Vorschaltgerät für mindestens eine Lampe

Abstract

 Die vorliegende Erfindung betrifft ein Vorschaltgerät für mindestens eine Lampe (La) mit mindestens zwei Schaltern (S₁, S₂), wobei jeweils zwei Schalter seriell angeordnet sind; einer Ansteuerschaltung zum abwechselnden Öffnen und Schließen von mindestens zwei seriell angeordneten Schaltern; einem Anschluss zum Anlegen einer Versorgungsspannung (U₀) an jeweils zwei seriell angeordnete Schalter (S₁, S₂); einem Resonanzzündkreis, wobei der Resonanzzündkreis eingangsseitig an den Verbindungspunkt zweier seriell angeordneter Schalter (S₁, S₂) und ausgangsseitig an einen ersten Anschluss (10) für die Lampe (La) gekoppelt ist, wobei der Resonanzzündkreis eine Resonanzinduktivität (L₁) aufweist, die seriell zum Verbindungspunkt zwischen den beiden Schaltern (S₁, S₂) und dem ersten Anschluss (10) für die Lampe (La) angeordnet ist, und eine Resonanzkapazität (C₁), die wechselstrommäßig parallel zum ersten und zweiten Anschluss (10, 12) für die Lampe (La) angeordnet ist, wobei eine erste Bremsinduktivität (L_BI) vorgesehen ist, die wechselstrommäßig erstens seriell zum ersten (10) der beiden Anschlüsse (10, 12) für die Lampe (La) und zweitens parallel zur Resonanzkapazität (C₁) angeordnet ist.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Vorschaltgerät für mindestens eine Lampe, insbesondere ein Vorschaltgerät nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

[0002] Die der Erfindung zugrunde liegende Problematik wird der besseren Verständlichkeit halber am Beispiel einer Hochdruckentladungslampe dargestellt, wie sie beispielsweise in der WO 02/30162 A2, der WO 03/024161 A1 oder der US 2002/0041165 A1 beschrieben sind. Selbstverständlich kann die Erfindung auch bei anderen Lampentypen, insbesondere anderen Schaltungstopologien mit Resonanzzündung eingesetzt werden. Zum Betrieb einer Hochdruckentladungslampe wird eine sinusförmige Betriebswechselspannung benötigt, deren Betriebsfrequenz je nach Geometrie des Lampenbrenners im Bereich zwischen 45 kHz bis 55 kHz meist im 100 Hz-Takt sägezahnförmig gewobbelt bzw. gesweept wird. Der Sweepbetrieb verhindert im Allgemeinen die Anregung akustischer Resonanzen und trägt damit zur Stabilisierung des Plasmabogens bei. Die Ausgangsstufe eines elektronischen Vorschaltgeräts für den oben genannten Betriebsfrequenzbereich wird meist mit einem LC-Resonanzkreis realisiert. Zur Verringerung der Bauteilemenge und damit zur platz-und kostensparenden Realisierung des Vorschaltgeräts kann der LC-Ausgangskreis zusätzlich neben seinem Impedanz- und Filterverhalten so ausgelegt werden, dass per resonanter Anregung die Erzeugung der Lampenzündspannung, die typischerweise je nach Lampe bei 3,5 kV bis 5 kV liegt, ermöglicht wird. Die Möglichkeit zur resonanten Erzeugung der Zündspannung stellt eine besondere Randbedingung bezüglich der Auslegung und Dimensionierung des LC-Kreises dar, da hierbei sowohl die verwendete Induktivität als auch die verwendete Kapazität eine hinreichend hohe Energietragfähigkeit aufweisen muss, damit die notwendige Zündspannungshöhe erreicht werden kann. Bei der Induktivität ist daher meist ein Luftspalt vorzusehen.

[0003] Hochdruckentladungslampen haben nun die Eigenschaft, dass sich unmittelbar nach dem Zünddurchbruch nicht der nominale Betriebsmodus mit nominaler Lampenimpedanz einstellt, sondern die noch kalte Lampe mit einem Gasverstärkungsdurchbruch reagiert und unmittelbar nach dem Zünddurchbruch für kurze Zeit, typischerweise 0,5 µs bis 100 µs, oft vollständig leitend wird, d. h. die Brennspannung weniger als 5 V betragen kann. Bezüglich des auf Zündspannung aufgeladenen Resonanzausgangskreises stellt dies einen schlagartigen Kurzschluss dar, über den die auf Zündspannung aufgeladenen effektiven Kapazitäten (inklusive Lampenleitung) dementsprechend schnell und abrupt entladen werden. Diese kurzzeitigen Kurzschlussströme können hierbei je nach Größe der wirksamen Kapazität und der restlichen Leitungsinduktivitäten bis auf mehrere 100 A ansteigen.

[0004] Dieses unstete Anlaufverhalten einer Hochdrucklampe nach dem Zünddurchbruch stellt für die beteiligten Bauteile, insbesondere für die Kondensatoren im Resonanzkreis als auch, infolge von Streuströmen, für die der übrigen Elektronik des Vorschaltgeräts, eine Stresssituation dar, die oft zu Ausfällen und damit zur Zerstörung des Vorschaltgeräts führen kann.

Stand der Technik

[0005] Aus dem Stand der Technik ist keine Maßnahme bekannt, diese Stresssituation zu verhindern.

Darstellung der Erfindung

[0006] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein gattungsgemäßes Vorschaltgerät derart weiterzubilden, dass es einen verbesserten, insbesondere sichereren Lampenanlauf ermöglicht. Hierbei soll insbesondere der Stress, dem die Bauteile ausgesetzt sind, reduziert und damit eine höhere Lebensdauer eines derartigen Vorschaltgeräts erzielt werden.

[0007] Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Vorschaltgerät mit den Merkmalen von Patentanspruch 1.

[0008] Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Strom unmittelbar nach dem Zünddurchbruch unter einer vorgebbaren, noch akzeptablen Schwelle gehalten werden kann, wenn seriell zur Lampe eine Bremsinduktivität angeordnet wird.

[0009] Unter wechselstrommäßig ist im Sinne der vorliegenden Anmeldung die Schaltungsstruktur zu verstehen, die sich im Wechselstromersatzschaltbild ergibt. Beispielsweise ist wechselstrommäßig die Resonanzkapazität parallel zum ersten und zweiten Anschluss für die Lampe angeordnet, wenn sie direkt auf Masse geschaltet wird oder indirekt, beispielsweise über eine Stromversorgung, mit der Masse gekoppelt ist oder Kombinationen aus diesen beiden Varianten.

[0010] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Resonanzinduktivität und die erste Bremsinduktivität auf einem gemeinsamen Kern gewickelt sind. Diesem Konzept liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine separate Bremsinduktivität, die nicht auf dem Kern der Resonanzinduktivität gewickelt ist, ebenfalls groß ausgelegt werden muss, damit sie dieselbe Energie tragen kann wie die Resonanzinduktivität. Insbesondere müsste sie damit ebenfalls einen Kern mit Luftspalt aufweisen. Durch die Maßnahme dieser bevorzugten Ausführungsform lässt sich somit ein Kern einsparen. Dies resultiert in einer Reduktion der Kosten sowie der Baugröße.

[0011] Bevorzugt ist hierbei, dass der Wicklungssinn der Resonanzinduktivität und dieser Bremsinduktivität auf dem Kern gleichsinnig ist.

[0012] Die Verwendung nur einer Bremsinduktivität, die auf demselben Kern gleichsinnig wie die Resonanzinduktivität gewickelt ist, führt jedoch dazu, dass von der Resonanzinduktivität, die ja gleichzeitig die Filterinduktivität im Nominalbetrieb darstellt, Anteile des rechteckförmigen Spannungssignals im Verbindungspunkt der beiden Schalter zur ersten Bremsinduktivität übertragen werden und dadurch Oberwellen im Spektrum des die Lampe ansteuernden Stroms enthalten sind. Damit liegt an der Lampe ein Signal an, das Rechteckanteile aufweist und bei empfindlichen Lampen zu den dem Fachmann bekannten Nachteilen führt, beispielsweise schlechte Leuchtwerte, Erhöhung der Gefahr des Erlöschens, etc.

[0013] Diesem Problem kann begegnet werden, indem eine zweite Bremsinduktivität vorgesehen wird, die seriell zu der Resonanzkapazität angeordnet ist. Bevorzugt sind die erste und die zweite Bremsinduktivität gleich groß.

[0014] Werden die Resonanzinduktivität, die erste und die zweite Bremsinduktivität, insbesondere gleichsinnig, auf demselben Kern gewickelt, kompensieren sich im Nominalbetrieb die Wirkungen der beiden Bremsinduktivitäten, und die Resonanzanordnung einschließlich ihrer Filterwirkung ist identisch zur Anordnung mit nur einer einzigen Resonanzdrossel.

[0015] Nach dem Zünddurchbruch hingegen heben sich die Wirkungen der ersten und der zweiten Bremsinduktivität nicht vollständig auf. Durch lose Kopplung entsteht nämlich eine verbleibende Streuinduktivität, die ebenfalls die volle Strom- und Energietragfähigkeit aufweist und die damit nach dem Zünddurchbruch die Höhe des Entladestroms durch die Lampe hinreichend gut begrenzen kann.

[0016] Es ist bevorzugt, dass die durch die Kopplung der ersten und der zweiten Bremsinduktivität ergebende Streuinduktivität mindestens 10 µH, bevorzugt mindestens 40 µH, beträgt.

[0017] Die Werte der Bremsinduktivitäten selbst betragen bevorzugt mindestens 60 µH, noch bevorzugter mindestens 120 µH.

[0018] Ganz allgemein lässt sich festhalten, dass die erste Bremsinduktivität oder die erste und die zweite Bremsinduktivität, je nach dem wie empfindlich die damit zu betreibende Lampe ist, den Strom durch die Lampe nach dem Zünddurchbruch der Lampe auf maximal 50 A, bevorzugt auf maximal 30 A, begrenzen.

[0019] Wie für den Fachmann offensichtlich, ist es für die Realisierung der Erfindung unerheblich, ob ein LC-Resonanzkreis für den Nominalbetrieb der Lampe und ein LC-Resonanzzündkreis separat ausgebildet sind oder durch ein und dieselbe LC-Schaltung realisiert sind.

[0020] Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0021] Im Nachfolgenden werden nunmehr Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1

ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Vorschaltgeräts mit einer Bremsinduktivität;

Figur 2

ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Vorschaltgeräts mit einer Bremsinduktivität;

Figur 3

ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Vorschaltgeräts mit zwei Bremsinduktivitäten; und

Figur 4

ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Vorschaltgeräts mit zwei Bremsinduktivitäten.

Figur 5

ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Vorschaltgeräts mit zwei Bremsinduktivitäten.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

[0022] Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Vorschaltgeräts. Es sind zwei Schalter S₁ und S₂ vorhanden, die wechselseitig geöffnet und geschlossen werden. Entsprechende Ansteuerschaltungen sind dem Fachmann hinlänglich bekannt. Sie werden versorgt von einer Versorgungsspannung U₀, die außerdem mit zwei Koppelkondensatoren C_K1 und C_K2 verbunden ist. Eine Lampe La ist mit einem Resonanzzündkreis verbunden, der eine Resonanzinduktivität L₁ und eine Resonanzkapazität C₁ aufweist. Zur Kontrolle des Entladungsstroms der effektiven Kapazitäten direkt nach dem Zünddurchbruch ist eine Bremsinduktivität L_B1 vorgesehen, die seriell zur Lampe La und zwar zwischen Lampe La und Resonanzinduktivität L₁ angeordnet ist. Für eine optimale Kontrolle des Entladungsstroms muss die Bremsinduktivität L_B1 dieselbe Energietragfähigkeit besitzen wie die zur Erzeugung der Resonanzspannung verwendete Resonanzinduktivität L₁. Wie dargestellt sind die Resonanzinduktivität L₁ und die Bremsinduktivität L_B1 gleichsinnig gekoppelt.

[0023] Während Figur 1 ein erfindungsgemäßes Vorschaltgerät mit einer Halbbrückenanordnung zeigt, ist in Figur 2 ein Ausführungsbeispiel mit einer Vollbrückenanordnung gezeigt, bei der die Koppelkondensatoren C_K1 und C_K2 durch Schalter S₃ und S₄ ersetzt sind.

[0024] Bei dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Vorschaltgeräts ist eine zweite Bremsinduktivität L_B2 vorgesehen, die seriell zur Resonanzkapazität angeordnet ist. Sie ist auf demselben Kern wie die Resonanzinduktivität L₁ und die erste Bremsinduktivität L_B1 gewickelt, insbesondere auch gleichsinnig.

[0025] Bevorzugt ist der Luftspalt unter der zweiten Bremsinduktivität angeordnet, um eine Streuinduktivität ausreichender Größe zu erzeugen.

[0026] Die effektive Bremsinduktivität ist demnach die Streuinduktivität L_Streu resultierend aus der Kopplung der ersten Bremsinduktivität L_B1 mit der zweiten Bremsinduktivität L_B2. L_Streu beträgt mindestens 10 µH, bevorzugt mindestens 40 µH. Der maximale Strom I_max ergibt sich, wenn alle wirksamen Kapazitäten zu einer effektiven Kapazität C zusammengefasst sind und U die Spannung an einer derartigen effektiven Kapazität ist zu

[0027] Die Bremsinduktivität(en) ist/sind derart auszulegen, dass der Strom durch die Lampe nach dem Zünddurchbruch auf maximal 50 A begrenzt ist, bevorzugt auf maximal 30 A.

[0028] Figur 4 zeigt das in Figur 3 dargestellte erfindungsgemäße Vorschaltgerät in Vollbrückenanordnung, wobei die Koppelkondensatoren C_K1 und C_K2 wieder durch Schalter S₃ und S₄ ersetzt sind.

[0029] In den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 1-4 ist die Bremsinduktivität LB1, die in Serie zur Lampe geschaltet ist, immer zwischen die Lampe La und die Resonanzinduktivität L1 geschaltet. D. h. die Bremsinduktivität LB1, die in Serie zur Lampe geschaltet ist, ist mit dem Anschluss der Lampe La verbunden, der mit dem Resonanzzündkreis gekoppelt ist. Dieser Anschluss hat vor der Zündung eine hohe Spannung gegenüber einem Erdpotenzial. Ist die Lampe La über ein längeres Kabel mit dem Vorschaltgerät verbunden, so bildet sich zwischen besagtem Anschluss der Lampe La und dem Erdpotenzial eine parasitäre Kapazität aus, die einen Wert von mehreren hundert Pikopfarad aufweisen kann. In den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 1-4 kann sich während des Gasverstärkungsdurchbruchs der Lampe La die in der parasitären Kapazität gespeicherte Energie ungebremst über einen Schutzleiter- oder Erdanschluss entladen. Diese Entladung kann zur Störung oder Zerstörung des Vorschaltgeräts führen. Insbesondere auch deshalb weil Entladeströme über Masseleitungen fließen und damit Bezugpotenziale des Vorschaltgeräts verschoben werden.

[0030] Abhilfe gegen hohe Entladeströme aus parasitären Kapazitäten schafft ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Vorschaltgeräts gemäß Figur 5. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht im wesentlichen dem Ausführungsbeispiel aus Figur 3. Der Unterschied zu Figur 3 besteht darin, dass nun die Lampe La zwischen die Bremsinduktivität LB1 und der Resonanzinduktivität L1 geschaltet ist. Die Bremsinduktivität LB1 ist somit mit dem mit 12 bezeichneten Lampenanschluss verbunden. Diese alternative Anordnung der Bremsinduktivität LB 1 bewirkt, dass Entladeströme von parasitären Kapazitäten durch die Bremsinduktivität LB1 fließen und somit der Wert auch dieser Entladeströme reduziert ist. Auch Entladeströme von parasitären Kapazitäten können im Ausführungsbeispiel nach Figur 5 das Vorschaltgerät nicht Stören oder Zerstören.

[0031] Die obigen Ausführungen zu Wickelsinn und Kopplungen gelten auch für diese Bremsinduktivität LB 1.

[0032] Im Ausführungsbeispiel nach Figur 5 ist eine alternative Anordnung der Bremsinduktivität LB1 im Vergleich zum Ausführungsbeispiel nach Figur 3 gezeigt. Entsprechend können auch die Ausführungsbeispiele aus den Figuren 1, 2 und 4 mit der alternativen Anordnung der Bremsinduktivität LB1 ausgeführt werden. Dies ist dann vorteilhaft, wenn parasitäre Kapazitäten zum Erdpotenzial große Werte aufweisen. Falls eine symmetrische Beschaltung der Lampe La gewünscht ist, kann die Bremsinduktivität LB 1 auch aufgeteilt und auf beiden Seiten der Lampe La angeordnet sein.

Ansprüche

1. Vorschaltgerät für mindestens eine Lampe (La) mit

- mindestens zwei Schaltern (S₁, S₂), wobei jeweils zwei Schalter seriell angeordnet sind;

- einer Ansteuerschaltung zum abwechselnden Öffnen und Schließen von mindestens zwei seriell angeordneten Schaltern;

- einem Anschluss zum Anlegen einer Versorgungsspannung (U₀) an jeweils zwei seriell angeordnete Schalter (S₁, S₂);

- einem Resonanzzündkreis, wobei der Resonanzzündkreis eingangsseitig an den Verbindungspunkt zweier seriell angeordneter Schalter (S₁, S₂) und ausgangsseitig an einen ersten Anschluss (10) für die Lampe (La) gekoppelt ist, wobei der Resonanzzündkreis eine Resonanzinduktivität (L₁) aufweist, die seriell zum Verbindungspunkt zwischen den beiden Schaltern (S₁, S₂) und dem ersten Anschluss (10) für die Lampe (La) angeordnet ist, und eine Resonanzkapazität (C₁), die wechselstrommäßig parallel zum ersten und zweiten Anschluss (10, 12) für die Lampe (La) angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet,
dass eine erste Bremsinduktivität (L_B1) vorgesehen ist, die wechselstrommäßig erstens seriell zur Lampe (La) und zweitens parallel zur Resonanzkapazität (C₁) angeordnet ist.

2. Vorschaltgerät nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Resonanzinduktivität (L₁) und die erste Bremsinduktivität (L_B1) auf einem gemeinsamen Kern gewickelt sind.

3. Vorschaltgerät nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Kern Teil der Resonanzinduktivität (L₁) ist.

4. Vorschaltgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Wicklungssinn der Resonanzinduktivität (L₁) und der ersten Bremsinduktivität (L_B1) auf dem Kern gleichsinnig ist.

5. Vorschaltgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine zweite Bremsinduktivität (L_B2) vorhanden ist, die seriell zu der Resonanzkapazität (C₁) angeordnet ist.

6. Vorschaltgerät nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste und die zweite Bremsinduktivität (L_B1, L_B2) gleich groß sind.

7. Vorschaltgerät nach einem der Ansprüche 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Resonanzinduktivität (L₁), die erste und die zweite Bremsinduktivität (L_B1, L_B2) auf demselben Kern gewickelt sind.

8. Vorschaltgerät nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Wicklungssinn der Resonanzinduktivität (L₁), der ersten und der zweiten Bremsinduktivität (L_B1, L_B2) gleichsinnig ist.

9. Vorschaltgerät nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kopplung der ersten und der zweiten Bremsinduktivität (L_B1, L_B2) eine Streuinduktivität (L_Streu) ergibt, die mindestens 10 µH, bevorzugt mindestens 40 µH beträgt.

10. Vorschaltgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet,
dass jede Bremsinduktivität (L_B1; L_B2) mindestens 60 µH, bevorzugt mindestens 120 µH aufweist.

11. Vorschaltgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Bremsinduktivität (L_B1) oder die erste und die zweite Bremsinduktivität (L_B1, L_B2) ausgelegt sind, den Strom (I_max) durch die Lampe (La) nach dem Zünddurchbruch der Lampe (La) auf maximal 50 A, bevorzugt auf maximal 30 A zu begrenzen.

12. Vorschaltgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Bremsinduktivität (L_B1) zwischen die Lampe (La) und die Resonanzinduktivität (L₁) geschaltet ist.

13. Vorschaltgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Lampe (La) zwischen die erste Bremsinduktivität (L_B1) und die Resonanzinduktivität (L₁) geschaltet ist.

Zeichnung