Bild 1: Blockschaltung eines elektronischen Vorschaltgeräts.International Rectifier
Leuchtstofflampen – einschließlich Kompaktleuchtstofflampen CFL und Leuchtstoffröhren – stellen auch künftig eine äußerst wichtige Energiespartechnologie für den Haushalt sowie für industrielle und kommerzielle Beleuchtungsanwendungen dar. Die Gesetzgebung in der EU und den USA plädiert in ihrer Zielsetzung, den Durchschnitts-Energieverbrauch im Haushalt sowie die CO2-Emissionen durch ein Verkaufsverbot von Energie verschwendenden Glühlampen zu senken, für CFL-Ersatzlampen als eine der wenigen brauchbaren Alternativen zu herkömmlichen Glühbirnen. Die EU erwartet vom Übergang auf energiesparende Lampen bis zum Jahre 2020 die Einsparung des äquivalenten Energieverbrauchs von 11 Millionen Haushalten pro Jahr sowie eine gleichzeitige Verminderung der durchschnittlichen Energiekosten pro Haushalt um jährlich 25 €.
Leuchtstofflampen zeichnen sich nachweislich durch eine lange Lebensdauer sowie einen hohen Wirkungsgrad aus. CFLs kamen erstmals in den 80-er Jahren auf den Markt und verbrauchen im Vergleich zu den bis dahin gebräuchlichen Glühbirnen bekanntermaßen bis zu 80 % weniger Energie bei gleicher Lichtausbeute. Nachdem jedoch die Nachfrage nach energiesparender Beleuchtung zunimmt, sind die Anbieter unter Druck geraten, Lampen mit besserer Performance zu extrem wettbewerbsfähigen Preisen herauszubringen. Ein verbessertes Design der elektronischen Vorschaltgeräte durch verstärkte Integration sowie den Einsatz kleinerer, kostengünstigerer Filterkomponenten ist die Grundlage für ein erfolgreiches Erreichen dieser Zielsetzungen.
Auf einen Blick
Nachdem die Gesetzgeber die Verwendung von energiesparender Beleuchtung anordnen, um den Energieverbrauch und die CO2 -Emissionen zu reduzieren, bietet die CFL-Technologie eine Referenzlösung hinsichtlich Performance und möglichen Energieeinsparungen.
Die Forschung zur Verbesserung der Performance sowie zur Vereinfachung des Designs von elektronischen Vorschaltgeräten für Leuchtstofflampen bringt laufend wertvolle Fortschritte mit sich. Die jüngsten integrierten Control-ICs zur Vorschaltgerätesteuerung mit Frequenz-Dithering-Schaltkreisen auf dem Chip helfen Ingenieuren dabei, die Entwicklung von Vorschaltgeräten, die das gesamte Spektrum von Nennleistungen für Haushalts-Glühbirnen abdecken, wesentlich zu vereinfachen.
Halbleiter-Integration
Die typische Architektur eines elektronischen Vorschaltgeräts umfasst einen Gleichrichter und einen Zwischenkreis-Kondensator, die eine resonante Halbbrücken-Ausgangsstufe zur Lampensteuerung versorgen. Darüber hinaus ist eine EMI-Filterschaltung erforderlich, welche Störungen vom Schalt-Schwingkreis daran hindert, in die Wechselstromleitung rückzukoppeln. Bislang wurde eine diskretes Control-IC- und Treiber-Modul zum Management der Resonanzschaltung verwendet. In Hochleistungs-Vorschaltgeräten, bei denen eine Leistungsfaktorkorrektur (Power-Factor Correction, PFC) unumgänglich ist, wäre auch ein separates Control-IC zur PFC erforderlich.
Die Markteinführung von hoch integrierten Vorschaltgeräte-Controllern, die Logik- und Treiberschaltung vereinen, beispielsweise dem IRS2526DS, hat Entwickler in die Lage versetzt, zahlreiche individuelle Bauelemente wegzulassen und das Vorschaltgeräte-Design zu vereinfachen. In einem ähnlichen Baustein, dem IRS2580DS, ist zudem ein PFC-Steuerschaltkreis auf dem Chip integriert. Dieser stellt auf diese Weise eine Ein-Chip-Lösung in einem kompakten SOIC-Combo8-Gehäuse mit acht Anschlüssen für Hochleistungs-Applikationen dar.
In Bild 1 sind die gängigsten Methoden der Energieversorgung von Leuchtstofflampen bis 26 W dargestellt. Diese Leistungsspanne deckt den gesamten Angebotsbereich von Anwendungen in Haushaltlampen bis zum Äquivalent einer herkömmlichen 100-W-Glühbirne ab und braucht nicht zwingend mit einer PFC ausgestattet zu sein. Das Vorschaltgerät muss auch die Vorheizung des Lampenwendels, die Spannungsregelung der Dauerzündung sowie den End-of-Life-(EOL-)Schutz übernehmen können. Die dargestellte Steuerschaltung kann mithilfe des IRS2526DS implementiert werden, der in einem Mini-8 SOIC8N-Gehäuse untergebracht ist.
Im IRS2526DS ist eine 600-V-Halbbrücken-Steuerschaltung integriert. Diese arbeitet bei einem Tastverhältnis von 50 % mit einer festen, nicht überlappenden Totzeit sowie einer variablen Frequenz zur Ansteuerung der resonanten Lampen-Ausgangsschaltung. Außerdem enthält sie einen hochgenauen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO), der durch einen einzigen Analog-zu-Frequenz-Eingangs-Pin gesteuert wird, mit dem die verschiedenen Betriebsfrequenzen des Vorschaltgeräts eingestellt werden. Eine vollständige Fehlerschutzschaltung zum Schutz gegen solche Bedingungen wie Unterbrechung oder Absinken (Brown-out) der Netzspannung, Nichtzünden der Lampe, Defekt des Lampenwendels oder Ende der Lebensdauer (End-of-Life) ist ebenfalls enthalten.
Der Halbbrückentreiber erzeugt eine Rechteckwelle hoher Spannung zur Versorgung des Resonanzkreises und der Lampe. Die Frequenz der Rechteckwelle beginnt zunächst bei höheren Werten zur Vorheizung der Lampenwendel, dann wird sie durch Resonanz herabgesetzt, um die Lampe zu zünden, und schließlich wird eine niedrigere Frequenz für den Normalbetrieb gewählt. Diese Sequenz wird über den VCO-Eingang gesteuert, der während der Vorheizung bei einer höheren Spannung beginnt und anschließend sanft auf eine niedrigere Spannung zur Zündung und zum Normalbetrieb abgesenkt wird.
Frequenz-Dithering-Technik
Bild 2: Frequenz-Dithering sorgt für effektive Reduzierung der EMI aus dem Halbbrücken-Resonanzkreis.International Rectifier
Der Controller enthält auch eine innovative Technik zur Größen- und Kostenreduzierung des EMI-Filters, indem die durch den Schalt-Schwingkreis generierten elektromagnetischen Störungen verteilt und damit abgesenkt werden. Das geschieht mithilfe einer Frequenz-Dithering-Funktion, welche die Frequenz linear kontinuierlich mit einer vorgegebenen Dithering-Rate über und unter einen Nennpegel variiert. Die Frequenz-Dither-Schaltung, siehe Bild 2, umfasst eine Stromquelle und eine Stromsenke zum Laden und Entladen der VCO-Spannung über und unter den Nennpegel. Die Source- und Sink-Ströme werden durch einen zweiten Oszillator (den Dither-Oszillator) ein- und ausgeschaltet, der bei einer gegebenen Frequenz mit einem Tastverhältnis von 50 % läuft. Die Frequenz des Dither-Oszillators stellt sowohl die gewünschte Rate als auch das zum Verteilen der Betriebsfrequenz erforderliche Dithering, das zur Verminderung der EMI führt, direkt ein.
Vorschaltgeräte-Design
Bild 3: Schaltbild des elektronischen 26-W-Vorschaltgeräts.International Rectifier
Bild 3 zeigt das Schaltbild eines mithilfe des IRS2526DS entwickelten, voll funktionsfähigen 26-W-Vorschaltgeräts. Der Schaltkreis enthält die gesamte Steuerung für die Halbbrücken-Resonanz-Ausgangsstufe und die Lampe. Der VCO-Pin des Controllers stellt die Frequenz des Halbbrücken-Gatetreiber-Ausgangs, die Pins HO und LO ein. Ein Widerstands-Spannungsteiler am VCO-Pin des ICs programmiert die gewünschten Spannungspegel zur Frequenzregelung des internen VCO. Das interne Oszillatorsignal wird anschließend in die High-Side- und Low-Side Gatetreiber-Logikschaltung geleitet, um die richtigen Vorheiz-, Zünd- und Betriebsfrequenzen für die Halbbrücken- und die Resonanz-Ausgangsstufe zu generieren.
Bild 4: Halbbrückenspannung (rote Kurve), Lampenstrom (grüne Kurve) und Lampenspannung (gelbe Kurve) während des Betriebs mit maximalem Dithering und mit minimalem Dithering.International Rectifier
Bei der in Bild 3 gezeigten EMI-Spule handelt es sich um einen Differenz-Induktor (LF) mit einer Einzelwicklung. Das ist verglichen mit der Mehrwicklungs-Gleichtakt-Ausführung, wie sie normalerweise zur ausreichenden Filterung des vom Vorschaltgerät erzeugten Rauschens erforderlich ist, eine einfachere, kostengünstigere Induktorausführung.
Die Wellenformen, die in Bild 4 dargestellt sind, wurden während der Evaluierung des beschriebenen 26-W-Vorschaltgeräts erfasst. Sie zeigen an, dass sowohl die Halbbrücken-Resonanzstufe als auch die Lampe ordnungsgemäß arbeiten. Die Wellenformen enthalten die Halbbrücken-Schaltspannung, die Lampenwechselspannung und den Lampen-Wechselstrom während des Betriebs bei maximalen (linke Wellenformen) und bei minimalen (rechte Wellenformen) Dithering-Frequenzen.
Bild 5: Messergebnisse von leitungsgebundenen elektromagnetischen Störungen bei 9 kHz bis 30 MHz sowie bei 30 MHz bis 300 MHz.International Rectifier
Bild 5 zeigt die Messungen der leitungsgebundenen EMI für ein breites Spektrum der gemessenen Frequenzen, von 9 kHz bis 300 MHz. Die Ergebnisse bestätigen, dass die Schaltung bei Verwendung von lediglich einer Einzelwicklungs-Filterspule die richtige Leuchtstofflampenregelung bieten kann, bei der die leitungsgebundene EMI unter den zulässigen Grenzwerten bleibt.
Peter Bredemeier
Tom Ribarich
(jj)
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