Schaltung zum Betreiben von Wechselstrom-Hochdruckgasentladungslampen für ein Kraftfahrzeug

Abstract

 Beschrieben wird eine Schaltung zum Betreiben einer Wechselstrom-Hochdruckgasentladungslampe für ein Kraftfahrzeug, mit einem Steuergerät, einem Überlagerungszündgerät, einem symmetrischen Lampenfilter und einer Hochdruckgasentladungslampe, wobei das symmetrische Lampenfilter zwischen der Hochdruckgasentladungslampe und der Überlagerungszündung angeordnet ist, mit einer Filterkapazität parallel zur Hochdruckgasentladungslampe und je einer Drossel in den Zuführungsleitungen zu dieser Parallelschaltung, wobei die beiden Drosseln erfindungsgemäß als Spulen mit einem geschlossenen, weichmagnetischen, hochohmigen Ferritkern ausgebildet sind. Das nichtlineare Filter hat nicht nur eine besonders gute Filtereigenschaft bezüglich Lampenstörungen, es reduziert sogar ursächlich ihre Entstehung. Da die Filterschaltung Wiederzündspitzen stark reduziert und damit die Beschädigungen der Lampenelektroden vermindert, wird überdies sogar ein gedimmter Betrieb einer Hochdruckgasentladungslampe möglich.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Betreiben einer Wechselstrom-Hochdruckgasentladungslampe für ein Kraftfahrzeug, mit einem Steuergerät, einem Überlagerungszündgerät, einem symmetrischen Lampenfilter und einer Hochdruckgasentladungslampe, wobei das symmetrische Lampenfilter zwischen der Hochdruckgasentladungslampe und der Überlagerungszündung angeordnet ist, mit einer Filterkapazität parallel zur Hochdruckgasentladungslampe und je einer Drossel in den Zuführungsleitungen zu dieser Parallelschaltung.

[0002] Eine solche Schaltung kommt in Seriengeräten der Anmelderin seit 1996 zur Anwendung.

[0003] Wechselstrom-Hochdruckgasentladungslampen wie sie im Kfz eingesetzt werden, erzeugen ein breites EMI-Spektrum mit hoher Intensität im Frequenzbereich von wenigen Megahertz bis in den Gigahertzbereich. Diese Störungen werden im wesentlichen bei der Stromkommutierung erzeugt. Bei jeder Kommutierung verlischt die Lampe kurz und wird mit ansteigender Spannung sofort wiedergezündet, wodurch jedesmal ein energiereicher Störimpuls entsteht.

[0004] Üblicherweise werden diese Impulse entweder gefiltert oder sie werden abgeschirmt. Die Abschirmung ist eine sehr teure Maßnahme. Die Filterung beeinflußt die Zündbarkeit der Lampe; das Zündgerät muß mehr Energie pro Zündimpuls erzeugen. Dies hat Auswirkung auf die Kosten und die Baugrösse des Zündgerätes und indirekt auch auf das Vorschaltgerät, welches bei höherer Zündenergle auch einen höheren Übernahmestrom liefern muß.

[0005] Bei der bekannten, von der Anmelderin bisher verwendeten Filterschaltung kommen Stabkerndrosseln zur Anwendung, also Spulen mit konstanter Induktivität. Diese Filterschaltung soll für die speziellen Anforderungen der Entstörung von Hochdruckgasentladungslampen weiter verbessert werden.

[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zu entwickeln, die einerseits die Störimpulse der Lampe ursächlich reduziert und andererseits die verbleibenden Störimpulse ausreichen filtert, wobei die Zündspannung während des Zündens möglichst wenig reduziert werden soll.

[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die beiden Drosseln als Spulen mit einem geschlossenen, weichmagnetischen, hochohmigen Ferritkern ausgebildet sind.

[0008] Damit wird zur Entstörung der Lampe ein Filter eingesetzt, dessen Filterinduktivitäten speziell während der Stromkommutierung und während der Zündung extrem nichtlinear sind. Die Drosseln sind dabei vorteilhafterweise so ausgelegt, daß ihre Induktivitäten während der Stromkommutierung im Nulldurchgang des Stroms sehr groß und kurz davor, sowie während der Zündung möglichst klein werden. Diese Induktivitäten sind Spulen mit geschlossenem, weichmagnetischen Kern (ohne Luftspalt), welcher eine ausgeprägte Hystereseschleife mit hoher Remanenz und hoher Koerzitivfeldstärke aufweist. Am besten sind Ringkerne aus hochohmigem Ferritmaterial (z. B.: NiZn-Ferrite, MnZn-Ferrite, MgZn-Ferrite) geeignet.

[0009] Ringkerndrosseln sind zwar als Entstörbauteile, vor allem für Thyristor- und Triac-Schaltungen bekannt. Solche Drosseln weisen aber im allgemeinen Eisen- oder niederohmige Ferritkerne auf, um möglichst hohe Induktivitätswerte oder hohe Sättigungswerte zu erreichen. Damit kann zwar ein Entstörung bis zu den Frequenzen des UKW-Rundfunkbereichs erzielt werden, eine gleichmäßige Entstörung weit darüber hinausgehender Frequenzen, wie eingangs gefordert, ist damit aber nicht erreichbar. Daher erwiesen sich die allgemein verwendeten Ringkerndrosseln zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabenstellung als nicht geeignet.

[0010] Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltung sind in den Unteransprüchen genannt.

[0011] So ist für die Drosselkerne zwar prinzipiell jede geschlossene Bauform eines Spulenkerns einsetzbar; aus Kostengründen (Herstellungs- und Wicklungskosten) sind Ringkerne jedoch besonders vorteilhaft.

[0012] Zur hochspannungsfesten Ausbildung der Drosseln ist es vorteilhaft, erstens die Drosselspulen einlagig zu wickeln und zweitens den Kern nicht entlang seines ganzen Umfangs zu bewickeln, damit die Zuleitungen der Drossel nicht zu dicht beieinanderliegen.

[0013] Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung anhand der Zeichnung näher erläutert werden.

[0014] Die einzige Figur zeigt ein Steuergerät für eine Hochdruckgasentladungslampe, sowie ein Zündgerät mit integriertem Lampenfilter.

[0015] Das Steuergerät steuert und versorgt sowohl die Hochdruckgasentladungslampe (GDL) als auch den primären Zündkreis des Zündgerätes. Das Zündgerät ist als ein Überlagerungszündgerät ausgeführt; hierzu ist die Sekundärwicklung des Zündtransformators (K1) in eine der Lampenzuleitungen geschaltet. Das Zündgerät weist zudem ein symmetrisches Lampenfilter auf, wobei das symmetrische Lampenfilter zwischen der Hochdruckgasentladungslampe (GDL) und der Überlagerungszündung angeordnet ist und eine Filterkapazität (C1) parallel zur Hochdruckgasentladungslampe (GDL) und je eine Drossel (L1, L2) in den Zuführungsleitungen zu dieser Parallelschaltung aufweist. Die beiden Drosseln (L1, L2) bestehen aus Spulen, die auf jeweils einem geschlossenen, weichmagnetischen, hochohmigen Kern mit ausgeprägter Hysteresekurve, und zwar vorzugsweise auf Ringkerne aus hochohmigem Ferrit, gewickelt sind.

[0016] Die Drosseln (L1, L2) sind so ausgelegt, daß die maximale Summe der beiden Induktivitäten die Größenordnung der Induktivität der sekundären Wicklung des Zündtransformators (K1) erreicht (dies ist dann der Fall, wenn der Strom durch die Induktivitäten gerade durch Null gegangen ist und die Hystereseschleife die Koerzitivfeldstärke durchläuft) und die minimale Summe deutlich kleiner als die Induktivität der sekundären Wicklung des Zündtransformators (K1) ist (dies ist der Fall in der Zeit vor dem Beginn der Kommutierung und dem Nulldurchgang des Stroms). Während der Zündung sind die Kerne der Drosseln (L1, L2) gesättigt und die Induktivitäten verschwinden annähernd.

[0017] Die Kerne der Drosseln (L1, L2) weisen keinen Lufspalt auf (auch keinen verteilten Luftspalt wie er bei Pulverkernen üblich ist). Stabkerndrosseln, die in solchen Filterschaltungen üblicherweise eingesetzt werden, haben einen extremen Luftspalt und sind daher sehr linear.

[0018] Das nichtlineare Filter hat nicht nur eine besonders gute Filtereigenschaft bezüglich der Lampenstörungen, es reduziert sogar ursächlich ihre Entstehung. Dieses konnte gezeigt werden, indem eine Hochdruckgasentladungslampe zunächst ohne, danach mit, und anschließend nochmals ohne die erfindungsgemäße Filteranordnung betrieben wurde. Die von der Hochdruckgasentladungslampe ausgehenden Störungen wurden durch das Filter weitgehend reduziert. Überraschenderweise zeigte die Hochdruckgasentladungslampe auch nach Herausnahme des Filters aus der Schaltung zunächst nur sehr geringe Störungen, wobei die Störimpulse aber nach einiger Zeit erneut, in der für eine Schaltung ohne Filter üblichen Intensität auftraten.

[0019] Dieses deutet darauf hin, daß die erfindungsgemäß ausgebildete Filterschaltung reversible Veränderungen an der Hochdruckgasentladungslampe (vermutlich an den Elektroden) bewirkt, welche zu einer verringerten Abstrahlung von Störungen führen. Die genauen physikalischen Hintergründe dieses überraschenden Effektes sind bisher noch nicht bekannt.

[0020] Vorteilhafterweise ermöglicht die erfindungsgemäßen Filterschaltung darüber hinaus sogar einen gedimmten Betrieb einer Hochdruckgasentladungslampe. Bei den bisher verwendeten Schaltungen konnten Wechselstrom-Hochdruckgasentladungslampen nur für kurze Zeit und nur wenig gedimmt (unterhalb ihrer Nennleistung) betrieben werden, weil sie in diesem Betrieb extrem altern.

[0021] Das Altern der Lampe hat zwei Gründe:

1. der Halogenkreislauf kommt wegen der niedrigen Temperatur im Lampenkolben zum erliegen und das Elektrodenmaterial setzt sich nach dem Verdampfen am Innenkolben ab,

2. beim Kommutieren des Lampenstroms reißt dieser für längere Zeit (mehrere Mikrosekunden) ab; die daraus resultierenden Wiederzündspitzen im Lampenspannungsverlauf zerstören sehr schnell die Elektroden (teilweise schon innerhalb weniger Stunden).

[0022] Im Kraftfahrzeugen ist es jedoch wünschenswert, bei sehr hohen Umgebungstemperaturen die Lampenbetriebsleistung zu reduzieren, um das Steuergerät vor Überhitzung und damit vor Zerstörung zu bewahren. Eine weitere wünschenswerte Anwendung von gedimmten Hochdruckgasentladungslampen ist das gedimmte Tagfahrlicht.

[0023] Die erfindungsgemäße Filterschaltung reduziert, auch bei gedimmter Lampe die Wiederzündspitzen bei der Stromkommutierung auf ein so geringes Maß, daß die Elektroden kaum noch geschädigt werden.

[0024] Die Ergebnisse aus Lampenlebensdaueruntersuchungen mit Ringkerndrosseln als Entstörelement zeigen, daß eine Hochdruckgasentladungslampe im gedimmten Betrieb sogar geringer altert als im normalem Betrieb ohne Ringkerndrossel. Dadurch wird der Einsatz von Hochdruckgasentladungslampen nun auch für gedimmtes Tagfahrlicht geeignet.

Bezugszeichen

[0025] 

C1

Filterkapazität

GDL

(Wechselstrom-) Hochdruckgasentladungslampe

K1

Zündtransformator

L1, L2

Drosseln

Ansprüche

1. Schaltung zum Betreiben einer Wechselstrom-Hochdruckgasentladungslampe (GDL) für ein Kraftfahrzeug, mit einem Steuergerät, einem Überlagerungszündgerät, einem symmetrischen Lampenfilter und einer Hochdruckgasentladungslampe (GDL), wobei das symmetrische Lampenfilter zwischen der Hochdruckgasentladungslampe (GDL) und der Überlagerungszündung angeordnet ist, mit einer Filterkapazität (C1) parallel zur Hochdruckgasentladungslampe (GDL) und je einer Drossel (L1, L2) in den Zuführungsleitungen zu dieser Parallelschaltung,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Drosseln (L1, L2) als Spulen mit einem geschlossenen, weichmagnetischen, hochohmigen Ferritkern ausgebildet sind.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ferritkerne als Ringkerne ausgeführt sind.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen einlagig gewickelt sind.

4. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen über einen Winkel von maximal 270° bewickelt sind.

Zeichnung