Technisches Gebiet
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsvorrichtung zum Betrieb einer Entladungslampe
mit einer Wechselspannungsgenerator- oder -aufnahmeeinrichtung zum Bereitstellen einer
Wechselspannung und einer Zündspannungserzeugungseinrichtung, die an die Wechselspannungsgenerator-
oder -aufriahmeeinrichtung angeschlossen ist und an deren Ausgang die Entladungslampe
anschließbar ist, zur Erzeugung einer Zündspannung aus der Wechselspannung. Darüber
hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb
einer Entladungslampe.
Stand der Technik
[0002] Für den Betrieb einer Gasentladungslampe muss zunächst an die Lampe eine Hochspannung
angelegt werden, um den Entladeprozess des Gases in der Lampe zu zünden. Anschließend
ist eine kontinuierliche Betriebsspannung an die Elektroden der Lampe anzulegen. Hierfür
kann entweder eine elektrische Versorgungseinheit beziehungsweise Schaltungsvorrichtung
verwendet werden, die sowohl den Zündvorgang als auch den Betriebszustand bewerkstelligen
kann oder aber zwei getrennte Spannungsquellen, wovon eine für die Zündung und die
andere für den Betrieb eingesetzt wird. Eine Spannungsquelle, die für beide Zustände
einsetzbar ist, muss die Hochspannung für die Zündung erzeugen können und anschließend
dauerhaft mit hohem Wirkungsgrad während des Betriebs arbeiten können.
[0003] Bislang wurden für die Zündung von Entladungslampen entweder Überlagerungszündgeräte
oder Resonanzkreise verwendet. Für Entladungslampen mit besonders hoher Zündspannung
ergeben sich dabei jedoch folgende Nachteile:
[0004] Bei einem Überlagerungszündgerät wird die Betriebsfrequenz für den Dauerbetrieb der
Lampe durch deren Induktivität nach oben begrenzt. Dies ist insbesondere bei Hochdrucklampen,
die aufgrund der auftretenden akustischen Resonanzen nur in bestimmten Frequenzfenstem
betrieben werden können, eine wesentliche Einschränkung. Darüber hinaus sind Überlagerungszündgeräte
aufgrund der notwendigen Wickelgüte, Schaltelemente (z. B. Funkenstrecken) und Kondensatoren
verhältnismäßig teuer.
[0005] Im Serienresonanzkreis erfordert die Zündung durch Spannungsüberhöhung bei Entladungslampen
mit besonders hoher Zündspannung eine sehr hohe Güte und damit entsprechend hohe Kosten.
Der Schaltungsaufwand, um die Resonanzfrequenz eines solchen Resonanzkreises sicher
zu treffen, ist erheblich. Auch bei Serienresonanzkreisen begrenzt die Induktivität
die Betriebsfrequenz für den Dauerbetrieb der Lampe. Die Verwendung kostengünstiger
Betriebsgeräte mit hoher Frequenz ist daher nur sehr eingeschränkt möglich.
Darstellung der Erfindung
[0006] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Schaltungsvorrichtung
und eine Verfahren vorzuschlagen, die einen kostengünstigen Betrieb einer Entladungslampe
mit hoher Zündspannung ermöglichen.
[0007] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Schaltungsvorrichtung zum Betrieb
einer Entladungslampe mit einer Wechselspannungsgenerator- oder -aufnahmeeinrichtung
zum Bereitstellen einer Wechselspannung und einer Zündspannungserzeugungseinrichtung,
die an die Wechselspannungsgenerator- oder -aufnahmeeinrichtung angeschlossen und
an deren Ausgang die Entladungslampe anschließbar ist, zur Erzeugung einer Zündspannung
aus der Wechselspannung, wobei die Zündspannungserzeugungseinrichtung mindestens eine
Diode umfasst, die parallel zum Ausgang der Zündspannungserzeugungseinrichtung geschaltet
ist.
[0008] Ferner wird die oben genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer
Entladungslampe durch Bereitstellen einer Wechselspannung und Erzeugen einer Zündspannung
aus der Wechselspannung, wobei die Zündspannung mittels einer Diode erzeugt wird,
die parallel zu der Entladungslampe angeordnet ist.
[0009] Die parallel zu dem Ausgang der Zündspannungserzeugungseinrichtung beziehungsweise
der Entladungslampe geschaltete Diode in Zusammenhang mit der Ausgangskapazität des
Wechselspannungsgenerators dient zum Erhöhen der Spannungsamplitude entsprechend der
Wirkung einer Pumpschaltung. Im Hinblick auf eine Kaskadenpumpschaltung entspräche
die beschriebene Schaltung einer Pumpschaltung nullter Ordnung.
[0010] Vorzugsweise umfasst die Zündspannungserzeugungseinrichtung daher eine Kaskadenschaltung
erster oder höherer Ordnung in Serie zu der Diode als Spannungspumpschaltung. Mit
derartigen Kaskadenschaltungen lassen sich je nach Höhe ihrer Ordnung entsprechend
hohe Spannuhgsüberhöhungen erzielen, was letztlich durch die Güte der verwendeten
Bauelemente beziehungsweise deren Eigenverluste und die mit steigender Ordnung wachsende
Zeitkonstante begrenzt ist.
[0011] In der Kaskadenschaltung sind insbesondere pro Ordnung zwei Kondensatoren und zwei
Dioden in bekannter gegenseitiger Verschaltung vorgesehen. Somit kann mit verhältnismäßig
kostengünstigen Bauelementen eine wirksame Spannungsüberhöhung erzielt werden.
[0012] Günstigerweise ist zwischen dem Ausgang der Zündspannungserzeugungseinrichtung und
der Diode, d. h. vor die Entladungslampe, eine Drosselspule zur Strombegrenzung geschaltet.
Damit kann ein Strom, der durch die Reduzierung des Widerstands der Entladungslampe
nach dem Zündvorgang auftreten würde, limitiert werden.
[0013] Seriell zu der Diode wird vorzugsweise eine Abschalteinheit zum Abschalten des Pumpens
der Spannung nach dem Zündvorgang eingesetzt. Diese Abschalteinheit kann kostengünstig
durch eine Zener-Diode oder TVS-Diode (transient voltage suppressor) realisiert werden.
Die Nennspannung dieser Zener-Diode oder TVS-Diode sollte dabei größer als die Brennspannung
der Entladungslampe sein, um den Brennvorgang nicht zu behindern oder sogar zu verhindern.
[0014] Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Schaltungsvorrichtung umfasst die Zündspannungserzeugungseinrichtung
einen Piezotransformator. Mit diesem kann eine hohe Spannungsübersetzung bei geringer
Baugröße erzielt werden.
[0015] Alternativ kann jedoch auch eine herkömmliche Wechselspannungsquelle, z.B. Halbbrücke,
mit Koppelkondensator für die Erzeugung der Speisespannung verwendet werden.
[0016] Die erfindungsgemäße Schaltungstopologie ermöglicht damit einen kostengünstigen Betrieb
von Entladungslampen mit hoher Zündspannung, wie beispielsweise bei Hochdruckentladungslampen
für Automobilscheinwerfer.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0017] Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert,
in denen zeigen:
- Figur 1
- ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung;
- Figur 2
- ein Prinzipschaltbild einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- Figur 3
- ein Prinzipschaltbild einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- Figur 4
- ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- Figur 5
- ein Schaltbild einer noch weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- Figur 6
- den Spannungsverlauf an den Elektroden einer Gasentladungslampe ohne (A) und mit einer
Diode (B) vor der Zündung;
- Figur 7
- den Spannungsverlauf an den Elektroden einer Gasentladungslampe ohne (A) und mit einer
Diode (B) während der Brennphase;
- Figur 8
- ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- Figur 9
- den Spannungsverlauf an den Elektroden einer Gasentladungslampe, der sich durch eine
Pumpschaltung nullter Ordnung gemäß Figur 4 vor der Zündung und nach der Zündung ergibt;
- Figur 10
- den Spannungsverlauf an den Elektroden einer Gasentladungslampe, der sich durch eine
Pumpschaltung zweiter Ordnung gemäß Figur 8 vor der Zündung und nach der Zündung ergibt;
und
- Figur 11
- den Spannungsverlauf an den Elektroden einer Gasentladungslampe, der sich durch eine
Pumpschaltung dritter Ordnung vor der Zündung und nach der Zündung ergibt.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
[0018] Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung dar. Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, die in Figur 1 dargestellt ist, ist an den Ausgang einer Wechselspannungsversorgungsschaltung
1 ein Transformator 2 angeschlossen. Die Ausgangsklemmen des Transformators 2 sind
mit den Elektroden einer Gasentladungslampe 4 verbunden. Zwischen die Elektroden der
Gasentladungslampe ist eine Diode 3 geschaltet.
[0019] Die Wirkungsweise der Schaltung gemäß Figur 1 kann dem in Figur 6 dargestellten Spannungsverlauf
entnommen werden. Die Wechselspannung an den Elektroden der Gasentladungslampe hat
ohne die Diode 3 den sinusförmigen Spannungsverlauf im Bereich A von Figur 6. Die
parallel zu den Elektroden der Gasentladungslampe 3 geschaltete Diode 3 bewirkt, dass
die Wechselspannung auf positive beziehungsweise negative Werte angehoben/gesenkt
wird, so dass sich eine Verdoppelung der Spannungsamplitude ergibt. Je nach dem Typ
der Entladungslampe genügt diese doppelte Spannungsamplitude zum Zünden.
[0020] In den Figuren 2 und 3 sind alternative Ausführungsformen zu der in Figur 1 dargestellt.
Es sind jeweils die gleichen Schaltelemente beziehungsweise Bauelemente 1 bis 4 verwendet.
Zusätzlich ist in der Schaltung von Figur 2 seriell mit der Diode 3 eine Abschalteinheit
beziehungsweise ein Schwellwertschalter 5 verbunden. Im vorliegenden Fall handelt
es sich dabei um eine Zener-Diode. Alternativ kann auch eine unidirektionale TVS-Diode
verwendet werden. Dabei ist die Zener-Diode als Schwellwertschalter 5 in entgegengesetzter
Richtung zur Diode 3 geschaltet. Mit der Diode 5 wird die Abschaltung der Pumpschaltung
nach dem Durchbruch der Lampe erreicht, wobei die Nennspannung der Diode, d. h. die
Zenerspannung, mindestens so groß sein muss, wie die maximale Brennspannung der Lampe.
Durch die Serienschaltung der Zener-Diode als Abschaltelement wird die Pumpfünktion
der Pumpschaltung nullter Ordnung, die lediglich aus der Diode 3 besteht, geschaltet.
Pumpschaltungen höherer Ordnung sind im Zusammenhang mit Figur 8 dargestellt.
[0021] Die in Figur 3 dargestellte Schaltung weist im Wesentlichen die gleichen Bauelemente
auf, wie die von Figur 2. Bei dem Transformator 2 in der Schaltung von Figur 3 handelt
es sich um einen elektromagnetischen Transformator. Die sekundärseitige Spule wird
gleichzeitig als Resonanzspule für den Resonanzbetrieb verwendet. In Serie zu der
Sekundärspule ist ein Koppelkondensator 6 geschaltet, der durch die Pumpschaltung
aufgeladen wird. Mit dieser Resonanzschaltung kann die elektrische Versorgungsschaltung
beziehungsweise die Gasentladungslampe sehr wirksam betrieben werden. Vor der Zündung
der Lampe wird die Schaltung lastfrei betrieben und die Ausgangsspannung des Resonanztransformators
ist am höchsten, so dass die Lampe gezündet werden kann. Nach der Zündung, wenn sich
die Lampe in Betrieb befindet, geht ihr innerer Widerstand zurück, womit auch die
Ausgangsspannung des Resonanztransformators wegen der Verstimmung reduziert wird,
so dass die Gasentladungslampe mit einem für den Lampentyp spezifischen, niedrigeren
Spannungswert mit hohem Wirkungsgrad betrieben werden kann. Dieser Spannungswert muss
geringer sein als der Wert der Vorwärtsspannung der Diode 3. Wenn dies nicht der Fall
ist, wird die an die Lampe 4 angelegte Spannung auf die Vorwärtsspannung der Diode
3 begrenzt.
[0022] Figur 4 zeigt eine konkrete Realisation der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform.
Der Transformator 2 ist als Piezotransformator ausgestaltet. Primärseitig wird die
von der Wechselspannungsversorgung beziehungsweise dem Generator 1 gelieferte Wechselspannung
durch das piezoelektrische Element in mechanische Schwingungen umgesetzt. Diese über
das piezoelektrische Element übertragenen mechanischen Schwingungen werden sekundärseitig
wieder in elektrische Signale umgesetzt. Im Falle der mechanischen Resonanz des Piezoelements
kommt es zu einer entsprechenden Resonanzüberhöhung der Sekundärspannung. Durch die
Pumpschaltung mit den Dioden 3 und 5 wird diese Spannung weiter erhöht, so dass die
Zündspannung der Lampe 4 erreicht wird. Beim Zünden und während des Betriebs der Gasentladungslampe
ist diese sehr niederohmig, so dass der Strom gegebenenfalls durch eine Drosselspule
7 begrenzt werden muss. Der Generator 1 zur Erzeugung der primärseitigen Wechselspannung
kann dabei eine Halbbrücke umfassen.
[0023] In Figur 5 ist eine weitere Ausführungsform der Schaltung gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt. Die von dem Generator 1 erzeugte Wechselspannung wird an einen
aus einer Resonanzspule 8 und einem Resonanzkondensator 9 bestehenden Serienresonanzkreis
angelegt. Die Spannung am Resonanzkondensator 9 wird über einen Koppelkondensator
10 an die Lampe 4 gekoppelt. Parallel zu der Lampe 4 liegt die bereits im Zusammenhang
mit den vorhergehenden Figuren beschriebene Pumpschaltung mit den Dioden 3 und 5.
Der Koppelkondensator 10 zur Vermeidung von Elektrophorese an den Elektroden der Gasentladungslampe
4 sollte eine ausreichend hohe Kapazität für die sogenannte Übernahme, d. h dem Übergang
von der Glimmentladung zur Bogenentladung, besitzen. Im Bedarfsfall kann dem Koppelkondensator
10 eine Serienresonanz, gegebenenfalls mit geringer Güte, vorgelagert werden, um höhere
Spannungen zu erreichen.
[0024] In Figur 6 im Bereich A ist die Signalwellenform der Wechselspannung am Ausgang des
Transformators dargestellt, die an der Entladungslampe 4 anliegen würde, wenn die
Diode 3 nicht vorhanden wäre. Im Bereich B von Figur 6 ist die Signalform dargestellt,
die sich an der Entladungslampe 4 durch die Diode 3 ergibt. Es stellt sich damit eine
Verdoppelung der Amplitude der Spannung an den Elektroden der Entladungslampe 4 ein.
Die Diode 3 kann somit als Pumpschaltung nullter Ordnung, wie dies bereits erwähnt
wurde, betrachtet werden.
[0025] In Figur 7 ist der Verlauf der Wechselspannung nach dem Zünden der Entladungslampe,
d. h. während der Brennphase, dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Amplitude
der Wechselspannung gegenüber der von Figur 6 reduziert ist. Ursache hierfür ist,
dass die Entladungslampe 4 nach dem Zünden einen deutlich geringeren Widerstand hat,
so dass die Spannung an ihr in der Brennphase reduziert ist. Weiterhin ist der Figur
7 zu entnehmen, dass die Pumpschaltung, d. h. die Diode 3, während der Brennphase
keine Wirkung hat, da der Signalverlauf im Bereich A, d. h. bei abgeschalteter Diode
3, identisch ist mit dem Signalverlauf im Bereich B, d. h. bei zugeschalteter Diode
3. Ursache hierfür ist die Zener-Diode 5, durch die die Pumpschaltung nach dem Durchbruch
der Lampe im Dauerbetrieb abgeschaltet wird.
[0026] In Figur 8 ist eine Variante der Ausführungsform von Figur 4 dargestellt. Anstelle
der Pumpschaltung nullter Ordnung in Figur 4 handelt es sich bei der Schaltung von
Figur 8 um eine Pumpschaltung zweiter Ordnung. Dies bedeutet, dass zwischen die Diode
3 und die Zener-Diode 5 eine Kaskadenschaltung aus Dioden und Kondensatoren geschaltet
ist. Im konkreten Fall sind die Dioden D1 bis D5 in Serie zwischen die Diode 3 und
die Zener-Diode 5 geschaltet. Parallel zu den Dioden 3 und D1 befindet sich ein Kondensator
C1, parallel zu den Dioden D1 und D2 ein Kondensator C2, parallel zu den Dioden D2
und D3 ein Kondensator C3, parallel zu den Dioden D3 und D4 ein Kondensator C4 und
parallel zur Diode D5 ein Kondensator C5. Die Bauelemente einer Stufe der Kaskade
sind durch die Bereiche I und II in Figur 8 gekennzeichnet.
[0027] Durch die Kaskade nullter Ordnung ergibt sich eine Scheitelspannung Û=U
SS-U
Z. Nach der ersten Stufe der Kaskade, d. h. der Pumpschaltung erster Ordnung ergibt
sich eine Scheitelspannung Û=2x(U
ss-Uz). Schließlich stellt sich nach der zweiten Stufe der Kaskadenschaltung, d. h.
der Pumpschaltung zweiter Ordnung eine Scheitelspannung Û=3x(U
ss-U
z) ein. Dabei bedeutet U
ss den Spitze-Spitze-Wert der Wechselspannung an der Sekundärseite des Transformators
2 und U
z die Zener-Spannung.
[0028] In Figur 9 ist der Spannungsverlauf an der Gasentladungslampe 4 für die erfindungsgemäßen
Ausführuhgsformen gemäß den Figuren 2 bis 5 dargestellt. Nach dem Anschalten stellt
sich die endgültige Pumpspannung sehr rasch ein. Nach dem Zünden wird der Pumpvorgang
abgeschaltet und die Spannung sinkt auf die Brennspannung, wie dies bereits im Zusammenhang
mit den Figuren 6 und 7 erläutert wurde.
[0029] Bei einer Pumpschaltung zweiter Ordnung, die in Figur 8 dargestellt ist, ergibt sich
der in Figur 10 wiedergegebene Spannungsverlauf. In diesem Fall wird die Wechselspannung
mit einer Gleichspannung überlagert, deren Wert verglichen mit der Pumpschaltung nullter
Ordnung etwa doppelt so hoch ist. Etwa nach 4 ms ist der endgültige Pumpwert erreicht.
Nach dem Zünden wird ebenfalls der Pumpvorgang beendet und es stellt sich an der Lampe
die Brennspannung wie in Figur 9 ein.
[0030] In Figur 11 ist schließlich der zeitliche Spannungsverlauf bei einer Kaskadenschaltung
dritter Ordnung wiedergegeben. Die erreichbare Pumpspannung ist zwar im Idealfall
entsprechend höher, aber die Zeitkonstante mit der diese endgültige Pumpspannung erreicht
wird, ist ebenfalls deutlich höher als bei der Pumpspannung zweiter Ordnung gemäß
Figur 10. Auch nach 10 ms ist in diesem Fall der endgültige Pumpwert nicht erreicht.
Für sehr hohe Zündspannungen stößt diese Pumptechnik damit an ihre natürliche Grenze.
[0031] Ein Vorteil der beschriebenen Zündschaltung liegt darin, dass im Allgemeinen eine
wesentlich geringere Durchbruchspannung als bei Impulszündgeräten erforderlich ist,
da die Spannungszeitfläche hier größer ist.
1. Schaltungsvorrichtung zum Betrieb einer Entladungslampe (4) mit
einer Wechselspannungsgenerator- oder -aufnahmeeinrichtung (1) zum Bereitstellen einer
Wechselspannung und
einer Zündspannungserzeugungseinrichtung, die an die Wechselspannungsgeneratoroder
-aufnahmeeinrichtung (1) angeschlossen und an deren Ausgang die Entladungslampe (4)
anschließbar ist, zur Erzeugung einer Zündspannung aus der Wechselspannung,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zündspannungserzeugungseinrichtung mindestens eine Diode (3) umfasst, die parallel
zum Ausgang der Zündspannungserzeugungseinrichtung geschaltet ist.
2. Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Zündspannungserzeugungseinrichtung
eine Kaskadenschaltung (D1 bis D5, C1 bis C5) erster oder höherer Ordnung in Serie
zu der Diode (3) als Spannungspumpschaltung umfasst.
3. Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Kaskadenschaltung (D1 bis D5, C1
bis C5) pro Ordnung zwei Kondensatoren und zwei Dioden aufweist.
4. Schaltungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die eine Spule (7), welche
zwischen den Ausgang der Zündspannungserzeugungseinrichtung und die Diode (3) geschaltet
ist, zur Strombegrenzung aufweist.
5. Schaltungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die seriell zu der Diode (3)
eine Abschalteinheit (5) zum Abschalten der Zündspannung für den Brennbetrieb der
Entladungslampe (4) aufweist.
6. Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Abschalteinheit (5) eine Zener-Diode
oder eine TVS-Diode aufweist.
7. Schaltvorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Zenerspannung der Zener-Diode größer
oder gleich der maximalen Brennspannung der Entladungslampe (4) ist.
8. Schaltungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Zündspannungserzeugungseinrichtung
einen Piezotransformator (2) aufweist.
9. Schaltungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Zündspannungserzeugungseinrichtung
einen magnetischen Transformator, an den sekundärseitig ein Koppelkondensator (6)
angeschlossen ist, aufweist.
10. Verfahren zum Betreiben einer Entladungslampe (4) durch
Bereitstellen einer Wechselspannung und
Erzeugen einer Zündspannung aus der Wechselspannung,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zündspannung mittels einer Diode (3) erzeugt wird, die parallel zu der Entladungslampe
(4) angeordnet ist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Zündspannung durch eine Kaskadenschaltung (D1
bis D5, C1 bis C5) erster oder höherer Ordnung in Serie zu der Diode (3) als Spannungspumpschaltung
erzeugt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Strom durch die Entladungslampe (4)
durch eine Drosselspule (7) begrenzt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei das Pumpen der Zündspannung nach
dem Zündvorgang automatisch anhand einer Bauelementekennlinie abgeschaltet wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Wechselspannung durch einen
Piezotransformator (2) erzeugt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Wechselspannung durch einen
magnetischen Transformator mit nachgeschaltetem Koppelkondensator (6) erzeugt wird.