auf einen Kurzschlusszustand an der Lampe hinweisen kann.
Wenn an dem Verbraucher ein offener Lampenzustand oder ein Beschädigungszustand der Lampe vorliegt, arbeitet der Controller 12 des Ausführungsbeispiels wie folgt. Da, wie vorstehend beschrieben, die Wobbelschaltung 52 und die Schalter 56 aktiviert werden, sobald die Vorheizperiode beendet ist, liegt kein Rückkopplungsstrom vor (bevor die Lampe gezündet wird). Daher ist der Ausgang der Stromrückkopplungssteuerung 58 HIGH, wodurch die Schalter 56 veranlasst werden, bei einer maximalen Überlappung zu arbeiten, doch die Schalter 56 arbeiten nicht (initial) in der Nähe der Resonanzfrequenz des Oszillatorschwingkreises, weshalb an dem Transformator eine relativ geringe Spannung auftritt. Während sich die Frequenz nach unten ändert und sich der Resonanzfrequenz des Oszillatorschwingkreises 22 nähert, nimmt die Spannungsrückkopplung an dem VFB-Pin 92 zu. Die Spannungsrückkopplungs-Detektorschaltung 62 umfasst im wesentlichen einen Komparator, der die Rückkopplungsspannung 92 mit einer vorgegebenen Schwellenspannung (nicht dargestellt) vergleicht. Wenn die Rückkopplungsspannung die Schwellenspannung übersteigt, wird die resultierende Ausgabe des Komparators an die Rückstellschaltung 120 gesandt, die wiederum ein Rückstellsignal 38 erzeugt. Insbesondere wird das Rückstellsignal 38 der Vbus-Detektorschaltung 24 zugeführt, die ein Sperrsignal (z.B. das Gegenteil zu dem Freigabesignal 40) erzeugt, welches den Oszillator 44 und die Wobbelschaltung 52 und die Treiberschaltungen 54 und die Schalter 56 sperrt/abschaltet. Auch aktiviert das Rückstellsignal 38 den Schalter 112 (2), um Energie abzugeben, die in dem Vorheizkondensator 72 gespeichert ist. Damit der Controller nicht versehentlich abgeschal tet werden kann, sollte die von dem Spannungserfassungs-Komparator 62 verwendete Spannung so eingestellt sein, dass eine offene Lampenspannung höher ist als eine normale Zündspannung, um eine ausreichende Zündung sicherzustellen. Der erfindungsgemäße Controller 12 kann auf solche Weise ausgelegt sein, dass er nach einem Rücksetzen all die Komponenten für eine vorgegebene Zeitspanne abschaltet und nach Ablauf dieser Zeitspanne versucht, die Lampe erneut zu zünden.
Die Rückstellschaltungsanordnung 120 wird durch den Ausgang des Spannungskomparators getriggert, der das Rückstellsignal 38 erzeugt, welches erfindungsgemäß während einer kompletten Rücksetzung des Systems verwendet wird und bei einem Zustand, in dem die Lampe nicht zündet (z.B. eine offene oder beschädigte Lampe), um diejenigen Funktionskomponenten rückzusetzen, die für ihren korrekten Betrieb den Ausgangszustand erfordern. Wie oben beschrieben wurde, erzeugt der Gleichrichter 2 auch das Dimmspannungssignal 42 über den in 1 dargestellten Spannungsteiler. Das von der Vbus-Detektorschaltung 24 erzeugte Freigabesignal 40 ist ein Triggersignal für solche Komponenten, die das Freigabesignal empfangen, das auf dem Durchlasswinkel basiert (d.h. proportional zu dem Gleichstromwert von VDim 42 ist), der den erfindungsgemäßen Controller 12 normalerweise freigegeben hat. Im Wesentlichen wird VDim mit einer Referenzspannung verglichen, so dass, wenn VDim größer ist als eine voreingestellte Referenzspannung (wie sie von dem Referenzspannungsgenerator erzeugt werden kann), das IC über das Freigabesignal 40 freigegeben wird. Der Gleichrichter 1 (16) erzeugt in dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zwei Signale. Das erste Signal, VBus 82, ist ein Gleichspannungssignal, das die durchschnittliche Leistung an der Quelle des VTriac anzeigt. VBus 82 wird im wesentlichen als eine Schienenspannung für die Inverterschalter 56 verwendet, die die gleichgerichtete Gleichspannung von der das Triac versorgenden Wechselspannungsquelle ist, die sich in Übereinstimmung mit dem an dem Triac eingestellten Dimmwert ändert.
Das andere von dem Gleichrichter 1 erzeugte Signal ist VCC 84, welches die Versorgungsspannung für die Steuerungsschaltungsanordnung ist und gegenüber dem Dimmbereich normalerweise konstant bleibt, da diese Spannung über der Kombination der Zenerdiode und des Kondensators abgenommen wird, wie gezeigt. Es ist anzumerken, dass der Wert von VCC als Eingabe in den Referenzsignalgenerator 48 verwendet wird, der den Referenzwert basierend auf dem Wert von VCC einstellt.
Außer den vorgenannten Komponenten, die für den Vorheizstrom, die Dimmfunktion und die Erzeugung eines Zündstroms und eines Dauerbetriebsstroms für die Lampe sorgen, kann der erfindungsgemäße Controller 12 auch einen Referenzspannungsgenerator 48 aufweisen, der die Referenzspannung oder -spannungen für die Stromkreise erzeugt, die einen Vergleich mit einer Referenzspannung erfordern, wie das vorstehend im Detail beschrieben wurde.
Für den Fachmann ergeben sich zahlreiche Modifikationen, die sämtlich innerhalb des Rahmens der Erfindung erfasst sind. Beispielsweise ist die hierin beschriebene Invertertopologie, welche die A, B, C, D Treiber 54, und die H-Brücken-MOSFETs 56 verwendet, eine Invertertopologie des Vollbrückentyps. Die A, B, C, D Treiber sind jeweils wirksam, um die Gates der 4 H-Brücken-MOSFETs anzusteuern und können eine Cross-Conduction-Schutzschaltungsanordnung aufweisen, um einen Kurzschluss zu verhindern. Der Betrieb einer solchen Treiberschaltungsanordnung im Kontext eines Vollbrücken/H-Brücken-Schaltinverters ist fachbekannt und wird deshalb nicht näher erläutert. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass Halbbrücke, Flyback, Push-Pull und andere verwandte Topologien äquivalent zu der von einer Vollbrücken-Inverterschaltung gebotenen Funktionalität sind und daher bei dem Controller 12 der vorliegenden Erfindung als Äquivalente betrachtet werden. Ähnlich kann die spezielle Schaltungsanordnung für solche Funktionskomponenten des hierin beschriebenen Controllers 12 von 1 durch eine andere Schaltungsanordnung mit Funktionsäquivalenten ersetzt werden.
Wenngleich bei vorliegender Erfindung speziell auf einen Controller für HCFLs (Heißkathoden-Leuchtstofflampen) Bezug genommen wird, ist der erfindungsgemäße Controller gleichermaßen anwendbar auf andere Lampentypen, die sowohl die Möglichkeit eines Heizens als auch eines Dimmens erfordern.

Claims

Elektronisches Vorschaltgerät (10), umfassend: eine variable Spannungsquelle (14, 16), die ein erstes Signal erzeugt, das einen Solldimmwert für eine, Heizdrähte aufweisende Heißkathoden-Leuchtstofflampe anzeigt und ein zweites Signal, welches die mittlere Leistung der variablen Spannungsquelle anzeigt; einen Controller für ein Vorschaltgerät umfassend: eine Steuerungsschaltungsanordnung (12) für den Lampenheizdrahtstrom umfassend eine Steuerungsschaltungsanordnung (26) für den Vorheizstrom, welche einen Vorheizstrom für die Heizdrähte der Lampe erzeugt und eine Steuerungsschaltungsanordnung (28) für den stationären Heizdrahtstrom zum Erzeugen eines stationären Heizdrahtstroms; eine Dimmerschaltungsanordnung um die an die Lampe gelieferte Leistung als Funktion des Wertes des ersten Signals zu verändern; und einen Inverterschaltkreis, der aus dem zweiten Signal ein Wechselstromsignal erzeugt auf der Basis eines Ausgangssignals der Dimmerschaltungsanordnung; und eine Ausgangsschaltungsanordnung, welche an den Ausgang des Inverterschaltkreises gekoppelt ist, umfassend einen offenen, resonanten Schwingkreis, welcher das Wechselstromsignal empfängt und ein sinusförmiges Signal erzeugt, um die Zündleistung und die stationäre Leistung an die Lampe zu liefern, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsschaltungsanordnung (28) für den stationären Heizdrahtstrom ei nen stationären Heizdrahtstrom erzeugt, welcher sich nach einer vorbestimmten Zeitdauer umgekehrt proportional zu dem Solldimmwert verhält.
Elektronisches Vorschaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Inverterschaltkreis ein Vollbrücken-Inverterschaltkreis (54, 56) ist.
Elektronisches Vorschaltgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dimmerschaltungsanordnung einen Burst-Pulslängenmodulations-Signalgenerator (50) umfasst, welcher das erste Signal (42) empfängt und ein Pulslängenmodulations-Dimmsignal proportional zu dem Solldimmwert erzeugt und wobei der Stromrückkopplungsschaltkreis (22) ein Signal empfängt, das den an die Lampe (20) gelieferten Strom anzeigt und das Signal, welches den an die Lampe gelieferten Strom anzeigt, und das Pulslängenmodulationsdimmsignal vergleicht, um ein veränderliches Leistungssteuersignal zu erzeugen, wobei der Inverterschaltkreis das veränderliche Signal zum Steuern der Leistung empfängt und ein Wechselstromsignal proportional zu dem Leistungssteuerungssignal erzeugt durch Invertieren des zweiten Signals.