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DE10259069B4 - Resonant converter and method for driving variable loads - Google Patents

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DE10259069B4 DE2002159069 DE10259069A DE10259069B4 DE 10259069 B4 DE10259069 B4 DE 10259069B4 DE 2002159069 DE2002159069 DE 2002159069 DE 10259069 A DE10259069 A DE 10259069A DE 10259069 B4 DE10259069 B4 DE 10259069B4
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voltage
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Gunther LÖHMANN
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Priority to PCT/EP2003/014427 priority patent/WO2004055961A2/en
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Abstract

Resonanzkonverter zum Treiben von veränderlichen Lasten, mit folgenden Merkmalen:
einem Piezotransformator (105) mit einem Eingangstor und einem Ausgangstor zum Liefern eines Ausgangssignals zum Treiben der veränderlichen Last (107);
einem Schalter (103) zum Liefern eines Eingangssignals aus einer Quelle (101) an das Eingangstor des Transformators (105);
einer Eingangsdrossel (201), welche zwischen der Quelle (101) und dem parallel zum Eingangstor des Piezotransformators (105) angeordneten Schalter (103) geschaltet ist;
einer Steuereinrichtung (109) zum Steuern einer Schaltfrequenz des Schalters;
wobei der Piezotransformator (105) derart dimensioniert und beschaltet ist, daß bei Lieferung einer Nennleistung an die veränderliche Last (107), ein Spannungsabtransformationsverhältnis zwischen Eingangssignal und Ausgangssignal von 1,5:1 bis 5:1 beträgt; und
wobei die Steuereinrichtung (109) zum Steuern der Schaltfrequenz des Schalters (103) auf der Basis einer Phasenverschiebung zwischen einem Schalterstrom und einem Laststrom bei veränderlicher Last und/oder veränderlicher Eingangsspannung ausgelegt ist.
Resonant converter for driving variable loads, having the following features:
a piezo transformer (105) having an input port and an output port for providing an output signal for driving the variable load (107);
a switch (103) for providing an input signal from a source (101) to the input port of the transformer (105);
an input inductor (201) connected between the source (101) and the switch (103) arranged in parallel with the input port of the piezo transformer (105);
a controller (109) for controlling a switching frequency of the switch;
wherein the piezotransformer (105) is sized and connected such that when a nominal power is supplied to the variable load (107), a voltage-to-voltage ratio between the input signal and the output signal is from 1.5: 1 to 5: 1; and
wherein the control means (109) is arranged to control the switching frequency of the switch (103) based on a phase shift between a switch current and a load current at variable load and / or varying input voltage.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Schaltnetzteil zum Treiben von veränderlichen ohmisch-kapazitiven oder ohmisch-induktiven Lasten, das einen Resonanzkreis, einen elektromechanischen Energiewandler, einen Schalter sowie eine Steuereinrichtung aufweist.The The present invention relates to a switching power supply for driving of changeable ohmic-capacitive or ohmic-inductive loads, a resonant circuit, an electromechanical Energy converter having a switch and a control device.

Schaltnetzteile mit oder ohne Resonanzkreis kommen meist nicht ohne induktive elektromagnetische Bauelemente aus. Zur Erzielung eines verlustarmen Schaltbetriebs können solche Schaltungen nur bis zu einer bestimmten Maximalfrequenz und nur mit resonanten induktiven Elementen oder breitbandigen Transformatoren oder Induktivitäten betrieben werden. Derartige Komponenten sind volumenintensiv und verursachen einen signifikanten Kostenanteil am gesamten Gerät.Switching Power Supplies with or without resonant circuit usually do not come without inductive electromagnetic Components out. To achieve a low-loss switching operation can such circuits only up to a certain maximum frequency and only with resonant inductive elements or broadband transformers or inductors operated become. Such components are volume-intensive and cause a significant share of the cost of the entire device.

Beispielsweise ist eine selbst- oder fremderregte Halbbrückenschaltung anzuführen, die mit Bipolartransistoren, Reversdioden, einem Serienresonanzkreis sowie induktiver Basisrückkopplung arbeitet. Eine beispielhafte Ausführungsform einer derartigen Halbbrückenschaltung ist in folgender Schrift (1) offenbart: S. Lowbridge, M. Maytum, K. Rutgers, „Electronic Ballasts for Fluorescent Lamps Using BUL 770/791 Transistors" (Texas Instruments, 1992). Dabei ist der Lastkreis vorwiegend induktiv ausgeprägt, wodurch ein verlustarmes Schalten in verschiedenen Lastfällen möglich wird. Diese Schaltung kann man auch als einen Verstärker der Klasse D einordnen. Sie hätte selbst unter Verwendung von minoritätsladungsfreien MOS-Transistoren (MOS; MOS = Metal-Oxid Semiconductor) den Nachteil kapazitiver Ausräumverluste, da die Schalter unter Spannung eingeschaltet werden müssen, falls nicht eine ausgangsseitige Resonanzdrossel die Spannung bei einem Einschalten etwa auf Null über einem jeweiligen Schalter ansteigen läßt. Somit wird das Nullspannungsschalten (ZVS; ZVS = Zero Voltage Switching), das sich dadurch auszeichnet, dass beim Schalten eine Spannung über einem Leistungshalbleiter vor und während eines Schaltvorgangs zu Null gemacht wird, durch eine ausreichend große (Resonanz-) Induktivität am Lastkreis erreicht.For example is a self-or externally excited half-bridge circuit to cite the with bipolar transistors, reverse diodes, a series resonant circuit as well as inductive base feedback is working. An exemplary embodiment of such Half-bridge circuit is disclosed in the following specification (1): S. Lowbridge, M. Maytum, K. Rutgers, "Electronic Ballasts for Fluorescent Lamps Using BUL 770/791 Transistors "(Texas Instruments, 1992). The load circuit is predominantly inductive, whereby a low-loss switching in different load cases is possible. This circuit can one also as an amplifier class D class. She had even using minority charge-free MOS transistors (MOS, MOS = Metal Oxide Semiconductor) the disadvantage of capacitive clearances, because the switches must be switched on under voltage, if not an output side resonance choke the voltage at a Turn on about zero above a respective one Switch rises. Consequently will Zero Voltage Switching (ZVS), which is characterized in that when switching a voltage across a Power semiconductors before and during a shift is made to zero, by a sufficient size (Resonance) inductance reached at the load circuit.

Weiterhin gibt es HF-Verstärker (HF; HF = Hochfrequenz) der Klasse E mit nur einem Schalter und einem hohen Wirkungsgrad. Ein Ausführungsbeispiel einer derartigen Schaltung ist in der folgenden Schrift (2) veröffentlicht: N. O. Sokal, A. D. Sokal, „Class E – A New Class of High Efficiency Tuned Single-Ended Switching Power Amplifiers", (IEEE, Journal of Solid-State Circuits, Vol. SC-10, Nr. 3, Juni 1975). Derartige Verstärker werden vorwiegend als Sendeverstärker benutzt und dabei mit einem extern erzeugten Takt bei einer optimalen Einschaltzeit betrieben. Die Einschaltzeit beträgt meistens etwa eine halbe Periodendauer (D = 0,5 entspricht Optimum). D bezeichnet dabei die relative (d.h. auf eine Periodendauer bezogene) Einschaltzeit. Diese Schaltung benötigt ebenfalls eine Resonanzinduktivität im Lastkreis, erreicht jedoch das Nullspannungsverhalten (ZVS) parallel zu einer ausreichend großen Kapazität. Während bei einer Halbbrückenschaltung die parallele Kapazität zum Schalter möglichst klein gewählt wird, um das Nullspannungsverhalten (ZVS) problemlos durch eine Resonanzinduktivität zu erreichen, wird bei der genannten Schaltung der Klasse E diese Parallelkapazität so groß wie möglich gemacht, um die maximale Spannung über dem Schalter während des Ausschaltens so klein wie möglich zu halten. Wird die Kapazität jedoch zu groß gewählt, so kann die Spannung nicht mehr auf Null zurückkehren, und es treten unzulässige Einschaltverluste auf.Farther There are RF amplifiers (RF, RF = high frequency) Class E with only one switch and a high efficiency. An embodiment of such Circuit is published in the following document (2): N.O. Sokal, A. D. Sokal, "Class E - A New Class of High Efficiency Tuned Single-Ended Switching Power Amplifiers ", (IEEE, Journal of Solid State Circuits, Vol. SC-10, No. 3, June 1975). Such amplifiers become predominantly as transmission amplifiers used and thereby with an externally generated clock at an optimal On-time operated. The switch-on time is usually about half a time Period duration (D = 0.5 corresponds to optimum). D denotes the relative (i.e., on period duration) on-time. These Circuit needed also a resonance inductance in the load circuit, but achieved the zero-voltage behavior (ZVS) parallel to a sufficiently large capacity. While at a half-bridge circuit the parallel capacity as possible to the switch chosen small is to the zero-voltage behavior (ZVS) easily by a resonance to achieve this, the class E is called this parallel capacitance as big as possible made to the maximum voltage across the switch during the Turn off as small as possible to keep. Will the capacity However, too big, so can the voltage will not return to zero and there will be inadmissible turn-on losses on.

Bei einem Einsatz von hochfrequenten piezoelektrischen Transformatoren (Piezotransformatoren) oder anderen Energieumformern mit einer elektromechanischen Energiewandlung lassen sich beliebige Transformationsverhältnisse realisie ren, jedoch bieten diese Bauelemente meistens kein vorwiegend induktives Eingangsverhalten. Solche elektromechanischen Wandler sind meist auch sehr schmalbandig und können bezüglich ihres Frequenzverhaltens nur sinusförmige Schwingungen übertragen. Eine hart schaltende Konvertertopologie ist deshalb für deren Betrieb weniger geeignet. Somit muß der Resonanzbetrieb, günstigerweise auch in einer Resonanzkonvertertopologie, gewählt werden. Da durch ein piezokeramisches Material im wesentlichen ein kapazitives Eingangs- und Ausgangsverhalten vorgegeben ist, kann ein solcher Wandler die konventionellen Induktivitäten oder Transformatoren nur dann ersetzen, wenn im Fall eines gewünschten induktiven Lastkreisverhaltens für zusätzliche induktive Formung des Lastkreises Sorge getragen wird. Bei einer Halbbrückenschaltung ist ein solches induktives Lastkreisverhalten gefordert, um die Schaltverluste klein zu halten. Als einfachste Maßnahme läßt sich eine zusätzliche, wenn auch kleine konventionelle Induktivität in den Lastkreis einfügen. Wenn die Einschaltverluste aufgrund entsprechend niedriger Eingangsspannungspegel (z. B. Kleinspannungen bis 24 V) klein genug sind, kann auch ein kapazitives Verhalten des elektromagnetischen Wandlers in der Halbbrücke akzeptabel sein.at a use of high-frequency piezoelectric transformers (Piezotransformatoren) or other energy converters with an electromechanical Energy transformation can be any transformation ratios Realisie ren, however, these components usually provide no predominantly inductive input behavior. Such electromechanical transducers are usually also very narrow band and can with respect to their frequency behavior only sinusoidal Transmit vibrations. A hard-switching converter topology is therefore for their Operation less suitable. Thus, the resonance mode must, favorably also in a resonance converter topology. Because of a piezoceramic Material essentially a capacitive input and output behavior is given, such a converter, the conventional inductors or Transformers replace only if in the case of a desired inductive Load circuit behavior for additional inductive shaping of the load circuit care is taken. At a Half-bridge circuit Such an inductive load circuit behavior is required to prevent the Keep switching losses small. The simplest measure can be an additional, although small conventional inductance in the load circuit insert. If the Switch-on losses due to correspondingly low input voltage level (eg low voltages up to 24 V) are small enough, can also be a Capacitive behavior of the electromagnetic transducer in the half-bridge acceptable be.

Schließlich kann auch das Schalten in einem Resonanzfall unter Verwendung eines piezoelektrischen Transformators so gestaltet werden, daß die Schaltverluste minimiert werden, wenn eine Umladezeit der relativ großen Eingangskapazitäten des piezoelektrischen Transformators durch ein exaktes Einhalten von erforderlichen Ansteuerzeiten durch ein zeitweises Ausschalten beider Schalter (Totzeiten) überbrückt wird. Hierzu ist jedoch eine genau einstellbare High-Side- und Low-Side-Treiberschaltung erforderlich, die ferner meist einen integrierten Schaltkreis aufweist. Ein Ausführungsbeispiel einer derartigen Schaltung ist in der folgenden Schrift (3) veröffentlicht: R. L. Lin, F. C. Lee, E. M. Baker, D. Y. Chen, „Inductor-less Piezoelectric Transformer Electronic Ballast for Linear Fluorescent Lamps", APEC2001, Anaheim, CA, USA, Proceedings, Vol. 2, Seiten 664–669.Finally, the switching in a resonance case using a piezoelectric transformer can be designed so that the switching losses are minimized when a Umladezeit the relatively large input capacitances of the piezoelectric transformer by an exact observance of required driving times by a temporary switching off both switches (dead times) is bridged. For this purpose, however, a precisely adjustable high-side and low-side driver circuit is required, which further usually has an integrated circuit. An embodiment of such a circuit is disclosed in the following specification (3): RL Lin, FC Lee, EM Baker, DY Chen, "Inductor-less Piezoelectric Transformer Electronic Ballast for Linear Fluorescent Lamps", APEC2001, Anaheim, CA, Proceedings , Vol. 2, pages 664-669.

Bei einer Resonanzschaltung der Klasse E ist das vorwiegend kapazitive Eingangsverhalten eines Piezotransformators nutzbringend, indem die Größe der Eingangskapazität auf einen elektrisch erforderlichen Wert angepaßt werden kann und somit nicht störend wirkt, wie es bei einer Halbbrücke oder einer anderen zielgemäß induktiv wirkenden Lastkreisschaltung der Fall ist. Derartige Schaltungen der Klasse E mit einem piezoelektrischen Transformator sind bereits aus der folgenden Schrift (4) bekannt: T.Abe, Sh. Jomura, T. Tamakai, „Discharge tube driving device and piezoelectric transformer therefore", EP 0 665 600 B1 , European Patent vom 21.07.1999.In a class E resonant circuit, the predominantly capacitive input behavior of a piezo transformer is beneficial in that the magnitude of the input capacitance can be adjusted to an electrically required value and thus not disturbing, as is the case with a half-bridge or other inductively-acting load circuit. Such class E circuits with a piezoelectric transformer are already known from the following document (4): T.Abe, Sh. Jomura, T. Tamakai, "Discharge tube driving device and piezoelectric transformer," EP 0 665 600 B1 , European Patent of 21.07.1999.

Solche Schaltungen werden in Schrift (4) jedoch nicht für den technisch in Netzspannungsanwendungen gegebenen Fall einer großen Eingangsspannung und einer kleinen Ausgangsspannung eingesetzt, sondern zur Hochtransformation von einer kleineren Spannung auf eine größere verwendet. Diese Beschränkung auf kleine Eingangsspannungen war bisher vorwiegend durch die fehlende Verfügbarkeit dynamisch schneller, hochsperrender Leistungsschalter bestimmt, welche nun inzwischen kostengünstig hergestellt werden können, z. B. Fieldstop-IGBT (IGBT; IGBT = Integrated Gate Bipolar Transistor) bis 1700 V oder Cool-MOS-Transistoren bis 800 V.Such Circuits are not in the font (4) for the technically in mains voltage applications given case of a big one Input voltage and a small output voltage used, but to the high transformation of a smaller voltage a larger one used. These restriction to small input voltages was previously mainly due to the lack of Availability dynamically fast, high-blocking circuit breaker, which are now inexpensive can be produced z. B. Fieldstop IGBT (IGBT = Integrated Gate Bipolar Transistor) up to 1700 V or Cool MOS transistors up to 800 V.

Bei Kleinspannungsanwendungen wird eine Klasse-E-Schaltung nach Schrift (4) und nach Schrift (2) meist im optimalen Betrieb mit der relativen Einschaltzeit von D = 0,5 eingesetzt. Meistens benötigt eine solche Schaltung im Falle der Hochtransformation eine zusätzliche eingangsseitige Parallelkapazität, falls die Eingangskapazität des piezoelektrischen Transformators nicht ausreichend groß ist. Dies ist in einem Abtransformationsfall nicht gegeben, wo die Eingangskapazität mancher Ausführungsformen von piezoelektrischen Transformatoren zu groß sein kann.at Low voltage applications will use a class E circuit according to script (4) and after writing (2) mostly in optimal operation with the relative On time of D = 0.5 used. Mostly needed one such circuit in the case of the high transformation an additional input parallel capacity, if the input capacity of the piezoelectric transformer is not sufficiently large. This is not given in a Abtransformationsfall, where the input capacitance some embodiments of piezoelectric transformers can be too large.

Außerdem gibt es Eintransistorschaltungen mit einem Piezotransformator, die eine Resonanzinduktivität erfordern, die nicht, oder nicht ausschließlich, glättend wirkt und somit für eine hohe Frequenz von ca. 50 bis 200 kHz durch eine geeignete Wahl von einem Magnetmaterial und einem Litzendraht geeignet sein muß. Ein Ausführungsbeispiel einer derartigen Anordnung ist in der Schrift (5), US-6,052,300, offenbart. Außerdem verhindert eine eingangsseitige Glättungsdrossel gegenüber einer nicht eingangsseitig wirkenden Glättungs- oder Resonanzinduktivität ein direktes Einwirken von hochfrequenten Stromschwingungen auf einen Eingang oder auf einen Glättungskondensator, so daß eine eingangsseitige Glättungsdrossel (im folgenden Drosselinduktivität genannt) anderen Anordnungen einer Induktivität vorzuziehen ist.There are also it Eintransistorschaltungen with a piezotransformer, the one resonance require, which does not, or not exclusively, smoothing and thus for a high Frequency of about 50 to 200 kHz by a suitable choice of one Magnetic material and a stranded wire must be suitable. An embodiment such an arrangement is shown in document (5), US-6,052,300, disclosed. Furthermore prevents an input-side smoothing choke against one input-side smoothing or resonance inductance a direct action of high-frequency current oscillations an input or a smoothing capacitor, so that an input side smoothing choke (hereinafter inductance inductance called) other arrangements of an inductance is preferable.

Bezüglich der Steuerung von Schaltungen mit einem piezoelektrischen Wandler ist die Phasenregelung (PLL; PLL= Phase Lock Loop) ein typischer Weg der Frequenzabstimmung. In der Schrift (7), US-5,866,968, wird eine Möglichkeit beschrieben, die Phasenverschiebung zwischen Ausgangsspannung und dem Treibersignal einer Schaltung nach (4) so einzustellen, daß eine PLL-Schaltung mit einem einfachen Oszillator/Treiber-IC realisierbar ist. Diese Regel-Schaltung für die Klasse E ist insbesondere für Piezotransformatoren mit Hochtransformationseigenschaften gut geeignet, da das Spannungsmaximum an dem Ausgang des Transformators einen markanten Punkt gleichzeitig für die Nennleistung darstellt. Wegen der geringen Strombelastung bei Hochtransformation wird die Frequenzcharakteristik der Ausgangsspannung nahezu einem Leerlauffall entsprechen, so daß sich das Transformationsverhältnis zwischen Leerlauf und Nennlast wenig ändert. In (7) ist also im wesentlichen eine Phasenregelung über die Spannungsverläufe zwischen Eingang und Ausgang gegeben, so daß sich immer eine maximale Ausgangsspannung einstellt, wenn die richtige Phasenlage (in diesem Fall ca. 90° oder etwas weniger) eingestellt wird. Dieses gilt auch für andere Topologien mit starker Hochtransforma tion der Spannung, zum Beispiel für die Halbbrückenschaltung. Für den Fall der Abtransformation ist ein Abflachen der Übertragungscharakteristik der Ausgangsspannung zu beobachten, da die sekundärseitige Strombelastung das Spannungsübertragungsverhältnis deutlich beeinflußt. In diesem Fall stellen sich bei einer ungenauen Fixierung des Nennpunktes in Anwendungen zum Beispiel für Niederdruckgasentladungslampen oder Stromversorgungen sehr unterschiedliche Ausgangsleistungen ein, wenn ein Abgleich auf die Phase zwischen den Spannungen erfolgen würde. Gasentladungslampen haben eine negative differentielle Widerstandskennlinie, und sind durch den Lampenstrom bezüglich ihrer Nennleistung ausreichend festgelegt. Wenn man die Phasenverschiebung zwischen dem Maximum des Ausgangsstroms und einer Eingangsgröße als Grundlage für eine Regelung verwendet, so wird durch die Exemplarstreungen von Lampe (Nennspannung) und Piezotransformator unabhängig von der Topologie kaum die erwünschte Nennleistung einstellbar sein. Somit muß die Regelung auf einen bestimmten Nennwert des Ausgangsstromes erfolgen, welcher nicht notwendigerweise der maximal übertragbare Strom ist. Eine grundsätzliche Lösung zur Einstellung einer PLL-Regelung nach diesem Prinzip mit ebendiesem Nachteil ist nach (3) bekannt geworden. Für die Einstellung des Lampenstroms in (3) muß demzufolge eine sehr genaue Regelschaltung eingesetzt werden, welche entweder für jedes Gerät einen besonderen Nennwertabgleich erforderlich macht, um den Nennpunkt zu erreichen. Oder der Wert des Ausgangsstroms wird mit großem Verarbeitungsaufwand genau genug abgetastet. Eine Phasenregelung durch Abtastung der Nulldurchgänge von Ausgangsspannung und Ausgangsstrom bei einer Halbbrückenschaltung ist wiederum ungenau wegen der Streuung von Umladezeiten am Eingang des Piezotransformators, so daß dort eine Auswertung der Amplitude des Ausgangsstroms erforderlich ist, um die Nennleistung einzustellen.With regard to the control of circuits with a piezoelectric transducer, phase lock loop (PLL) is a typical way of frequency tuning. In the document (7), US-5,866,968, a way is described, the phase shift between the output voltage and the drive signal of a circuit according to (4) set so that a PLL circuit with a simple oscillator / driver IC can be realized. This class E control circuit is well suited for piezotransformers with high transformation properties, since the maximum voltage at the output of the transformer is a significant point at the same time for the rated power. Because of the low current load in the high transformation, the frequency characteristic of the output voltage will almost correspond to an idle case, so that the transformation ratio between idle and nominal load changes little. In (7) is thus essentially given a phase control on the voltage waveforms between input and output, so that always sets a maximum output voltage when the correct phase position (in this case about 90 ° or slightly less) is set. This also applies to other topologies with strong high transformation of the voltage, for example for the half-bridge circuit. In the case of the transformation, a flattening of the transmission characteristic of the output voltage can be observed, since the secondary-side current load significantly influences the voltage transmission ratio. In this case, with an inaccurate fixation of the nominal point in applications, for example for low-pressure gas discharge lamps or power supplies, very different output powers occur if an adjustment to the phase between the voltages would take place. Gas discharge lamps have a negative differential resistance characteristic, and are sufficiently fixed by the lamp current with respect to their rated power. If one uses the phase shift between the maximum of the output current and an input variable as the basis for a control, so the desired nominal power is hardly adjustable by the Exemplarstreungen of lamp (nominal voltage) and piezotransformer, regardless of the topology. Thus, the control must be made to a certain nominal value of the output current, which is not necessarily the maximum transmittable current is. A fundamental solution for setting a PLL control according to this principle with this same disadvantage has become known from (3). Consequently, for adjusting the lamp current in (3), a very accurate control circuit must be used which either requires a special nominal value adjustment for each device in order to reach the nominal point. Or the value of the output current is sampled with sufficient processing effort. A phase control by sampling the zero crossings of output voltage and output current in a half-bridge circuit is again inaccurate because of the dispersion of Umladezeiten at the input of the piezoelectric transformer, so that there is an evaluation of the amplitude of the output current is required to adjust the rated power.

Aus „A Very Simple DC/DC Converter Using Piezoelectric Transformer", M.J. Prieto u.a., IEEE, 2001, Seiten 1755 bis 1760 sind Stromversorgungen mit Piezo-Trafo in einer Halbbrücken-Topologie bekannt.From "A Very Simple DC / DC Converter Using Piezoelectric Transformers ", M.J. Prieto et al. IEEE, 2001, pages 1755 to 1760 are power supplies with piezo transformer in a half-bridge topology known.

Aus der EP 0782374 A1 und der US 6144139 sind Konverter mit Piezotransformatoren bekannt, welche primärseitig über einen Schalter geschaltet werden, wobei die Ansteuerung des Schalters durch einen Phasenvergleich zwischen Eingangsspannung und Ausgangsspannung erfolgt. Aus der US 6348755 B1 ist ein Konverter mit einem Piezotransformator bekannt, welcher primärseitig über einen Schalter geschaltet wird, wobei die Ansteuerung des Schalters durch einen Phasenvergleich zwischen Eingangsspannung und Eingangsstrom erfolgt. Aus der US 6013969 ist ein Konverter mit einem Piezotransformator bekannt, welcher primärseitig über einen Schalter geschaltet wird, wobei die Ansteuerung des Schalters durch einen Phasenvergleich zwischen Eingangsspannung und Ausgangsstrom erfolgt.From the EP 0782374 A1 and the US 6144139 Converters with piezoelectric transformers are known, which are switched on the primary side via a switch, wherein the control of the switch is effected by a phase comparison between input voltage and output voltage. From the US 6348755 B1 a converter with a piezoelectric transformer is known, which is switched on the primary side via a switch, wherein the control of the switch is effected by a phase comparison between input voltage and input current. From the US 6013969 a converter with a piezoelectric transformer is known, which is switched on the primary side via a switch, wherein the control of the switch is effected by a phase comparison between input voltage and output current.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Resonanzkonverter sowie ein Verfahren zum effizienten Treiben von veränderlichen Lasten zu schaffen.The The object of the present invention is a resonance converter and a method for efficiently driving variable loads to accomplish.

Diese Aufgabe wird durch einen Resonanzkonverter zum Treiben von veränderlichen Lasten gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Treiben von veränderlichen Lasten gemäß Anspruch 14 gelöst.These Task is by a resonant converter to drive variable Loads according to claim 1 and a method for driving variable loads according to claim 14 solved.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein Piezotransformator zum Treiben von veränderlichen lasten in einem Nennlastbetrieb für den Abtransformationsfall eingesetzt werden kann, indem ein Schalter zum Schalten eines an den Piezotransformator anlegbaren Spannungssignals verwendet wird, dessen Schaltfrequenz auf der Basis einer Phasenverschiebung zwischen einem Schalterstrom und einem Laststrom gesteuert wird.Of the The present invention is based on the finding that a piezotransformer to drift changeable loads in a nominal load operation for the transformation case can be used by a switch for switching an on the piezotransformer applicable voltage signal is used, its switching frequency based on a phase shift between a switch current and a load current is controlled.

Durch die vorgestellte Erfindung wird ein Schaltnetzteil oder Oszillator definiert, welches grundsätzlich wie ein Verstärker der Klasse E mit einem piezoelektrischen Transformator aufgebaut ist, jedoch in seiner Betriebsweise von einem Optimum, das durch D = 0,5 gegeben ist, nach unten hin abweicht, so daß der Schalterstrom während der Einschaltzeit nur ansteigend verläuft, wobei D typischerweise in einem Intervall von 0,25 bis 0,45 liegt, und ein Maximum einer Schalterspannung auf einen etwa dreifachen Wert der Eingangsspannung begrenzbar wird. D wird hierbei als relative Einschaltzeit nur des positiven Verlaufs des Schalterstroms betrachtet. Zusätzlich kann und sollte ein negativer Schalterstromverlauf durch z.B. eine antiparallele Diode zum Schalter in allen Betriebsfällen auftreten, wodurch das Nullspannungsschalten (ZVS) stets gewährleistet werden kann.By the presented invention will be a switching power supply or oscillator defined, which in principle like an amplifier Class E with a piezoelectric transformer is, however, in its mode of operation of an optimum, by D = 0.5 is given, deviates downwards, so that the switch current while the ON time is only increasing, where D typically in an interval of 0.25 to 0.45, and a maximum of one Switch voltage to about three times the value of the input voltage becomes limited. D is here as the relative switch-on time only the positive History of the switch current considered. Additionally one can and should negative switch current waveform by e.g. an antiparallel diode to the switch in all operating cases occur, whereby the zero voltage switching (ZVS) always guaranteed can be.

Diese Maßnahme zur sinnvollen Begrenzung der Schalterspannung in Netzspannungsanwendungen ist aus der Schrift (6), EP 0 681 759 B1 , und ferner in der folgenden Schrift (8) bekannt: L. R. Nerone, „Novel Self-Oscillating Class E Ballast for Compact Fluorescent Lamps", IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 16, Nr. 2, März 2001, Seiten 175–183, beschrieben. Somit kann man eine gleichgerichtete Netzspannung von etwa 80 bis 150 Volt oder 170 bis 260 Volt an einen Eingang eines Klasse-E-Verstärkers legen, ohne daß ein jeweils erlaubtes Spannungsmaximum des Schalters überschritten wird (z. B. 600 V für 120 V Wechselspannung und 1200 V für 240 V Wechselspannung). Außerdem läßt sich ein piezoelektrischer Transformator eingangsseitig direkt parallel zu einem Schalter anschließen, welcher die Abtransformation zur Last übernimmt und durch sein kapazitives Eingangsverhalten eine erwünschte Rückkehr der Schalterspannung auf Null über einen definierten Last- oder Eingangsspannungsbereich garantiert.This measure for sensibly limiting the switch voltage in mains voltage applications is from document (6), EP 0 681 759 B1 and also known in the following specification (8): LR Nerone, "Novel Self-Oscillating Class E Ballast for Compact Fluorescent Lamps", IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 16, No. 2, March 2001, pages 175- Thus, a rectified mains voltage of about 80 to 150 volts or 170 to 260 volts can be applied to an input of a class E amplifier without exceeding a respective maximum voltage limit of the switch (eg 600 V for 120 V AC and 1200 V for 240 V AC.) In addition, a piezoelectric transformer can be connected directly in parallel to a switch, which takes the Abtransformation to the load and by its capacitive input behavior a desired return of the switch voltage to zero over a defined load or Input voltage range guaranteed.

Um in dieser Schaltung keine zusätzlichen reaktiven Lastkreiskomponenten zu benötigen, wird ein Spannungstransformationsverhältnis des piezoelektrischen Transformators gerade so gewählt, daß die Lastimpedanz angepaßt wird, und es wird eine Eingangskapazität des Piezotransformators so gewählt, daß sie den erforderlichen Blindleistungsanteil resonant speichern kann, so daß weder die Schalterspannung überschritten wird, noch die Spannungsrückkehr auf Null ausbleibt. Gegenüber der Schaltung nach Schrift (4) wird die dort gezeigte externe Kapazität parallel zu dem Schalter überflüssig, da die Eingangskapazität des piezoelektrischen Transformators für eine Netzspannungsanwendung ausreichend groß gewählt werden kann, während ihr Wert bei Kleinspannungsanwendungen von einem piezoelektrischen Transformator weniger gut erreicht wird und unter Umständen zu klein ist.In order to avoid the need for additional reactive load circuit components in this circuit, a voltage transformation ratio of the piezoelectric transformer is just chosen to match the load impedance, and an input capacitance of the piezotransformer is chosen so that it can resonantly store the required reactive power contribution, so that neither the Switch voltage is exceeded, nor does the voltage return to zero. Compared with the circuit according to document (4), the external capacitance shown there in parallel with the switch is superfluous because the input capacitance of the piezoelectric transformer is sufficient for a mains voltage application can be chosen large, while their value in low voltage applications of a piezoelectric transformer is less well achieved and may be too small.

Außerdem benötigt die erfindungsgemäße Schaltung vergleichsweise zu Halbbrückenschaltungen für Netzspannungsan wendungen nur einen Low-Side-Treiber und weist damit einen vertretbaren Ansteueraufwand auf. Dadurch vereinfacht sich der Ansteueraufwand für die gesamte Schaltung und ist mit einem Ansteueraufwand eines hart schaltenden DC-DC-Konverters (Flyback- oder Boost-Anordnung) vergleichbar.In addition, the required inventive circuit comparatively to half-bridge circuits for mains voltage applications only a low-side driver and thus has a reasonable tax expense on. This simplifies the control effort for the entire Circuit and with a driving effort of a hard-switching DC-DC converter (flyback or Boost arrangement) comparable.

Außerdem kommt der Schalter nur kurzzeitig, und vergleichbar wie bei der Wirkung einer Stromquelle, in einen Reversbetrieb und arbeitet deshalb insbesondere bei einer Verwendung von MOS-Transistoren, aber auch bei einer Verwendung von IGBT mit Reversdiode selbst bei hohen Frequenzen bis über 100 kHz sehr verlustarm.Besides that comes the switch only for a short time, and comparable to the effect a power source, in a reverse mode and therefore operates in particular when using MOS transistors, but also when using IGBT with reverse diode even at high frequencies up to over 100 kHz very low loss.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, in gewissen Grenzen veränderliche Lasten verlustarm und mit einem einfachen Ansteueraufwand bei hohen Frequenzen zu treiben, wobei nur ein minimaler Schaltungsaufwand, einschließlich beispielsweise eines Schalters (MOSFET oder IGBT mit einer Reversdiode), einer Eingangsgleichstromdrossel (Drosselinduktivität) und eines elektromechanischen Energiewandlers (piezoelektrischer Transformator) anfällt. Dabei ist eine gleichgerichtete Netzspannung mit gewissen Schwankungen der Eingangsspannung ebenso verwendbar wie eine konstante Eingangsgleichspannung. Der Konverter (Resonanzkonverter) erzeugt wegen einer hohen Güte des elektromechanischen Transformators eine nahezu sinusförmige Ausgangsspannung, wodurch der Crestfaktor bei nachgeschalteten ohmschen Lasten, wie beispielsweise Gasentladungslampen, ausreichend klein gehalten werden kann. Dieses ist bei einer konventionellen Schaltung, wie sie beispielsweise in der Schrift (2) offenbart ist, nur bei einer großen Lastkreisgüte möglich, welche wiederum eine erhöhte Stromdichtebelastung einer entkoppelnden Kapazität, ebenso wie einer Schalterparallelkapazität zur Folge hätte. Die so verwendete Schaltung arbeitet insgesamt verlustarm und die maximal verwendbare Frequenz wird im wesentlichen nur durch die dynamischen Verluste des Schalters begrenzt. Ein Fieldstop-IGBT ist durch seine kurze Tailzeit und ein entlastetes Ausschalten für diese Anwendung sehr gut geeignet.The present invention enables it, within certain limits changeable Loads with low loss and with a simple driving effort at high frequencies to drive, with only a minimal amount of circuitry, including, for example a switch (MOSFET or IGBT with a reverse diode), a Input DC reactor (reactor inductance) and an electromechanical Energy converter (piezoelectric transformer) is obtained. there is a rectified mains voltage with certain fluctuations the input voltage as well as a constant input DC voltage. The converter (resonant converter) generates because of a high quality of the electromechanical Transformers a nearly sinusoidal output voltage, thereby the crest factor at downstream ohmic loads, such as Gas discharge lamps, can be kept sufficiently small. This is in a conventional circuit, such as for example is disclosed in the document (2), only possible with a large load circuit quality, which again an increased Current density loading of a decoupling capacity, as well as a switch-parallel capacity result would have. The so used circuit works low loss and the maximum Usable frequency is essentially only through the dynamic Losses of the switch limited. A fieldstop IGBT is through his short tail time and a relieved switch off for this application very well suitable.

Somit werden in der Erfindung wenige kostengünstige Bauelemente so kombiniert, daß die technischen Erfordernisse der Abtransformation aus gleichgerichteter Netzspannung für typische Brennspannungen für Niederdruckgasentladungslampen erfüllt werden. Gleichzeitig erfüllt der elektromechanische Wandler (piezoelektrischer Transformator) die Forderung der Auftransformation in einem unbelasteten Zustand, so daß eine Niederdruckgasentladungslampe problemlos gezündet werden kann. Vor dem Zünden stellt eine solche Lampe einen sehr großen Widerstand dar, welcher in einem gezündeten Zustand (Brennbetrieb) in eine definierte Last mit einem negativen differentiellen Widerstand übergeht, und näherungsweise mit einem ohmschen Widerstand in einem Betriebspunkt angenähert werden kann. Die durch weitere Bauelemente in einem konventionellen Vorschaltgerät realisierte Zündschaltung kann in einem Vorschaltgerät mit einem piezoelektrischen Transformator ausschließlich durch diesen Transformator realisiert werden, wodurch eine weitere Kostenreduktion herbeigeführt wird.Consequently In the invention, few inexpensive components are combined in such a way that that the technical Requirements for the derivation from rectified mains voltage for typical Burning voltages for Low-pressure gas discharge lamps are met. At the same time the electromechanical transducer (piezoelectric transformer) the demand the Auftransformation in an unloaded state, so that a low pressure gas discharge lamp easily ignited can be. Before the ignition represents such a lamp is a very large resistance, which in an ignited Condition (combustion mode) in a defined load with a negative passes differential resistance, and approximately be approximated with an ohmic resistance at an operating point can. The realized by other components in a conventional ballast ignition circuit can in a ballast with a piezoelectric transformer exclusively through This transformer can be realized, resulting in a further cost reduction brought becomes.

Weiterhin wird durch eine Ausnutzung einer lastabhängigen Phasenverschiebung zwischen einem Laststrom und einem Schalterstrom ein solcher Nennlastpunkt eingestellt, daß dieser über einen Phasenregelkreis (PLL; PLL = Phase Lock Loop) geregelt werden kann. Dabei kann bei einer ausreichenden Bandbreite eines piezoelektrischen Transformators eine einfache integrierte Ansteuerschaltung verwendet werden. Eine Erfassung einer Eingangs- oder einer Lampenspannung ist dabei zu einer Einstellung eines Arbeitspunktes nicht erforderlich, da eine Parameterabhängigkeit einer Phasenverschiebung klein genug ist, um allein über einen Sollwertabgleich der Phasenverschiebung die Lampenleistung zu justieren. Ebenfalls muß die Amplitude des Ausgangsstromes zum Zwecke einer ungefähren Leistungseinstellung nicht abgetastet werden, da sich aufgrund der Änderung des Trans formationsverhältnisses bei Laständerung die Nennleistung genau genug auf die Phasenverschiebung der Stromnulldurchgänge von Schalter- und Laststrom abbilden läßt.Farther is due to an utilization of a load-dependent phase shift between a load current and a switch current such a rated load point set this via a phase locked loop (PLL = Phase Lock Loop) can be controlled. It can at a sufficient bandwidth of a piezoelectric transformer a simple integrated drive circuit can be used. A Detecting an input or a lamp voltage is to a setting of an operating point not required, as a parameter dependence a phase shift is small enough to be alone over one Setpoint adjustment of the phase shift to adjust the lamp power. Also has the Amplitude of output current for approximate power adjustment not be sampled because of the change in the transformation ratio at load change the rated power is accurate enough to the phase shift of the current zero crossings of Can map switch and load current.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:preferred embodiments The present invention will be described below with reference to FIGS enclosed drawings closer explained. Show it:

1 ein grobes Blockschaltbild, das einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Resonanzkonverters zeigt; 1 a rough block diagram showing a basic structure of a resonance converter according to the invention;

2 ein Schaltungsdiagramm eines Resonanzkonverters, wobei eine Steuereinrichtung zum Steuern der Schaltfrequenz des Schalters nicht dargestellt ist; 2 a circuit diagram of a resonant converter, wherein a control device for controlling the switching frequency of the switch is not shown;

3 ein detailliertes Schaltungsdiagramm des Resonanzkonverters aus 2; 3 a detailed circuit diagram of the resonance converter 2 ;

3a eine frequenzabhängige Spannungsübertragungsfunktion eines piezoelektrischen Transformators im lastfreien Zündbetrieb und im Lastbetrieb. 3a a frequency-dependent voltage Transfer function of a piezoelectric transformer in no-load ignition and in load operation.

4 qualitative Kurvenverläufe von einem Schalterstrom IS und einem Laststrom IL; 4 qualitative curves of a switch current I S and a load current I L ;

5 und 5a Verläufe eines Phasenwinkels ΦLT in Abhängigkeit von der Frequenz, sowie frequenzabhängige Spannungsübertragungsfunktionen in Abhängigkeit von der Ausgangslast und der Eingangsspannung; 5 and 5a Curves of a phase angle Φ LT as a function of the frequency, as well as frequency-dependent voltage transfer functions as a function of the output load and the input voltage;

6 den Phasenwinkel ΦLT bei einer konstanten Frequenz in Abhängigkeit von einer Eingangsspannung Uin; 6 the phase angle Φ LT at a constant frequency as a function of an input voltage U in ;

7 eine Schaltung zum Treiben einer veränderlichen Last gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und 7 a variable load driving circuit according to another embodiment of the present invention; and

8 eine Ansteuerschaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 8th a drive circuit according to another embodiment of the present invention;

In 1 ist eine grobe Darstellung eines erfindungsgemäßen Resonanzkonverters gezeigt, der eine Quelle 101, einen Schalter 103, einen Piezotransformator 105, eine veränderliche Last 107 sowie eine Steuereinrichtung 109 umfaßt. Eine von der Quelle 101 gelieferte Spannung oder ein durch diese gelieferter Strom wird mittels des Schalters 103 mit einer Schaltfrequenz geschaltet, wodurch an dem Piezotransformator 105 ein Eingangssignal anliegt, das in ein Ausgangssignal umgesetzt wird, das eine Frequenz aufweist, die von der Schaltfrequenz des Schalters 103 abhängt. Dieses Ausgangssignal dient zum Treiben einer Last 107, beispielsweise einer Niederdruckgasentladungslampe, deren Lastcharakteristik veränderlich ist. Die Schaltfrequenz, mit der der Schalter 103 geschaltet wird, wird von der Steuereinrichtung 109 auf der Basis einer Phasenverschiebung zwischen dem Strom durch den Schalter 103 und dem Laststrom durch die Last 107 gesteuert. Diese Phasenverschiebung kann aus mehreren Signalen, die beispielsweise vor und nach dem Piezotransformator 105 sowie vor oder nach dem Schalter 103 abgegriffen werden können, ermittelt werden.In 1 is shown a rough representation of a resonant converter according to the invention, which is a source 101 , a switch 103 , a piezotransformer 105 , a variable load 107 and a control device 109 includes. One from the source 101 supplied voltage or a current supplied by this is by means of the switch 103 connected at a switching frequency, whereby the piezoelectric transformer 105 an input signal is applied, which is converted into an output signal having a frequency that depends on the switching frequency of the switch 103 depends. This output signal is used to drive a load 107 , For example, a low-pressure gas discharge lamp, the load characteristic is variable. The switching frequency with which the switch 103 is switched by the controller 109 based on a phase shift between the current through the switch 103 and the load current through the load 107 controlled. This phase shift can consist of several signals, for example, before and after the piezoelectric transformer 105 as well as before or after the switch 103 can be determined.

2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Resonanzkonverters, wobei eine Steuereinrichtung zum Steuern der Schaltfrequenz nicht dargestellt ist. Dabei ist die Quelle 101 mit einem ersten Anschluß 2011 einer Eingangsdrossel 201 gekoppelt. Ein zweiter Anschluß 2013 der Eingangsdrossel 201 ist mit einem ersten Eingang 1031 des Schalters 103 gekoppelt. Der erste Eingang 1031 des Schalters 103 ist mit einem ersten Anschluß 1051 eines Eingangstors 1052 des Piezotransformators gekoppelt. Die Quelle 101 ist ferner mit einem zweiten Eingang 1033 des Schalters 103 gekoppelt, der ferner mit einem zweiten Anschluß 1053 des Eingangstors 1052 des Piezotransformators 105 gekoppelt ist. Die veränderliche Last 107 ist zwischen einen ersten Anschluß 1055 eines Ausgangstors 1056 des Piezotransformators und einen zweiten Anschluß 1057 des Ausgangstors 1056 geschaltet. Der Schalter 103 weist ferner einen Steuereingang 1035 auf, an den ein Steuersignal anlegbar ist, der die Schaltfrequenz des Schalters 103 steuert. Im folgenden wird die Funktionsweise des in 2 gezeigten Resonanzkonverters näher beschrieben. 2 shows an embodiment of a resonant converter, wherein a control device for controlling the switching frequency is not shown. This is the source 101 with a first connection 2011 an input choke 201 coupled. A second connection 2013 the input choke 201 is with a first entrance 1031 of the switch 103 coupled. The first entrance 1031 of the switch 103 is with a first connection 1051 an entrance gate 1052 coupled to the piezoelectric transformer. The source 101 is also with a second input 1033 of the switch 103 coupled further to a second terminal 1053 of the entrance gate 1052 of the piezotransformer 105 is coupled. The variable load 107 is between a first connection 1055 an exit gate 1056 of the piezotransformer and a second terminal 1057 the output gate 1056 connected. The desk 103 also has a control input 1035 on, to which a control signal can be applied, the switching frequency of the switch 103 controls. The following is the operation of the in 2 described resonant converter described in more detail.

Von der Quelle 101, die eine Gleichspannungsquelle sein kann, wird ein etwa konstanter oder auch sägezahnförmiger Gleichstrom über die Eingangsdrossel 201 eingespeist. Der Schalter 103 wird dabei mit einer relativen Einschaltzeit D und einer Betriebsfrequenz f betrieben, so daß eine Resonanz des Wandlers 105 erreicht wird, und ein Ausgangssignal, beispielsweise eine Spannung, die veränderliche Last 107, beispielsweise eine Gasentladungslampe oder eine andere ohmisch-kapazitive Last, treibt.From the source 101 , which may be a DC voltage source, becomes an approximately constant or sawtooth DC current across the input choke 201 fed. The desk 103 is operated with a relative switch-D and an operating frequency f, so that a resonance of the transducer 105 is reached, and an output signal, such as a voltage, the variable load 107 , For example, a gas discharge lamp or other ohmic-capacitive load drives.

3 zeigt ein detailliertes Schaltungsdiagramm eines Resonanzkonverters, der einen Verstärker der Klasse E umfaßt. Die Quelle 101 ist zunächst mit dem ersten Anschluß 2011 der Eingangsdrossel 201 gekoppelt. Der zweite Anschluß der Drosselinduktivität ist mit dem ersten Eingang 1031 des Schalters 103 gekoppelt, wobei der erste Eingang 1031 ferner mit dem ersten Anschluß 1051 des Wandlers 105 gekoppelt ist. Die Quelle 101 ist darüber hinaus mit dem zweiten Eingang 1033 des Schalters 103 gekoppelt, wobei der zweite Eingang 1033 ferner mit dem zweiten Anschluß 1053 des Wandlers 105 gekoppelt ist. Zwischen dem ersten Anschluß 1055 und dem zweiten Anschluß 1057 des Ausgangstors des Wandlers 105 ist die Last 107 angeordnet. Der Schalter 103 umfaßt in diesem Ausführungsbeispiel einen spannungsgesteuerten Leistungsschalter 1037, dessen Source oder Emitter mit dem ersten Eingang 1031 des Schalters und dessen Drain oder Kollektor mit dem zweiten Eingang 1033 des Schalters 103 ge koppelt sind. Der Steuereingang 1035 des Schalters 103 ist in diesem Ausführungsbeispiel gleichzeitig als ein Gate des spannungsgesteuerten Leistungsschalters 1037 ausgeführt. Zwischen dem zweiten Eingang 1033 und dem ersten Eingang 1031 ist in Flußrichtung eine Diode 1039 geschaltet. 3 FIG. 12 is a detailed circuit diagram of a resonant converter including a class E amplifier. FIG. The source 101 is first with the first connection 2011 the input choke 201 coupled. The second terminal of the inductor inductor is connected to the first input 1031 of the switch 103 coupled, the first input 1031 further to the first port 1051 of the converter 105 is coupled. The source 101 is beyond that with the second entrance 1033 of the switch 103 coupled, the second input 1033 further to the second terminal 1053 of the converter 105 is coupled. Between the first connection 1055 and the second port 1057 the output gate of the converter 105 is the burden 107 arranged. The desk 103 In this embodiment, a voltage controlled power switch is included 1037 , its source or emitter with the first input 1031 of the switch and its drain or collector to the second input 1033 of the switch 103 ge are coupled. The control input 1035 of the switch 103 is in this embodiment simultaneously as a gate of the voltage-controlled circuit breaker 1037 executed. Between the second entrance 1033 and the first entrance 1031 is a diode in the flux direction 1039 connected.

Weiterhin ist in 3 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild eines Piezotransformators 105 gezeigt. Das Ersatzschaltbild umfaßt eine Eingangskapazität 10501, die zwischen den ersten Anschluß 1051 und den zweiten Anschluß 1053 des Eingangstors des Piezotransformators 105 geschaltet ist und somit parallel zum Schalter 103 angeordnet ist. Ferner umfaßt das Ersatzschaltbild des Wandlers 105 einen Resonanzkreis, der aus einer seriellen Schaltung aus einer Kapazität 10502, einer Induktivität 10503 sowie einem Widerstand 10504 besteht. Darüber hinaus umfaßt das Ersatzschaltbild des Wandlers 105 eine Übertrageranordnung 10505, deren inverses Übertragungsverhältnis 1/ü (1/ü = effektive Eingangsspannung zu effektive Ausgangsspannung) frequenzabhängig ist und erfindungsgemäß bei einem Nennlastbetrieb, bei dem der Blindleistungsanteil kleiner als der Wirkleistungsanteil ist, zwischen 1,5:1 und 5:1 beträgt. Der Resonanzkreis, der sich ferner durch eine hohe Güte auszeichnet, besteht aus der Kapazität 10502, der Induktivität 10503 sowie dem Widerstand 10504, ist zwischen dem ersten Anschluß 1051 des Wandlers 105 und einem weiteren Anschluß 10506 einer Primärseite der Übertrageranordnung 10505 geschaltet. Parallel zu einer Sekundärseite der Übertragungsanordnung 10505 ist eine Ausgangskapazität 10508 angeordnet.Furthermore, in 3 a simplified equivalent circuit diagram of a piezotransformer 105 shown. The equivalent circuit includes an input capacitance 10501 that between the first connection 1051 and the second port 1053 the input gate of the piezotransformer 105 is switched and thus parallel to the switch 103 is arranged. Fer ner includes the equivalent circuit of the converter 105 a resonant circuit consisting of a series circuit of a capacity 10502 , an inductance 10503 as well as a resistor 10504 consists. In addition, the equivalent circuit of the converter includes 105 a transformer arrangement 10505 , whose inverse transfer ratio 1 / ü (1 / ü = effective input voltage to effective output voltage) is frequency-dependent and according to the invention in a nominal load operation in which the reactive power component is smaller than the active power component, between 1.5: 1 and 5: 1. The resonant circuit, which is further characterized by a high quality, consists of the capacity 10502 , the inductance 10503 as well as the resistance 10504 , is between the first connection 1051 of the converter 105 and another connection 10506 a primary side of the transformer arrangement 10505 connected. Parallel to a secondary side of the transmission arrangement 10505 is an output capacity 10508 arranged.

Der Piezotransformator 105 zeichnet sich dadurch aus, daß das Übertragungsverhältnis ü in Abhängigkeit von der Last 107 einer Änderung unterworfen ist. Die zwischen den Anschlüssen 1055 und 1057 geschaltete Gasentladungslampe 301, die durch den Lastwiderstand 107 verkörpert ist, ist an den Wandler als Last angeschlossen. Der spannungsgesteuerte Leistungsschalter 1037 kann beispielsweise ein schneller IGBT (z. B. ein Fieldstop-IGBT) oder ein MOS-Transistor (z.B. ein Cool-MOS-Transistor) sein, der zusammen mit einer antiparallelen Reversdiode verwendet wird. Im folgenden wird die Funktionsweise der in 3 dargestellten Schaltung erläutert.The piezotransformer 105 is characterized in that the transmission ratio ü as a function of the load 107 is subject to change. The between the connections 1055 and 1057 switched gas discharge lamp 301 that caused by the load resistance 107 is embodied as a load connected to the converter. The voltage controlled circuit breaker 1037 For example, a fast IGBT (eg, a fieldstop IGBT) or a MOS transistor (eg, a cool MOS transistor) may be used with an antiparallel reverse diode. The following is the operation of the in 3 illustrated circuit explained.

Wird der spannungsgesteuerte Leistungsschalter 1037 durch ein Anlegen eines Steuersignals an den Steuereingang 1035 leitend gemacht, so kann ein Strom, der durch den spannungsgesteuerten Leistungsschalter fließt, aufgrund der Eingangsdrossel 201 nicht sprunghaft ansteigen. Darüber hinaus wird die Eingangskapazität 10501 des Wandlers 105 entladen. Wird der spannungsgesteuerte Leistungsschalter 1035 durch ein Anlegen eines entsprechenden Steuersignals wieder abgeschaltet, d. h. in einen Sperrzustand überführt, so wächst eine Spannung über dem spannungsgesteuerten Leistungsschalter nur langsam an, da sich die Eingangskapazität 10501 auflädt. Durch die Wirkung des Resonanzkreises des Wandlers 105 im eingeschwungenen Zustand wird trotz positiv weiterfließendem Eingangsstrom durch die Drossel 201 eine Stromumkehr im Schalter erreicht, wodurch auch die Kapazität 10501 wieder entladen wird. Die Spannung über dem Schalter 103 wird somit wieder zu null, und es beginnt ein negativer Strom durch den Schalter zu fließen. Die Freilaufdiode 1039 hat die Aufgabe, schon vor einem Einschalten des spannungsgesteuerten Leistungsschalters 1037 einen Reversstrom zu führen. Dabei kann eine relative bzw. eine absolute Einschaltzeit des Schalters nahe zu konstant bleiben, da die Diode nicht geschaltet werden muß, sondern einer stromgeführten Betriebsweise unterliegt. Solange die Diode den Reversstrom führt, kann der spannungsgesteuerte Leistungsschalter am Gate 1035 daher bezüglich Kollektor/Emitter oder Drain/Source spannungslos geschaltet werden, so daß keine Einschaltverluste anfallen. Eine solche stromgesteuerte antiparallele Diode ist nicht notwendigerweise als eine schnelle Diode auszuführen, so daß hierbei auch eine kostengünstige langsame Diode eingesetzt werden kann.Will the voltage controlled circuit breaker 1037 by applying a control signal to the control input 1035 made conductive, so a current flowing through the voltage controlled circuit breaker, due to the input choke 201 do not rise suddenly. In addition, the input capacity 10501 of the converter 105 discharged. Will the voltage controlled circuit breaker 1035 switched off by applying a corresponding control signal again, ie transferred to a blocking state, so a voltage across the voltage-controlled circuit breaker grows slowly, since the input capacitance 10501 charging. Due to the effect of the resonant circuit of the converter 105 in the steady state is despite positively flowing further input current through the throttle 201 achieved a current reversal in the switch, which also reduces the capacity 10501 is unloaded again. The voltage across the switch 103 Thus, it returns to zero, and a negative current begins to flow through the switch. The freewheeling diode 1039 has the task, even before switching on the voltage-controlled circuit breaker 1037 to conduct a reverse current. In this case, a relative or an absolute switch-on time of the switch remain close to constant, since the diode does not have to be switched, but is subject to a current-controlled mode of operation. As long as the diode carries the reverse current, the voltage-controlled circuit breaker at the gate 1035 Therefore, with respect to collector / emitter or drain / source are de-energized, so that no turn-on incurred. Such a current-controlled antiparallel diode is not necessarily designed as a fast diode, so that in this case also a low-cost slow diode can be used.

Wird nun der Schalter 103 mit einer vorbestimmten Frequenz betrieben, so wird der Resonanzkreis, bestehend aus der Kapazität 10502, der Induktivität 10503 und dem Widerstand 10504, angeregt. Wird dabei eine Resonanzfrequenz des Resonanzkreises erreicht, so erreicht der Wandler 105 ein maximales Spannungsübertragungsverhältnis ü. Bei einer Verwendung eines piezoelektrischen Transformators läßt sich beispielsweise eine Spannungsübertragungsfunktion (bei einer definierten Eingangsspannung 101 und einer definierten Last 107) bezüglich der Frequenz etwa durch eine Gauß'sche Funktion (Glockenkurve) beschreiben, wie es beispielsweise in 3a veranschaulicht ist. Bei einer Resonanzfrequenz fR erreicht die Spannungsübertragungsfunktion im Lastzustand einen Maximalwert. Wird die Resonanzfrequenz fR überschritten, was einem überresonanten Fall entspricht, so sinkt die Spannungsübertragungsfunktion derart, daß sie einem Verlauf der Gauß'schen Kurve folgt. Beispielweise bei einer Frequenz f1 oberhalb der Resonanzfrequenz hat die Spannungsübertragungsfunktion einen Wert angenommen, der deutlich geringer ist als der Wert der Spannungsübertragungsfunktion in dem resonanten Fall. Wird bei dem überresonanten Betrieb die Frequenz wieder geringer, so steigt das Spannungsübertragungsverhältnis ü wieder an.Will now the switch 103 operated at a predetermined frequency, so is the resonant circuit, consisting of the capacity 10502 , the inductance 10503 and the resistance 10504 , excited. If a resonant frequency of the resonant circuit is reached, the converter reaches 105 a maximum voltage transfer ratio ü. When using a piezoelectric transformer, for example, a voltage transfer function (at a defined input voltage 101 and a defined load 107 ) in terms of frequency as described by a Gaussian function (bell curve), as for example in 3a is illustrated. At a resonant frequency f R , the voltage transfer function reaches a maximum value in the load state. If the resonance frequency f R is exceeded, which corresponds to an over-resonant case, then the voltage transfer function decreases such that it follows a course of the Gaussian curve. For example, at a frequency f 1 above the resonant frequency, the voltage transfer function has assumed a value that is significantly less than the value of the voltage transfer function in the resonant case. If the frequency decreases again in the over-resonant mode, the voltage transfer ratio ü increases again.

Dieses frequenzabhängige Spannungsübertragungsverhältnis eines piezoelektrischen Transformators, das in 3a dargestellt ist, wird nun gemäß der vorliegenden Erfindung ausgenutzt, um veränderliche Lasten zu treiben. Die an der Sekundärseite der Transformationsanordnung 10505 beispielhaft angeschlossene Gasentladungslampe zeichnet sich durch eine veränderliche Lastcharakteristik aus. Um eine Gasentladungslampe zu zünden, ist es notwendig, daß an dem Ausgangstor des Wandlers 105 eine hohe Spannung anliegt, die das Zünden der Gasentladungslampe 301 ermöglicht. Wird die Gasentladungslampe 301 im lastfreien Zustand gezündet, so sinkt die an der Gasentladungslampe 301 anliegende Spannung, während der durch die Gasentladungslampe fließende Laststrom wächst. Wird ein Nennlastbetrieb (Lastzustand) erreicht, d. h. wird die Gasentladungslampe in einen Brennbetrieb überführt, so kann ihr Lastverhalten, wie bereits ausgeführt, durch einen veränderlichen ohmschen Widerstand in jedem Betriebspunkt angenähert werden, wobei eine negative differentielle Kennlinie des ohmschen Widerstands auftritt.This frequency-dependent voltage transfer ratio of a piezoelectric transformer, which in 3a is now exploited in accordance with the present invention to drive variable loads. The on the secondary side of the transformation arrangement 10505 exemplary connected gas discharge lamp is characterized by a variable load characteristic. In order to ignite a gas discharge lamp, it is necessary that at the output port of the converter 105 a high voltage is applied, which is the ignition of the gas discharge lamp 301 allows. Will the gas discharge lamp 301 ignited in the no-load condition, so decreases the at the gas discharge lamp 301 voltage applied while the load current flowing through the gas discharge lamp grows. If a rated load operation (load condition) is reached, ie the gas discharge lamp is switched to a combustion mode, then can its load behavior, as already stated, be approximated by a variable resistance at each operating point, wherein a negative differential characteristic of the ohmic resistance occurs.

Wird nun die Spannungsübertragungsfunktion durch eine geeignete Auslegung des elektromechanischen Wandlers 105 so breit gewählt, daß bei einer Abweichung von der Resonanzfrequenz eine geeignete Verkleinerung des Spannungsübertragungsverhältnisses auftritt, so kann einem Ansteigen einer Spannung an der Gasentladungslampe im Lastbetrieb entgegengewirkt werden. Steigt die Ausgangsspannung zwischen dem ersten Anschluß 1055 und dem zweiten Anschluß 1057 des Wandlers 105 an, so wirkt der piezoelektrische Transformator wegen seines kapazitiven Ausgangs aufgrund der Kapazität 10508 wie ein Klasse-E-Konverter mit einer vorwiegend kapazitiven Ausgangslast. Dadurch sinkt die übertragene Gesamtleistung nicht in einem solchen Maße ab, als wenn ein konstanter ohmscher Widerstand bei einer gleichen Frequenzänderung als Last betrieben würde. Die übertragene Gesamtleistung teilt sich in die über die Kapazität 10508 geführte Blindleistung und die über die Last 107 geführte Wirkleistung auf. Durch ein Absinken des Laststroms, aber einem gleichzeitigen Ansteigen der Lastspannung (Brennspannung) kann die übertragene Gesamtleistung bei einer Abweichung von der Resonanzfrequenz weniger stark absinken als bei einer konstanten ohmschen Last mit dem gleichen Wandler, da eine aufgrund größerer Ausgangsspannung größere kapazitive Blindleistung über die Kapazität 10508 geführt wird.Now, the voltage transfer function by a suitable design of the electromechanical transducer 105 chosen so wide that at a deviation from the resonant frequency, a suitable reduction of the voltage transfer ratio occurs, it can be counteracted an increase in a voltage at the gas discharge lamp during load operation. If the output voltage rises between the first terminal 1055 and the second port 1057 of the converter 105 On, so does the piezoelectric transformer because of its capacitive output due to the capacity 10508 like a class E converter with a predominantly capacitive output load. As a result, the transmitted total power does not decrease to such a degree as if a constant ohmic resistance were operated as a load with the same frequency change. The transmitted total power is divided into over capacity 10508 guided reactive power and the over the load 107 guided active power. By a decrease in the load current, but a simultaneous increase in the load voltage (burning voltage), the transmitted total power can drop less with a deviation from the resonant frequency less than a constant ohmic load with the same converter, as a larger capacitive reactive power due to larger output voltage on the capacity 10508 to be led.

Ferner wird der Piezotransformator 105 so ausgelegt, daß er bei etwa einer gleichen oder nur einer geringfügig abweichenden Resonanzfrequenz gegenüber dem Lastfall (d. h. Brennbetrieb der Gasentladungslampe) eine belastungslose Hochtransformation der Ausgangsspannung erzeugt, so daß ein Zünden der Gasentladungslampe ermöglicht wird. Diese Eigen schaft ist bei piezoelektrischen Transformatoren aufgrund einer ungedämpften mechanischen Schwingung in einem belastungslosen Zustand auf eine einfache und kostengünstige Weise erreichbar, indem die in 3a gezeigte Resonanzkurve im belastungslosen Zustand schmalbandiger wird, und die breitbandige Resonanzkurve im Lastzustand die schmalbandige lastfreie Kurve umschließt.Furthermore, the piezotransformer 105 designed so that it at about a same or only a slightly different resonant frequency with respect to the load case (ie, burning operation of the gas discharge lamp) generates a loadless up transformation of the output voltage, so that an ignition of the gas discharge lamp is made possible. This property is achievable in piezoelectric transformers due to an undamped mechanical vibration in a no load condition in a simple and cost effective manner by the in 3a shown resonance curve in the loadless state is narrowband, and the broadband resonance curve in the load state, the narrowband load-free curve encloses.

4 zeigt ein Diagramm der qualitativen Kurvenverläufe des Schalterstroms IS, Laststroms IL und dem zu detektierenden Phasenwinkel ΦLT. Außerdem sind eine Periodendauer T, eine Ausschaltzeit toff, eine Reverszeit trev und die Einschaltzeit ton dargestellt. Der Phasenwinkel ΦLT, der durch die Nulldurchgänge des Schalterstroms IS und des Laststroms IL bestimmt wird, ist in diesem beispielhaften Diagramm ungleich Null und relativ groß, da der Laststrom IL einen größeren kapazitiven Anteil aufweist, was gleichbedeutend damit ist, daß die Gasentladungslampe noch nicht in ihren Nennbetrieb (näherungsweise ohmscher Wiederstand) überführt worden ist, wo der Phasenwinkel ΦLT kleiner wird und sogar fast zu null werden kann. Gleichzeitig wird dann auch die Reverszeit trev immer kleiner und kann nahezu null werden, so daß der negativ fließende Reversstrom durch die Diode 1039 verschwindet. 4 shows a diagram of the qualitative curves of the switch current I S , load current I L and to be detected phase angle Φ LT . In addition, a period T, a switch-off time t off , a reverse time t rev and the turn-on time t on are shown. The phase angle Φ LT , which is determined by the zero crossings of the switch current I S and the load current I L is not zero and relatively large in this exemplary diagram, since the load current I L has a larger capacitive component, which is equivalent to the fact that Gas discharge lamp has not yet been converted to its nominal operation (approximately ohmic resistance), where the phase angle Φ LT is smaller and may even become almost zero. At the same time, the reverse time t rev becomes ever smaller and can become almost zero, so that the negatively flowing reverse current through the diode 1039 disappears.

Das frequenzabhängige Spannungsübertragungsverhältnis eines piezoelektrischen Transformators wird in dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel erfindungsgemäß ausgenutzt, um eine frequenzabhängige Leistungsübertragung in Abhängigkeit von einer veränderlichen Last zu realisieren, wie es bereits anhand von 3a erläutert worden ist. Dies wird im folgenden anhand des in 5 dargestellten Spannungsübertragungsverhältnisses eines piezoelektrischen Transformators 105 in Abhängigkeit von einer Lastcharakteristik einer Gasentladungslampe 301 detailliert erklärt.The frequency-dependent voltage transfer ratio of a piezoelectric transformer is described in the 3 embodiment exploited according to the invention exploited to realize a frequency-dependent power transmission in response to a variable load, as already based on 3a has been explained. This will be explained below with reference to 5 represented voltage transmission ratio of a piezoelectric transformer 105 as a function of a load characteristic of a gas discharge lamp 301 explained in detail.

Bei den meisten Piezotransformatoren ist die Resonanzfrequenz in einem unbelasteten Betrieb höher als die optimale Frequenz unter Last (beispielsweise für eine maximale Leistung oder auch für einen maximalen Wirkungsgrad). Um diese Eigenschaft für eine Steuerung an einer Gasentladungslampe zu nutzen, wird die Resonanzfrequenz des elektromechanischen Wandlers ohne Last nur wenig oberhalb der Resonanzfrequenz unter Last realisiert, was technisch problemlos durch eine geeignete Auslegung eines piezoelektrischen Transformators möglich ist. Die Nennfrequenz für den Nennlastbrennbetrieb soll dabei etwa mit der Resonanzfrequenz in einem lastfreien Zustand übereinstimmen. Zum Einschalten der Gasentladungslampe wird zunächst ausgehend von der Resonanzfrequenz der Konverter mit einer um den lastlosen Resonanzpunkt herum vorzugsweise veränderlichen Frequenz angesteuert, welche periodisch langsam ansteigt und/oder langsam wieder abgesenkt wird, und einem Verlauf einer in 5 dargestellten Kurve 501 des Spannungsübertragungsverhältnisses folgt.In most piezotransformers, the resonant frequency in unloaded operation is higher than the optimum frequency under load (for example, for maximum power or for maximum efficiency). To use this property for a control on a gas discharge lamp, the resonant frequency of the electromechanical transducer is realized without load only slightly above the resonant frequency under load, which is technically easily possible by a suitable design of a piezoelectric transformer. The rated frequency for the nominal load combustion mode is intended to coincide approximately with the resonant frequency in a no-load condition. For switching on the gas discharge lamp, the converter is first of all driven, starting from the resonant frequency, with a frequency which is preferably variable around the no-load resonance point, which increases slowly and / or is slowly lowered again, and has a course in FIG 5 illustrated curve 501 the voltage transfer ratio follows.

Nach einer Detektion eines kleiner werdenden Reversstroms, der durch den Schalter 103 fließt, und eines ausreichend großen Gasentladungslampenstroms kann eine Zündung der Gasentladungslampe festgestellt werden, wie es in 5 für den überresonanten Fall dargestellt ist. Direkt nach der Zündung der Gasentladungslampe sinkt die an ihr anliegende Spannung, wobei der Laststrom anwächst, was zur Folge hat, daß das Spannungsübertragungsverhältnis geringer wird, wie es durch die Kurve 503 dargestellt ist (kapazitive Last). Der Verlauf des Spannungsübertragungsverhältnisses bei einem Brennbetrieb der Gasentladungslampe ist durch die Kurve 505 beschrieben. Ausgehend von den in 5 dargestellten Verläufen der verschiedenen Spannungsübertragungsverhältnisse in Abhängigkeit von dem Lastverhalten der Gasentladungslampe sowie der Frequenz wird nun deutlich, daß das frequenzabhängige Spannungsübertragungsverhältnis zu einer effizienten Steuerung einer an die Gasentladungslampe abgegebenen Leistung herangezogen werden kann, indem der Piezotransformator 105 bei verschiedenen nahe beieinander liegenden Frequenzen angeregt wird, was sich beispielsweise durch eine geeignete Schaltfrequenz des Schalters 103 realisieren läßt.After detection of a decreasing reverse current passing through the switch 103 flows, and a sufficiently large gas discharge lamp current, ignition of the gas discharge lamp can be determined, as in 5 is shown for the überresonanten case. Immediately after the ignition of the gas discharge lamp, the voltage applied to it decreases, the load current increases, with the result that the voltage transmission ratio is lower, as shown by the curve 503 is shown (capacitive load). The course of the voltage transfer ratio in a burning operation of the gas discharge lamp is through the bend 505 described. Starting from the in 5 shown courses of the various voltage transfer ratios as a function of the load behavior of the gas discharge lamp and the frequency is now clear that the frequency-dependent voltage transfer ratio can be used to efficiently control a given output to the gas discharge lamp by the piezotransformer 105 is excited at different frequencies lying close to each other, which, for example, by a suitable switching frequency of the switch 103 can be realized.

Erfindungsgemäß wird zu einer Steuerung und einer Regelung des so aufgebauten Konverters ein Phasenwinkel ΦLT zwischen dem Laststrom und dem Schalterstrom ausgewertet, um beispielsweise eine überresonante Regelung zu realisieren.According to the invention, a phase angle φ LT between the load current and the switch current is evaluated for controlling and regulating the converter constructed in this way in order, for example, to realize a superresonant control.

In 5 ist ferner ein beispielhafter Verlauf des Phasenwinkels ΦLT zum Beispiel bei Nennlast in Abhängigkeit von der Frequenz (Kurve 507) zusammen mit den Spannungsübertragungsfunktionen in einem lastlosen Zustand (Zünden) und in einem Lastzustand (Nennlast) veranschaulicht. Es ist zu erkennen, daß sich der Phasenwinkel ΦLT bis zu einem Erreichen einer maximalen Leistungsübertragung stetig verkleinert, während er in Richtung eines lastfreien Betriebs ansteigt. Dabei verändert sich die Last so, daß unterhalb von fOPT die Nennlast oder eine noch größere Last (kleines Spannungsübertragungsverhältnis ü) auftritt, und oberhalb von fOPT eine kleinere Last (größeres Spannungsübertragungsverhältnis ü) bis hin zur lastlosen Zündcharakteristik in Zuordnung zur Funktion des Phasenwinkels ΦLT 507 auftritt.In 5 Furthermore, an exemplary profile of the phase angle Φ LT, for example, at rated load as a function of the frequency (curve 507 ) together with the voltage transfer functions in a no-load state (ignition) and in a load state (rated load). It can be seen that the phase angle Φ LT steadily decreases until a maximum power transmission is reached, while it increases in the direction of load-free operation. In this case, the load changes so that below f OPT the rated load or an even larger load (small voltage transfer ratio ü) occurs, and above f OPT a smaller load (greater voltage transfer ratio ü) up to the no-load ignition characteristic in association with the function of the phase angle Φ LT 507 occurs.

Zu einer Steuerung oder einer Regelung der Gasentladungslampenleistung kann daher beispielsweise der überresonante Bereich oberhalb von einer Frequenz fopt verwendet werden. Hiernach ist es daher nicht notwendig, einen Maximalwert des Gasentladungslampenstroms zu erfassen, um die Steuerung bzw. um die Regelung des Konverters vorzunehmen. Es ist ausreichend, den Phasenwinkel ΦLT zwischen dem Schalter- und dem Laststrom abzutasten und auf einen Nominalwert einzustellen. Wird die Frequenz kleiner, so steigt die Wirkleistungsübertragung bei einem überresonanten Betrieb bis zu ihrem Maximum bei der Resonanzfrequenz an.For example, the supersorant range above a frequency f opt can be used for controlling or regulating the gas discharge lamp power. Accordingly, it is therefore not necessary to detect a maximum value of the gas discharge lamp current to perform the control or the regulation of the converter. It is sufficient to sample the phase angle Φ LT between the switch and the load current and set it to a nominal value. If the frequency becomes smaller, the active power transfer increases in an over-resonant operation up to its maximum at the resonance frequency.

Dies hat zur Folge, daß ein kapazitiver Anteil des Laststroms abnimmt und der Gasentladungslampenstrom, welcher bei der gezündeten Gasentladungslampe (Brennbetrieb) nähe rungsweise in Phase mit der Lampenspannung fließt, näher an die Phase des Schalterstroms herankommt. Der Schalterstrom verkörpert während des Einschaltens etwa den Eingangsstrom des Piezotransformators 105, welcher sich über das Transformationsverhältnis auf die Last (Gasentladungslampe) und auf die Ausgangskapazität 10508 des Wandlers 105 verteilt.This has the consequence that a capacitive portion of the load current decreases and the gas discharge lamp current, which approximately in the ignited gas discharge lamp (combustion) approximately in phase with the lamp voltage, comes closer to the phase of the switch current. The switch current embodies about the input current of the piezotransformer during switching on 105 , which is about the transformation ratio on the load (gas discharge lamp) and on the output capacity 10508 of the converter 105 distributed.

Weiterhin ist in 5a eine Abhängigkeit der Ausgangsleistungsübertragung von der Eingangsspannung bei einer konstanten Ausgangsimpedanz gezeigt. Die Leistung kann unter Nennlast durch Ansteigen der Eingangsspannung von einer minimalen Nenneingangsspannung 505' über eine höhere Eingangsspannung 503' bis zu einer Maximallastkennlinie 501' gesteigert werden. Darüber hinaus kann die Ausgangsleistung nicht mehr wesentlich erhöht werden, wobei dieses vom verwendeten Volumen des Piezotransformators abhängig ist. Ein kleineres Volumen erlaubt nur eine kleinere Maximallast. Es ist deshalb darauf zu achten, daß der Piezotransformator mindestens für eine um etwas größere Last als die Nennlast ausgelegt wird, damit die Regelschaltung nach 8 über die Nennlast hinaus funktionstüchtig bleibt.Furthermore, in 5a a dependence of the output power transfer from the input voltage at a constant output impedance is shown. Power may be below rated load by increasing the input voltage from a minimum rated input voltage 505 ' over a higher input voltage 503 ' up to a maximum load characteristic 501 ' be increased. In addition, the output power can not be increased significantly, this being dependent on the volume of the piezoelectric transformer used. A smaller volume allows only a smaller maximum load. It is therefore important to ensure that the piezotransformer is designed at least for a load slightly greater than the rated load, so that the control circuit after 8th remains functional beyond the nominal load.

Der Verlauf des Phasenwinkels ΦLT bei einer konstanten Frequenz ist noch einmal in 6 in Abhängigkeit von einer an der Gasentladungslampe anliegenden Eingangsspannung Uin gezeigt. Bei einer steigenden Spannung Uin sinkt der Phasenwinkel ΦLT, da in diesem Fall mehr Wirkleistung an die Gasentladungslampe übertragen wird, siehe z.B. 5a, überresonanter Betrieb. Dies hat zur Folge, daß der Wirkanteil des Lampenstroms zunimmt. Anhand dieses Beispiels wird deutlich, daß Schwankungen der Eingangsspannung Uin sich auch in der Größe des Phasenwinkels ΦLT wiederspiegeln. Darüber hinaus können solche Schwankungen der Spannung Uin ausgeglichen werden, indem bei einer sinkenden Eingangsspannung Uin bei der überresonanten Betriebsweise mehr Leistung an die Gasentladungslampe durch Frequenzabsenkung weitergegeben wird. Bei einer steigenden Eingangsspannung kann weniger Leistung an die Gasentladungslampe übertragen werden, indem die Frequenz erhöht wird. Wird der Phasenwinkel dabei etwa konstant gehalten, so bleibt auch die übertragene Wirkleistung an der Last etwa konstant. Indem die Gasentladungslampe aufgrund ihres schwach negativen differentiellen ohmschen Widerstands die Ausgangsspannung nahezu konstant hält, ist durch die Einstellung eines in Abhängigkeit von der Eingangsspannung unterschiedlichen Übertragungsverhältnisses ü durch Frequenzänderung ein etwa konstanter Phasenwinkel ΦLT einstellbar. Dieser Phasenwinkel ist bei konstanter Ausgangsspannung aufgrund der Parallelschaltung der etwa konstanten Kapazität 10508 und der Last 107 im Lastbetrieb ein Maß für die Größe des Laststroms, und somit für die Ausgangsleistung.The course of the phase angle Φ LT at a constant frequency is again in 6 as a function of an input voltage U in applied to the gas discharge lamp. At a rising voltage U in the phase angle Φ LT decreases, since in this case more active power is transmitted to the gas discharge lamp, see eg 5a , over-resonant operation. This has the consequence that the active component of the lamp current increases. From this example it is clear that variations in the input voltage U in reflected also in the size of the phase angle Φ LT. In addition, such fluctuations of the voltage U in can be compensated by more power is passed to the gas discharge lamp by lowering the frequency at a falling input voltage U in in the over-resonant mode of operation. With increasing input voltage, less power can be transmitted to the gas discharge lamp by increasing the frequency. If the phase angle is kept approximately constant, the transmitted active power at the load also remains approximately constant. Since the gas discharge lamp keeps the output voltage almost constant due to its weakly negative differential ohmic resistance, an approximately constant phase angle φ LT can be set by setting a different transmission ratio u as a function of the input voltage. This phase angle is at a constant output voltage due to the parallel connection of the approximately constant capacitance 10508 and the load 107 In load operation, a measure of the size of the load current, and thus the output power.

In 7 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Resonanzkonverters für Niederdruckgasentladungslampen inklusive Schaltfrequenzsteuerung gezeigt. Da dieses Ausführungsbeispiel auf dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel basiert, werden im folgenden die Funktionalitäten mit gleichen Bezugszeichen nicht noch einmal beschrieben.In 7 an embodiment of a resonance converter according to the invention for low-pressure gas discharge lamps including switching frequency control is shown. Since this Ausführungsbei play on the in 3 In the following, the functionalities are not described again with the same reference numerals.

Zusätzlich zu dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt das in 7 dargestellte Ausführungsbeispiel zunächst einen Eingangsgleichrichter 701 mit einem ersten Netzanschluß 70101 und einen zweiten Netzanschluß 70103. Zwischen einem Ausgang 7015 und einem Eingang 7017 des Eingangsgleichrichters 701 ist eine Kapazität 703, die beispielsweise ein Ladekondensator sein kann, gekoppelt. Parallel zu der Kapazität 703 ist ferner ein Ansteuerteil 705 zusammen mit einem Widerstand 70501 gekoppelt. Der Ausgang 7015 des Eingangsgleichrichters 701 ist ferner mit dem ersten Anschluß 2011 der Eingangsdrossel 201 gekoppelt. Das Ansteuerteil 705 weist ferner einen Steuerausgang 7051 auf, der gemäß der vorliegenden Erfindung mit dem Steuereingang 1035 des Schalters 103, der in diesem Ausführungsbeispiel den stromgesteuerten Leistungsschalter 1037 umfaßt, gekoppelt ist. Das Ansteuerteil 705 weist ferner einen ersten Eingang 7053 sowie einen zweiten Eingang 7055 auf. Der erste Eingang 7053 ist mit dem zweiten Eingang 1033 des Schalters gekoppelt. Zwischen dem ersten Eingang 7053 des Ansteuerteils 705 und dem Eingang 7017 des Eingangsgleichrichters 701 ist ferner ein Sense-Widerstand 707 angeordnet. Zwischen der Last 107 und dem zweiten Anschluß 1057 des Wandlers 105 ist ein zweiter Sense-Widerstand 709 angeordnet. Der zweite Eingang 7055 des Ansteuerteils 705 ist zwischen die Last 107 und dem zweiten Sense-Widerstand 709 gekoppelt.In addition to the in 3 illustrated embodiment includes in 7 illustrated embodiment, first an input rectifier 701 with a first network connection 70101 and a second network connection 70103 , Between an exit 7015 and an entrance 7017 of the input rectifier 701 is a capacity 703 , which may be, for example, a charging capacitor coupled. Parallel to the capacity 703 is also a driving part 705 together with a resistance 70501 coupled. The exit 7015 of the input rectifier 701 is also connected to the first port 2011 the input choke 201 coupled. The driving part 705 also has a control output 7051 on, according to the present invention with the control input 1035 of the switch 103 in this embodiment, the current-controlled circuit breaker 1037 comprises, is coupled. The driving part 705 also has a first input 7053 as well as a second entrance 7055 on. The first entrance 7053 is with the second entrance 1033 coupled to the switch. Between the first entrance 7053 of the control part 705 and the entrance 7017 of the input rectifier 701 is also a sense resistor 707 arranged. Between the load 107 and the second port 1057 of the converter 105 is a second sense resistance 709 arranged. The second entrance 7055 of the control part 705 is between the load 107 and the second sense resistor 709 coupled.

Das Ansteuerteil 705 weist ferner einen Stromversorgungseingang 70157 auf, der mit dem Eingang 7017 des Eingangsgleichrichters 701 über eine Kapazität 70111, die beispielsweise als ein Blockkondensator ausgeführt sein kann, gekoppelt ist. Zwischen dem zweiten Anschluß 1053 des Wandlers 105 und dem Stromversorgungseingang 1057 des Ansteuerteils 705 ist eine erste Diode 70131 in Flußrichtung gekoppelt. Zwischen dem Eingang 7017 des Eingangsgleichrichters 701 und dem ersten Anschluß 1051 des Eingangstors des Wandlers 105 ist ferner eine Parallelschaltung, bestehend aus einer externen Kapazität 70151 sowie einer Diode 70171, die in Flußrichtung betrieben wird, gekoppelt. Im folgenden wird die Funktionsweise des in 7 dargestellten Resonanzkonverters erklärt. Dabei wird jedoch nicht noch einmal auf der Funktionalitäten eingegangen, die anhand des in 3 dargestellten Ausführungsbeispiels bereits diskutiert worden sind.The driving part 705 also has a power supply input 70157 on that with the entrance 7017 of the input rectifier 701 about a capacity 70111 , which may be implemented as a blocking capacitor, for example. Between the second connection 1053 of the converter 105 and the power supply input 1057 of the control part 705 is a first diode 70131 coupled in the direction of flow. Between the entrance 7017 of the input rectifier 701 and the first connection 1051 the input gate of the converter 105 is also a parallel circuit consisting of an external capacitance 70151 as well as a diode 70171 , which is operated in the flow direction coupled. The following is the operation of the in 7 explained resonant converter explained. However, it does not deal with the functionalities again, which are based on the in 3 have already been discussed embodiment.

Die Aufgabe des Ansteuerteils 705 besteht darin, den in 7 mit einem Pfeil gekennzeichneten Schalterstrom IS sowie dem Laststrom IL geeignet zu erfassen, um eine Phasendifferenz zwischen den beiden Strömen zu bestimmen, und so an dem Steuerausgang 7051 ein Steuersignal zum Steuern der Schaltfrequenz des Schalters 103 auszugeben. Dazu wird zunächst eine von dem Schalterstrom IS abhängige Größe erzeugt, die an dem ersten Eingang 7053 des Ansteuerteils 705 anlegbar ist. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Schal terstrom IS an dem ersten Sense-Widerstand 707 in eine Spannung umgewandelt, die an dem ersten Eingang 7053 anliegt. An dieser Stelle sei jedoch darauf hingewiesen, daß die von dem Schalterstrom abhängige Größe mit Hilfe einer beliebigen Funktionalität generiert werden kann, beispielsweise durch einen Stromspiegel oder durch eine stromgesteuerte Spannungsquelle.The task of the control part 705 is the in 7 detected with an arrow switch current I S and the load current I L suitable to determine a phase difference between the two currents, and so at the control output 7051 a control signal for controlling the switching frequency of the switch 103 issue. For this purpose, first of all a variable dependent on the switch current I S is generated, which at the first input 7053 of the control part 705 can be applied. In this embodiment, the scarf terstrom I S at the first sense resistor 707 converted into a voltage at the first input 7053 is applied. It should be noted, however, that the size dependent on the switch current can be generated by any functionality, such as a current mirror or a current-controlled voltage source.

Ausgangsseitig treibt der Piezotransformator 105 mit einem Spannungsübertragungsverhältnis ü eine Gasentladungslampe mit dem Lastwiderstand 107, durch den der Laststrom IL fließt. Zum Erfassen einer von dem Laststrom IL abhängigen Größe wird in dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel ein zweiter Sense-Widerstand 709 verwendet, so daß der Laststrom IL über dem Widerstand 709 eine Spannung erzeugt, die an dem zweiten Eingang 7055 des Ansteuerteils 705 anliegt. Auf der Basis dieser beiden Spannungen wird in dem Ansteuerteil 705 zunächst die Phasendifferenz zwischen dem Schalterstrom IS und dem Laststrom IL bestimmt, und es wird, wie es bereits oben beschrieben worden ist, ein Steuersignal ausgegeben, das die Schaltfrequenz des Schalters 103 steuert.On the output side, the piezotransformer drives 105 with a voltage transfer ratio ü a gas discharge lamp with the load resistance 107 through which the load current I L flows. For detecting a dependent of the load current I L size is in the in 7 shown embodiment, a second sense resistor 709 used so that the load current I L across the resistor 709 generates a voltage at the second input 7055 of the control part 705 is applied. On the basis of these two voltages is in the Ansteuerteil 705 First, the phase difference between the switch current I S and the load current I L is determined, and it is, as has already been described above, a control signal is output, which is the switching frequency of the switch 103 controls.

Der Widerstand 70501 liefert eine Startversorgung des Ansteuerteils 705. Die Stromversorgung des Ansteuerteils 705 wird über einen primärseitigen Anschluß des piezoelektrischen Transformators 105 über eine Pumpschaltung mit den Dioden 70131 und 70171, sowie über die externe Kapazität 70151 realisiert, während die Kapazität 70111 (Blockkondensator) die Versorgungsspannung des Ansteuerteils 701 glättet. Somit enthält ein einfaches Energieversorgungsgerät gemäß der vorliegenden Erfindung ohne besondere Anforderungen an eine elektromagnetische Verträglichkeit und ohne weitere Optionen für Dimmen oder Leistungsfaktorkorrektur nur noch drei Kapazitäten 703, 70111 und 70151, die beispielsweise als Kondensatoren ausgeführt werden, einen Eingangsgleichrichter 701 (Netzgleichrichter), eine Eingangsdrossel 201, einen Piezotransformator 105, beispielsweise einen schnellen IGBT 1037 mit einer Reversdiode 1039, ein möglicherweise integriertes Ansteuerteil 705, zwei Dioden 70131 und 70171 sowie einige Kleinstwiderstände.The resistance 70501 supplies a start supply of the control part 705 , The power supply of the control part 705 is via a primary-side terminal of the piezoelectric transformer 105 via a pump circuit with the diodes 70131 and 70171 , as well as about the external capacity 70151 realized while the capacity 70111 (Block capacitor) the supply voltage of the control part 701 smoothes. Thus, a simple power supply device according to the present invention contains only three capacities without any special requirements for electromagnetic compatibility and without further options for dimming or power factor correction 703 . 70111 and 70151 , which are for example designed as capacitors, an input rectifier 701 (Mains rectifier), an input choke 201 , a piezotransformer 105 for example a fast IGBT 1037 with a reverse diode 1039 , a possibly integrated control unit 705 , two diodes 70131 and 70171 as well as some tiny resistors.

Das somit erhaltene Vorschaltgerät läßt sich damit in kompakter Bauweise auf kleinstem Raum unterbringen, wobei beispielsweise eine Bauhöhe von 10 mm leicht erreichbar ist. Für die Eingangsdrossel 201 (Drosselinduktivität) ist beispielsweise eine Baugröße EF 13 bis zu einer Leistung von 18 Watt ausreichend. Für den piezoelektrischen Transformator 105 kann beispielsweise eine zylinderförmige Ausführung bei einer Höhe von 9 mm und einem Durchmesser von 20 mm ebenfalls für 18 Watt als genügend angesehen werden. Der Transistor 1037, beispielsweise als Fieldstop-IGBT ausgeführt, kann in einem kleinen SOT-Gehäuse untergebracht werden, und der Ansteuer-IC (IC; IC = Integrated Circuit) für die Ansteuerschaltung 705 läßt sich in einem 8-poligen Standardgehäuse verpacken. Eine Komplettintegration von der Reversdiode 1039, beispielsweise einem Fieldstop-IGBT 1037 sowie einem Ansteuer-IC, ist in einem 8-poligen Gehäuse als eine Multi-Chip-Lösung ebenfalls kostengünstig realisierbar.The ballast thus obtained can thus be accommodated in a compact design in the smallest space, for example, a height of 10 mm is easily accessible. For the input choke 201 (Inductance inductance) is, for example, a size EF 13 up to a power of 18 Watts enough. For the piezoelectric transformer 105 For example, a cylindrical design with a height of 9 mm and a diameter of 20 mm can also be considered sufficient for 18 watts. The transistor 1037 , for example, implemented as field stop IGBT, can be accommodated in a small SOT package and the drive circuit (IC) for the driver circuit 705 can be packed in an 8-pin standard housing. A complete integration of the reverse diode 1039 for example a field stop IGBT 1037 As well as a drive IC, in an 8-pin package as a multi-chip solution also cost feasible.

In 8 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung 109 zusammen mit dem Schalter 103 sowie dem Lastwiderstand 107 dargestellt.In 8th is an embodiment of the control device according to the invention 109 together with the switch 103 as well as the load resistance 107 shown.

Die Steuereinrichtung 109 umfaßt zunächst eine Einrichtung 801 zum Erfassen einer von dem Schalterstrom IS abhängigen Größe, eine Einrichtung 803 zum Erfassen einer von dem Laststrom IL abhängigen Größe sowie eine Phasenregelschleife 805. Die Phasenregelschleife 805 umfaßt in diesem Ausführungsbeispiel eine Einrichtung 807 zum Ermitteln der Phasenverschiebung zwischen Schalterstrom und Laststrom aus den von der Einrichtung 801 und von der Einrichtung 803 erfaßten Größen. Die Einrichtung 807 weist einen ersten Eingang 8071, einen zweiten Eingang 8073 sowie einen Ausgang 8075 auf. Der Ausgang 8075 der Einrichtung 807 ist über ei nen Widerstand 8091 und eine Kapazität 8093 mit einem Referenzpotential, beispielsweise Masse, gekoppelt.The control device 109 initially includes a device 801 for detecting a size dependent on the switch current I S , means 803 for detecting a dependent of the load current I L size and a phase locked loop 805 , The phase locked loop 805 includes in this embodiment a device 807 for determining the phase shift between the switch current and load current from that of the device 801 and from the institution 803 recorded sizes. The device 807 has a first entrance 8071 , a second entrance 8073 as well as an exit 8075 on. The exit 8075 the device 807 is about a resistance 8091 and a capacity 8093 coupled to a reference potential, such as ground.

Die Einrichtung 805 weist ferner einen spannungsgesteuerten Oszillator 811 (VCO; VCO = Voltage Controlled Oscillator) sowie einen Gate-Treiber 813 auf. Ein Eingang 81101 des VCO 811 ist zwischen dem Widerstand 8091 und der Kapazität 8093 gekoppelt. Ein Ausgang 81103 des VCO ist mit einem Eingang des Gate-Treibers 813 gekoppelt, dessen Ausgang mit dem Steuereingang 1035 des Schalters 103 gekoppelt ist. Die Einrichtung 801 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen Komparator 8011 auf mit einem ersten Eingang 80111, einem zweiten Eingang 80112 sowie einem Ausgang 80113 auf. Der erste Eingang 80111 des Komparators 8011 ist mit dem zweiten Eingang 1033 des Schalters 103 gekoppelt. Der zweite Eingang 80112 ist mit dem Ausgang 80131 einer Referenzquelle 8013 gekoppelt. Der Ausgang 80113 des Komparators 8011 ist mit dem ersten Eingang 8071 der Einrichtung 107 gekoppelt. Die Einrichtung 803 umfaßt einen Komparator 8031 mit einem ersten Eingang 80311 und einem zweiten Eingang 80312 sowie einem Ausgang 80313. Der erste Eingang 80311 des Komparators 80131 ist zwischen den Widerständen 107 und 709 gekoppelt. Der zweite Eingang 80312 des Komparators 8031 ist mit dem Ausgang 8031 der Referenzquelle 8013 gekoppelt. Der Ausgang 80313 des Komparators 8031 ist ferner mit dem zweiten Eingang 8073 der Einrichtung 807 gekoppelt.The device 805 also has a voltage controlled oscillator 811 (VCO, VCO = Voltage Controlled Oscillator) and a gate driver 813 on. An entrance 81101 of the VCO 811 is between the resistance 8091 and the capacity 8093 coupled. An exit 81103 the VCO is connected to an input of the gate driver 813 coupled, whose output to the control input 1035 of the switch 103 is coupled. The device 801 has a comparator in this embodiment 8011 on with a first input 80111, a second input 80112 as well as an exit 80113 on. The first entrance 80111 of the comparator 8011 is with the second entrance 1033 of the switch 103 coupled. The second entrance 80112 is with the exit 80131 a reference source 8013 coupled. The exit 80113 of the comparator 8011 is with the first entrance 8071 the device 107 coupled. The device 803 includes a comparator 8031 with a first entrance 80311 and a second entrance 80312 as well as an exit 80313 , The first entrance 80311 of the comparator 80131 is between the resistances 107 and 709 coupled. The second entrance 80312 of the comparator 8031 is with the exit 8031 the reference source 8013 coupled. The exit 80313 of the comparator 8031 is further to the second input 8073 the device 807 coupled.

Im folgenden wird die Funktionsweise des in dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiels erläutert.The following is the operation of the in the in 8th illustrated embodiment explained.

In dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Schalterstrom an dem Sense-Widerstand 707 in eine Spannung umgewandelt, die an dem ersten Eingang 80111 des Komparators 8011 anliegt. An dem zweiten Eingang 80112 des Komparators 8011 liegt ein Referenzsignal an, das von der Referenzquelle 8013 geliefert wird. Der Komparator 8011 tastet somit die Nulldurchgänge des Schalterstroms IS durch einen Vergleich zwischen der an dem Sense-Widerstand 707 abfal lenden Spannung und dem Referenzsignal nahe Null ab. An dem Ausgang 80113 des Komparators 8011 wird somit ein Ausgangssignal ausgegeben, dessen momentane Phase aus dem Vergleich zwischen den an den Eingängen 80111 und 80112 anliegenden Signale resultiert und das in diesem Ausführungsbeispiel eine von dem Schalterstrom IS abhängige Größe repräsentiert. Eine dazu symmetrische Anordnung befindet sich auf der Lastseite. An dem Sense-Widerstand 709 wird der Laststrom IL in eine Spannung umgewandelt, die an dem ersten Eingang 80311 anliegt. An dem zweiten Eingang 80312 liegt ebenfalls das Referenzsignal 80131 an, das von der Referenzquelle 8013 geliefert wird. Durch einen Vergleich mit dem Referenzsignal nahe Null wird der Laststrom über den Sense-Widerstand 709 abgetastet und der Komparator 8031 gibt an seinem Ausgang 80313 ein Ausgangssignal aus, das eine von dem Schalterstrom IL abhängige Größe repräsentiert. In diesem Ausführungsbeispiel sind die beiden zweiten Eingänge 80112 und 80312 mit demselben Ausgang 80131 der Referenzquelle 8013 gekoppelt. Diese Referenzquelle ist in diesem Ausführungsbeispiel als eine Gleichspannungsquelle ausgeführt. An dieser Stelle sei angemerkt, daß die Referenzquelle 8013 eine beliebige Quelle sein kann, wie z.B. eine Wechselspannungsquelle, oder eine andere Anordnung wie beispielsweise eine strom- oder spannungsgesteuerte Spannungsquelle, die ein vorbestimmtes z.B. zeitabhängiges Referenzsignal liefert.In the in 8th illustrated embodiment, the switch current to the sense resistor 707 converted into a voltage at the first input 80111 of the comparator 8011 is applied. At the second entrance 80112 of the comparator 8011 is a reference signal from the reference source 8013 is delivered. The comparator 8011 thus samples the zero crossings of the switch current I S by a comparison between that on the sense resistor 707 abfal loin voltage and the reference signal near zero. At the exit 80113 of the comparator 8011 Thus, an output signal is output, the current phase of the comparison between the at the inputs 80111 and 80112 applied signals and in this embodiment represents a dependent of the switch current I S size. A symmetrical arrangement is located on the load side. At the scythe resistance 709 the load current I L is converted into a voltage which is at the first input 80311 is applied. At the second entrance 80312 is also the reference signal 80131 to that from the reference source 8013 is delivered. By comparison with the reference signal near zero, the load current through the sense resistor 709 sampled and the comparator 8031 gives at his exit 80313 an output representing a magnitude dependent on the switch current I L. In this embodiment, the two second inputs 80112 and 80312 with the same exit 80131 the reference source 8013 coupled. This reference source is designed in this embodiment as a DC voltage source. It should be noted that the reference source 8013 may be any source, such as an AC voltage source, or other arrangement such as a current or voltage controlled voltage source that provides a predetermined, eg, time-dependent reference signal.

In dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel werden der Schalterstrom und der Laststrom an den beiden Sense-Widerständen 707 und 709 abgetastet. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß wie der Schalterstrom auch der Laststrom mit Hilfe einer beliebigen Funktionalität abgetastet werden kann, wie z. B. einem Stromspiegel mit einem Widerstand als Last oder auch einer stromgesteuerten Spannungsquelle, oder durch eine gesonderte Last- oder Schalterstromproportionale Signalquelle, z.B. als Anzapfung des Übertragers 105 (Piezo-Trafo) in 7.In the in 8th illustrated embodiment, the switch current and the load current to the two sense resistors 707 and 709 sampled. At this point it should be noted that as the switch current and the load current can be sampled using any functionality, such. As a current mirror with a resistor as a load or a current-controlled th voltage source, or by a separate load or switch current proportional signal source, eg as a tap of the transformer 105 (Piezo transformer) in 7 ,

Die Einrichtung 807 dient zum Ermitteln der Phasenverschiebung zwischen dem Schalterstrom und dem Laststrom aus den erfaßten Größen, die an den beiden Eingängen 8071 und 8073 anliegen. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Einrichtung 807 als ein Phasendetektor ausgeführt, der ein Teil der Phasenregelschleife 805 ist. Das von dem Phasendetektor 807 ermittelte Phasendifferenzsignal, das ferner bezüglich seiner Frequenzabhängigkeit davon abhängt, ob ein überresonanter oder ob ein unterresonanter Betrieb herrscht, wird durch die Integratoreinrichtung 809, in diesem Ausführungsbeispiel als ein Filter ausgeführt, bestehend aus einem Widerstand und einem Kondensator, aufintegriert. Das Filterausgangssignal liegt an dem Eingang 81101 des VCO 811 an, der ausgehend von dem Filterausgangssignal eine geeignete Frequenz f und einen dazugehörigen Duty-Cycle Df erzeugt. Dieses Ausgangssignal wird an den Steuereingang 1035 des Schalters 103 weitergeleitet. An dieser Stelle sei angemerkt, daß die Integratoreinrichtung 809, die in diesem Beispiel besonders kostengünstig ausgeführt ist, auch in anderer Weise implementiert sein kann, wie beispielsweise durch einen geeignet verschalteten Operationsverstärker, oder eine andere zeitverzögernde Schaltung.The device 807 is used to determine the phase shift between the switch current and the load current from the detected quantities at the two inputs 8071 and 8073 issue. In this embodiment, the device 807 as a phase detector which is part of the phase locked loop 805 is. That of the phase detector 807 determined phase difference signal, which also depends with respect to its frequency dependence on whether an over-resonant or if there is a sub-resonant operation, is determined by the integrator device 809 , implemented in this embodiment as a filter consisting of a resistor and a capacitor, integrated. The filter output is at the input 81101 of the VCO 811 which, starting from the filter output signal, generates a suitable frequency f and an associated duty cycle D f . This output signal is sent to the control input 1035 of the switch 103 forwarded. It should be noted at this point that the integrator device 809 , which is particularly inexpensive in this example, can also be implemented in other ways, such as by a suitably interconnected operational amplifier, or other time-delay circuit.

Bei diesem Ausführungsbeispiel umfaßt der Schalter 103 einen spannungsgesteuerten Leistungsschalter 1037. Das Ausgangssignal des VCO 813 wird dem Gate-Treiber 813 zugeführt, dessen Ausgangssignal auf ein Gate von beispielsweise einem Fieldstop-IGBT oder einem MOSFET als mögliche Ausführungsformen des spannungsgesteuerten Leistungsschalters weitergegeben wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Einrichtung 807 als ein Phasendetektor zum Ermitteln der Phasendifferenz und zum Erzeugen eines Differenzsignals ausgeführt. Dies hat den Vorteil, daß zum Steuern des Schalters 103 die Phasenregelschleife 805 verwendet werden kann, die sich kostengünstig realisieren läßt.In this embodiment, the switch comprises 103 a voltage controlled circuit breaker 1037 , The output signal of the VCO 813 becomes the gate driver 813 whose output signal is relayed to a gate of, for example, a field stop IGBT or a MOSFET as possible embodiments of the voltage-controlled circuit breaker. In this embodiment, the device is 807 as a phase detector for detecting the phase difference and generating a difference signal. This has the advantage that for controlling the switch 103 the phase locked loop 805 can be used, which can be realized inexpensively.

Die Regelung nach 8 funktioniert wie folgt: Wenn sich die Ausgangslast vergrößert (kleinerer ohmscher Wider stand), so wird sich nach 5 ein kleineres Übertragungsverhältnis einstellen. Gleichzeitig verkleinert sich dabei aber im überresonanten Fall der Phasenwinkel ϕLT, so daß die Spannung Up, die am Ausgang der Einrichtung 809 ausgegeben wird, ansteigt. Über den VCO 811 wird zeitverzögert durch das Filter 809 eine größere Frequenz an dem Gate des beispielsweise Fieldstop-IGBT 1037 eingestellt, welche eine Reduzierung der übertragenen Leistung bewirkt. Damit gelangt man auf den überresonanten Kennlinie nach 5 zu einem kleineren Übertragungsverhältnis ü. Da jedoch die Ausgangslast, wenn es sich um eine Gasentladungslampe (Leuchtstofflampe) handelt, einen negativen differentiellen Widerstand besitzt, erhöht sich die Ausgangsspannung, und der Lampenstrom sinkt überproportional ab. Somit gelangt man auf eine Übertragungskennlinie oberhalb der bisherigen Kennlinie nach 5, so daß durch die Veränderung der Ausgangsimpedanz wieder ein größerer Phasenwinkel ϕLT eingestellt wird, wie es in 5 ebenfalls gezeigt ist (gepunktete Kennlinie 507). Wenn sich der Phasenwinkel erhöht, so wird auch die Phasendifferenzspannung Up wieder absinken, und die Regelung kommt zu einem statischen Endwert.The scheme after 8th works as follows: If the output load increases (smaller ohmic resistance), then it will be 5 set a smaller transmission ratio. At the same time, however, the phase angle φ LT decreases in the over-resonant case, so that the voltage Up, which is present at the output of the device 809 is issued, increases. About the VCO 811 is time delayed by the filter 809 a greater frequency at the gate of the fieldstop IGBT, for example 1037 set, which causes a reduction of the transmitted power. This leads to the over-resonant characteristic 5 to a smaller transmission ratio ü. However, since the output load has a negative differential resistance when it is a gas discharge lamp (fluorescent lamp), the output voltage increases and the lamp current decreases disproportionately. Thus one arrives at a transfer characteristic above the previous characteristic 5 , so that by changing the output impedance again a larger phase angle φ LT is set, as in 5 is also shown (dotted curve 507 ). As the phase angle increases, so will the phase difference voltage U p again decrease, and the control comes to a static end value.

Gleiches gilt für Änderungen der Eingangsspannung: Wenn die Eingangsspannung des Konverters ansteigt, so verkleinert sich der Phasenwinkel ϕLT nach 6. Damit wird nach 5a eine größere Ausgangsleistung übertragen. Die Phasendifferenzspannung Up steigt dadurch wieder an und erhöht zeitverzögert über die Einrichtung 809 die Frequenz f, so daß sich entsprechend 5a die übertragene Leistung reduziert. Dieses hat wiederum einen Anstieg des Phasenwinkels ϕLT zur Folge, so daß die Regelung zum Stillstand kommt.The same applies to changes in the input voltage: When the input voltage of the converter increases, the phase angle φ LT decreases 6 , This is after 5a transmit a larger output power. The phase difference voltage U p thereby increases again and increases with time delay over the device 809 the frequency f, so that accordingly 5a reduces the transmitted power. This in turn results in an increase of the phase angle φ LT , so that the control comes to a standstill.

Gelangt die Regelung aus irgendeinem Grund in den unterresonanten Betrieb (5, 5a), so würde sie nicht mehr funktionieren. Der VCO 811 verfügt deshalb gegebenenfalls über eine nicht gezeigte Einrichtung um die angelegte Frequenz zum Zeitpunkt des Zündens zu speichern. Bei einer erfindungsgemäßen Ausführung des Piezotransformators 105 be findet sich die Zündfrequenz im überresonanten Zweig der Lastkurve in 3a. Diese Zündfrequenz wird dann zielgemäß während der Regelung unter Last nicht, oder nur um einen durch die Parameter des Piezotransformators 105 definierten Betrag unterschritten, so daß auch eine überproportionale Änderung der Phasenspannung Up zu kleineren Werten keine Frequenzabsenkung in den unterresonanten Betrieb zuläßt. Hierzu kann der VCO 811 weiterhin über eine nicht gezeigte Einrichtung zur Sicherstellung einer minimalen, unteren Grenzfrequenz im Lastbetrieb verfügen, welche dieses Verhalten sicherstellt.If, for some reason, the scheme is included in the subresonant operation ( 5 . 5a ), it would not work anymore. The VCO 811 Therefore, if necessary, has a device, not shown, to store the applied frequency at the time of ignition. In an embodiment of the piezotransformer according to the invention 105 be found the ignition frequency in überresonanten branch of the load curve in 3a , This ignition frequency is then targeted during control under load, or only one by the parameters of the piezotransformer 105 falls below the defined amount, so that even a disproportionate change in the phase voltage U p to smaller values no frequency reduction in the subresonant operation permits. For this, the VCO 811 continue to have a device, not shown, to ensure a minimum, lower limit frequency in load operation, which ensures this behavior.

Wie bereits erwähnt, zeichnet sich der VCO 811 ferner durch einen Duty-Cycle Df aus, der einstellbar ist. Um die Funktionsweise des Oszillators 811 zu erklären, wird erneut zu 4 zurückgekehrt. Der erfindungsgemäße Verstärker der Klasse E wird so betrieben, daß der Schalter nach Nullwerden der Schalterspannung, gegebenenfalls zeitverzögert, eingeschaltet wird. Dabei ergeben sich Einschaltzeiten von typischerweise DE = 0,25 ... 0,45, um eine optimale Begrenzung der Schalterspannung zu erreichen. Diese Einschaltzeiten werden erfindungsgemäß von dem spannungsgesteuerten Oszillator 811 geliefert, und zwar derart, daß der Strom im Schalter während der Einschaltzeit nur ansteigend verläuft, wie es in 4 durch den Verlauf von IS in einem durch ton markierten Intervall verdeutlicht ist. Der VCO 811 ist daher so ausgeführt, daß er einen hierzu notwendigen Duty-Cycle Df liefert. Dies kann beispielsweise durch eine in 8 nicht eingezeichnete Einrichtung zum Einstellen eines vorbestimmten Tastverhältnisses des Ausgangssignals des Oszillators 811 realisiert werden.As already mentioned, the VCO stands out 811 further by a duty cycle D f , which is adjustable. To the operation of the oscillator 811 Explaining it will be over again 4 returned. The class E amplifier according to the invention is operated so that the switch is switched on after the switch voltage has become zero, possibly with a time delay. This results in turn-on times of typically DE = 0.25 ... 0.45, in order to achieve an optimal limitation of the switch voltage. These switch-on times are erfindungsge according to the voltage-controlled oscillator 811 supplied in such a way that the current in the switch during the on-time is only increasing, as shown in 4 is illustrated by the course of I S in an interval marked by t on . The VCO 811 is therefore designed so that it provides a duty cycle D f necessary for this purpose. This can be done, for example, by an in 8th not shown means for setting a predetermined duty cycle of the output signal of the oscillator 811 will be realized.

Aus den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Erfindung wird deutlich, daß die Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik bedeuten, daß ein resonanter Wechselrichter, bestehend aus einem selbst- oder einem fremderregten Verstärker der Klasse E, mit einer auf Resonanzfrequenz abgestimmter Betriebsweise bei einer hohen Frequenz unter Verwendung eines elektromechanischen Energiewandlers mit hoher Lastkreisgüte, einen hohen Wirkungsgrad sowie eine begrenzte Laständerung und eine begrenzte Eingangsspannungsschwankung zuläßt, indem ein dynamisch schneller Schalter mit mindestens etwa dreifacher Sperrspannung gegenüber der maximalen Eingangsgleichspannung verwendet wird. Da nur ein Schalter und eine relativ einfache Ansteuerschaltung erforderlich sind, läßt sich die Schaltung als eine Ein-Chip-Lösung (z. B. in einer SMART-POWER-Technologie) realisieren, oder in bekannter kostengünstiger Multi-Chip-Ausführung ohne eine Notwendigkeit einer brückenfähigen Hochvolt-Technologie für die Ansteuerschaltung. Unter Verwendung von beispielsweise üblichen Hochvoltleistungsschaltern (z. B. Fieldstop-IGBT bis 1700V, Cool-MOS bis 800V) ist ein Betrieb an gleichgerichteter Netzspannung möglich. Die benötigte Ansteuerschaltung arbeitet insbesondere bei Verwendung von MOS-Transistoren oder schnellen IGBT wegen des kapazitiven Gateverhaltens sehr verlustarm, ebenso der Schalter und der elektromechanische Wandler. Durch die Verwendung von MOS-Schaltern oder auch schnellen IGBT ist eine hohe Schaltgeschwindigkeit erzielbar. Wegen daraus resultierender möglicher Frequenzerhöhung bis etwa 200 kHz oder auch mehr verkleinern sich die kapazitiven und die induktiven Bauelemente der Gesamtanordnung, wie beispielsweise die Eingangsdrossel. Eine Resonanzinduktivität ist somit nicht mehr erforderlich, ebensowenig wie eine High-Side-Treibereinrichtung, was für vergleichbare Halbbrückenlösungen mit schmalbandigen Energiewandlern nicht, oder nur unter Einschränkungen bezüglich der Ansteuergenauigkeit, gegeben ist. Außerdem sind im Lastkreis keine reaktiven Bauelemente (Kondensatoren, Induktivitäten) erforderlich und werden vollständig durch den piezoelektrischen Transformator ersetzt.Out the above-described embodiments according to the present invention Invention will be apparent that the Improvements over the Prior art mean that a resonant inverter, consisting of a self-excited or an externally excited one amplifier Class E, with a tuned to resonant frequency mode of operation a high frequency using an electromechanical Energy converter with high load circuit quality, high efficiency and a limited load change and allows a limited input voltage swing by a dynamically fast switch with at least about three times Reverse voltage opposite the maximum input DC voltage is used. Because only one switch and a relatively simple drive circuit are required, can be the circuit as a one-chip solution (eg in a SMART POWER technology) realize, or in a known cost-effective multi-chip design without a need for bridge-capable high-voltage technology for the Drive circuit. Using, for example, conventional High-voltage circuit-breakers (eg Fieldstop IGBT up to 1700V, Cool-MOS bis 800V), operation at rectified mains voltage is possible. The needed Drive circuit operates in particular when using MOS transistors or fast IGBT because of the capacitive gate behavior very low loss, as well as the switch and the electromechanical transducer. By the Use of MOS switches or even fast IGBT is high Switching speed achievable. Because of the resulting possible rate increase up to about 200 kHz or more, the capacitive ones are decreasing and the inductive components of the overall arrangement, such as the input choke. A resonance inductance is therefore no longer necessary as well as a high-side driver device, which is comparable Half bridge solutions with narrowband energy converters are not, or only with restrictions in terms of the driving accuracy, is given. In addition, in the load circuit no reactive components (capacitors, inductors) are required and become Completely replaced by the piezoelectric transformer.

Gegenüber einer aufwendigen Auswertung des Laststromes zur Einstellung der Nennleistung nach Schrift (3) ist für die gewählte Klasse-E-Schaltung nur ein Phasenvergleich zwischen den Nulldurchgängen von Laststrom und Schalterstrom erforderlich, um die Nennleistung einzustellen. Dadurch vereinfacht sich die Regelschaltung und läßt sich als Analogschaltung auf einer kleineren Chipfläche integrieren als wenn aufwendige Auswerteschaltungen für die Amplitude des Laststroms verwendet würden, oder diese Auswertung durch kostenintensive Brückentreiber-Ics vorgenommen wird.Opposite one elaborate evaluation of the load current to adjust the rated power to Font (3) is for the chosen one Class E circuit only one phase comparison between the zero crossings of Load current and switch current required to set the rated power. This simplifies the control circuit and can be integrate as analog circuit on a smaller chip area than if consuming Evaluation circuits for the amplitude of the load current would be used, or this evaluation through costly bridge driver ICs is made.

Das inverse Spannungsübertragungsverhältnis 1/ü (Eingangsspannung/Ausgangsspannung) des elektromechanischen Wandlers wird bezüglich einer Sinusübertragung bei Resonanzfrequenz in Anpassung an typische Netzanwendungen für Entladungslampen (z. B. Niederdrucklampen) erfindungsgemäß mit 1,5:1 bis 5:1 gewählt. Dabei kann die Eingangsnetzspannung zwischen 80 und beispielsweise 260 Volt Wechselspannung betragen. Aus dem elektrischen Filterverhalten des elektronmechanischen Wandlers (z. B. piezoelektrischer Transformator) ergibt sich dann eine Lastspannung (Brennspannung) im typischen Bereich der Niederdruckentladungslampen von z. B. 50 bis 160 V. Bei anderen Übersetzungsverhältnissen wäre in dieser Schaltungstopologie eine Lastenanpassung mit optimaler Schalterspannungsbegrenzung für die beschriebenen Netzanwendungen nicht erreichbar, weshalb das richtig dimensionierte Übersetzungsverhältnis im Nennlastbetrieb ein wesentlicher Grundgedanke der erfindungsgemäßen Lösung ist.The inverse voltage transfer ratio 1 / ü (input voltage / output voltage) of the electromechanical transducer is relative to a sine wave transmission at resonant frequency in adaptation to typical mains applications for discharge lamps (For example, low-pressure lamps) according to the invention with 1.5: 1 to 5: 1 selected. there For example, the input line voltage may be between 80 and 260, for example Volt AC voltage. From the electrical filter behavior of the electronic mechanical transducer (eg piezoelectric transformer) then results in a load voltage (burning voltage) in the typical Range of low-pressure discharge lamps of z. B. 50 to 160 V. For other gear ratios would be in this circuit topology a load adjustment with optimal switch voltage limiting for the can not be reached, which is why the correctly dimensioned transmission ratio in Rated load operation is an essential basic idea of the solution according to the invention.

Weiterhin ist die Eingangskapazität des elektromechanischen Wandlers so zu wählen, daß neben dem parallel zu dem Wandlereingang geschalteten Halbleiterschalter keine weitere Parallelkapazität benötigt wird. Der Wert dieser Eingangskapazität wird bei einer Frequenz von typischerweise 100 kHz und einer Leistung von 10 bis 20 Watt je nach Eingangsspannung zwischen 100 pF und 1 nF betragen. Bei kleiner Eingangsspannung (80 bis 160 V Wechselspannung) ist der Wert der Kapazität etwa 500 pF bis 1 nF zu wählen, bei einer großen Eingangsspannung (160 bis 260 V Wechselspannung) ist dieser Wert etwa mit 100 pF bis 500 pF zu wählen.Farther is the input capacity of the electromechanical transducer to be chosen so that in addition to the parallel to the Converter input switched semiconductor switch no further parallel capacitance is needed. The value of this input capacity is at a frequency of typically 100 kHz and power from 10 to 20 watts depending on the input voltage between 100 pF and 1 nF. At low input voltage (80 to 160 V AC) is the value of the capacity to choose about 500 pF to 1 nF, at a big one Input voltage (160 to 260 V AC), this value is about with 100 pF to 500 pF to choose.

Die parallel hierzu wirkende Kapazität des Schalters liegt dabei in einer Größenordnung von weniger als 200 pF. Für andere Leistungsbereiche verschiebt sich der Wert der Eingangskapazität nach oben (größere Leistung) oder auch nach unten (kleinere Leistung). Eine solche Anpassung ist durch eine Konstruktion eines piezoelektrischen Transformators möglich. Bevorzugt wird hierbei ein zirkular oder auch ein lateral schwingender piezoelektrischer Transformator eingesetzt. Hingegen ist ein piezoelektrischer Transformator, der auf der Basis einer Dickenschwingung arbeitet, oder ein Rosen-Typ-Transformator weniger für diese Anwendung geeignet, da diese ein entsprechendes Abtransformationsverhältnis in dem vorgegebenen Leistungsbereich und der geforderten Eingangskapazität nicht bei einem ausreichenden Wirkungsgrad zulassen. An dieser Stelle sei jedoch darauf hingewiesen, daß auch diese beiden Typen von Piezotransformatoren erfindungsgemäß eingesetzt werden können.The parallel acting capacity of the switch is on the order of less than 200 pF. For other power ranges, the value of the input capacitance shifts up (higher power) or down (smaller power). Such an adaptation is possible by a construction of a piezoelectric transformer. Preferably, a circular or a laterally oscillating piezoelectric transformer is used here. On the other hand, a piezoelectric transformer which operates on the basis of a thickness vibration or a Rosen type transformer is we niger suitable for this application, since they do not allow a corresponding transformation ratio in the specified power range and the required input capacitance at a sufficient efficiency. It should be noted, however, that these two types of piezotransformers can be used according to the invention.

Außerdem hilft der negative differentielle Widerstand einer Gasentladungslampe im Brennbetrieb, die Nullspannungsschaltung der Klasse E zu stabilisieren, und ist als Last in Verbindung mit einem schmalbandigen elektromechanischen Wandler hierzu besser geeignet als ein konstanter ohmscher Widerstand. Dazu wird der piezoelektrische Transformator so ausgelegt, daß seine Spannungsübertragungsfunktion eine ausreichende Bandbreite besitzt, die, wie es bereits erwähnt worden ist, bezüglich der Frequenz etwa einer Gauß'schen Funktion folgt, und so breit gewählt wird, daß bei einer Abweichung von der Resonanzfrequenz eine Verkleinerung des Spannungsübertragungsverhältnisses ü auftritt, dem das Ansteigen der Spannung an der Gasentladungslampe entgegenwirkt. Dadurch läßt sich eine Steuerung oder Regelung für Gasentladungslampen über eine Erfassung des Lampenstroms technisch zuverlässig implementieren die Frequenzbandbreite bis zum Abfall auf eine halbe Leistung wenigstens etwa 5 bis 10 % der Nennfrequenz beträgt. In diesem Bereich, und durch die Wirkung der Ausgangskapazität bei einer steigenden Lampenspannung, ändert sich das Ver halten der Klasse-E-Schaltung bezüglich der Nullspannungsschaltung und der Schalterstrombelastung kaum, so daß keine wesentlichen Änderungen bezüglich des Schaltermaximalstroms, des Schalterreversstroms und der Schaltermaximalspannung bei etwa konstanter relativer Einschaltzeit auftreten. Dieses ist dadurch bedingt, daß die Ausgangskapazität des piezoelektrischen Transformators groß genug ist (z.B. einige Nanofarad), um auch im belastungsfreien Zustand genügend Blindleistung aufzunehmen, und an den Eingang resonant zurückzuspeisen, wenn die Wirklast gegenüber ihrem Nennwert kleiner wird.It also helps the negative differential resistance of a gas discharge lamp in the burning mode, to stabilize the class E zero-voltage circuit, and is used as a load in conjunction with a narrowband electromechanical Converter better suited as a constant ohmic resistance. For this purpose, the piezoelectric transformer is designed so that its Voltage transfer function has a sufficient bandwidth, which, as already mentioned is, re the frequency follows approximately a Gaussian function, and chosen so broadly will that at a deviation from the resonance frequency, a reduction of the Voltage transfer ratio ü occurs, counteracts the increase in the voltage at the gas discharge lamp. This can be done a control or regulation for Gas discharge lamps over a detection of the lamp current technically reliable implement the frequency bandwidth until waste to half a performance at least about 5 to 10% the nominal frequency is. In this area, and by the effect of output capacity at a rising Lamp voltage, changes the behavior of the class E circuit with respect to the zero voltage circuit and the switch current load hardly, so that no significant changes in the Switch maximum current, the switch reverse current and the switch maximum voltage occur at approximately constant relative on-time. This is due to the fact that the Output capacity of the piezoelectric transformer is large enough (e.g., a few nanofarads), to record enough reactive power even in the load-free state, and resonantly fed back to the entrance, when the load opposite their nominal value is smaller.

Der Klasse-E-Konverter reagiert auf eine verstärkt kapazitive oder eine weniger ohmsche Ausgangsbelastung mit einer Erhöhung des Blindstromanteils, ohne daß die Nullspannungsbedingung verletzt wird. Hierbei wirkt sich die inhärente Ausgangskapazität des piezoelektrischen Transformators in diesem Sinne stabilisierend aus. Somit kehrt die Schalterspannung weiterhin auf Null zurück, auch wenn die Gasentladungslampe wieder verloschen oder entfernt worden ist. Damit erhöht sich lediglich der Reversstromanteil in dem Schalter. Für den Fall, daß keine Wirkleistung mehr an die Last übertragen wird, ist der maximale Reversstrom gleich dem maximalen Einschaltstrom des Schalters (Zündbetrieb). Somit kann eine Detektion von End-Of-Life-Effekten oder Lastkreisunterbrechung durch ein Abtasten des Reversstroms in dem Schalter erfolgen, ohne daß die Lampenspannung überwacht werden muß. Allerdings ändert sich die optimale relative Einschaltzeit mit der Frequenz und muß bei größeren Frequenzänderungen innerhalb der Bandbreite nachgeführt werden. Solches ist für eine Festpunktlast innerhalb einer PLL-Regelung jedoch seltener oder gar nicht erforderlich und wird nur bei einer Leistungsstellung in einem größeren Bereich anzuwenden sein, oder wenn ein Zündbetrieb mit Vorheizen der Gasentladungslampe vorgesehen ist. Wegen der stärkeren Verluste während des Vorheizens im piezoelektrischen Transformator ist ein vorheizungsfreier Instant-Start für diese Lösung jedoch zu bevorzugen.Of the Class E converter responds to an amplified capacitive or a less ohmic output load with an increase of the reactive current component, without that Zero voltage condition is violated. In this case, the inherent output capacitance of the piezoelectric effect Transformers in this sense stabilizing. Thus, the returns Switch voltage continues to return to zero, even if the gas discharge lamp has been extinguished or removed. This increases only the reverse current component in the switch. In the event that no Active power is transferred to the load more the maximum reverse current is equal to the maximum inrush current of the switch (ignition mode). Consequently can detect end-of-life effects or load circuit interruption by sampling the reverse current in the switch, without that monitors the lamp voltage must become. However, changes the optimum relative on-time with the frequency and must at larger frequency changes tracked within the bandwidth become. Such is for a fixed point load within a PLL control, however, less often or not at all and will only be in a performance position in a larger area be applied, or if an ignition operation is provided with preheating the gas discharge lamp. Because of the greater losses while preheating in the piezoelectric transformer is a preheater-free Instant start for this solution however, to be preferred.

Bei einer Schwankung der Eingangsspannung ändert sich das Transformationsverhältnis des elektromechanischen Wandlers wenig, so daß sich die Leistung etwa mit dem Quadrat der Eingangsspannung ändert. Wird die Eingangsgleichspannung des Konverters kleiner, so sinken der Wirkstrom und der Blindstrom in dem Lastkreis entsprechend ab, und der Schalterreversstrom nimmt ab. Wenn die Sperrspannungsreserve des Schalters groß ist, kann die Eingangskapazität des piezoelektrischen Transformators verkleinert werden, um ein Nullspannungsschalten (ZVS) bis zu kleineren Eingangsspannungen zu erreichen. Ist die Sperrspannungsreserve des Schalters hingegen klein, so darf die Eingangsspannung nicht unter einen bestimmten Minimalwert sinken. Dieser Wert ist wegen der ausreichend großen Ausgangskapazität eines piezoelektrischen Transformators bei sinkender ohmscher Belastung aber klein genug, um die üblichen Spannungsschwankungen der Netze auszugleichen und um zusätzlich eine größere Spannungsschwankung an dem Eingangsladekondensator zuzulassen. Wird die Last entfernt oder ist die lastseitige Gasentladungslampe ungezündet, so bewirkt die konstante oder geringfügig ansteigende kapazitive Ausgangslast des piezoelektrischen Transformators einerseits eine Aufrechterhaltung des Nullspannungsschaltens, indem der steigende Blindstromanteil den fehlenden Laststromanteil kompensiert. Andererseits wird die Schaltermaximalspannung jedoch nicht wesentlich größer, da der effektive Eingangsstrom abnimmt und von einem kleineren Anteil des Laststroms kompensiert werden muß, wobei auch die gesamte relative Einschaltzeit konstant bleibt.at a fluctuation of the input voltage changes the transformation ratio of the electromechanical Converter little, so that the Power approximately with the square of the input voltage changes. Becomes the input DC voltage of the converter decreases, so the sink Active current and the reactive current in the load circuit accordingly, and the switch reverse current decreases. When the reverse voltage reserve the switch is big, can the input capacity of the piezoelectric transformer are reduced to a Zero voltage switching (ZVS) up to smaller input voltages to reach. Is the reverse voltage reserve of the switch, however small, so the input voltage must not be below a certain Minimum value decrease. This value is due to the sufficiently large output capacity of a piezoelectric transformer with decreasing ohmic load but small enough to the usual To balance voltage fluctuations of the networks and in addition to a greater voltage fluctuation at the input charging capacitor. If the load is removed or is the load-side gas discharge lamp unlit, so causes the constant or slightly increasing capacitive Output load of the piezoelectric transformer on the one hand a Maintaining the zero voltage switching by the rising Reactive current component compensates for the missing load current component. on the other hand However, the switch maximum voltage is not much larger because the effective input current decreases and of a smaller proportion of the load current must be compensated, whereby the total relative Switch-on time remains constant.

Wird die ohmsche Belastung größer, so sinkt der Blindstromanteil auf kleinere Werte, so daß die Schaltermaximalspannung auch in diesem Fall nicht überschritten wird. Bei einen zu großen ohmschen Last würde das Nullspannungsverhalten nicht mehr erreicht, weil die Übertragungskennlinie des piezoelektrischen Wandlers nur eine begrenzte Leistungsübertragung (Maximallast) zulässt. Eine Lasterhöhung stößt auf die gleiche Begrenzung bei der Leistungsübertragung wie eine Eingangsspannungserhöhung nach 5a. Somit wird die zusätzlich aufgenommene Leistung an dem Schalter in Wärme umgesetzt, wenn bei einer Spannung größer als null eingeschaltet werden muß. Damit wird die Schaltermaximalspannung ebenfalls nicht überschritten, indem die übertragene Leistung nicht mehr erhöht wird. Für den Fall, daß eine zu große Last verwendet wird, kann diese durch eine Detektion der Spannungsrückkehr an dem Schalter erkannt werden, so daß eine Überlastung des Schalters vermieden werden kann, indem der Konverter abgeschaltet wird. Somit kann man als Schalter ein Bauelement einsetzen, dessen erlaubte Maximalspannung in keinem möglichen Betriebszustand einer Gasentladungslampe mit elektromechanischem Wandler (piezoelektrischer Transformator) überschritten wird. Deshalb ist auch ein nicht-avalanchefester Schalter (MOSFET oder IGBT) für diese Anwendung gut geeignet, da sich die an den Eingang zurückwirkende Ausgangskapazität des Wandlers bei sinkender ohmscher Last kompensierend auswirkt, und eine maximal übertragbare Leistung nicht überschritten werden kann. Diese Eigenschaften sind durch den Einsatz von erfindungsgemäß dimensionierten piezoelektrischen Transformatoren meist gegeben.If the resistive load increases, the proportion of reactive current decreases to smaller values so that the maximum switch voltage is not exceeded even in this case. If the ohmic load is too large, the zero-voltage behavior would no longer be achieved because the transfer characteristic of the piezoelectric transducer only allows a limited power transmission (maximum load). A load increase encounters the same limitation in performance transmission as an input voltage increase after 5a , Thus, the additional power consumed on the switch is converted to heat when it must be turned on at a voltage greater than zero. Thus, the switch maximum voltage is also not exceeded by the transmitted power is no longer increased. In the event that too much load is used, this can be detected by detecting the voltage return to the switch, so that an overload of the switch can be avoided by the converter is turned off. Thus, one can use as a switch, a component whose maximum permitted voltage in any possible operating state of a gas discharge lamp with electromechanical transducer (piezoelectric transformer) is exceeded. Therefore, a non-avalanche-proof switch (MOSFET or IGBT) is well suited for this application, since the output capacitance of the converter, which acts on the input, has a compensating effect with decreasing resistive load, and a maximum transmittable power can not be exceeded. These properties are usually given by the use of inventively dimensioned piezoelectric transformers.

Durch den Einsatz nicht-avalanchefester Bauelemente, insbesondere Fieldstop-IGBT als Schalter, wird die vorliegende Anwendung kostengünstiger, indem kein Schutzelement gegen Überspannungen an dem Schalter eingesetzt werden muß, da der Ausgangskreis den Schutz des Schalters durch seine elektromechanischen und damit elektrischen Eigenschaften bereits gewährleistet.By the use of non-avalanche-resistant components, in particular Fieldstop IGBT as a switch, the present application becomes more cost effective, by no protection against overvoltages must be used on the switch, since the output circuit the Protection of the switch by its electromechanical and thus electrical Features already guaranteed.

Wie es bereits erwähnt worden ist, kann man zu einer Steuerung und Regelung eines so aufgebauten Konverters den Phasenwinkel zwischen Laststrom und Schalterstrom auswerten. Der Schalterstrom wird nur durch den Gleichanteil der Eingangsdrossel überlagert, welche die Phasenverschiebung um einen festen Betrag verändert, und deshalb nicht oder nur wenig von der Leistung oder Eingangsspannung abhängig ist. Wird die Eingangsdrossel des Konverters so klein gewählt, daß der Drosselstrom auf Null abklingen oder kleiner als Null werden kann, so kann man den Anteil des überlagerten Gleichstroms von Seiten der Drossel deutlich reduzieren oder fast zu Null machen, weil dann der Drosselstrom typischerweise in dem Moment des Einschaltens des Schalters etwa einen Nulldurchgang erreicht. Auch wenn die Eingangsdrossel größer gewählt wird, ist eine Phasendetektion zur Leistungsregelung möglich und muß nur wenig an den jeweiligen Wert der Eingangsdrossel angepaßt werden, da der effektive Eingangsstrom in dieser Anwendung wesentlich kleiner als der Laststrom ist.As it already mentioned can be, one can to a control and regulation of such a structure Converter the phase angle between load current and switch current evaluate. The switch current is only by the DC component of Input choke superimposed, which changes the phase shift by a fixed amount, and therefore not or only slightly depending on the power or input voltage. If the input choke of the converter is chosen so small that the inductor current can decay to zero or become less than zero, so you can the proportion of the superimposed Reduce direct current from the throttle or almost to zero because then the inductor current is typically in the When the switch is turned on, it reaches approximately zero crossing. Even if the input choke is larger, is a phase detection for power control possible and has little be adapted to the respective value of the input throttle, because the effective input current in this application is much smaller than the load current is.

Auch die Schwankung der Eingangsspannung läßt sich über die Phasendetektion und eine entsprechende Frequenzveränderung ausgleichen, da der kapazitive Anteil des Ausgangsstroms im Wandler ansteigt, wenn aufgrund sinkender Eingangsspannung die Wirkleistung kleiner wird.Also the fluctuation of the input voltage can be via the phase detection and a corresponding frequency change compensate, as the capacitive component of the output current in the converter increases when, due to decreasing input voltage, the active power gets smaller.

Wenn eine zu kleine Eingangsspannung anliegt, wird das zielgemäße Transformationsverhältnis bei Nennfrequenz nicht erreicht, wenn die Lastimpedanz aufgrund des negativen differentiellen Widerstands einer Gasentladungslampe zu groß wird. Der elektromechanische Wandler hat in der Regel die Eigenschaft, bei einer kleiner werdenden Eingangsspannung eine mit dieser quadratisch abnehmende Leistung zu übertragen.If If the input voltage is too low, the target transformation ratio will be added Rated frequency not reached when the load impedance due to negative differential resistance of a gas discharge lamp gets big. The electromechanical transducer usually has the property at a decreasing input voltage one with this square transmit decreasing power.

Wenn andererseits die ohmsche Ausgangsimpedanz größer wird, kann der Wandler nur mit einer Erhöhung der Ausgangsspannung reagieren, selbst wenn eine kleine Eingangsspannung anliegt. Dadurch verschiebt sich das Transformationsverhältnis zu größeren Werten hin und die wandlerinternen Verluste nehmen geringfügig zu. Gleichzeitig wird aber die inhärente Ausgangskapazität des Wandlers mit einer größeren Spannung beaufschlagt, wodurch der kapazitive Stromanteil zunimmt und der ohmsche Stromanteil abnimmt. Die Vergröße rung des Transformationsverhältnisses kann durch ein Design des elektromechanischen Wandlers so eingestellt werden, daß die Ausgangsspannung von Maximallast (minimal möglicher Lastwiderstand) zu kleineren Lasten hin (größerer Lastwiderstand) so zunimmt, daß der resultierende Ersatzwiderstand bezüglich des Eingangs etwa konstant bleibt oder sich wenig ändert.If On the other hand, the ohmic output impedance is greater, the converter only with an increase the output voltage will respond, even if a small input voltage is applied. This shifts the transformation ratio larger values and the internal transformer losses increase slightly. At the same time, however, the inherent output capacity of the converter with a larger voltage applied, whereby the capacitive current component increases and the ohmic current component decreases. The magnification of the transformation ratio can be adjusted by a design of electromechanical transducer be that the Output voltage from maximum load (minimum possible load resistance) to smaller loads (greater load resistance) increases so that the resulting equivalent resistance with respect to the input about constant stays or changes little.

Dadurch kann der Klasse-E-Konverter bei veränderlicher Last in einem weiten Eingangsspannungsbereich betrieben werden, ohne daß die Nullspannungsbedingung verletzt wird und indem die übertragene Leistung nur durch kleine Frequenzänderungen variiert werden kann. Es ist demzufolge auch möglich, den Phasenwinkel zwischen Last- und Schalterstrom etwa konstant zu halten und dadurch sowohl Änderungen der Eingangsspannung als auch Änderungen der Ausgangslast bei Einhaltung der ZVS-Bedingung auszugleichen. Diese Möglichkeit ist bei einem Übertrager mit konstanten Parametern, insbesondere mit konstantem Übersetzungsverhältnis, nicht in einem derart weiten Bereich von Last- und Eingangsspannungsänderung gegeben.Thereby The class E converter can operate at a variable load in a wide range Input voltage range can be operated without the zero voltage condition is violated and by the transferred Performance can only be varied by small frequency changes. It is therefore also possible the phase angle between load and switch current approximately constant to hold and thereby both changes the input voltage as well as changes balance the output load while maintaining the ZVS condition. This possibility is at a transformer with constant parameters, especially with constant gear ratio, not in such a wide range of load and input voltage change given.

Die Größe der Eingangsdrossel kann ferner benutzt werden, um die Leistung in gewissen Grenzen bei einer vorgegebenen Frequenz einzustellen. Wird die Eingangsdrossel größer gemacht, so steigt die Übertragungsleistung an, indem bei gleicher Frequenz wegen der elektrischen Charakteristik des Klasse-E-Konverters die effektive gespeicherte Energie in der Eingangsdrossel zunimmt, welche an den Lastkreis weitergegeben wird. Die Einstellung der Leistung über die Eingangsdrossel ist jedoch wegen der begrenzten Bandbreite des elektromechanischen Wandlers nur in kleineren Grenzen möglich und wird innerhalb der üblichen Toleranzen induktiver Bauelemente unwesentlich die Gesamtleistung beeinflussen. Andererseits kann der Abgleich der Eingangsdrossel zur Justierung des Arbeitspunktes verwendet werden, falls ein anderer Abgleich nicht erfolgen soll. Ein Vorteil der endlichen Ausführung der Eingangsdrossel ist somit die Möglich keit zum Abgleich der Lampenleistung. Wird die Eingangsdrossel zu groß ausgeführt, kann sie zwar eine verbesserte Glättung der Stromoberwellen zum Netz bewirken (Störspannung), verursacht aber auch eine notwendige Anpassung der Eingangskapazität des Wandlers zu kleineren Werten bei einer Leistungserhöhung und bei einem gleichbleibenden Transformationsverhältnis oder zu einem kleineren Abwärtstransformationsverhältnis und gleichbleibender oder größerer Eingangskapazität des Wandlers.The size of the input choke can also be used to adjust the power within certain limits at a given frequency. If the input choke is made larger, the transmission power increases by the same frequency due to the electrical characteristics of the class E converter, the effective stored energy increases in the input throttle, which at the Load circuit is passed on. The adjustment of the power through the input inductor, however, is possible only within smaller limits because of the limited bandwidth of the electromechanical transducer and will affect the overall performance insignificantly within the usual tolerances of inductive components. On the other hand, the adjustment of the input choke can be used to adjust the operating point, if another adjustment should not be made. An advantage of the finite design of the input choke is thus the possi bility to balance the lamp power. If the input choke is made too large, it can cause an improved smoothing of the current harmonics to the network (noise voltage), but also causes a necessary adjustment of the input capacitance of the converter to smaller values at a power increase and at a constant transformation ratio or a smaller step-down ratio and more consistent or larger input capacitance of the converter.

Für das typische Abwärtstransformationsverhältnis von 1,5:1 bis 5:1 in einem Nennlastbetrieb und bei den übrigen genannten elektrischen Daten sind die zu einer typischen Erfindungsausführung erforderlichen Werte für die Eingangsdrossel bei einer typischen Frequenz von 100 kHz zwischen 3 mH und 20 mH zu wählen.For the typical Downward transformation ratio of 1.5: 1 to 5: 1 in a nominal load operation and in the other mentioned electrical data are those required for a typical invention implementation Values for the input choke at a typical frequency of 100 kHz between 3 mH and 20 mH.

Zur Einstellung der jeweils gewünschten Nennleistung wird zeitlich nach der Detektion des Zündens eine PLL-Regelschleife in Betrieb gesetzt, in welcher die Nulldurchgänge von Schalter- und Laststrom abgetastet und auf einen Phasendetektor weitergegeben werden. Weiterhin wird diese Phasendifferenz auf ein Filter geleitet, welches eine geglättete Ausgangsspannung erzeugt. Diese wird auf einen geeigneten VCO (spannungsgesteuerten Oszillator) aufgeschaltet, welcher auf einen Sollwert abgeglichen sein soll (Sollwertvergleich) und eine geeignete Verstärkung aufweist. Das Ausgangssignal des VCO wird als Frequenzsignal mit zugehörigen erfindungsgemäßen Duty-Cycle (konstant oder leicht veränderlich innerhalb des genannten Bereichs) über einen Treiber an den Schalter (Gate eines IGBT oder MOSFET) zurückgeführt. Dabei kann sich der Duty-Cycle mit sinkender Frequenz geringfügig erhöhen und mit steigender Frequenz geringfügig verringern oder er wird konstant gehalten.to Setting the respective desired nominal power is in time after the detection of the ignition PLL control loop in Operation set in which the zero crossings of switch and load current sampled and passed on to a phase detector. Farther This phase difference is passed to a filter which has a smoothed Output voltage generated. This is done on a suitable VCO (voltage controlled Oscillator), which adjusted to a desired value should be (setpoint comparison) and having a suitable gain. The output of the VCO is a frequency signal with associated duty cycle according to the invention (constant or slightly variable within the stated range) via a driver to the switch (Gate of an IGBT or MOSFET) returned. This may be the duty cycle with decreasing frequency slightly increase and with increasing frequency slightly decrease or it is kept constant.

Bei dem oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Phasendifferenzsignal positiv aufgeschaltet, wodurch eine etwa konstante Leistung erzeugt wird. Wenn eine Gasentladungslampe z.B. durch Alterung eine größere Brennspannung besitzt, dann fließt ein überproportional kleinerer Lampenstrom, was als Laständerung (Lastverringerung) bezeichnet werden kann. Dabei wird der Konverter die Leistung aber etwa konstant halten, indem er zunächst „feststellt", dass der Phasenwinkel wegen sinkender Wirklast größer geworden ist. Die daraus gebildete Phasenspannung Up ist laut Diagramm aber damit kleiner geworden. Wird sie positiv auf den VCO gegeben, dann sinkt die Frequenz etwas ab, und die Leistung wird wieder erhöht. Dadurch verkleinert sich der Phasenwinkel wieder, und die Phasendifferenzspannung steigt wieder laut Diagramm an. Somit kommt die Regelung irgendwann zu einem neuen Istwert der Lampenleistung, der aber nicht sehr stark vom Ausgangswert abweicht. Es ist also eine Regelung, die nur 100% genau wäre, wenn man die Parameter so einstellen könnte, dass die Verstärkungen des VCO, der Phasendifferenzspannungsbildung, und der Regelstrecke selbst (Klasse E mit Piezo-Trafo), vollständige Kompensation der Leistungsänderung zulassen würden. Das ist in der Praxis nicht der Fall, wobei jedoch eine Toleranz der Leistung von +/– 10 bis 15 % durchaus akzeptierbar ist. Bei der Eingangsspannung ist es ähnlich. Wenn sich diese erhöht, steigt die Leistung bei gleichbleibender Frequenz an. Dadurch sinkt der Phasenwinkel ab, und die Phasendifferenzspannung steigt. Damit wird aber auch eine grössere Frequenz eingestellt, womit man über die Regelstrecke (insbes. durch Übertragungskurve des Piezotrafos) wieder ein kleineres Übersetzungsverhältnis einstellt. Damit sinkt die Leistung wieder ab, und auch hier erwartet man, dass sich Leistungsschwankungen im Rahmen der Eingangsspannun sänderungen in kleinen Grenzen halten werden, da die Regelung auch nicht völlig exakt istat In the preferred embodiment described above, the phase difference signal becomes positive connected, whereby an approximately constant power is generated. If a gas discharge lamp e.g. due to aging a larger burning voltage owns, then flows a disproportionate smaller lamp current, what as load change (load reduction) can be designated. In the process, however, the converter becomes the power keep it constant by first "determining" that the phase angle is due to sinking active load has become larger is. The resulting phase voltage Up is according to the diagram but thus become smaller. If it is given positive to the VCO, then the frequency drops slightly and the performance is increased again. Thereby the phase angle decreases again, and the phase difference voltage decreases rises again according to diagram. Thus, the regulation comes at some point a new actual value of the lamp power, but not very strong deviates from the initial value. So it's a regulation that is only 100% exactly, if you could adjust the parameters so that the gains of the VCO, the phase difference voltage formation, and the controlled system even (class E with piezo transformer), complete compensation of the power change would allow. This is not the case in practice, but with a tolerance the power of +/- 10 up to 15% is quite acceptable. At the input voltage is it is similar. If this increases, increases the power at the same frequency. This decreases the phase angle decreases, and the phase difference voltage increases. In order to but it will also be a bigger one Frequency adjusted, bringing you over the controlled system (esp. By transmission curve of the piezoelectric transformer) again sets a smaller transmission ratio. Thus, the performance decreases again, and again you expect, that fluctuations in performance occur as part of the input voltage changes be kept within small limits, since the scheme is also not completely accurate is

Claims (19)

Resonanzkonverter zum Treiben von veränderlichen Lasten, mit folgenden Merkmalen: einem Piezotransformator (105) mit einem Eingangstor und einem Ausgangstor zum Liefern eines Ausgangssignals zum Treiben der veränderlichen Last (107); einem Schalter (103) zum Liefern eines Eingangssignals aus einer Quelle (101) an das Eingangstor des Transformators (105); einer Eingangsdrossel (201), welche zwischen der Quelle (101) und dem parallel zum Eingangstor des Piezotransformators (105) angeordneten Schalter (103) geschaltet ist; einer Steuereinrichtung (109) zum Steuern einer Schaltfrequenz des Schalters; wobei der Piezotransformator (105) derart dimensioniert und beschaltet ist, daß bei Lieferung einer Nennleistung an die veränderliche Last (107), ein Spannungsabtransformationsverhältnis zwischen Eingangssignal und Ausgangssignal von 1,5:1 bis 5:1 beträgt; und wobei die Steuereinrichtung (109) zum Steuern der Schaltfrequenz des Schalters (103) auf der Basis einer Phasenverschiebung zwischen einem Schalterstrom und einem Laststrom bei veränderlicher Last und/oder veränderlicher Eingangsspannung ausgelegt ist.Resonant converter for driving variable loads, comprising: a piezo transformer ( 105 ) having an input port and an output port for providing an output signal for driving the variable load ( 107 ); a switch ( 103 ) for providing an input signal from a source ( 101 ) to the input gate of the transformer ( 105 ); an input choke ( 201 ), which between the source ( 101 ) and parallel to the input gate of the piezotransformer ( 105 ) arranged switches ( 103 ) is switched; a control device ( 109 ) for controlling a switching frequency of the switch; the piezo transformer ( 105 ) is dimensioned and connected in such a way that when a rated power is supplied to the variable load ( 107 ), a voltage transformation ratio between input signal and output signal of 1.5: 1 to 5: 1; and wherein the control device ( 109 ) for controlling the switching frequency of the switch ( 103 ) based on a phase shift between a switch current and a load current at variable Load and / or variable input voltage is designed. Resonanzkonverter gemäß Anspruch 1, wobei eine Eingangskapazität des Piezotransformators (105) abhängig von der Größe der Eingangsspannung und der Nennausgangsleistung fest eingestellt ist.Resonance converter according to claim 1, wherein an input capacitance of the piezotransformer ( 105 ) is fixed depending on the size of the input voltage and the rated output power. Resonanzkonverter gemäß Anspruch 2, bei dem die Eingangskapazität des Piezotransformators (105) auf einen Wert zwischen 100 pF und 1 nF fest eingestellt ist.Resonant converter according to Claim 2, in which the input capacitance of the piezo transformer ( 105 ) is set to a value between 100 pF and 1 nF. Resonanzkonverter gemäß Anspruch 2 oder 3, bei dem die Eingangsspannung zwischen 80 und 160 Volt und die Eingangskapazität des Piezotransformators (105) zwischen 500 pF und 1 nF beträgt.A resonant converter according to claim 2 or 3, wherein the input voltage is between 80 and 160 volts and the input capacitance of the piezotransformer ( 105 ) is between 500 pF and 1 nF. Resonanzkonverter gemäß Anspruch 2 oder 3, bei dem die Eingangsspannung zwischen 160 und 260 Volt beträgt und die Eingangskapazität des Piezotransformators (105) zwischen 100 pF und 500 pF beträgt.Resonance converter according to claim 2 or 3, wherein the input voltage is between 160 and 260 volts and the input capacitance of the piezo transformer ( 105 ) is between 100 pF and 500 pF. Resonanzkonverter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Induktivität der Eingangsdrossel (201) einen Wert von 3 mH bis 20 mH aufweist.Resonant converter according to one of Claims 1 to 5, in which the inductance of the input choke ( 201 ) has a value of 3 mH to 20 mH. Resonanzkonverter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Schalter (103) einen spannungsgesteuerten Leistungsschalter (1037), der als Fieldstop-IGBT oder als Cool-MOS-Transistor ausgeführt sein kann, mit einem ersten Eingang, einem zweiten Eingang und einem Steuereingang, an den ein Steuersignal anlegbar ist, umfaßt.Resonant converter according to one of Claims 1 to 6, in which the switch ( 103 ) a voltage-controlled circuit breaker ( 1037 ), which may be implemented as a field stop IGBT or as a cool MOS transistor, having a first input, a second input and a control input to which a control signal can be applied comprises. Resonanzkonverter gemäß Anspruch 7, wobei zwischen dem zweiten Eingang und dem ersten Eingang des spannungsgesteuerten Leistungsschalters eine antiparallele Diode (1039) geschaltet ist.Resonant converter according to claim 7, wherein between the second input and the first input of the voltage-controlled circuit breaker, an antiparallel diode ( 1039 ) is switched. Resonanzkonverter gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 8, wobei die Steuereinrichtung (109) eine Einrichtung zum Erfassen (801) einer von dem Schalterstrom abhängigen Größe, eine Einrichtung (803) zum Erfassen einer von dem Laststrom abhängigen Größe und eine Einrichtung (807) zum Ermitteln der Phasenverschiebung zwischen dem Schalterstrom und dem Laststrom aus den erfaßten Größen umfaßt.Resonant converter according to one of claims 1 to 8, wherein the control device ( 109 ) means for detecting ( 801 ) dependent on the switch current size, means ( 803 ) for detecting a variable dependent on the load current and a device ( 807 ) for detecting the phase shift between the switch current and the load current from the detected quantities. Resonanzkonverter gemäß Anspruch 9, bei dem die Steuereinrichtung (109) eine Phasenregelschleife (805) zum Regeln einer mittleren Phasenverschiebung auf einen konstanten Soll-Wert aufweist.Resonant converter according to Claim 9, in which the control device ( 109 ) a phase locked loop ( 805 ) for controlling a mean phase shift to a constant desired value. Resonanzkonverter gemäß Anspruch 9 oder 10, bei dem die Steuereinrichtung (109) ferner einen Oszillator (811), dessen Frequenz abhängig von der ermittelten Phasenverschiebung einstellbar ist, und dessen Ausgangssignal zum Steuern des Schalters (103) dient, umfaßt.Resonant converter according to Claim 9 or 10, in which the control device ( 109 ) an oscillator ( 811 ) whose frequency can be set as a function of the determined phase shift and whose output signal for controlling the switch ( 103 ) is included. Resonanzkonverter gemäß Anspruch 11, der ferner eine Einrichtung zum Einstellen eines vorbestimmten Tastverhältnisses des Ausgangssignals des Oszillators (811) aufweist.Resonant converter according to claim 11, further comprising means for setting a predetermined duty cycle of the output signal of the oscillator ( 811 ) having. Resonanzkonverter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die veränderliche Last eine Gasentladungslampe umfaßt.Resonance converter according to one of claims 1 to 12, in which the variable Load includes a gas discharge lamp. Verfahren zum Treiben von veränderlichen Lasten durch einen Resonanzkonverter, der einen Piezotransformator (105) mit einem Eingangstor enthält, wobei der Piezotransformator (105) derart dimensioniert ist, daß bei Lieferung einer Nennleistung an die veränderliche Last (107) das Spannungsabtransformationsverhältnis zwischen Eingangssignal und Ausgangssignal von 1,5:1 bis 5:1 beträgt, der weiterhin eine Eingangsdrossel (201) enthält, welche zwischen einer Quelle (101) und einem parallel zum Eingangstor des Piezotransformators (105) angeordneten Schalter (103) geschaltet ist, und eine Steuereinrichtung (109) umfaßt, mit folgenden Schritten: Steuern einer Schaltfrequenz des Schalters (103) durch die Steuereinrichtung (109) auf der Basis einer Phasenverschiebung zwischen einem Schalterstrom und einem Laststrom bei veränderlicher Last und/oder veränderlicher Eingangsspannung, um ein Eingangssignal an das Eingangstor des Piezotransformators (105) anzulegen und dadurch ein Ausgangssignal zum Treiben der veränderlichen Last zu erzeugen.Method for driving variable loads by means of a resonant converter comprising a piezotransformer ( 105 ) with an input gate, wherein the piezotransformer ( 105 ) is dimensioned such that upon delivery of a rated power to the variable load ( 107 ) the voltage transformation ratio between input signal and output signal is from 1.5: 1 to 5: 1, which further comprises an input throttle ( 201 ) between a source ( 101 ) and one parallel to the input gate of the piezotransformer ( 105 ) arranged switches ( 103 ), and a control device ( 109 ), comprising the following steps: controlling a switching frequency of the switch ( 103 ) by the control device ( 109 ) based on a phase shift between a switch current and a load current at variable load and / or variable input voltage to provide an input signal to the input port of the piezotransformer ( 105 ) and thereby generate an output signal for driving the variable load. Verfahren gemäß Anspruch 14, mit folgenden Schritten: Erfassen einer von dem Schalterstrom abhängigen Größe; Erfassen einer von dem Laststrom abhängigen Größe; Ermitteln der Phasenverschiebung zwischen dem Schalterstrom und dem Laststrom aus den erfaßten Größen.Method according to claim 14, with the following steps: Detecting one of the switch currents dependent size; To capture one dependent on the load current Size; Determine the phase shift between the switch current and the load current from the recorded sizes. Verfahren gemäß Anspruch 15 mit einem Schritt eines Regelns einer mittleren Phasenverschiebung auf einen nominalen Wert unter Verwendung einer Phasenregelschleife (805).Method according to claim 15, comprising a step of regulating an average phase shift to a nominal value using a phase locked loop ( 805 ). Verfahren gemäß Anspruch 16, mit folgenden Schritten: Steuern eines spannungsgesteuerten Oszillators (811) basierend auf der mittleren Phasenverschiebung; und Verwenden des Ausgangssignals des Oszillators als Steuersignal für den Schalter (103).Method according to claim 16, comprising the following steps: controlling a voltage-controlled oscillator ( 811 ) based on the mean phase shift; and using the output signal of the oscillator as a control signal for the switch ( 103 ). Verfahren gemäß Anspruch 17, mit einem Schritt eines Einstellens eines vorbestimmten Tastverhältnisses des Ausgangssignals des Oszillators (811).A method according to claim 17, comprising a step of setting a predetermined duty cycle of the output signal of said oscillator ( 811 ). Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 18, bei dem als veränderliche Last eine Gasentladungslampe verwendet wird.Method according to one the claims 14 to 18, in which as changeable Load a gas discharge lamp is used.
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008056127A1 (en) 2008-11-06 2010-06-10 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Electromechanical energy converter for generating electrical energy from mechanical movements
CN102164448A (en) * 2011-04-20 2011-08-24 梁永胜 Power circuit of UV lamp
GB2497595B (en) * 2011-12-16 2013-12-11 Control Tech Ltd Variable switching frequency power converter
DE102016120324B4 (en) 2016-10-25 2020-12-17 Tdk Electronics Ag Method for providing a device for generating an atmospheric pressure plasma

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0681759B1 (en) * 1993-01-26 1997-04-23 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Förderung Der Angewandten Forschung E.V. Resonant inverse rectifier
EP0782374A1 (en) * 1995-12-26 1997-07-02 Tokin Corporation Inverter circuit for lighting a cold-cathode tube by the use of a piezoelectric transformer
US5866968A (en) * 1997-05-07 1999-02-02 Motorola Inc. Single-input phase locking piezoelectric transformer driving circuit
EP0665600B1 (en) * 1994-01-27 1999-07-21 Hitachi Metals, Ltd. Discharge tube driving device and piezoelectric transformer therefor
US6013969A (en) * 1998-03-31 2000-01-11 Murata Manufacturing Co., Ltd. Piezoelectric transformer inverter
US6052300A (en) * 1998-11-09 2000-04-18 Face International Corporation DC-AC converter circuit using resonating multi-layer piezoelectric transformer
US6144139A (en) * 1998-10-05 2000-11-07 Murata Manufacturing Co., Ltd. Piezoelectric transformer inverter
US6348755B1 (en) * 1999-04-22 2002-02-19 Taiyo Yuden, Co., Ltd. Method and apparatus for driving piezoelectric transformer

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08138876A (en) * 1994-11-16 1996-05-31 Minebea Co Ltd Cold-cathode tube lighting apparatus using piezoelectric transformer
DE19681771T1 (en) * 1996-10-29 1999-11-25 Dong Il Technology Ltd Converter with piezoceramic converter
JP3237614B2 (en) * 1998-06-19 2001-12-10 日本電気株式会社 Driving method and driving circuit for piezoelectric transformer
JP2002203689A (en) * 2000-12-28 2002-07-19 Matsushita Electric Ind Co Ltd Driving device and driving method of cold cathode fluorescent tube using piezoelectric transformer

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0681759B1 (en) * 1993-01-26 1997-04-23 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Förderung Der Angewandten Forschung E.V. Resonant inverse rectifier
EP0665600B1 (en) * 1994-01-27 1999-07-21 Hitachi Metals, Ltd. Discharge tube driving device and piezoelectric transformer therefor
EP0782374A1 (en) * 1995-12-26 1997-07-02 Tokin Corporation Inverter circuit for lighting a cold-cathode tube by the use of a piezoelectric transformer
US5866968A (en) * 1997-05-07 1999-02-02 Motorola Inc. Single-input phase locking piezoelectric transformer driving circuit
US6013969A (en) * 1998-03-31 2000-01-11 Murata Manufacturing Co., Ltd. Piezoelectric transformer inverter
US6144139A (en) * 1998-10-05 2000-11-07 Murata Manufacturing Co., Ltd. Piezoelectric transformer inverter
US6052300A (en) * 1998-11-09 2000-04-18 Face International Corporation DC-AC converter circuit using resonating multi-layer piezoelectric transformer
US6348755B1 (en) * 1999-04-22 2002-02-19 Taiyo Yuden, Co., Ltd. Method and apparatus for driving piezoelectric transformer

Non-Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"A Very Simple DC/DC Converter Using Piezoelectric Transformer", M.J.Prieto u.a., IEEE, 2001, S.1755- 1760
"A Very Simple DC/DC Converter Using PiezoelectricTransformer", M.J.Prieto u.a., IEEE, 2001, S.1755-1760 *
L.R.Nerone, "Novel Self-Oscillating Class E Bal- last for Compact Fluorescent Lamps", IEEE Trans. on Power Electronics, Vol.16, Nr.2, März 2001, S.175-183 *
N.O.Sokal, A.D.Sokal, "Class E-A New Class of High Efficiency Tuned Single-Ended Switching Power Am- plifiers", (IEEE, Journal of Solid-State Circuits, Vol.SC-10, Nr.3, Juni 1975)
N.O.Sokal, A.D.Sokal, "Class E-A New Class of HighEfficiency Tuned Single-Ended Switching Power Am- plifiers", (IEEE, Journal of Solid-State Circuits,Vol.SC-10, Nr.3, Juni 1975) *
R.L.Lin, F.C.Lee, E.M.Baker, D.Y.Chen, "Inductor- less Piezoelectric Transformer Electronic Ballast for Linear Fluorescent Lamps", APEC2001, Anaheim, CA, USA, Proceedings, Vol.2, S.664-669 *
S.Lowbridge, M.Maytum, K.Rutgers, "Electronic Bal- lasts for Fluorescent Lamps Using BUL 770/791 Transistors" (Texas Instruments, 1992)
S.Lowbridge, M.Maytum, K.Rutgers, "Electronic Bal-lasts for Fluorescent Lamps Using BUL 770/791 Transistors" (Texas Instruments, 1992) *

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