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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung geht aus von einem Zündtransformator zur Zündung
einer Entladungslampe, vorzugsweise Hockdruckgasentladungslampe,
mittels Impulszündung, wobei nach der Zündung
ein hochfrequenter Lampenbetrieb an einem elektronischen Vorschaltgerät
erfolgt.
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Stand der Technik
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Eine
in der Druckschrift
WO2005/011338 wiedergegebene
Schaltungsanordnung für eine Hochdruckentladungslampe weist
ein Betriebsteil mit einer Gleichspannungsquelle und ein Zündteil
mit Impulsquelle und einer quecksilberfreien Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe
auf. Im Zündteil sind die Entladungslampe und eine Sekundärwicklung
eines Zündtransformators in Reihe geschaltet. Die Primärwicklung
des Zündtransformators wird über eine Impulsquelle
angesteuert. Als Material für den Zündtransformatorkern
wird ein besonders verlustarmes Material bevorzugt. Nach der Zündung
der Entladungslampe über Impulsquelle und Zündtransformator
liegt die Sekundärwicklung mit der Entladungslampe im Betriebskreis
in Reihe.
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Da
der Lampenstrom während des Betriebes der Entladungslampe
durch die Sekundärwicklung fließt, weißt
diese Sekundärwicklung während des Lampenbetriebes
eine unerwünschte Induktivität auf. Eine partielle
Kompensation der Induktivität der Sekundärwicklung
kann entsprechend der vorstehend genannten Druckschrift dadurch
erreicht werden, dass mit der Sekundärwicklung ein Kondensator
in Reihe geschaltet wird.
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Bei
einem hochfrequenten Lampenbetrieb verbleibt jedoch auch unter Verwendung
des vorstehend genannten Kondensators die Induktivität
der Sekundärwicklung im Lampenstromkreis, sodass sowohl
Verluste im Zündtransformator als auch in dem den hochfrequenten
Lampenstrom liefernden Wandler auftreten.
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Darstellung der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Zündtransformator
für eine Entladungslampe, bei dem die Verluste während
eines hochfrequenten Lampenbetriebes verringert sind und ein geringer schaltungstechnischer
Aufwand erforderlich ist, sowie einen kompakten Lampensockel vorzusehen.
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Diese
Aufgabe wird durch den Zündtransformator für die
Entladungslampe nach Anspruch 1 und einen Lampensockel nach Anspruch
9 gelöst.
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Besonders
vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen
Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß wird
ein Zündtransformator für eine Entladungslampe
mit einem Transformatorkern vorgesehen, dessen Material, Leistung
und Aufbau in einer solchen Weise gewählt sind, dass die Curie-Temperatur
des Materials nach der für mittels des Zündtransformators
bewirkten Zündung durch einen Spannungsabfall über
einer Sekundärwicklung des Zündtransformators
erreichbar ist. Die Aufheizung auf die Zündtemperatur erfolgt
mit der an der Se kundärwicklung anliegenden Energie, wobei
nach Erreichen der Curie-Temperatur die Sekundärwicklung
des Zündtransformators praktisch unwirksam ist und nur
eine geringe Leistung und Absorption aus dem Lampenkreis notwendig
ist, um den Transformatorkern auf der Curie-Temperatur zu halten.
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Es
wird bevorzugt, dass das Material des Transformatorkerns eine Curie-Temperatur
im Bereich von 60°C bis 400°C, insbesondere zwischen 100°C
und 220°C aufweist, wodurch eine zu starke Erwärmung
des Transformatorkerns, die möglicherweise auf Materialien
in der Umgebung des Transformatorkern negative Auswirkungen haben
könnte, vermieden wird.
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Es
wird die Curie-Temperatur im Bereich zwischen 100°C und
220°C bevorzugt, da mit zunehmender Curie-Temperatur die
Effizienz durch Wärmeverluste sinkt, andererseits die Curie-Temperatur in
jedem Fall über der Umgebungstemperatur liegen muss, um
eine einwandfrei Funktion gewährleisten zu können.
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Ferner
ist der Transformatorkern bevorzugt so gestaltet, dass die magnetische
Länge und der magnetische wirksame Querschnitt von dem
Transformatorkern in einer solchen Weise minimiert sind, dass eine
für die Zündung ausreichende magnetische Kopplung
zwischen Primär- und Sekundärwicklung im kalten
Zustand des Zündtransformators vorliegt. Somit kann eine
schnelle Zündung erfolgen und gleichzeitig während
des Lampenbetriebes die Sekundärwicklung praktisch unwirksam
sein.
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In
einer besonderen Ausgestaltung hat der Transformatorkern Ringform,
da bei einem hochfrequenten Lampenstrom weniger elektromagnetische Störungen
verursacht werden, als bei einer offenen Geometrie wie etwas einem
Stabkern.
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Ferner
wird bevorzugt, wenn der Zündtransformator thermisch isoliert
ausgebildet ist, um den Transformatorkern bei geringerer zuzuführender Leistung
und damit höherer Effizienz der gesamten Anordnung auf
Curie-Temperatur zu halten und die Sekundärwicklung praktisch
unwirksam zu machen.
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Der
Transformatorkern wird bevorzugt zur thermischen und elektrischen
Isolation vergossen, wodurch sich dieser ökonomisch günstig
herstellen lässt.
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Alternativ
dazu kann der Transformatorkern in einem abgeschlossenen Gehäuse
vorgesehen sein, wodurch sich die Konvektion von Luft und die damit
einhergehende verstärkte Kühlung unterbinden lassen.
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Der
Zündtransformator ist insbesondere für eine Hochdruckentladungslampe
vorgesehen. Dabei lässt sich insbesondere bei Automobilscheinwerfern eine
kompakte Bauform bei guter Lichtausbeute erzielen.
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Ferner
wird ein Lampensockel für eine Entladungslampe mit einem
Zündtransformator mit den vorstehend beschriebenen Eigenschaften
vorgesehen, wobei sich aufgrund des geringen Volumens des Transformatorkerns
eine kompakte Bauform der Lampenanordnung umsetzen lässt.
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In
einer Weiterbildung ist das Entladungsgefäß der
Lampe in das Loch des Zündtransformators im Lampensockel
zumindest abschnittsweise hineinragend vorgesehen. Auf diese Weise
lässt sich die große Axialabmessung der Entladungs lampen
zum Vorsehen des Transformatorkerns in der Umgebung des Entladungsgefäßes
der Entladungslampe nutzen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
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1 Eine
Schaltungsanordnung für eine Entladungslampe mit einem
Zündtransformator entsprechend der vorliegenden Erfindung,
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2 Eine
schematische Ansicht eines Lampensockels mit Zündtransformator,
Impulsquelle und Entladungslampe entsprechend der vorliegenden Erfindung,
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3 Eine
Perspektivansicht eines Transformatorkerns mit Spalt für
einen Zündtransformator entsprechend der vorliegenden Erfindung,
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4 Eine
graphische Darstellung der Abhängigkeit der Anfangspermeabilität
von der Temperatur bei einem Material für den Transformatorkern entsprechend
der vorliegenden Erfindung,
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5 Den
Aufbau der Impulsquelle zur Ansteuerung eines Zündtransformators
entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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6 Den
Aufbau einer Impulsquelle für einen Zündtransformator
entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
und
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7 Eine
graphische Darstellung der Spannung an der Sekundärwicklung
und am Kondensator entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel.
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8 Eine
Schaltungsanordnung für eine Entladungslampe unter Verwendung
einer symmetrischen Zündung entsprechend dem dritten Ausführungsbeispiel.
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9 zeigt
eine Abwandlung eines Transformatorkerns mit beispielhaften Maßen.
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Bevorzugte Ausführung
der Erfindung
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Eine
Schaltungsanordnung 1 mit Zündtransformator 2 entsprechend
der vorliegenden Erfindung ist in 1 gezeigt.
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Eine
Primärwicklung 4 des Zündtransformators 2 wird
durch eine Impulsquelle 6 und eine Zündspannung
U2 gespeist. Die Sekundärwicklung 8 des Zündtransformators 2 ist
mit der Entladungslampe 10 in Reihe geschaltet und wird
durch eine Betriebsspannung UQ gespeist.
Als Entladungslampe gelangt bevorzugt eine Hochdruckgasentladungslampe,
beispielsweise eine quecksilberhaltige Halogen-Metalldampflampe
vom Typ „OSRAM HQI" zum Einsatz.
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In 2 ist
eine Entladungslampe 10 in einem Lampensockel 12 dargestellt.
Der Lampensockel 12 weist die Impulsquelle 6 auf,
durch die die Primärwicklung 4 des Zündtransformators 2 gespeist wird.
Der Zündtransformator 2 ist, wie in 2 gezeigt,
bevorzugt ringförmig ausgebildet und hat einen Transformatorkern 14,
der wie in 3 gezeigt einen Luftspalt 15 hat.
Auf dem Transfor matorkern 14 ist die Sekundärwicklung 8 aufgebracht,
die von der Primärwicklung 4 umgeben ist.
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Wie
bereits in 1 gezeigt ist ein Anschluss 16 der
Entladungslampe 10 mit einem Ende der Sekundärwicklung 8 verbunden,
während ein anderer Anschluss 18 der Entladungslampe 10 über den
Lampensockel mit der Betriebsspannung UQ versorgt
wird. Wie bereits in 1 gezeigt, wird die Impulsquelle 6 mit
der Zündspannung U2 gespeist. Der Lampensockel 12 ist
bevorzugt mit einer Vergussmasse, wie z. B. Silikon, gefüllt,
damit eine hohe Spannungsisolation um den Zündtransformator
vorliegt und gleichzeitig eine thermische Isolation des Transformatorkerns 14 vorgesehen
wird. Es ist ein Verguss mit einer Schaumstruktur oder einer Hohlkörperfüllung
denkbar. Alternativ dazu kann der Kern in einem abgeschlossenem
Gehäuse vorgesehen sein, durch das eine Konvektion der
Luft verhindert und somit eine Kühlung unterbunden wird.
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Die
Anschlüsse für die Zündspannung U2 und
die Betriebsspannung UQ sind als elektrische
Anschlüsse zum Betriebsgerät aus dem Lampensockel herausgeführt.
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Das
Entladungsgefäß
20 der Entladungslampe
10 taucht
in ein mittleres Loch im Zündtransformator
2 ein,
wodurch, wie bereits in der Offenlegungsschrift
DE 19610385 dargelegt, eine
kleinvolumige Gasentladungslampe mit kurzen Spannungszuführungen
in integrierter Bauweise umgesetzt werden kann. Neben der vorteilhaften
kompakten Bauweise können Verluste bei der Zündspannung
aufgrund dieser kompakten Bauweise gering gehalten werden.
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In 3 ist
die beispielhafte Perspektivansicht des Transformatorkerns 14 mit
einem Luftspalt 15 dargestellt.
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Als
Kernmaterial kommt ein Ferrit zur Anwendung. In diesem Beispiel
wird als Material N30 vom Hersteller Epcos mit einem Außendurchmesser von
25 mm, einem Innendurchmesser von 15 mm, einer Höhe von
3,8 mm und einem Luftspalt von 3,5 mm verwendet. Das Material für
den Transformatorkern wird in einer solchen Weise gewählt,
dass die Curie-Temperatur direkt nach der Zündung dadurch erreicht
wird, dass ein Anteil der vom Wandler zur Verfügung gestellten
Energie zur Aufheizung des Transformatorkerns genutzt wurde. Wenn
der Transformatorkern zumindest teilweise die Curie-Temperatur erreicht
hat, ist die Sekundärwicklung des Transformators im Wesentlichen
unwirksam, wobei jedoch eine geringe Leistungsabsorption aus dem
Lampenkreis benötigt wird, um den Transformatorkern oder Teile
des Transformatorkerns auf der Curie-Temperatur zu halten.
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Beim
Stand der Technik wurde eine hohe Curie-Temperatur angestrebt, damit
das magnetische Bauelement bei einer hohen Leistung betrieben werden
kann. Im Gegensatz dazu wird bei der vorliegenden Erfindung eine
Curie-Temperatur vorzugsweise im Bereich zwischen 60°C
und 400°C des Materials angestrebt, da dieser aus Sicht
des Stands der Technik aufgrund schlechten Ferriteigenschaften der
gewünschte Effekt bei der Sekundärwicklung bereits
zu einem frühen Zeitpunkt eintritt.
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Während
beim Stand der Technik im Hinblick auf angestrebte geringe Verluste
ein großer Querschnitt des Transformatorkerns von Vorteil
war, wird bei der vorliegenden Erfindung ein besonders geringer
Kernquerschnitt angestrebt. Darüber hinaus sollte auch
die magnetische Länge gering gehalten werden. Dadurch kann
die zur Aufheizung des Transformatorkerns erforderliche Energie
gering gehalten werden. Zusammenfassend kann somit gesagt werden,
dass ein geringes Kernvolumen für die vorliegende Erfindung
von Vorteil ist. Der Transformatorkern ist jedoch so groß zu
wählen, dass der Transformator seine Funktionen wahrnehmen
kann, d. h. im kalten Zustand eine ausreichende magnetische Kopplung
zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung
ermöglicht.
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Als
Kernform ist besonders die in 3 gezeigt
Ringform geeignet, da bei einer derartigen Temperatur und hochfrequenten
Lampenströmen weniger elektromagnetische Störungen
als bei einem Stabkern verursacht werden, wobei dieses insbesondere
bei Temperaturen nahe oder bei der Curie-Temperatur auftritt.
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Aus 4 geht
hervor, dass die Permeabilität ab einer Temperatur von
ungefähr 143°C, der Curie-Temperatur, bei dem
verwendeten Kernmaterial N30 ungefähr den Wert 1 erreicht.
Wenn nun während des Betriebes nach der Zündung
die Temperatur des Transformatorkerns nahe 143°C oder etwas oberhalb
dieser Temperatur gehalten wird, so verliert der Transformatorkern
seine ferrimagnetischen Eigenschaften und zeigt nur noch paramagnetische
Eigenschaften, wodurch die Sekundärwicklung faktisch unwirksam
wird.
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Bei
dem nachfolgend beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsbeispiel
gelangt ein Transformatorkern aus dem Material N30 gemäß Vorbeschreibung
zum Einsatz.
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5 zeigt
eine Impulsquelle 26 entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel,
die statt der Impulsquelle 6 aus 1 verwendet
wird.
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Die
Sekundärwicklung 8 weist 30 Windungen aus teflonisoliertem
Draht auf und hat eine Impedanz von 39 μH bei 20°C.
Die Primärwicklung weist zwei Windungen auf. Die mittleren
Windungen sowohl der Primärwicklung 4 als auch
der Sekundärwicklung 8 sind auf dem Transformatorkern 14 gegenüber
dem Luftspalt angeordnet. Der Transformatorkern ist durch Vakuumverguss
mittels Silikon wärme- und hochspannungsisoliert. Die Primärwicklung 4 ist über
einen Widerstand 28 vom 100 kΩ und einer Funkenstrecke 30 mit
einer Schaltspannung von 2 kV in Reihe geschaltet. Eine Kondensator 32 von
27 nF ist über den Widerstand 28 zur Zündspannung
U2 parallel geschaltet. Die Zündspannung U2 beträgt 2,5
kV.
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Nachfolgend
wird der Betrieb eines Zündtransformators mit der Impulsquelle 26 aus 5 beschrieben.
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Solange
eine Zündspannung U2 anliegt, werden durch den Zündtransformator 2 an
der Sekundärwicklung 8 Impulse mit Spitzenspannung
von 21 kV erzeugt. Dieses führt zum Zünden der
in 5 nicht dargestellten Entladungslampe 10.
Als Entladungslampe kommt eine quecksilberhaltige Halogen-Metalldampflampe
vom Typ „OSRAM HQI" mit einer Nennleistung von 35 W zur
Anwendung.
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Nach
der Zündung der Entladungslampe 10 erfolgt ein
Abschalten der Zündspannung U2, sodass über den
Zündtransformator 2 keine weiteren Zündimpulse
erzeugt werden. Entsprechend 1 erfolgt
ein Betrieb der Entladungslampe 10 über die Betriebsspannung
UQ mit einer Frequenz von 2 MHz. Die Entladungslampe 10 wird
mit einem Betriebsstrom von 400 mA betrieben, wodurch zunächst
ein ohmsch-induktiver Spannungsabfall über der Sekundärwick lung 8 von
etwa 200 V auftritt. Durch diesen Spannungsabfall erfolgt eine Erwärmung
des Transformatorkerns 14. Die Lampenspannung beträgt
zunächst 20 V.
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Wenn
die Temperatur des Transformatorkerns 14 in die Nähe
der Curie-Temperatur von etwa 143°C gelangt, so verringert
sich entsprechend 4 die Induktivität
drastisch, sodass sich der Spannungsabfall über der Sekundärwicklung
auf etwa 40 V einstellt. Durch eine geeignete thermische Isolierung
und eine entsprechende Auslegung der Schaltung erreicht die Kerntemperatur
einen Wert nahe der Curie-Temperatur im gleichen Zeitbereich wie
das Hochlaufen der Lampe. In der Praxis kann diese Zeitdauer wenige
Sekunden bis einige Minuten betragen. In dieser Zeit erhöht
sich die Lampenspannung von anfangs 20 V auf 85 V. Aufgrund des
verringerten Spannungsabfalls über der Sekundärwicklung 8 ist
nur eine geringe Betriebsspannung UQ notwendig.
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Eine
Regelung der Lampenleistung erfolgt nun durch eine Erhöhung
der Frequenz, beispielsweise von 2,5 MHz auf 3,5 MHz. Diese Regelung
der Lampenleistung und die Stabilisierung der Entladung erfolgt über
die verbleibende Restinduktivität der Sekundärwicklung 8.
Diese Restinduktivität hängt von der Induktivität
der von der Sekundärwicklung 8 gebildeten Luftspule,
sowie den Temperaturverhältnissen während des
stationären Betriebes ab. Diese Restinduktivität
wird bevorzugt so eingestellt, dass die sich ergebende Impedanz
im Bereich von 1/5 bis zum fünffachen der Impedanz der
Entladungslampe liegt. Beim ersten Ausführungsbeispiel
hat die Restinduktivität 8 μH betragen. Unter
der Impedanz der Entladungslampe soll hier der Quotient der beiden
der beiden Effektivwerte von Lampenspannung und -strom bei Nennleistung
verstanden werden.
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In 6 ist
eine Impulsquelle 46 entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel
dargestellt. Diese Impulsquelle 26 des ersten Ausführungsbeispiels
weist eine Funkenstrecke 50 und einen Kondensator 52 auf.
Ein dem Widerstand 28 beim ersten Ausführungsbeispiel vergleichbarer
Widerstand ist beim zweiten Ausführungsbeispiel nicht vorgesehen. Der
Kondensator 52 hat eine Kapazität von 70 nF und
die Funkenstrecke eine Schaltspannung von 800 V.
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In 7 ist
in der oberen graphischen Darstellung die durch die Sekundärwicklung 8 erzeugte Spannung
dargestellt, während in der unteren Darstellung die Spannung
am Kondensator 52 erkennbar ist.
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Der
sich an die Zündung der Lampe anschließende Betrieb
erfolgt wie der bei der Schaltungsanordnung entsprechend dem ersten
Ausführungsbeispiel. Durch die Schaltungsanordnung entsprechend
dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel lassen sich
für einen Lampenbetrieb nach der Zündung eine
geringe Induktivität der Sekundärwicklung und
auch geringere Verluste während des Betriebes der Entladungslampe
erzielen.
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Die
Entladungslampen kommen bevorzugt für die Videoprojektion,
im Kraftfahrzeugscheinwerfer und für die Allgemeinbeleuchtung
zum Einsatz. Im Vergleich zu dem in der
WO2005/011338 gezeigten Stand
der Technik, ist bei einer Schaltungsanordnung für den
Betrieb einer Entladungslampe entsprechend der vorliegenden Erfindung
kein zusätzliches Bauelement, wie z. B. der Kondensator
zur partiellen Kom pensation aus dieser genannten Druckschrift notwendig.
Im Ergebnis lässt sich mit der vorliegenden Erfindung ein
guter Gesamtwirkungsgrad bei der Schaltungsanordnung erzielen.
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In
den bisher dargestellten Ausführungsformen wurde immer
eine unsymmetrische Zündanordnung betrachtet, bei der der
Zündtransformator nur eine Sekundärwicklung besitzt.
Die 8 zeigt eine Schaltungsanordnung 54 gemäß dem
dritten Ausführungsbeispiel wobei durch die beiden Sekundärwicklungen 8a und 8b eine
symmetrische Zündung realisiert wird. Als Kernmaterial
wird ein Ferrit mit einer Curie-Temperatur von nur ungefähr
109°C und einer maximalen Anfangspermeabilität
von nur 2500 verwendet, im Gegensatz zu ungefähr 143°C
und 5400 gemäß 4 bei den
beiden bisherigen Ausführungsbeispielen. Ferner sind in 8 eine
Impulsquelle 56 und ein Betriebsgerät 58,
das die Spannungen U2 und UQ zur Verfügung stellt, gezeigt.
Die Anschlüsse für die Stromzuführung
(z. B. 12 V Gleichstrom oder 230 V Wechselstrom sind mit 60 bezeichnet.
Die Schaltungsanordnung 54 befindet sich im Lampensockel
Die geometrischen Abmessungen des Kerns, welcher keinen Spalt aufweist,
zeigt 9. Die beiden Sekundärwicklungen 8a und 8b sind
dabei auf den beiden 30 mm langen Kernseiten gewickelt. In einem
weiteren Arbeitsschritt wurde die Primärwicklung jeweils
zur Hälfte über die Sekundärwicklungen 8a und
ab auf den beiden langen Kernseiten gewickelt.
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Der
Transformator ist zusammen mit der Impulsquelle und dem Betriebsgerät
im Lampensockel vergossen. Dabei wurden Teile des Betriebsgeräts welche
im Betrieb besonders heiß werden, wie beispielsweise Leistungshalbleiter,
in unmittelbarer Nähe zum Zündtransformator angeordnet,
um deren Abwärme zur Erwärmung des Transformatorkerns nutzen
zu können. Während des Betriebs muss daher besonders
wenig Energie dem Lampenstromkreis entzogen werden, um den Transformatorkern nahe
der Curie-Temperatur zu halten.
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Es
wird ein Zündtransformator für eine Entladungslampe
mit einem Transformatorkern vorgesehen. Das Material und die Abmessung
des Transformatorkerns sind in einer solchen Weise gewählt, dass
die Curie-Temperatur des Materials nach der mittels des Zündtransformators
bewirkten Zündung durch einen Spannungsabfall über
einer Sekundärwicklung des Zündtransformators
erreichbar ist. Auf diese Weise verbleibt für die Sekundärwicklung
nur eine Restinduktivität. Es wird ferner ein Lampensockel
für eine Entladungslampe mit einem derartigen Zündtransformator
vorgesehen, wobei bevorzugt das Entladungsgefäß der
Lampe in das Mittelloch des Zündtransformators im Lampensockel
zumindest abschnittsweise hineinragt, woraus sich ein kompakter Lampensockel
mit Entladungslampe ergibt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2005/011338 [0002, 0052]
- - DE 19610385 A [0034]