Fehlererfassung in einem Betriebsgerät für Leuchtmittel

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Betriebsgeräte für Leuchtmittel. Typische Beispiele sind dabei elektronische Vorschaltgeräte zum Betrieb von Gasentladungslampen, Hochdrucklampen, Leuchtdioden etc. Allgemein ist es Aufgabe dieser Betriebsgeräte, das zugeordnete Leuchtmittel mit einer VersorgungsSpannung mit angepasster Spannung und/oder Frequenz zu versorgen.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Betriebsgeräte mit Steuereinheiten, denen bspw. abhängig von der Konfiguration des Betriebsgeräts unterschiedliche Messignale zur Erfassung eines Fehlerzustands der Leuchtmittel zuführbar sind.

Wie im folgenden am Beispiel des Leuchtmittels „Entladungslampe" erläutert werden wird, gibt es Fehlerzustände, die sich in unterscheidbaren Messignalen ausdrücken :

Am Ende der Lebensdauer einer Gasentladungslampe stellt sich oft ein Gleichrichtereffekt ein, d.h. der Verlauf der Lampenspannung ist nicht mehr symmetrisch um die Nulllinie, sondern vielmehr verschoben zu dieser.

Wie bei anderen Lampen auch, tritt bei Gasentladungslampen aufgrund von Abnutzungserscheinungen der Heizwendeln am Lebensdauerende der Gasentladungslampe der Effekt auf, dass sich die Lampenelektroden mit der Zeit ungleichmässig abnutzen, d.h. die Abtragung der Emissionsschichten auf den Lampenelektroden ist unterschiedlich .

Aufgrund dieser unterschiedlichen Abnutzung der Lampenelektroden entstehen Unterschiede im Emissionsvermögen der beiden Lampenelektroden.

Dieses unterschiedliche Emissionsvermögen führt dazu, dass in der entsprechenden Gasentladungslampe von der einen Lampenelektrode zu der anderen Lampenelektrode ein höherer Strom fliesst als umgekehrt, so dass der zeitliche Verlauf des Lampenstroms während einer Halbwelle eine überhöhung aufweist. Durch die unterschiedliche Abtragung der beiden Lampenelektroden entstehen somit Asymmetrien, die nicht nur ein stärkeres Lichtflimmern am Lebensdauerende der Gasentladungslampe hervorrufen, sondern sogar im Extremfall einen Betrieb der Gasentladungslampe nur während einer Halbwelle, d.h. während der überhöhten Halbwelle zulassen. Die Gasentladungslampe wirkt gleichsam wie ein Gleichrichter, so dass der zuvor beschriebene Effekt als "Gleichrichteffekt" bezeichnet wird.

An derjenigen Lampenelektrode, die sich im Lauf der Zeit stärker abgenutzt hat, ist die Austrittsarbeit für die Elektronen höher als an der weniger stark abgenutzten Elektrode.

Als Austrittarbeit wird allgemein die Minimalenergie bezeichnet, die erforderlich ist, um ein Elektron aus einem Metall, im vorliegenden Fall aus der

Lampenelektrode, herauszuziehen. Die Dipolschicht an der Oberfläche des Metalls, d.h. der Lampenelektrode, ist dabei ein wichtiger Faktor für die Bestimmung der Austrittsarbeit .

Die stärker abgenutzte Lampenelektrode, die eine höhere Austrittsarbeit für die Elektronen aufweist, erhitzt sich folglich bei Inbetriebnahme der Gasentladungslampe stärker als die weniger stark abgenutzte Elektrode. Die

Erhitzung der Lampenelektrode kann insbesondere bei

Lampen mit geringem Durchmesser so stark werden, dass sogar Teile des Lampenglaskolbens schmelzen können. Um die aus der Erhitzung des Lampenglaskolbens resultierende

Unfallgefahr während des Betriebs der Gasentladungslampe zu vermeiden, muss folglich der Gleichrichteffekt erkannt und ggf. die Gasentladungslampe abgeschaltet oder deren Leistungsaufnahme verringert werden.

Indessen ist zu unterscheiden zwischen einem sich langsam einstellenden Gleichrichtereffekt am Ende der Lebensdauer einer Lampe und einem sich im Verhältnis dazu sehr schnell einstellenden Gleichrichtereffekt, der auch als 'harter Gleichrichtereffekt' bezeichnet wird. Diese harte Gleichrichtereffekt muss erkannt werden und es müssen unverzüglich Gegenmassnahmen ergriffen werden, da im Zuge dieses harten Gleichrichtereffekts sehr hohe Spannungen an der Lampe auftreten können. Auf jeden Fall besteht die Anforderung an ein Vorschaltgerät, dass sowohl für den schleichenden wie auch für den schnell auftretenden Gleichrichtereffekt Gegenmaßnahmen vorgesehen sind.

Die Vorschriften hinsichtlich des schleichenden Gleichrichtereffekt sind auf die Lampenleistung gerichtet, d.h. bei auftretendem schleichenden Gleichrichtereffekt darf sich die Lampenleistung prozentual nur in einem bestimmten Bereich von der Sollleistung entfernen.

Dagegen ist beim schnellen Gleichrichtereffekt der Spannungspeak, der einen vorgeschriebenen Sollwert nicht überschreiten darf.

Besonders wichtig ist diese Erkennung natürlich beim Anliegen der Zündspannung, die ja wesentlich höher ist als die Brennspannung der Lampe.

Der harte bzw. schleichende Gleichrichtereffekt sind nur Beispiele, wie bei einem Betriebsgerät für Leuchtmittel unterschiedliche Fehler erkannt werden müssen, um bei Bedarf geeignete Gegenmassnahmen zu treffen.

Aus der WO9934647 ist bereits die Erkennung des in einer Gasentladungslampe auftretenden Gleichrichteffekts bekannt. Dabei wird zum Erkennen des Gleichrichteffekts, die an einer zu überwachenden Gasentladungslampe anliegende Lampenspannung oder eine davon abhängige Grosse erfasst und integriert, wobei auf das Vorliegen eines Gleichrichteffekts geschlossen wird, falls als das Integrationsergebnis von einem bestimmten Sollwert abweicht .

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nunmehr, eine Technik bereitzustellen, die es ermöglicht, anhand eines

Rückführsignals von dem Leuchtmittel (oder des das Leuchtmittel aufweisenden Lastkreises) unterschiedliche Fehlertypen zu diskriminieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüche niedergelegt .

Gemäss einem ersten Aspekt der Erfindung ist eine Steuerschaltung für ein Betriebsgerät für Leuchtmittel vorgesehen. Von dem Leuchtmittel wird dabei ein Rückführsignal einem Eingang der Steuerschaltung zugeführt . Die Steuerschaltung weist einen Fehlererkennungsblock auf, der anhand des an diesem Eingang anliegenden Rückführsignals wenigstens zwei unterschiedliche Typen an Leuchtmittelfehlern erkennt.

Der Fehlererkennungsblock kann das Rückführsignal anhand wenigsten zweier unterschiedlicher Kriterien auswerten.

Das Rückführsignal kann in der Steuerschaltung einem Komparator zugeführt werden, um mit einem Referenzwert verglichen zu werden. Der Fehlererkennungsblock kann das Tastverhältnis des Komparators anhand wenigsten zweier unterschiedlicher Kriterien auswerten.

Die Kriterien können wenigstens eines sein von:

- Dauer der Abweichung des Tastverhältnisses von einem Sollwert, insbesondere 50%, und

- Betrag der Abweichung des Tastverhältnisses von einem Sollwert, insbesondere 50%.

Das Kriterium „Dauer der Abweichung" kann mittels Tiefpassfilterung oder Integration des das Tastverhältnis wiedergebenden Signals in dem Fehlererkennungsblock implementiert sein.

Das Kriterium „Betrag der Abweichung" kann mittels des das Tastverhältnis wiedergebenden Signals mittels eines Schwellenwertvergleichs in dem Fehlererkennungsblock implementiert sein.

Der Fehlererkennungsblock kann die beiden folgenden Kriterien anwenden:

- eine geringe Abweichung des Tastverhältnisses von einem Sollwert, insbesondere 50%, über einen längeren Zeitraum wird als Fehler erkannt, und

- eine im Vergleich dazu grosse Abweichung des Tastverhältnisses von einem Sollwert, insbesondere 50%, in einem im Vergleich dazu kurzen Zeitraum wird als Fehler erkannt.

Das Rückführsignal kann die Lampenspannung oder eine davon abhängige Grosse sein.

Das Leuchtmittel kann insbesondere eine Entladungslampe sein.

Die Steuerschaltung kann mittels eines Ausgangssignals einen Wechselrichter ansteuern an dem ein die Lampe enthaltender Lastkreis angeschlossen ist.

Die Steuerschaltung kann dazu ausgelegt sein, bei Erkennung wenigstens eines Fehlertyps ein Signal auszugeben, das den Wechselrichter abschaltet.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Fehlertyperkennung in einer Steuerschaltung für ein Betriebsgerät für Leuchtmittel, wobei anhand eines mittels eines Rückführsignals von dem Leuchtmittel erfassten Parameters des Leuchtmittels wenigstens zwei unterschiedliche Typen an Leuchtmittelfehlern erkannt werden, wobei die unterschiedlichen Fehlertypen erkannt werden, indem das Rückführsignal anhand wenigsten zweier unterschiedlicher Kriterien auswertet wird.

Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der Erfindung sollen nunmehr bezugnehmend auf die Figuren der begleitenden Zeichnungen erläutert werden.

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer digitalen integrierten Steuerschaltung

(Controller) , an die ein Lastkreis angeschlossen ist, der Leuchtmittel enthält,

Fig. 2 zeigt den Signalverlauf für den Fall eines schleichenden Gleichrichtereffekts, und

Fig. 3 zeigt den Signalverlauf für den Fall eines schnellen Gleichrichtereffekts.

Die Erfindung soll nunmehr bezugnehmend auf die Schaltung von Figur 1 erläutert werden.

In Fig. 1 ist schematisch mit dem Bezugszeichen 1 ein Lastkreis bezeichnet. Diesem Lastkreis 1 wird eine im wesentlichen konstante (optional auf einen Sollwert geregelte) Zwischenkreisspannung (Busspannung) V _bus zugeführt, wobei diese Busspannung eine DC-Spannung ist. Genauer gesagt wird diese Busspannung einer Halbbrückenschaltung zugeführt, die schematisch mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet ist und die zwei wechselseitig getaktete Schalter 3, 4 aufweist. Vorzugsweise sind diese Schalter 3, 4 MOSFETs.

An dem Mittenpunkt 5 der Halbbrückenschaltung 2 ist der eigentliche Lastkreis angekoppelt, wobei der Lastkreis eine Serienresonanzschaltung bestehend aus einer Drossel 6 und einem Kondensator 7 sowie einem Koppelkondensator 8 aufweist .

Parallel zu dem Resonanzkondensator 7 sind Leuchtmittel 9 angeschlossen, die beispielsweise eine Gasentladungslampe, eine oder mehrere Hochdrucklampen oder Leuchtdioden sein können. Wie in der Figur 1 schematisch dargestellt können diese Leuchtmittel insbesondere eine frequenzabhängige Kennlinie aufweisen. Daher kann die Frequenz der VersorgungsSpannung für die Leuchtmittel 9, die die Halbbrückenschaltung ausgehend von der DC-BusSpannung erzeugt, zur Einstellung der Leistung der Leuchtmittel 9 dienen.

Die Leistungssteuerung kann auch über Einstellung des Tastverhältnisses erfolgen (PWM-Modulation) .

In Figur 1 ist dargestellt, dass die Lampenspannung VL (t) über einen Spannungsteiler 22, 23 parallel zu der

schematisch als variabler Widerstand dargestellten Lampe 9 abgegriffen und einem Pin 11 der integrierten Schaltung 12 zurückgeführt wird.

über einen Messwiderstand Rs in Serie zu dem potentialniedrigeren Schalter 4 des Wechselrichters 2 kann der Wechselrichterstrom erfasst und zur Steuereinheit 12 zurückgeführt werden.

Alternativ oder zusätzlich kann auch der Lampenstrom selbst erfasst und zur Steuereinheit 12 werden.

Schliesslich können zu der Steuereinheit 12 auch Parameter aus einem Zwischenkreis (nicht dargestellt) zurückgeführt werden, der die einen aktiven PFC aufweisen kann und die Spannung VBUS bereitstellt. Die Steuereinheit 12 kann auch aktive Bauteile des Zwischenkreises, insbesondere einen Schalter des aktiven PFCs ansteuern, um eine (digitale) Zwischenkreisregelung durchzuführen.

Die Steuerschaltung soll nunmehr in der Lage sein, anhand des Rückführsignals VL (t) unterschiedliche Typen an Fehlern der Leuchtmittel 9 erkennen zu kennen. Diese Rückführsignal kann bspw. auch eine von der Lampenspannung abhängige Grosse sein.

Insbesondere kann die Steuerschaltung dazu ausgebildet sein, zwei unterschiedliche Effekte in dem Rückführsignal zu erkennen:

ein kurzzeitiges überschreiten des Spitzenwerts der Lampenspannung im Fall des schnellen Gleichrichtereffekts, und

- eine geringe Abweichung vom symmetrischen Lampenspannungsverlauf über eine längere Zeitdauer hin für den Fall des schleichenden Gleichrichtereffektes .

Zur Diskriminierung der beiden oben angeführten Ereignisse wird in der Steuerschaltung das an dem Pin 11 zugeführte Rückführsignal einem Komparator K zugeführt, der es mit einer Referenzspannung Vref vergleicht. Das Ergebnis des Vergleichs wird einer Tastverhältnis- Auswerteeinheit 13 zugeführt, die von dem Systemtakt 17 getaktet wird. Das Tastverhältnis kann bspw. ermittelt werden, indem in der Einheit 13 ein Digitalzähler vorgesehen wird, der bspw. bei dem Ausgang logisch NULL des Komparators abwärts zählt und bei dem Ausgang logisch EINS aufwärts zählt. Am Ende einer Periode der Ansteuerung des Wechselrichters 2 stellt dann die Abweichung des Zählerstands von seinem Ausgangsstand ein Mass für die Abweichung des Tastverhältnisses von 50% dar. Wie schematisch in Figur 1 dargestellt wird der Zähler nach jeweils einer Wechselrichter-Periode wieder zurückgesetzt (initialisiert) .

Der Tastverhältnis-Abweichungswert der zurückliegenden Wechselrichter-Periode wird dann wenigstens zwei parallelen Logik-Auswertungszweigen zugeführt, die jeweils zu einer Lampenabschaltung bei erkanntem schleichenden (Langsame EOLL Erkennung) bzw. schnellen (schnelle EOLL Erkennung) Gleichrichtereffekt ausgebildet

sind. „EOLL" steht dabei für „End of Lamp Life" (Ende der Lampenlebensdauer) .

Bei Erkennung eines der beiden Fehlertypen können vergleichbare oder auch unterschiedliche Gegenmassnahmen getroffen werden. Insbesondere kann als Gegenmassnahme die Ansteuerung der Leuchtmittel verändert werden

(Fehlerbetriebsmodus) . Im dargestellten Beispiel wird bei einer Fehlererkennung der Wechselrichter (Halbbrücken) - Treiber 16 angesteuert, so dass dieser den Wechselrichter

2 in einem Fehlermodus betriebt, der bspw. in einer

Abschaltung des Wechselrichters und somit der Lampe besteht .

Zur Erfassung des schleichenden Gleichrichtereffektes wird eine kleine Abweichung eines zeitlich stark gefilterten Signals beurteilt, während bei dem Zweig zur Erfassung des schnellen Gleichrichtereffekts eine verhältnismäßig große aber nur kurzzeitig und somit einem ungefilterten Signal auftretende Abweichung erfasst wird.

Aufgrund dieser unterschiedlichen Zeitkonstanten wird vorzugsweise die Erfassung des schleichenden Gleichrichtereffekts durch einen MikroController durchgeführt, während die zeitkritische Erfassung des schnellen Gleichrichtereffekts bevorzugt durch eine Hardwarelogik (bspw. ASIC) ausgeführt wird.

Zur Erfassung des schleichenden Gleichrichtereffekts wird daher das Tastverhätnis (Duty cycle) des Ausgangssignals des Komparators tiefpaßgefiltert (entspricht einer Integration) , so dass sich nur langfristige Abweichungen zu einem Wert oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts

akkumulieren und somit eine Fehlerabschaltung (oder eine andere Fehler-Gegenmassnahme) auslösen können.

Während die Abschaltzeitkonstante für den schleichenden Gleichrichtereffekt bpsw. im Bereich von Millisekunden liegt (d.h. solange muss die Abweichung in der Symmetrie des Lampenspannungssignal vorliegen, um zu einer

Abschaltung zu führen) ist die entsprechende

Zeitkonstante bei dem Block zur Erkennung des schnellen Gleichrichtereffekts im Bereich von einigen lOOμs.

Wie oben bereits ausgeführt, sind die einen Korridor definierenden Schwellenwerte für die zulässige Abweichung des tiefpaßgefilterten Signals zur Erkennung des schleichenden Gleichrichtereffekts verhältnismäßig eng gesetzt .

Dagegen sind die zulässigen Abweichungen des Tastverhältnisses zur Erfassung des schnellen Gleichrichtereffekts verhältnismäßig breit gesetzt, da ja verhältnismäßig große Spitzenwertabweichungen erfasst werden sollen, die innerhalb einer kurzen Zeitdauer auftreten.

Allgemein sieht die Erfindung also vor, dass anhand des Tastverhältnisses des LampenspannungsSignals unterschiedliche Fehlertypen der Lampe erkannt werden können, in dem das Tastverhältnis unterschiedlichen Bewertungskriterien unterzogen wird. Die verschiedenen Fehlerereignisse können also durch unterschiedliche zeitliche Diskriminierung sowie unterschiedliche Schwellenwertvorgaben für den Zählerstand unterschieden werden.

Allgemein kann als bei der Erfindung ein einziges Signal zur Fehlerabschaltung dahingehend ausgewertet werden, ob eine große Abweichung innerhalb einer kurzen Zeitdauer und/oder eine kleine Abweichung während einer großen Zeitdauer auftritt.

Es kann indessen auch vorgesehen sein, dass nicht ein einziger Komparator K vorgesehen ist, sondern dass Rückführsignal durch mehrere Komparatoren mit unterschiedlichen Referenzsignalen verglichen wird.

In Fig. 2 ist dargestellt, wie die Signale bei dem Auftreten eines sogenannten langsamen oder auch schleichenden Gleichrichtereffekts gemäß der Schaltung von Fig. 1 auftreten und verarbeitet werden. Die Lampenspannung VLL (t) wird über einen Spannungsteiler 22, 23 parallel zu der schematisch als variabler Widerstand dargestellten Lampe 9 abgegriffen und einem Pin 11 der integrierten Schaltung 12 zurückgeführt. Während die Lampenspannung VLL (t) einen Pegel von bspw. 400 V hat, wird das überwachte Signal Vl (t) durch den Spannungsteiler 22, 23 in einem Verhältnis von bspw. ca. 400:1 herabgesetzt, damit das Signal von der Steuerlogik 12 auf einem für diese verarbeitbaren Pegel erfaßt werden kann. Zur Diskriminierung der beiden oben angeführten Ereignisse wird in der Steuerschaltung das an dem Pin 11 zugeführte Rückführsignal einem Komparator K zugeführt, der es mit einer Referenzspannung Vref vergleicht und ein Ausgangssignal C (t) generiert.

Zur Erfassung des schleichenden Gleichrichtereffekts wird daher das Tastverhältnis (Duty cycle) des Ausgangssignals

C (t) des Komparators tiefpaßgefiltert (entspricht einer Integration) , so dass sich nur langfristige Abweichungen zu einem Wert oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts akkumulieren und somit eine Fehlerabschaltung (oder eine andere Fehler-Gegenmassnahme) auslösen können.

In Fig. 3 ist dargestellt, wie bei einem schnellen

Gleichrichteffekt aufgrund der großen

Spitzenwertabweichung eine dauerhafte Abweichung signalisiert und der Auswerteeinheit 13 zugeführt wird.