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 -aufnahmeeinrichtung 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.

In der Schrift US 6,166,492 (Nuckols) wird ein Betriebsgerät für Entladungslampen offenbart. Die strombegrenzende Wirkung für den Betrieb der Lampen wird durch Kapazitäten in einer Kaskadenstruktur erreicht. Die Zündung erfolgt mittels einer bekannten Pulszündungsvorrichtung.

In der Schrift US 5,834,907 (Takehara) wird ein Betriebsgerät für Kaltkathodenlampen offenbart. Zur Ankopplung wird ein Piezotransformator verwendet.

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.

Bislang wurden für die Zündung von Entladungslampen entweder Überlagerungszündgeräte oder Resonanzkreise verwendet. Für Entladungslampen mit besonders hoher Zündspannung ergeben sich dabei jedoch folgende Nachteile:

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 Frequenzfenstern betrieben werden können, eine wesentliche Einschränkung. Darüber hinaus sind Überlagerungszündgeräte aufgrund der notwendigen Wickelgüte, Schaltelemente (z. B. Funkenstrecken) und Kondensatoren verhältnismäßig teuer.

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.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Schaltungsvorrichtung und eine Verfahren vorzuschlagen, die einen kostengünstigen Betrieb einer Entladungslampe mit hoher Zündspannung ermöglichen.

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.

Seriell zu der Diode wird 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.

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. Seriell zu der Diode wird eine Abschalteinheit zum Abschalten des Pumpens der Spannung nach dem Zündvorgang eingesetzt.

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.

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 Spannungsüberhöhungen erzielen, was letztlich durch die Güte der verwendeten Bauelemente beziehungsweise deren Eigenverluste und die mit steigender Ordnung wachsende Zeitkonstante begrenzt ist.

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.

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.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Schaltungsvorrichtung umfasst die Zündspannungserzeugungseinrichtung einen Piezotransformator. Mit diesem kann eine hohe Spannungsübersetzung bei geringer Baugröße erzielt werden.

Alternativ kann jedoch auch eine herkömmliche Wechselspannungsquelle, z.B. Halbbrücke, mit Koppelkondensator für die Erzeugung der Speisespannung verwendet werden.

Die erfindungsgemäße Schaltungstopologie ermöglicht damit einen kostengünstigen Betrieb von Entladungslampen mit hoher Zündspannung, wie beispielsweise bei Hochdruckentladungslampen für Automobilscheinwerfer.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:

Figur 1

ein Prinzipschaltbild einer Schaltungsvorrichtung;

Figur 2

ein Prinzipschaltbild einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Figur 3

ein Prinzipschaltbild einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfin- dung;

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 Zün- dung ergibt.

Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Figur 1 zeigt ein Prinzipschaltbild einer Schaltungsvorrichtung. 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.

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.

In den Figuren 2 und 3 sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt. Es sind jeweils die gleichen Schaltelemente beziehungsweise Bauelemente 1 bis 4 verwendet. Erfindungsgemäß 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 Pumpfunktion der Pumpschaltung nullter Ordnung, die lediglich aus der Diode 3 besteht, geschaltet. Pumpschaltungen höherer Ordnung sind im Zusammenhang mit Figur 8 dargestellt.

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 Gasentsentladungslampe 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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-U_Z). 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.

In Figur 9 ist der Spannungsverlauf an der Gasentladungslampe 4 für die erfindungsgemäßen Ausführungsformen 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.

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.

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.

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.