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Inverter

Inhaltsverzeichnis

 

Spricht man in der Consumer-Elektronik von Invertern, meint man zumeist eine Schaltung, die die Kaltkathodenröhren (CCFL) für die Hintergrundbeleuchtung von LCD-Panels mit Betriebsspannung versorgt. Eine Schaltung ähnlicher Bezeichnung ist der invertierende Wandler (der aus einer positiven Betriebsspannung eine negative macht). Dieser hat für die CE kaum eine Bedeutung und soll an dieser Stelle nicht besprochen werden.

1. Theorie und Grundschaltung

Inverterschaltungen erzeugen aus einer Gleichspannung eine Wechselspannung mit hoher Frequenz und hoher Spannung. Abhängig vom Typ der verwendeten CCFL liegt die Betriebswechselspannungsfrequenz zwischen 40kHz und 200kHz. Die Höhe der benötigten Spannung ist hauptsächlich abhängig von der Länge der Röhre und dem Gasdruck in ihr. Beispielsweise fordern CCFL für 32''-LCD-Panel bei 25°C meist eine Arbeitsspannung (Brennspannung) von ca. 1200-1400V. Die Zündspannungen liegen zwischen 2300V und 2800V. Der Lichtstrom liegt zwischen 4mA und 5mA. Eine Inverterschaltung für ein großes LCD-Panel mit entsprechend vielen CCFL kann leicht eine Leistungsaufnahme von weit über 100 Watt erreichen.
Die CCFL-Inverterschaltungen, so wie sie zur Zeit eingesetzt werden, sind Varianten der Resonanzwandler. Gemeinsam ist ihnen, dass die Energieübertragung im Bereich des Resonanzpunktes einer Oszillatorschaltung ist. Teil dieses Oszillators ist ein Transformator, der neben seiner Funktion als frequenzbestimmendes Element oft auch eine Übertragerfunktion hat. Die Ansteuerung des Trafos erfolgt meist von einer komplementären Treiberstufe oder aus einer Brückenschaltung, da Kaltkathodenröhren eine sehr hohe Anforderung an die Symmetrie ihrer Versorgungsspannung haben.
Die Ansteuerung der Treiberstufe erfolgt über eine Pulsweitenmodulation (PWM). Deren Trägerfrequenz wird in einem Oszillator erzeugt und muss eine Harmonische der Resonanzfrequenz von Cr und Lr sein.

Abb1: Prinzipschaltung eines Inverters für CCFL
Abb1: Prinzipschaltung eines Inverters für CCFL

2. Praktische Schaltung eines Inverters mit dem IC OZ964

In dem dargestellten Prinzipbild eines Inverter-Moduls zur Versorgung einer LCD Hintergrundbeleuchtung mit Kaltkathoden-Fluoreszenz-Lampen kommt ein PWM-Ansteuerbaustein OZ964 von O2Micro zur Anwendung. Dieser Controller liefert vier phasenverschobene Rechtecksignale, welche eine Vollbrückenschaltung ansteuern. Das Schalttiming der MOSFET-Treiber in der Brücke ist so gewählt, dass der Einschaltmoment unmittelbar nach dem Entladen der Trafos liegt. Mit dem dann einsetzenden Nachklingeln des Trafos fällt die jeweilige Drainspannung auf nahezu 0V und der Transistor kann verlustleistungsfrei eingeschaltet werden. Durch den Einsatz dieser ZVS (Zero Voltage Switching) erreicht man eine Minimierung der Störstrahlung (EMV) und eine Optimierung des Wirkungsgrades.
Da die Ansteuerung der Hintergrundbeleuchtung mit einer festen Frequenz erfolgt, können Interferenzen (sog. „Wasserfall-Effekt“) zwischen Hintergrundbeleuchtung und der LCD-Ansteuerung vermieden werden.
Mit einer Spannung > 4,6V am Pin 5 (VDD) und 2V am Pin 3 schaltet das IC01 ein und liefert die Ansteuersignale NDR_B/PDR_A und NDR_D und PDR_C. Eine Softstart-Schaltung mit C9 (am Pin 4) als externe Komponente gewährleistet einen sanften Anstieg der Leistung in die Treiber während des Zündvorganges der Lampen.
Ein Hochfrequenz-Oszillator schwingt zwischen 40kHz und 150kHz. Die Frequenz wird mit R9 (Pin 17) und C5 (Pin 18) definiert. Durch eine Überlagerung dieser Schaltfrequenz des Inverters mittels einer extern erzeugen, niederfrequenten, PWM (100-500Hz) kann die Hintergrundbeleuchtung gedimmt werden. Ein zusätzlicher externer Widerstand am Pin 10 (R10) legt die Ansteuerfrequenz während des Zündvorgangs der Röhren fest.
Der Strom durch die Kaltkathodenröhren wird über die Spannung am Pin 9 überwacht und stabil ausgeregelt. Ein Überspannungsschutz erhält am Pin 2 die herunter geteilten Ausgangsspannungen der Trafos und garantiert einen sicheren Betrieb der Leuchtröhren unter allen Bedingungen. Besonders wichtig ist dies beim Zünden der Röhren. Die Dauer des Zündvorganges ist abhängig vom Röhrentyp und wird mit der Kapazität C6 am Pin 1 angepasst. Eine Abschaltverzögerung (Shut Down Delay) hält die normale Funktion des Inverters bei einem kurzen Aussetzen der Versorgungsspannungen aufrecht um einen Neustart des Inverters mit Zündung bei heißen Röhren zu verhindern.

Abb. 2: Inverterschaltung für die CCFL-Hintergrundbeleuchtung eines LCD-Panels
Abb. 2: Inverterschaltung für die CCFL-Hintergrundbeleuchtung eines LCD-Panels

REFERENZEN

Weblinks

1. O2Micro: Link auf Datenblatt für OZ964 nicht mehr aktiv

 

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