Ansteuer-IC für elektronische Lampenvorschaltgeräte
Ein Lichtlein brennt
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Ein Lichtlein brennt
Energiefluss, verkürzt sich die Einschaltdauer weiter bis auf 0,4 µs, gleichzeitig verlängert sich die Ausschaltdauer über den Zeitpunkt der Nullstromerkennung hinaus. Es entsteht also ein lückender dreieckförmiger Stromverlauf (Discontinuous Conduction Mode). Dieses Steuerverfahren erlaubt eine stabile Betriebsweise des Hochsetzstellers über einen weiten Eingangsspannungsund Lastbereich. Die Regelung der Zwischenkreisspannung erfolgt beim ICB1FL01G durch einen digitalen PI-Regler mit einem vollständig im IC integrierten digitalen Filter, welcher die doppelte Netzfrequenz in der Regelschleife unterdrückt.
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Schutzfunktionen
Mit dem Pin PFCCS verfügt der Hochsetzsteller über eine Überstrombegrenzung, und über den Pin PFCVS regelt er Schwankungen der Zwischenkreisspannung aus und erkennt Überspannung, Unterspannung sowie einen offenen Regelkreis. Einen Überstrom erkennt der Wechselrichter, sobald der Pegel am Pin LSCS die Schwelle von 1,6 V länger als 400 ns überschreitet. Schon bei einmaligem Auftreten wechselt das IC in den Fehlerzustand. Wenn der Wechselrichter im Nennbetrieb vom typischen Schalten bei Nullspannung abweicht, sodass beim Einschalten der MOSFETs Spitzenströme zum Beispiel durch die schlagartige Umladung des Ladungspumpenkondensators C16 entstehen, erkennt der Controller diesen Betriebsfall als kapazitive Belastung. Ein solcher Betriebszustand kann beispielsweise beim Entfernen der Lampe auftreten.
Der ICB1FL01G unterscheidet zwei verschiedene Arten von kapazitiver Belastung. In dem ersten Fall erfolgt noch eine teilweise Umladung von C16. Dieser Zustand ist weniger kritisch, weshalb der Baustein hier erst dann in den Fehlerzustand wechselt, wenn dieser Fehler mindestens 500 ms lang andauert. In dem zweiten Fall lädt der MOSFET den Kondensator C16 vollständig um. Möglicherweise wird auch die Invers-Diode des MOSFET unter Stromfluss kommutiert. In solch einem kritischen Betriebsfall wechselt das IC bereits nach 605 µs in den Fehlerzustand.
Schließlich entstehen noch gefährliche Betriebszustände, wenn die Leuchtstofflampe das Ende ihres Lebens erreicht oder infolge unzulässiger Betriebsbedingungen thermisch instabil wird. Als Folge davon treten unsymmetrische oder überhöhte Lampenspannungen auf. Deshalb messen die Widerstände R31, R32, R33 die Lampenspannung, indem der Strom durch diese Widerstände am Pin LVS ausgewertet wird. Die Abschaltschwelle wegen Überschreiten der maximalen Lampenspannung ist erreicht, wenn der Strom durch diese Widerstände mehr als ±230 µA beträgt. Beim Gleichrichtereffekt treten unsymmetrische Amplituden der Lampenspannung auf. Den am Pin LVS gemessenen positiven und negativen Spitzenwert setzt der Controller zueinander ins Verhältnis; sobald dieser Wert größer als 1,15 oder kleiner als 0,85 ist, erkennt der Baustein den Gleichrichtereffekt. Wenn diese beiden Fehlerereignisse ununterbrochen andauern, wechselt der ICB1FL01G nach 500 ms in den Fehlerzustand.
Infineon Technologies
Telefon 089/23 42 44 53
Fax 089/23 42 35 06
Finepower
Telefon 089/63 89 09 90
Fax 089/63 89 09 95
Autoren
Michael Herfurth ist Principal des Technischen Marketing Consumer Products im Geschäftsfeld Power Management & Drives von Infineon Technologies,
Dieter Zipprick ist im Application & Engineering von Finepower tätig
Ralf Higgelke, DESIGN&ELEKTRONIK
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Der Wechselrichter startet mit einer Betriebsfrequenz von 120 kHz (Bild 3). Innerhalb von 10 ms verändert sich die Frequenz in 16 Schritten auf die mit dem Widerstand R22 einstellbare Vorheizfrequenz. Dort verweilt die Betriebsfrequenz des Wechselrichters für die Dauer der mit Widerstand R23 zwischen Null und 2000 ms einstellbaren Vorheizzeit. Anschließend ändert sich die Betriebsfrequenz in 128 Schritten und in einer Zeitspanne von 40 ms von der Vorheizfrequenz auf die mit dem Widerstand R21 einstellbare Nennfrequenz.
Mit dem ersten Ansteuersignal wird der Low-Side-MOSFET Q3 in der Halbbrücke eingeschaltet. Der schwebende Kondensator C14, welcher die auf dem High-Side-Potenzial liegende Steuerlogik wie eine Batterie versorgt, wird aus dem Kondensator C13 über R30 und D6 aufgeladen. Am Ausgang des Halbbrücken-Wechselrichters wirkt der Kondensator C16 zusammen mit den Dioden D7, D8 wie eine Ladungspumpe, um das IC über C13 zu versorgen. Außerdem begrenzt C16 den Spannungsanstieg und bewirkt, dass der Controller stets im spannungslosen Zustand schaltet (Nullspannungsschaltbetrieb). Im Nennbetrieb wird C16 in der Tastlücke der MOSFETs Q2, Q3 vom induktiv getriebenen Strom des Lastkreises verlustfrei umgeladen, sodass der nachfolgende Einschaltvorgang am MOSFET bei Spannung Null erfolgt. Beim Ausschaltvorgang begrenzt C16 den Spannungsanstieg derart, dass der MOSFET-Kanal schon gesperrt ist, bevor die Drain-Source- Spannung nennenswert ansteigt. Daher lassen sich im Nennbetrieb die Schaltverluste des Wechselrichters vernachlässigen.
Der Lastkreis des Wechselrichters besteht aus einem Serienschwingkreis mit Resonanzdrossel L2 und dem Resonanzkondensator C20. Die Leuchtstofflampe ist parallel zum Resonanzkondensator angeschlossen. Für eine spannungsgesteuerte Vorheizung sind auf der Resonanzdrossel L2 zwei weitere Wicklungen aufgebracht, sodass jede über einen Bandpass, der aus L21, C21 bzw. L22, C22 besteht, die Heizwendeln mit Strom versorgt. Der Bandpass sorgt dafür, dass die Heizwendeln nur in der Vorheizphase bei einer einstellbaren Vorheizfrequenz Strom erhalten.
In der Zündphase entsteht an der Lampe infolge des Schwingkreises eine hohe Spannung und ein hoher Schwingkreisstrom (Bild 4), welchen die Widerstände R24 und R25 überwachen. Sobald die Spannung am Pin LSCS einen Pegel von 0,8 V überschreitet, wird die Betriebsfrequenz des Wechselrichters um einige Frequenzschritte erhöht. Als Resultat dieser Maßnahme verlängert sich bei zündunwilliger Lampe die Zündphase von 40 ms auf bis zu 235 ms, während die Spannung an der Lampe mit einer gewissen Welligkeit auf dem Niveau der Zündspannung verbleibt. Wird die Nennbetriebsfrequenz nicht innerhalb von 235 ms nach dem Ende der Vorheizzeit erreicht, wechselt der ICB1FL01G in den Fehlerzustand. Ein Neustart erfolgt entweder beim Wechseln der Lampe oder nach erneutem Aus- und Einschalten der Netzspannung.
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- Aktives Oberschwingungsfilter
