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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben von Hochdruckentladungslampen
gemäß des Oberbegriffs
des Patentanspruchs 1, eine Impulszündvorrichtung und eine Hochdruckentladungslampe
mit einer Impulszündvorrichtung
sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe.
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I. Stand der Technik
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Eine
derartige Schaltungsanordnung ist beispielsweise in dem Artikel
von Michael Gulko und Sam Ben-Yaakov „A MHz Electronic Ballast
for Automotive-Type HID Lamps" IEEE
Power Electronics Specialists Conference, PESC-97, Seiten 39–45, St.
Louis, 1997 beschrieben. In dieser Veröffentlichung wird ein stromgespeister
Gegentaktwandler offenbart, der über
einen Transformator einen Lastkreis, in den eine Hochdruckentladungslampe
geschaltet ist, mit einer hochfrequenten Wechselspannung beaufschlagt.
In den Lastkreis ist außerdem
die Sekundärwicklung
des Zündtransformators
einer Zündvorrichtung
geschaltet, welche die Zündspannung
zum Zünden
der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe generiert.
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Die
Offenlegungsschrift WO 98/18297 beschreibt einen Gegentaktwandler,
der über
einen Transformator einen Lastkreis und eine galvanisch davon getrennte
Impulszündvorrichtung
mit hochfrequenter Wechselspannung beaufschlagt. In den Lastkreis
ist eine Hochdruckentladungslampe geschaltet. Die Impulszündvorrichtung
liefert während
der Zündphase
Hochspannungsimpulse an eine Zündhilfselektrode
der Hochdruckentladungslampe.
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II. Darstellung der Erfindung
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Schaltungsanordnung mit
einer verbesserten Spannungsversorgung für die Impulszündvorrichtung
bereitzustel len. Ferner soll die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung einen
Hochfrequenzbetrieb der Hochdruckentladungslampe mit Wechselspannungen
im Megahertzbereich und eine sichere Zündung der Gasentladung in der
Lampe gewährleisten.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte
Ausführungen
der Erfindung sind in den abhängigen
Patentansprüchen
beschrieben.
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Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
zum Betreiben von Hochdruckentladungslampen weist einen Spannungswandler
zum Erzeugen einer Wechselspannung sowie einen daran angeschlossenen
oder als Bestandteil des Spannungswandlers ausgebildeten Transformator,
dessen Sekundärwicklung
einen Lastkreis speist, der mit Anschlüssen für eine Hochdruckentladungslampe
und für
den Zündspannungsausgang einer
Impulszündvorrichtung
versehen ist, und einen Serienresonanzkreis auf, der zur Spannungsversorgung der
Impulszündvorrichtung
während
der Zündphase
der Hochdruckentladungslampe vorgesehen ist. Mittels des vorgenannten
Serienresonanzkreises wird während
der Zündphase
der Hochdruckentladungslampe an dem Spannungseingang der Impulszündvorrichtung
eine aus der Ausgangsspannung des Spannungswandlers generierte,
resonanzüberhöhte Versorgungsspannung
bereitgestellt. Durch die mit dem Serienresonanzkreis bewirkte Resonanzüberhöhung der
Versorgungsspannung kann für
die Impulszündvorrichtung
ein Zündtransformator
mit einem geringeren Windungsverhältnis zwischen Sekundär- und Primärwicklung
und einer dementsprechend reduzierten Induktivität verwendet werden, um die
erforderliche Zündspannung
für die Hochdruckentladungslampe
bereitzustellen. Insbesondere bei Betriebsfrequenzen weit oberhalb
von 100 Kilohertz hat die reduzierte Induktivität des Zündtransformators den Vorteil,
dass nach erfolgter Zündung
der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe ein deutlich verringerter
Spannungsabfall an der vom Lampenstrom durchflossenen Sekundärwicklung
des Zündtransformators
auftritt und dadurch die Verluste in dem Transformator am Spannungsausgang
des Spannungswandlers und in den elektronischen Komponenten des Spannungswandlers
deutlich reduziert werden. Der vorgenannte Serienresonanzkreis ermöglicht daher
die Kombination eines Spannungswandlers, der für vergleichsweise hohe Betriebsfrequenzen
deutlich oberhalb von 100 Kilohertz ausgelegt ist, mit einer Impulszündvorrichtung,
deren Zündtransformator
unmittelbar in dem vom Spannungswandler versorgten Lastkreis geschaltet
ist und die nicht, wie in der Offenlegungsschrift WO 98/18297 beschrieben,
galvanisch getrennt von dem Lastkreis angeordnet sein muss. Dadurch
kann die Topologie der Schaltungsanordnung erheblich vereinfacht
werden. Insbesondere kann bei der Hochdruckentladungslampe auf eine
Zündhilfselektrode
verzichtet werden. Besonders vorteilhaft kann die Erfindung auf
einen einstufigen Spannungswandler, insbesondere einen als stromgespeisten
Gegentaktwandler oder als Klasse-E-Konverter ausgebildeten Spannungswandler,
angewandt werden, der auf die Erzeugung einer Zwischenkreisspannung
verzichtet. Die Schaltungstopologie dieser vorgenannten einstufigen
Spannungswandler ist vergleichsweise einfach und daher kostengünstig.
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Gemäß einer
bevorzugten Variante der Erfindung ist der vorgenannte Serienresonanzkreis
an die Sekundärwicklung
des Transformators angeschlossen und, bei angeschlossener Hochdruckentladungslampe, parallel
zur Entladungsstrecke der Hochdruckentladungslampe geschaltet. Dadurch
wird an den Bauteilen des Serienresonanzkreises eine höhere Spannung
für die
Impulszündvorrichtung
generiert als in der Sekundärwicklung
des Transformators, wenn die Schaltfrequenz des Spannungswandlers
während
der Zündphase
der Hochdruckentladungslampe in die Nähe der Resonanzfrequenz des
Serienresonanzkreises liegt. Nach Beendigung der Zündphase
wird der Serienresonanzkreis durch die nun leitfähige Entladungsstrecke der
Hochdruckentladungslampe kurzgeschlossen und dadurch die Impulszündvorrichtung
deaktiviert.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Variante der Erfindung ist der Serienresonanzkreis
auf der Primärseite
des Transformators in den Spannungswandler geschaltet. Zu diesem
Zweck ist die Resonanzinduktivität des
Serienresonanzkreises vorzugsweise als Spartransformator ausgebildet,
dessen Sekundärwicklung
mit dem Spannungseingang einer Impulszündvorrichtung verbindbar ist.
Das Deaktivieren der Impulszündvorrichtung
nach Beendigung der Zündphase
der Hochdruckentladungslampe kann hier auf einfache Weise durch eine Änderung,
vorzugsweise eine Erhöhung,
der Schaltfrequenz des Spannungswandlers herbeigeführt werden.
Während
der Zündphase
liegt die Schaltfrequenz des Spannungswandlers in der Nähe der Resonanzfrequenz
des Serienresonanzkreises.
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Um
die Verlustleistung in der Schaltungsanordnung weiter zu verringern,
ist in vorteilhafter Weise in dem Lastkreis ein Kondensator angeordnet,
der bei angeschlossener Impulszündvorrichtung
in Serie zur Sekundärwicklung
des Zündtransformators
geschaltet ist und dessen Kapazität derart dimensioniert ist,
dass er für
die von der Impulszündvorrichtung
generierten Zündimpulse
im wesentlichen einen Kurzschluss darstellt und nach erfolgter Zündung der
Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe eine teilweise Kompensation der
Induktivität
des vom Lampenstrom durchflossenen Zündtransformators bewirkt. Dieser
Kondensator kann vorteilhaft auch als Bestandteil des Serienresonanzkreises
ausgebildet sein.
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Der
Serienresonanzkreis ist gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung als Bestandteil einer Impulszündvorrichtung ausgebildet,
die, getrennt von den übrigen
Komponenten des Betriebgerätes
der Hochdruckentladungslampe, in dem Lampensockel der Hochdruckentladungslampe
untergebracht ist. Dadurch sind alle Hochspannung führenden
Komponenten in dem Lampensockel angeordnet, so dass die Schnittstelle
zwischen dem Betriebsgerät,
das den Spannungswandler mit dem Transformator an seinem Spannungsausgang
enthält,
und der Hochdruckentladungslampe nur mit einer vergleichsweise geringen Spannung
von weniger als 100 Volt beaufschlagt wird. Diese Schnittstelle
erfordert daher keine Hochspannungsisolierung, sondern nur eine
Abschirmung der Hochfrequenz-Wechselspannung, um eine ausreichende elektromagnetische
Verträglichkeit
des Betriebsgerätes
und der Lampe zu gewährleisten.
Beispielsweise wird das mittels geerdeter, metallischer Gehäuse bzw.
Abschirmungen und Koaxialkabel, deren Abschirmgeflecht ebenfalls
geerdet ist, in bekannter Weise erreicht.
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Die
erfindungsgemäße Impulszündvorrichtung
besitzt daher zusätzlich
zu den üblichen
Komponenten noch einen Serienresonanzkreis, der mit ihrem Spannungseingang
verbunden ist und zur Resonanzüberhöhung der
am Spannungseingang bereitgestellten Versorgungsspannung während der
Zündphase
dient.
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Alternativ
oder zusätzlich
zu dem vorgenannten Serienresonanzkreis kann auch eine spannungsvervielfachende
Kaskadenschaltung in der Schaltungsanordnung oder Impulszündvorrichtung
verwendet werden, um eine höhere
Eingangsspannung als die von der Sekundärwicklung des Transformators
generierte Induktionsspannung für
die Impulszündvorrichtung
bereitzustellen. Sie bietet in Kombination mit dem Spannungswandler ähnliche
Vorteile wie der oben beschriebene Serienresonanzkreis. Allerdings
hat die Variante mit dem Serienresonanzkreis gegenüber der
mit der Kaskadenschaltung den Vorteil, dass sie kein Schaltmittel
zum Deaktivieren der Impulszündvorrichtung
benötigt.
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Die
spannungsvervielfachende Kaskadenschaltung wird in vorteilhafter
Weise entweder direkt von dem Spannungswandler oder von der Sekundärwicklung
des Transformators am Spannungsausgang des Gegentaktwandlers mit
Energie versorgt. Falls die spannungsvervielfachende Kaskadenschaltung
in Kombination mit dem Serienresonanzkreis verwendet wird, dann
ist der Spannungseingang der Kaskadenschaltung parallel zu einem
Resonanzkreisbauteil geschaltet und ihr Spannungsausgang mit dem
Spannungseingang der Impulszündvorrichtung
verbunden.
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Gemäß einer
weiteren Variante der Erfindung kann alternativ zu der oben beschriebenen
spannungsvervielfachenden Kaskadenschaltung eine symmetrische Spannungsverdoppelungsschaltung
in der Schaltungsanordnung oder Impulszündvorrichtung verwendet werden,
um eine höhere
Eingangsspannung als die von der Sekundärwicklung des Transformators
generierte Induktionsspannung für
die Impulszündvorrichtung bereitzustellen.
Sie bietet in Kombination ähnliche
Vorteile wie die oben beschriebene Kaskadenschaltung, wenn eine
Spannungsverdoppelung ausreichend ist. Diese symmetrische Spannungsverdoppelungsschaltung kann
auch in Kombination mit dem oben beschriebenen Serienresonanzkreis
verwendet werden. Die symmetrische Spannungsverdoppelungsschaltung
hat den Vorteil einer annähernd
symmetrische Stromaufnahme während
der positiven und negativen Halbwelle der Versorgungsspannung und
vermeidet eine unsymmetrische magnetische Aussteuerung des Kerns
des Transformators am Spannungsausgang des Spannungswandlers.
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Die
symmetrische Spannungsverdoppelungsschaltung wird in vorteilhafter
Weise entweder direkt von dem Spannungswandler oder von der Sekundärwicklung
des Transformators am Spannungsausgang des Gegentaktwandlers mit
Energie versorgt. Falls die symmetrische Spannungsverdoppelungsschaltung
in Kombination mit dem Serienresonanzkreis verwendet wird, dann
ist der Spannungseingang der symmetrische Spannungsverdoppelungsschaltung
parallel zu einem Resonanzkreisbauteil geschaltet und ihr Spannungsausgang mit
dem Spannungseingang der Impulszündvorrichtung
verbunden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Betreiben einer Hochentladungslampe mittels eines Spannungswandlers
und einer Impulszündvorrichtung
zeichnet sich dadurch aus, dass während der Zündphase der Hochdruckentladungslampe
mit Hilfe eines nahe seiner Resonanzfrequenz betriebenen Serienresonanzkreises
oder bzw. und mittels einer spannungsvervielfachenden Kaskadenschaltung
eine Erhöhung
der Versorgungsspannung für
die Impulszündvorrichtung
durchgeführt
wird.
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Die
erfindungsgemäße Betriebsweise
ermöglicht
einen zuverlässigen
Hochfrequenzbetrieb der Hochdruckentladungslampe mit Wechselstromfrequenzen,
die weit oberhalb der akustischen Resonanzen des Entladungsmediums
innerhalb der Hochdruckentladungslampe liegen. Insbesondere kann
durch die erfindungsgemäße Betriebsweise
gewährleistet
werden, dass einerseits während
der Zündphase
der Hochdruckentladungslampe eine ausreichend hohe Zündspannung
generiert wird und andererseits nach Beendigung der Zündphase
während
des Lampenbetriebs die vom hochfrequenten Lampenstrom durchflossene
Sekundärwicklung
des Zündtransformators
keine unzumutbar hohen Leistungsverluste in der Schaltungsanordnung
verursacht.
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Während der
Zündphase
der Hochdruckentladungslampe wird der Spannungswandler in vorteilhafter Weise
mit einer Schaltfrequenz nahe der Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises
betrieben, um eine resonanzüberhöhte Versorgungsspannung
für die
Impulszündvorrichtung
bereitzustellen. Nach Beendigung der Zündphase wird die Schaltfrequenz
der Schaltmittel des Spannungswandlers vorzugsweise zu einer Frequenz
deutlich oberhalb der Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises
verlagert, um die Impulszündvorrichtung
dadurch zu deaktivieren.
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III. Beschreibung der
bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Nachstehend
wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigen:
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1 Eine
Schaltskizze der Schaltungsanordnung gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels
der Erfindung
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2 Eine
Schaltskizze der Schaltungsanordnung gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels
der Erfindung
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3 Eine
Schaltskizze der Schaltungsanordnung gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels
der Erfindung
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4 Eine
Schaltskizze der Schaltungsanordnung gemäß eines vierten Ausführungsbeispiels
der Erfindung
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5 Eine
Schaltskizze der Impulszündvorrichtung
für das
erste bis vierte Ausführungsbeispiel
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6 Eine
Schaltskizze der Schaltungsanordnung gemäß des fünften bis achten Ausführungsbeispiels
der Erfindung
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7 Eine
Schaltskizze einer Kaskadenschaltung zur Versorgung der Impulszündvorrichttung
des in 6 abgebildeten fünften Ausführungsbeispiels
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8 Eine
Schaltskizze einer Kombination der Kaskadenschaltung mit der Impulszündvorrichtung
für das
in 6 abgebildete fünfte Ausführungsbeispiel
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9 Eine
Schaltskizze einer symmetrischen Spannungsverdoppelungsschaltung
zur Versorgung der Impulszündvorrichtung
des in 6 abgebildeten sechsten Ausführungsbeispiels
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10 Eine
Schaltskizze einer Kombination der symmetrischen Spannungsverdoppelungsschaltung mit
der Impulszündvorrichtung
für das
in 6 abgebildete sechste Ausführungsbeispiel
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Bei
den in 1 bis 8 abgebildeten Ausführungsbeispielen
der Erfindung handelt es sich um Schaltungsanordnungen und Impulszündvorrichtungen
für den
Betrieb einer quecksilberfreien Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe
mit einer elektrischen Leistungsaufnahme von ca. 35 Watt, die für den Einsatz
in dem Scheinwerfer eines Kraftfahrzeugs vorgesehen ist.
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In 1 ist
ein erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
zum Betreiben der oben genannten quecksilberfreien Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe
abgebildet. Zusätzlich
ist auch eine Impulszündvorrichtung
zum Zünden
der Gasentladung in der quecksilberfreien Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe
abgebildet, die in dem Lampensockel untergebracht ist. Die Schaltungsanordnung
umfasst eine Gleichspannungsquelle U0, die von der Batterie bzw.
Lichtmaschine des Kraftfahrzeugs gebildet wird, und eine Drossel
L1, einen Kondensator C1, zwei steuerbare Halbleiterschalter S1,
S2 mit jeweils einer parallel dazu geschalteten Diode D1 bzw. D2
und einen Transformator T1 mit zwei Primär- und einer Sekundärwicklung.
Die Schalter S1, S2 sind als Feldeffekttransistoren (MOSFETS) ausgebildet
und bei den Dioden D1 bzw. D2 handelt es sich um die in den Feldeffekttransistor
S1 bzw. S2 integrierte sogenannte Body-Diode. Die Drossel L1, der
Kondensator C1, die Halbleiterschalter S1, S2 mit ihren Dioden D1,
D2 und der Transformator T1 sind nach der Art eines stromgespeisten
Gegentaktwandlers, wie in dem oben zitierten Stand der Technik beschrieben,
miteinander verschaltet. Mit Hilfe der Drossel L1 wird an dem Mittenabgriff
M1 zwischen den beiden gleichsinnig gepolten Primärwicklungen
des Transformators T1 ein näherungsweise
konstanter Strom eingeprägt.
Die Halbleiterschalter S1, S2 schalten alternierend, so dass immer einer
der beiden Schalter S1, S2 geschlossen ist. Die vorgenannten Komponenten
der Schaltungsanordnung bilden den Betriebsteil für die Lampe,
der in einem Gehäuse,
separat von der Lampe angeordnet ist. An die Sekundärwicklung
des Transformators T1 ist ein Lastkreis angeschlossen, der mit Anschlüssen für die quecksilberfreie
Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe La und die Impulszündvorrichtung
ausgestattet ist. Die Impulszündvorrichtung
IZV umfasst einen Zündtransformator
T2, dessen Sekundärwicklung
L2b in den Lastkreis geschaltet ist. Parallel zu der Sekundärwicklung
des Transformators T1, die den Spannungsausgang des stromgespeisten
Gegentaktwandlers bildet, ist ein Serienresonanzkreis angeschlossen,
der aus der Resonanzinduktivität
L3 und dem Resonanzkondensator C4 besteht. Der Spannungseingang
der Impulszündvorrichtung
IZV ist parallel zu dem Resonanzkondensator C4 geschaltet. Der Serienresonanzkreis
C4, L3 ist hier als Bestandteil der Impulszündvorrichtung IZV ausgebildet
und zusammen mit dieser in dem Sockel der quecksilberfreien Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe
La untergebracht. Das Betriebs- und Zündteil sind hier über abgeschirmte
Koaxialkabel miteinander verbunden.
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Das
in 2 abgebildete zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung
unterscheidet sich von den. oben beschrieben ersten Ausführungsbeispiel
nur dadurch, dass die Komponenten L3, C4 des Serienresonanzkreises
nicht als Bestandteil der Impulszündvorrichtung IZV, sondern
als Bestandteil des Betriebsteils ausgebildet sind. Aus diesem Grund
wurden in den 1 und 2 für identische
Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Die
in 3 abgebildete Schaltungsanordnung gemäß des dritten
Ausführungsbeispiels
unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel nur durch den
zusätzlichen
Kondensator C6 und die Dimensionierung des Kondensators C5. Aus
diesem Grund wurden bei den Ausführungsbeispielen
in den 1 und 3 für identische Bauteile dieselben
Bezugszeichen verwendet. Die Kondensatoren C5, C6 und die Induktivität L3 bilden
zusammen einen Serienresonanzkreis, der während der Zündphase der Hochdruckentladungslampe
La die Impulszündvorrichtung
IZV mit Energie versorgt. Der Spannungseingang der Impulszündvorrichtung
IZV ist zu diesem Zweck parallel zu den während der Zündphase der Lampe La in Serie
geschalteten Kondensatoren C5, C6 geschaltet. Nach Beendigung der
Zündphase
werden die parallel zu der Entladungsstrecke der Hochdruckentladungslampe
La geschalteten Bauteile C5, L3 des Serienresonanzkreises durch
die nun leitfähige
Entladungsstrecke der Lampe La kurzgeschlossen und die Schaltfrequenz
des stromgespeisten Gegentaktwandlers wird so weit erhöht, dass
sie nahe der Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreise liegt, der
von dem nun in Serie zu der Sekundärwicklung L2b des Zündtransformators
T2 geschalteten Kondensators C6 und der vorgenannten Sekundärwicklung
L2b gebildet wird. Der Kondensator C6 bewirkt, nach Beendigung der
Zündphase,
während
des Lampenbetriebs eine partielle Kompensation der Induktivität der vom
Lampenstrom durchflossenen Sekundärwicklung L2b des Zündtransformators
T2, wodurch die Verlustleistungen in den Halbleiterschaltern S1,
S2 des Gegentaktwandlers und dem Transformator T1 reduziert werden.
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In
der Tabelle 1 ist eine Dimensionierung für die in dem ersten bis dritten
Ausführungsbeispiel
verwendeten Bauteile angegeben. Eine Schaltskizze der Impulszündvorrichtung
IZV für
die vorgenannten Ausführungsbeispiele
ist in der 5 abgebildet.
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Während der
Zündphase
der Hochdruckentladungslampe La werden die Feldeffekttransistoren
S1, S2 von ihrer, beispielsweise als Mikrocontroller-Steuerung ausgebildeten
Ansteuerungsvorrichtung (nicht abgebildet) alternierend mit einer
Schaltfrequenz von 350 Kilohertz geschaltet, die der Resonanzfrequenz
des Serienresonanzkreises L3, C4 bzw. L3, C5, C6 entspricht. An
der Sekundärwicklung
des Transformators T1 wird dadurch eine Wechselspannung von derselben
Frequenz generiert, aus der mittels des vorgenannten Serienresonanzkreises
eine durch Resonanz überhöhte Wechselspannung
von ca. 2500 Volt erzeugt wird. An dem Kondensator C4 bzw. an der
Serienschaltung der Kondensatoren C5, C6 steht daher für die Impulszündvorrichtung
IZV eine entsprechend hohe Eingangsspannung U1 zur Verfügung, die
ausreicht, um den Zündkondensator
C3 der Impulszündvorrichtung
IZV über
die Gleichrichterdiode D3 und den Widerstand R1 auf die Durchbruchsspannung
der Funkenstrecke FS der Impulszündvorrichtung
IZV aufzuladen. Beim Durchbruch der Funkenstrecke FS entlädt sich
der Kondensator C3 über
die Primärwicklung
L2a des Zündtransformators T2
und in seiner Sekundärwicklung
L2b werden Hochspannungszündimpulse
von bis zu 30000 Volt zum Zünden
der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe La generiert. Nach
erfolgter Zündung
der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe La werden die Serienresonanzkreisbauteile
L3, C4 bzw. L3, C5 durch die nun leitfähige Entladungsstrecke der
Lampe La kurzgeschlossen und dadurch reicht die an dem Resonanzkondensator
C4 bzw. C5 und C6 bereitgestellte Eingangsspannung für die Impulszündvorrichtung
IZV nicht mehr aus, um den Zündkondensator
C3 auf die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke FS aufzuladen. Nach
erfolgter Zündung
der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe La wird die Schaltfrequenz
des Gegentaktwandlers auf eine Mittenfrequenz von 550 Kilohertz
angehoben und eine Frequenzmodulation des Wechselstroms im Lastkreis
mit einem Frequenzhub von 30 Hertz und einer Modulationsfrequenz
von 500 Hertz um die vorgenannte Mittenfrequenz durchgeführt. Während dieser
Betriebsphase, der sogenannten Anlaufphase oder dem sogenannten
Leistungsanlauf der Lampe, wird der Lampe La eine überhöhte Leistung
zugeführt,
um ein schnelles Verdampfen der Füllungskomponenten des Entladungsmediums
der Hochdruckentladungslampe La und damit in möglichst kurzer Zeit die volle
Lichtemission der Lampe La zu erreichen. Am Ende des vorgenannten
Leistungsanlaufs wird die Mittenfrequenz des Lampenwechselstroms
auf den Wert von 715 Kilohertz angehoben, um den Betrieb bei der
Lampennennleistung von 35 Watt zu gewährleisten. Die oben beschriebene
Frequenzmodulation des Lampenstroms dient zur Vermeidung von akustischen
Resonanzen in dem Entladungsmedium der Lampe La. Bei ausreichend
hohen Wechselstromfrequenzen, bei denen akustische Resonanzen nicht
mehr in nennenswertem Maße
angeregt werden, kann auf die Frequenzmodulation verzichtet werden.
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In
der 4 ist die Schaltungsanordnung gemäß eines
vierten Ausführungsbeispiels
der Erfindung abgebildet. Diese Schaltungsanordnung unterscheidet
sich von der ersten Ausführungsbeispiels
nur dadurch, dass die Drossel L1 in dem stromgespeisten Gegentaktwandler
durch den Spartransformator L4, L4b und die Impulszündvorrichtung
IZV durch die Impulszündvorrichtung
IZV' ersetzt wurde.
Identische Bauteile wurden daher in den 1 und 4 mit
denselben Bezugszeichen versehen. Die Funktion der Drossel L1 wird
in dem vierten Ausführungsbeispiel
von der Primärwicklung
L4 des Spartransformators L4, L4b übernommen. Die Sekundärwicklung
L4b des vorgenannten Spartransformators besitzt die zehnfache Windungszahl
der Primärwicklung
L4 und ist mit dem Spannungseingang der Impuls zündvorrichtung IZV' verbunden. Sie versorgt diese
während
der Zündphase
der Hochdruckentladungslampe La mit Energie. Die Induktivität der Primärwicklung
L4 beträgt
75 μH. Die
Impulszündvorrichtung
IZV' besitzt ebenfalls
den in der 5 dargestellten Aufbau, unterscheidet
sich aber durch die Dimensionierung ihrer Bauteile von der Impulszündvorrichtung
IZV. Die Bauteile der Impulszündvorrichtung
IZV' und ihr Zündtransformator
T3 mit der Primär-
L3a und Sekundärwicklung L3b
sind gemäß der Angaben
in der Tabelle 2 dimensioniert.
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Während der
Zündphase
der Hochdruckentladungslampe La wird der stromgespeiste Gegentaktwandler
gemäß des vierten
Ausführungsbeispiels
(4) mit einer Schaltfrequenz von 100 Kilohertz
betrieben. Die Bauteile L4, C1 und T1 bilden während der vorgenannten Zündphase
einen Serienresonanzkreis, so dass an der Sekundärwicklung L4b eine mittels
der Methode der Resonanzüberhöhung generierte
und noch entsprechend des Windungsverhältnisses von Sekundär- und Primärwicklung
des Spartransformators L4, L4b erhöhte Eingangsspannung von ungefähr 1000
Volt für
die Impulszündvorrichtung
IZV' bereitgestellt
wird. Diese Eingangsspannung reicht aus, um den Zündkondensator
C3 auf die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke FS aufzuladen und
mittels des Zündtransformators
T3 Hochspannungsimpulse zum Zünden
der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe La zu generieren.
Nach erfolgter Zündung
der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe La wird die Schaltfrequenz
des Gegentaktwandlers, wie bereits oben bei dem ersten Ausführungsbeispiel
wurde, angehoben. Durch die Erhöhung
der Schaltfrequenz reicht der Spannungsabfall an dem Spartransformator
L4, L4b nicht mehr aus, um den Zündkondensator
C3 auf die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke FS aufzuladen.
Gegebenenfalls kann das Deaktivieren der Impulszündvorrichtung IZV' am Ende der Zündphase
aber auch mittels eines zusätzlichen
Schalters sichergestellt werden. Der Betrieb der Hochdruckentladungslampe
La nach Beendigung ihrer Zündphase
ist identisch zu dem ersten Ausführungsbeispiel.
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In
der 6 ist eine Schaltungsanordnung gemäß des fünften bis
achten Ausführungsbeispiels
schematisch dargestellt. Diese Schaltungsanordnung umfasst einen
stromgespeisten Gegentaktwandler, der identisch zum ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet
ist. In 6 ist im Unterschied zur 1 auch
der interne Aufbau der Feldeffekttransistoren S1, S2 mit ihren integrierten
Body-Dioden und ihrer Sperrschichtkapazität sowie der Ansteuerungsvorrichtung
schematisch dargestellt. Identische Bauteile tragen daher in den 1 und 6 dieselben
Bezugszeichen. Das fünfte
bis achte Ausführungsbeispiel
unterscheiden sich von den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen
dadurch, dass die Eingangsspannung für die Impulszündvorrichtung
IZV'' nicht mittels eines
Serienresonanzkreises, sondern mittels einer spannungsvervielfachenden
Schaltung KK erzeugt wird. Bei dem fünften und sechstens Ausführungsbeispiel
ist die Schaltung KK als dreistufige Kaskadenschaltung ausgebildet,
während
sie bei dem siebten und achten Ausführungsbeispiel als eine symmetrische
Spannungsverdoppelungsschaltung ausgebildet ist. Die Eingangsspannung
U2 für
die spannungsvervielfachende Schaltung KK wird an der Sekundärwicklung
des Transformators T1 bereitgestellt. Der Spannungseingang j1, j2
der spannungsvervielfachenden Schaltung KK ist parallel zu der Sekundärwirkung
des Transformators T1 in den Lastkreis geschaltet.
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Gemäß des fünften Ausführungsbeispiels
der Erfindung ist die Impulszundvorrichtung IZV'' identisch zu
der in 5 dargestellten Impulszündvorrichtung IZV ausgebildet
und die Schaltung KK als dreistufige Kaskadenschaltung ausgeführt. Details
der dreistufigen Kaskadenschaltung sind in der 7 abgebildet.
Angaben zur Dimensionierung der dreistufigen Kaskadenschaltung sind
in der Tabelle 3 aufgeführt.
Die Ausgangsspannung U1 der dreistufigen Kaskadenschaltung wird
dem Spannungseingang der Impulszündvorrichtung IZV'' zugeführt. Während der Zündphase der Hochdruckentladungslampe
La wird der Gegentaktwandler mit einer Schaltfrequenz von 100 Kilohertz
betrieben und die dreistufige Kaskadenschaltung erhöht die Induktionsspannung
der Sekundärwicklung
des Transformators T1 entsprechend der Anzahl ihrer Stufen und stellt
an ihrem Spannungsausgang die Eingangsspannung U1 für die Impulszündvorrichtung
IZV" zur Verfügung. Am Ende
der Zündphase
wird die dreistufige Kaskadenschaltung mittels eines Schalters (nicht
abgebildet), der ihre Spannungsversorgung unterbricht, abgeschaltet.
Der weitere Lampenbetrieb erfolgt wie bereits bei dem ersten Ausführungsbeispiel
wurde.
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Das
sechste Ausführungsbeispiel
der Erfindung unterscheidet sich von dem fünften Ausführungsbeispiel nur dadurch,
dass die Impulszündvorrichtung
und die dreistufige Kaskadenschaltung miteinander verquickt sind.
Das heißt,
Bauteile der dreistufigen Kaskadenschaltung, wie zum Beispiel die
Kondensatoren C12, C22 und C23, bilden auch gleichzeitig Bauteile
der Impulszündvorrichtung.
Dadurch können
Bauteile eingespart werden. In 8 ist der
Aufbau der Kombination von dreistufiger Kaskadenschaltung mit der
Impulszündvorrichtung
schematisch dargestellt. Die Funktion der Schaltungsanordnung und
der Betrieb der Lampe La sind identisch zu dem fünften Ausführungsbeispiel.
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Gemäß des siebten
Ausführungsbeispiels
der Erfindung ist die Impulszündvorrichtung
IZV'' identisch zu der
in 5 dargestellten Impulszündvorrichtung IZV ausgebildet
und die Schaltung KK als symmetrische Spannungsverdoppelungsschaltung
ausgeführt.
Details der symmetrische Spannungsverdoppelungsschaltung sind in
der 9 abgebildet. Angaben zur Dimensionierung der
symmetrische Spannungsverdoppelungsschaltung sind in der Tabelle
4 aufgeführt.
Die Ausgangsspannung U1 der symmetrische Spannungsverdoppelungsschaltung
wird dem Spannungseingang der Impulszündvorrichtung IZV'' zugeführt. Während der Zündphase der Hochdruckentladungslampe
La wird der Gegentaktwandler mit einer Schaltfrequenz von 100 Kilohertz
betrieben und die symmetrische Spannungsverdoppelungsschaltung verdoppelt
die Induktionsspannung der Sekundärwicklung des Transformators
T1 und stellt an ihrem Spannungsausgang die Eingangsspannung U1
für die
Impulszündvorrichtung
IZV'' zur Verfügung. Am
Ende der Zündphase
wird die symmetrische Spannungsverdoppelungsschaltung mittels eines
Schalters (nicht abgebildet), der ihre Spannungsversorgung unterbricht,
abgeschaltet. Der weitere Lampenbetrieb erfolgt wie bereits bei
dem ersten Ausführungsbeispiel wurde.
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Das
achte Ausführungsbeispiel
der Erfindung unterscheidet sich von dem siebten Ausführungsbeispiel nur
dadurch, dass die Impulszündvorrichtung
und die symmetrische Spannungsverdoppelungsschaltung miteinander
verquickt sind. Das heißt,
Bauteile der symmetrische Spannungsverdoppelungsschaltung, wie zum Beispiel
die Kondensatoren C7 und C8, bilden auch gleichzeitig Bauteile der
Impulszündvorrich tung.
Dadurch können
Bauteile eingespart werden. In 10 ist
der Aufbau der Kombination von symmetrischer Spannungsverdoppelungsschaltung
mit der Impulszündvorrichtung
schematisch dargestellt. Die Funktion der Schaltungsanordnung und
der Betrieb der Lampe La sind identisch zu dem siebten Ausführungsbeispiel.
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Die
Erfindung beschränkt
sich nicht auf die oben näher
beschriebenen Ausführungsbeispiele.
Beispielsweise kann die Erfindung auch auf eine Impulszündvorrichtung
angewandt werden, deren Zündspannungsausgang
zum Anschließen
an die Zündhilfselektrode
einer Hochdruckentladungslampe vorgesehen ist. Der Spannungseingang
der spannungsvervielfachenden Kaskadenschaltung und der symmetrischen
Spannungsverdoppelungsschaltung können auch primärseitig
mit dem Gegentaktwandler verbunden sein und müssen nicht unbedingt von der
Sekundärwicklung
T1b des Transformators T1 gespeist werden. Tabelle
1: Dimensionierung der Bauteile der Schaltungsanordnungen gemäß des ersten
bis dritten Ausführungsbeispiels
| C1 | 1.0
nF, FKP1 (WIMA) |
| C4 | 33
pF |
| C5 | 35
pF |
| C6 | 570
pF |
| L1 | 60 μH, 20Wdg.
auf RM5, N49 (EPCOS) |
| L3 | 4,6
mH, EFD15, N49, 300 Wdg. (EPCOS) |
| T1 | EFD25,
N59, ohne Luftspalt, Sekundär:
40 Wdg., zwei Primärwicklungen
mit jeweils 8 Wdg. |
| T2 | Primär: 1 Wdg.,
Sekundär:
20 Wdg. |
| L2b | 60 μH |
| S1
(& D1) | IRF740,
Power-MOSFET (International Rectifier) |
| S2
(& D2) | IRF740,
Power-MOSFET (International Rectifier) |
| U0 | nominal
42 Volt, zulässig:
30 Volt bis 58 Volt |
| La | quecksilberfreie
Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe, nominal 35 Watt, 45
Volt |
| C3 | 10
nF, 2,5 kV |
| D3 | zwei
Dioden BY505 in Reihe geschaltet |
| FS | 2000
Volt |
| R1 | 30
Kilo-Ohm |
Tabelle
2: Dimensionierung der Bauteile der Impulszündvorrichtung IZV' gemäß des vierten
Ausführungsbeispiels
| C3 | 70
nF, 1000 Volt |
| D3 | BY505 |
| FS | 800
Volt |
| R1 | 12
Kilo-Ohm |
| T3 | Primär: 1 Wdg.,
Sekundär:
40 Wdg. |
| L3b | 60 μH |
Tabelle
3: Dimensionierung der Bauteile der dreistufigen Kaskadenschaltung
gemäß Figur
7
| C11,
C21, C31 | 1,0
nF, FKP1 (WIMA) |
| C12,
C22, C32 | 33
nF, FKP1 (WIMA) |
| D11,
D21, D31 | US1M |
| D12,
D22, D32 | US1
M |
| FS | 2000
Volt |
| R2 | 1000
Ohm |
Tabelle
4: Dimensionierung der Bauteile der symmetrischen Spannungsverdoppelungsschaltung
gemäß Figur 9
und 10
| R3 | 30000
Ohm |
| D4,
D5 | BY505 |
| C7,
C8 | 22
nF, 1200 Volt |
| FS | 2000
Volt |