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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Gleichspanungswandler einer
Entladungslampe, und insbesondere einen Lichtschaltkreis (Vorschaltgerät), einer
Entladungslampe, der so betrieben werden kann, dass die Strombegrenzung
eines Umschaltelements, das auf der Primärseite eines Transformators im
Schaltkreis der Entladungslampe vorgesehen ist, wobei dieser einen
Rücklauf
DC-DC Wandler (Sperrwandler), hat, gesteuert werden kann.
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Die
Druckschrift
FR 2 698
515 A1 zeigt auch bereits eine Entladungslampe mit einem
Schaltkreis, der in Resonanztechnologie aufgebaut ist. Der Schaltkreis
umfasst einen Transistor mit einer Primärseite, mit einer ersten Spule,
einen Kondensator und einen Schalter, der ein Signal von einer Steuerung
empfängt.
Diese Druckschrift zeigt jedoch keinen Schaltkreis, der am Schaltelement
die Source/Drain Spannung unterdrückt und zwar in Abhängigkeit
mit der gemessenen Ausgangsspannung eines Gleichspannungswandlers.
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Die
Druckschrift
EP 644
709 B1 offenbart ein Vorschaltgerät für eine Entladungslampe, bei
welchem als Spannungswandler ein Trafo mit einem Umschaltelement
eingesetzt wird. Der Strom wird zum Schutz des Umschaltelements
begrenzt. Ferner ist eine Einrichtung vorgesehen, zum Messen der vom
Schaltregler abgegebenen Leistung. Bei steigender Leistung am Ausgang
wird der Strom durch das Umschaltelement begrenzt.
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Es
ist ein Aufbau bekannt, in dem ein Gleichspannungswandler nachfolgend
auch als DC-DC Wandler bezeichnet, ein DC-AC Wandler (Wechselrichter),
und ein Starterschaltkreis im Lichtschaltkreis einer Entladungslampe,
wie einer Metallhalogenlampe, bereitgestellt werden. Beispielsweise
sind auch die PWM Methode (Pulsweitenmodulation) und die PFM Methode
(Pulsfrequenzmodulation) als Steuermethode eines Stromschaltkreises
mit DC-DC Wandler (Gleichspannungswandler) bekannt.
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In
der PWM Methode, kann ein An/Aus Verhältnis oder eine Duty-Ratio
(Einschaltdauer) eines Umschaltelements, einen DC-DC Wandler ausmachend,
variabel gesteuert werden, um die Ausgangsspannung zu verändern. In
der PFM Methode kann ferner eine Frequenz, die mit der An/Aus Steuerung des
Umschaltelements in Bezug steht, variable gesteuert werden um die
Ausgangsspannung zu verändern.
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Für den DC-DC
Wandler wird beispielsweise ein Rücklaufprinzip benützt, in
dem ein Halbleiterschaltelement mit der Primärwicklungsseite eines Umwandlungstransformators
verbunden wird, um die An/Aus Steuerung des selben Elements durchzuführen, und
eine Gleichrichterdiode und ein Glättungskondensator werden auf
der Sekundärseite
des Transformators bereitgestellt.
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In
dem Fall, in dem das Spannungsresonanzprinzip im Schaltkreis des
Rücklaufwandlers (Umwandler)
benutzt wird, wird beispielsweise eine Spule als induktives Element
an die Primärwicklung des
Transformators in Serie geschaltet und ein Kondensator wird als
kapazitives Element parallel an das Umschaltelement angeschlossen.
In einer solchen Schaltung bereitet die Durchbruchspannung des Umschaltelements
Probleme.
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Obwohl
es bei dem Spannungsresonanzprinzip möglich ist einen Vorteil dadurch
zu erlangen, dass der Verlust im Umschaltelement verringert werden
kann, gibt es aufgrund der Durchbruchsspannung des Umschaltelements
einen Nachteil. Wenn beispielsweise ein FET benutzt wird, wird die Drain-Source-Spannung
stärker
erhöht
als in dem Fall in dem ein induktives und ein kapazitives Element
nicht bereitgestellt werden.
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Nimmt
man zum Beispiel einen Lichtschaltkreis einer kleinen Entladungslampe
(mit einer Nennleistung von 35 W), die als Lichtquelle einer Lichteinheit
für ein
Auto benutzt wird, so wird die anzulegende Ausgangsspannung eines
Schaltkreises, bevor die Entladungslampe angeschaltet wird, normalerweise
auf ungefähr
350~400 V gesetzt. Entsprechend ist es nötig ein Umschaltelement mit
einer sehr hohen Durchbruchspannung auszuwählen.
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Für dieses
Problem kann zum Beispiel die Methode des Erhöhens des Wicklungsverhältnisses des
Transformators vorgeschlagen werden. Jedoch produziert dies ein
dem ursprünglichen
Zweck gegenläufiges
Ergebnis, nämlich,
dass der Leistungsverlust in dem Falle reduziert wird, in dem der
elektrische Wirkungsgrad durch eine Erhöhung der Stärke des Stroms (Primärstromstärke), der
durch die Primärwicklung
des Transformators und des Umschaltelements fließt, verschlechtert wird. Wenn
ferner die Primärstromstärke erhöht wird,
wird die Resonanzenergie erhöht,
sodass die Resonanzspannung erhöht wird.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung einen Lichtschaltkreis einer Entladungslampe
bereitzustellen, welcher einen DC-DC Wandler beinhaltet, der einen
Aufbau des Typs Rücklauf
hat, in dem die Durchbruchspannung eines auf der Primärseite eines Transformators
bereitgestellten Umschaltelements reduziert werden kann, und in
dem eine Verschlechterung des elektrische Wirkungsgrades des Schaltkreises
durch diese Reduzierung verhindert werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Wenn
die Ausgangsspannung des DC-DC Wandlers erhöht wird, wird deshalb, gemäß der Erfindung,
der Grad der Strombegrenzung am Umschaltelement erhöht, sodass
die am Element angelegte Spannung unterdrückt werden kann. Aus diesem Grund
ist es ferner nicht nötig,
das Wicklungsverhältnis
des Transformators zu ändern.
Folglich ist es möglich,
eine Verschlechterung des elektrischen Wirkungsgrades zu verhindern.
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1 ist
ein Diagramm, welches ein Beispiel des Grundaufbaus eines Lichtschaltkreises
einer Entladungslampe gemäß der Erfindung
zeigt,
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2 ist
ein Schaltdiagramm, welches ein Beispiel eines Aufbaus eines DC-DC
Wandlers zeigt,
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3 ist
ein Schaltdiagramm, welches ein Beispiel eines zur 2 unterschiedlichen
DC-DC Wandlers zeigt,
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4 ist
ein Diagramm um ein Steuerungsbeispiel bezüglich der Stromstärkenbegrenzung
zu erklären,
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5 ist
ein Diagramm um ein zur 4 unterschiedliches Steuerungsbeispiel
bezüglich
der Stromstärkenbegrenzung
zu erklären,
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6 ist
ein Diagramm, welches ein Beispiel zeigt in dem das Steuerungsbeispiel
aus 4 in einem solchen Maße verändert wird, dass es einen Grenzwert überschreitet,
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7 ist
ein Diagramm, welches ein Beispiel zeigt in dem das Steuerungsbeispiel
aus 5 in einem solchen Maße verändert wird, dass es einen Grenzwert überschreitet,
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8 ist
ein Diagramm, welches den Hauptteil der Steuerstruktur zeigt,
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9 ist
ein Schaltdiagramm, welches ein Beispiel des Aufbaus eines VDS Unterdrückungsschaltkreises
zeigt,
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10 ist
ein Diagramm, welches die Stromstärkenbegrenzung eines Umschaltelements
gemeinsam mit 11 und 12 erklärt, und
welches einen Zustand zeigt, in dem das Steuerungsniveau niedriger
ist als der begrenzte Strom,
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11 ist
ein Diagramm, welches den Zustand zeigt, in dem das Steuerungsniveau
höher ist als
in dem Fall von 10,
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12 ist
ein Diagramm, welches einen Zustand zeigt, in dem der begrenzte
Strom niedriger ist als das Steuerungsniveau,
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13 ist
ein Schaltdiagramm, welches ein Beispiel eines von 9 unterschiedlichen
Aufbaus zeigt und sich auf einen VDS Unterdrückungsschaltkreis bezieht,
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14 ist
ein Wellenformdiagramm, welches den Effekt des VDS Unterdrückungsschaltkreises
in Verbindung mit 15 erklärt, und in welchem dieser Schaltkreis
nicht bereitgestellt wird,
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15 ist
ein Wellenformdiagramm, welches den Fall zeigt in dem der VDS Unterdrückungsschaltkreis
bereitgestellt wird.
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1 zeigt
den Grundaufbau eines Lichtschaltkreises gemäß der Erfindung. Wie in 1 gezeigt,
beinhaltet ein Lichtschaltkreis einer Entladungslampe 1,
eine Gleichstromquelle 2, einen DC-DC Wandler 3,
einen DC-AC Wandler 4, einen Starterschaltkreis 5 und
einen Steuerschaltkreis 7.
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Der
DC-DC Wandler 3 dient dazu eine Eingangsgleichspannung
(auf welche sich mit „VEIN” bezogen
wird) von der Gleichstromquelle 2 zu erhalten und diese
Eingangsgleich spannung in eine gewünschte Gleichspannung umzuwandeln,
und wobei ein Rücklauf
DC-DC Wandler mit Spannungsresonanzprinzip als DC-DC Wandler 3 benutzt
wird.
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Der
DC-AC Wandler 4 ist zum Umwandeln der Ausgangsspannung
des DC-DC Wandlers 3 in eine Wechselspannung und zum Liefern
der selbigen Wechselspannung an eine Entladungslampe 6 durch den
Starterschaltkreis 5 vorgesehen. Der DC-AC Wandler 4 beinhaltet
beispielsweise einen Vollbrückentypschaltkreis,
welcher vier Halbleiterumschaltelemente und einen zugehörigen Treiberkreis
nutzt, und dient dazu zwei Umschaltelementpaare gegenteilig An/Aus
zu steuern, wodurch eine Wechselspannung ausgegeben wird.
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Der
Starterschaltkreis (ein so genannter Starter) 5 wird zum
Generieren eines Hochspannungsimpulssignals zum Starten (ein Impuls
zum Starten) der Entladungslampe 6 bereitgestellt, um die Entladungslampe 6 anzulassen,
und das gleiche Signal wird der Ausgangswechselspannung des DC-AC Wandlers 4 überlagert
und an die Entladungslampe 6 angelegt.
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Der
Steuerschaltkreis 7 dient dem Steuern einer an die Entladungslampe 6 abgegebenen
Leistung und steuert den Output des DC-DC Wandlerstromkreises 3 nach
dem Empfang eines Erfassungssignals für eine an die Entladungslampe 6 angelegte
Spannung und einen zur Entladungslampe 6 fließenden Strom
oder durch eine Spannung und eine Stromstärke, die ihr oder ihm entspricht.
So sendet zum Beispiel der Steuerschaltkreis 7 ein Steuersignal
an den DC-DC Wandlerstromkreis 3 und steuert die Ausgangsspannung
davon um eine, dem Zustand der Entladungslampe entsprechenden Leistung,
zu liefern. Dies geschieht nach Erhalt eines von der Erfassungssektion 8,
welche die Ausgangsspannung oder die Ausgangsstromstärke des
DC-DC Wandlerstromkreises 3 steuert, gesendeten Signals. Der
Steuerschaltkreis 7 dient auch dazu die an die Entladungslampe 6 anzulegende
Spannung auf ein gewisses Niveau anzuheben bevor man die Entladungslampe 6 anschaltet,
wobei die Ausgabe gesteuert wird um die Entladungslampe 6 verläßlich anzuschalten.
Des weiteren, kann eine PWM oder PFM Methode als Umschaltsteuerungsmethode
benutzt werden.
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2 und 3 zeigen
Spannungsresonanzgrundschaltkreise des Typs Rücklauf. Sie unterscheiden sich
dadurch voneinander, dass die Primär- und Sekundärseite des
Trans formators miteinander verbunden sind oder nicht (d. h., sie
sind vom Typ Isolator oder nicht). Es ist lässt sich zum Beispiel der Vorteil
erlangen, dass der elektrische Wirkungsgrad, welcher durch das Verhältnis zwischen
Ausgangsleistung und Eingangsleistung definiert wird, steigt, wenn
eines der Enden der Primärwicklung
mit dem der Sekundärwicklung
verbunden wird, wie in 3 gezeigt wird. Andererseits,
da eine niedrigere Spannung als die Eingangsspannung nicht ausgegeben werden
kann, muss eine Konfiguration bestimmt werden die alle zukünftigen
Anforderungen berücksichtigt.
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In
jeglicher Konfiguration können
auch die folgenden Elemente bereitgestellt werden (Ziffern in Klammern
zeigen Bezeichnungen an).
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- 9
- Transformator,
- 10
- Spule,
- 11
- Umschaltelement,
- 12
- Gleichrichterdiode,
und
- 13
- Glättungskondensator.
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Anschlüsse „Ti+” und „Ti–”, wie in
der Zeichnung gezeigt, bedeuten Eingangsanschlusspole, und die Eingangsgleichspannung „VEIN” wird
dort angelegt und ein Kondensator 14 wird dazwischen bereitgestellt.
Ferner bezeichnen „To+” und „To–” Ausgangsanschlusspole,
und die Ausgangsspannung (auf welche sich mit „VAus” bezogen
wird), die man nach der Spannungsumwandlung erhält, wird an einem darauffolgenden
Stromkreis angelegt (den DC-AC Wandlerkreis).
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Der
schwarze Kreis in den Zeichnungen an jeder Wicklung des Transformators 9 bezeichnet
den Wicklungsanfang.
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in
dem Ausführungsbeispiel 3A eines
in 2 gezeigten Aufbaus (die Primär- und Sekundärwicklungen
des Transformators sind nicht direkt miteinander verbunden), ist
die Spule 10 mit der Endseite der Wicklung der Primärwicklung 9p des
Transformators 9 in Serie geschaltet und das Umschaltelement 11 ist
an die Spule 10 angeschlossen. Ein Signal wird von dem
Steuerschaltkreis 7 (siehe 1) an das
Umschaltelement 11 angelegt. In der Zeichnung wird ein
N-Kanal MOSFET (Feldeffekttransistor) als Umschaltelement 11 benutzt,
und der Drain davon ist via die Spule 10 an der Primärwicklung 9p des
Transformators angeschlossen und die Source des FET ist an dem Eingangsanschlusspol „Ti–” angeschlossen.
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Ein
Kondensator 15 wird zwischen der Source und der Drain des
FET bereitgestellt. Der Kondensator 15 kann als ein separates
Element an den FET angeschlossen werden oder es kann die parasitäre Kapazität des FET
benützt
werden.
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Die
Gleichrichterdiode 12 und der Glättungskondensator 13 werden
auf der Sekundärseite
des Transformators 9 bereitgestellt, und eines der Enden (ein
Wicklungsende) der Sekundärwicklung 9s des Transformators 9 wird
an der Anode der Gleichrichterdiode 12 angeschlossen und
das andere Ende (ein Wicklungsbeginn) der Sekundärwicklung 9s wird
an eine Leitung, die die Anschlusspole „Ti–” und „To–” verbindet, angeschlossen.
Die Kathode der Gleichrichterdiode 12 wird an den Anschlusspol „To+” und an
ein Ende des Glättungskondensators 13 angeschlossen.
Der Glättungskondensator 13 wird
zwischen den Ausgangsanschlusspolen „To+” und „To–” bereitgestellt und die Spannung
an den beiden Enden des Kondensators 13 wird als VAus ausgegeben.
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In
der Zeichnung bezeichnet „Ip” den Strom auf
der Primärseite
des Transformators 9 und „Is” bezeichnet den Strom auf
der Sekundärseite
des Transformators 9, und „Vg” bezeichnet die Gatesignalspannung
die an den FET angelegt werden soll.
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In
dem in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Spule 10 zwischen
der Primärwicklung 9p des
Transformators 9 und dem Umschaltelement 11 bereitgestellt,
ohne, dass dies als einschränkend
anzusehen ist. Es kann auch eine Konfiguration vorgeschlagen werden
in der die Spule 10 zwischen dem Anschlusspol Ti+ und der
Primärwicklung 9p bereitgestellt
wird (siehe den Teil A der durch einen mit gestrichelter Linie gezeichneten
Kreis in der Zeichnung bezeichnet ist) oder zwischen der Sekundärwicklung 9s und
der Gleichrichterdiode 12 bereitgestellt wird (siehe den
Teil B der durch einen mit gestrichelter Linie gezeichneten Kreis
bezeichnet ist) und eine Konfiguration in der die Streuinduktivität des Transformators
benutzt wird.
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In
einem Beispiel 3B des in der 3 gezeigten
Aufbaus haben die meisten Teile den selben Aufbau wie jene in 2 außer, dass
die Primär-
und Sekundärwicklungen
des Tranformators 9 an den entsprechenden Enden miteinander
verbunden sind. Insbeson dere, wird ein Anschluss auf der Seite des Wicklungsendes
der Primärwicklung 9p an
einen Anschluss am Ende (das Ende am Wicklungsbeginn) der Sekundärwicklung 9s angeschlossenen
und wird weiterhin an der Spule 10 angeschlossen, und ist
außerdem
via der Spule 10 am Umschaltelement 11 angeschlossen.
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In
der selben Art und Weise wie im Ausführungsbeispiel von 2,
wird die Spule 10 zwischen der Primärwicklung 9p des Transformators 9 und dem
Umschaltelement 11 bereitgestellt, ohne, dass dies als
einschränkend
anzusehen ist. Es kann auch eine Konfiguration vorgeschlagen werden
bei der die Spule 10 zwischen dem Anschlusspol Ti+ und
der Primärwicklung 9p (siehe
einen Teil A der durch einen mit gestrichelter Linie gezeichneten
Kreis in der Zeichnung bezeichnet ist) bereitgestellt wird oder zwischen
der Sekundärwicklung 9s und
der Gleichrichterdiode 12 (siehe den Teil B der durch einen
mit gestrichelter Linie gezeichneten Kreis bezeichnet ist) bereitgestellt
wird und eine Konfiguration in der die Streuinduktivität des Transformators
benutzt wird.
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In
beiden der in 2 und 3 gezeigten Aufbauten
mit Spannungsresonanzprinzip wird eine Spannung oder eine Stromstärke durch
die Spule 10 und den Kondensator 15 in Resonanz
gebracht, um das Umschaltelement 11 (den FET in diesem
Fall) AN oder AUS zu schalten, wenn eine am Umschaltelement angelegte
Spannung null Volt hat, sodass der durch das Schalten entstehende
Leistungsverlust verringert werden kann (der Schaltverlust kann
verringert werden).
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Es
kann das Problem entstehen, dass die am Umschaltelement 11 angelegte
Spannung, welche eine Drain-Source-Spannung (VDS) des FET ist, erhöht wird.
Insbesondere, indem man beispielsweise den Aufbau in der 2 und 3 hernimmt,
in der die Spule 10 und der Kondensator 15 nicht
bereitgestellt werden. Wenn die Ausgangsspannung VAus auf 100
V eingestellt wird, die Eingangsspannung VEIN auf
10 V eingestellt wird und das Wicklungsverhältnis des Transformators 9 auf „1:2” eingestellt
wird (oder ein Wicklungsverhältnis
=1/2 eingestellt wird) erhält man
den berechneten Wert der Drain-Source Spannung des FET aus „VDS =
10 + (100 – 10)/3
= 40 V”. Andererseits
werden im Resonanztyp, der die Spule 10 und den Kondensator 15 nutzt,
die Resonanzspannungen der Spule 10 und des Kondensators 15 zu
40 V addiert. Deshalb gibt es, in Abhängigkeit von den Umständen, die
Möglichkeit,
dass VDS 100 V übersteigen
kann.
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Ausgehend
von der Gleichung für
VDS steigt der Wert der VDS wenn die Ausgangsspannung VAus erhöht wird.
Entsprechend ist es nötig
ein Umschaltelement mit hoher Durchbruchspannung auszuwählen. So
wird beispielsweise im Falle eines Lichtschaltkreises einer Entladungslampe
(Metallhalogenlampe), die als Lichtquelle einer Automobillichteinheit
benutzt wird, üblicherweise
eine Spannung von mehreren hundert Volt angelegt, bevor man die
Entladungslampe zum Zeitpunkt des Aufwärmens einschaltet. Unter Berücksichtigung
dieser Tatsache ist es nötig ein
Umschaltelement mit sehr hoher Durchbruchspannung zu benutzen.
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Um
die Durchbruchspannung des Umschaltelements zu verringern, kann
auch vorgeschlagen werden das Wicklungsverhältnis des Transformators zu
erhöhen,
wobei ein nachteiliger Effekt dieser Methode nicht ignoriert werden
kann. Die Einschaltdauer (ON duty) des Umschaltelements ist verringert
und der Strom auf der Primärseite
des Transformators und der Strom der zum Umschaltelement fließt werden übermäßig erhöht, basierend
auf dem Verhältnis zwischen
der Eingangs-Ausgangsspannung und dem Wicklungsverhältnis. Als
Folge kann es dadurch das Problem geben, dass der elektrische Wirkungsgrad
verschlechtert wird (das erhoffte Ziel einer Reduzierung des Leistungsverlustes
kann nicht erreicht werden, wodurch die Vorteile abnehmen).
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Ferner,
wenn der Strom der zum Umschaltelement fließt erhöht wird, dann werden auch die
Resonanzenergie und die Resonanzspannung erhöht.
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Deshalb
ist es Aufgabe der Erfindung, die Spannung, die am Umschaltelement
angelegt wird, zu verringern um die Durchbruchspannung des selben
Elements niedrig zu halten, ohne das Wicklungsverhältnis des
Transformators zu erhöhen
(dies bedeutet, ohne den elektrische Wirkungsgrad zu verringern),
wobei ein billiges Element benutzt wird.
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Wie
oben beschrieben wird der Steuerschaltkreis 7 bereitgestellt
um die Ausgangsspannung des DC-DC Wandlers 3 durch die
AN/AUS Steuerung des Umschaltelements 11 zu steuern. Die
Ausgangsspannung VAus des DC-DC Wandlers 3 wird
erfasst und führt
eine Begrenzung des Stroms, der zum Umschaltelement fließt, so aus,
dass er verringert wird, falls die Ausgangsspannung VAus hoch
ist. Anders ausgedrückt,
in dem Fall in dem die Ausgangsspannung VAus höher ist
als im Vergleich mit einem begrenzt eingestellten Stromwert bezogen
auf das Umschaltelement wenn die Ausgangsspannung niedrig ist, ist
es vorteilhaft, dass der begrenzte Stromwert niedrig eingestellt
wird.
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Als
eine Möglichkeit
zum Begrenzen des zum Umschaltelement fließenden Stroms ist die so genannte
pulse-by-pulse Methode als Gegenmaßnahme bekannt, die ein Überstromdurchschlag
im Umschaltelement verhindert.
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Wird
zum Beispiel ein FET (Feldeffekttransistor) als Umschaltelement
benutzt und der Strom, der zum FET fließt, wird auf „I” eingestellt
und der Widerstandswert des Widerstands zur Stromstärkenmessung,
welcher bereitgestellt wird den Wert zu messen, auf „R” eingestellt
wird, erhält
man „I⧠R” als Messwert
durch Spannungsumwandlung. Wenn das Niveau des Stromstärkenlimits,
in der Umschaltsteuerung des FET, auf „Ilim” gesetzt wird, dann wird ein Überschreiten
von Ilim durch das Erfassungsniveau der Stromstärke I verhindert. In anderen
Worten wird die Begrenzung reduziert, falls das Niveau des Stromstärkenlimits
Ilim einen großen
Wert hat, und die Begrenzung wird erhöht, falls das Niveau des Stromstärkenlimits
Ilim einen geringen Wert hat (Entsprechend ist es in dem Fall, in
dem der Wert des Stroms I erniedrigt wird, vorteilhaft, dass der
Wert von Ilim erniedrigt wird um das nötige Niveau zu haben. Folglich,
ist es möglich
die Wärmeentwicklung
in dem Element zu verhindern.).
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Unter
Verwendung dieser Methode wird die Ausgangsspannung VAus gemessen
und der Begrenzungsstromstärkenwert
(das Niveau des Stromstärkenlimits
Ilim) kann niedrig eingestellt werden (das Stromstärkenlimit
kann erhöht
werden), falls der Wert groß ist.
Natürlich
kann diese Methode nach dem Anschalten der Entladungslampe angewandt
werden und ist auch im Fall der Anwendung vor dem Anschalten der
Entladungslampe effektiv. Weiterhin, wenn die Polarität der Ausgangsspannung
des DC-AC Wandlers 4 umgeschaltet wird (insbesondere in
dem Fall in dem ein starker Strom zur Entladungslampe fließt, zum
Zeitpunkt der Anwendung einer hohen Belastung sofort nachdem die
Entladungslampe angeschaltet wird), wobei die Polarität der Spannung oder
des Stroms, der an die Entladungslampe angelegt wird, durch Umschalten
der Polarität
invertiert wird, sodass ein Resonanzstrom fließt und die Ausgangsspannung
VAus des DC-DC Wandlers erhöht wird.
Entsprechend ist es vorteilhaft, dass der Grad der Strombegrenzung
definiert wird. Die erhöhte Spannung
wird natürlich
oder absichtlich generiert (falls beispielsweise der Induktionswert
des Starterschaltkreises erhöht
wird und die elektrostatische Kapazität des Glättungskondensators gering eingestellt wird,
ist es möglich
die Erlöschungsfrequenz
der Entladungslampe zu erniedrigen, welche in der Polaritätsinversion
generiert wird).
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In
den 4 bis 7 zeigt die Abszisse die Ausgangsspannung
VAus und die Ordinate zeigt den Begrenzungsstromstärkenwert
des Stroms Ip auf der Primärseite
oder das Niveau des Stromstärkenlimits „Ilim”, und deren
Beziehung zueinander wird illustriert.
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In
einem in 4 gezeigten Beispiel wird die folgende
Konfiguration gezeigt.
- – Eine Konfiguration, in der
Ilim bei steigender Ausgangsspannung VAus abnimmt,
wie durch die abfallenden Kurve g1 mit einer durchgezogenen Linie
gezeigt wird; und
- – Eine
Konfiguration, in der Ilim, unabhängig von dem Wert der Ausgangsspannung
VAus innerhalb eines konstanten Bereichs
der im Bezug zu VAus steht, konstant gesetzt
wird und Ilim nimmt mit steigender VAus ab,
in dem Fall in dem VAus über den selbigen Bereich steigt,
wie durch die Kurve g2 mit einer Strichpunktlinie gezeigt wird.
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Während ein
Ausführungsbeispiel
anhand der Kurve g1 gezeigt wird, in der Ilim geradlinig mit steigender
Ausgangsspannung VAus abnimmt, ist dieses
nicht einschränkend.
Es kann ein Beispiel vorgeschlagen werden in dem Ilim stufenweise
mit steigender Ausgangsspannung VAus abnimmt,
wie in 5 durch die Kurve g3 mit durchgezogener Linie
gezeigt und ein Beispiel in dem Ilim kurvenförmig mit steigender Ausgangsspannung
VAus abnimmt, wie in der 5 mit
der Kurve g4 mit einer Strichpunktlinie gezeigt.
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In
den Beispielen der 6 und 7 wird ein
Merkmal, durch Setzen einer bezüglich
VAus vorbestimmten Grenzschwelle (auf welche
sich unter „Vsh” bezogen
wird), variiert.
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Die
in 6 gezeigte Kurve G1 hat die selben Merkmale wie
die Kurve G1 innerhalb eines Bereichs in dem „VAus < Vsh”, und in
dem Bereich in dem VAus Vsh übersteigt
wird Ilim konstant gesetzt, wie durch G1c gezeigt. Alternativ ist
es auch möglich, dass
die Neigung geringer ist als im Vergleich zur Neigung der Kurve
im Bereich „Vaus < Vsh” (ein absoluter
Wert ist klein und eine Änderung
wird mit einer negativen Steigung durchgeführt), wie mit der Doppelpunktlinie
G1d innerhalb des Bereichs „Vaus > Vsh” gezeigt
oder aber Ilim nimmt mit einer positiven Steigung zu, wenn VAus innerhalb des Bereichs „VAus > Vsh” zunimmt,
wie mit der Strichpunktlinie G1u gezeigt.
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Die
in 7 gezeigte Kurve G2 hat die gleichen Merkmale
wie die Kurve g2 innerhalb des Bereichs „VAus < Vsh”, und innerhalb
des Bereichs, in dem VAus Vsh übersteigt,
wird Ilim konstant gesetzt, wie durch G2c gezeigt. Alternativ ist
es auch möglich, dass
die Neigung geringer ist als im Vergleich zur Neigung der Kurve
im Bereich „VAus < Vsh” (ein absoluter
Wert ist klein und eine Änderung
wird mit einer negativen Steigung durchgeführt), wie mit der Doppelpunktlinie
G2d innerhalb des Bereichs „VAus > Vsh” gezeigt
oder Ilim nimmt mit einer positiven Steigung zu, wenn VAus innerhalb
des Bereichs „VAus > Vsh” zunimmt,
wie mit der Strichpunktlinie G2u gezeigt.
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In
dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel nimmt Ilim mit
steigender VAus ab. Aus diesem Grund besteht
die Möglichkeit,
dass die benötigte Spannung
(ca. 350–400
V) nicht erreicht werden könnte,
bevor die Entladungslampe angeschaltet wird, falls der Wert übermäßig abnimmt
(die Begrenzung ist übermäßig groß). In dem
Fall, in dem der Wert der Ausgangsspannung VAus eine
gewisse Schwelle überschreitet,
kann deshalb der Grad der Strombegrenzung konstant oder abgeschwächt eingestellt
werden, wie in den 6 und 7 gezeigt.
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In
einem Übergangszustand
in dem die Sourcespannung zur Steuerung ansteigt, ist die Steuerungsoperation
ferner instabil. Zur gleichen Zeit besteht auch die Möglichkeit,
dass der VDS Wert ansteigt. Folglich sollte Ilim klein eingestellt
werden um die Begrenzung zu erhöhen.
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Bezüglich der
Steuerung, besteht der Steuerungskreislauf 7 beispielsweise
aus folgenden in 8 gezeigten Bauteilen (Nummern
in Klammern zeigen die Bezugszeichen).
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- 16
- VDS
Unterdrückungsschaltkreis,
- 17
- Leistungssteuerungskreis,
und
- 18
- Treiberkreis.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
wird die Konfiguration aus 3 benutzt.
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Der
VDS Unterdrückungsschaltkreis 16 wird als
ein Spannungsunterdrückungsstromkreis
zum Unterdrücken
einer Erhöhung
einer am Umschaltelement 11 angelegten Spannung bereitgestellt
(oder ein Überspannungsunterdrückungsstromkreis),
und dient dazu die Ausgangsspannung VAus zu
erfassen und ein Ausgangssignal davon an den Leistungssteuerkreis 17 zu
senden (der Aufbau wird unten beschrieben).
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Der
Leistungssteuerkreis 17 dient dazu, die Treiberoperation
des Umschaltelements 17 durch den Treiberkreis (18)
zu steuern und dazu, die Leistung, die an die Entladungslampe angelegt
wird, durch eine variable Steuerung der Ausgangsspannung VAus zu steuern. Der Leistungssteuerkreis 17 beinhaltet
einen Treiberkreis, der eine Stromlimitierungsfunktion des Typs
pulse-by-pulse hat (z. B. ein IC zur PWM Steuerung oder ein IC zur
PFM Steuerung), und ein begrenzter Stromwert wird als Antwort auf
ein vom VDS Unterdrückungsschaltkreis 16 gesendetes
Signal definiert.
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Der
Treiberkreis 18 wird bereitgestellt um das Umschaltelements 11,
nach dem Erhalt des von dem Leistungssteuerkreis 17 gesendeten
Signals, zu treiben und ein komplementäres, durch einen Transistor
geformtes, Paar wird dazu benutzt.
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9 zeigt
ein Ausführungsbeispiel 19 eines Aufbaus
eines VDS Unterdrückungsschaltkreises 16.
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Der
in der Zeichnung gezeigte Anschlußpol „TL” ist ein Referenzanschluss
(ein Pol, der Ilim definiert) des begrenzten Stroms, und entspricht
dem Referenzeingabeanschluss des Begrenzungsstroms in dem Fall in
dem der selbe Anschlußpol
in einem Universal-IC (ein IC für
PWM), mit pulse-by-pulse Strombegrenzungsfunktionstyp, in einer
Konfiguration, die beispielsweise den gleichen IC benützt, bereitgestellt
wird. Alternativ, kann der Anschlußpol auch einem internen Anschluß eines
speziell angefertigten IC entsprechen. In jedem Fall aber, wenn eine
am Referenzanschluss angelegte Spannung verringert wird, dann wird
Ilim reduziert (der Aufbau ist im Stand der Technik bekannt und
eine Beschreibung wird weggelassen).
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Während eine,
durch Teilen der Referenzspannung „Eref” durch die Widerstände 20 und 21, erlangte
Spannung an den Anschlußpol „TL” angelegt
wird, wird die Spannung durch eine auf der rechten Seite liegenden
Stromkreisausschnitts beeinflußt.
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In
den npn Transistoren 22 und 23, die einen Stromspiegelschaltkreis
bilden, werden ein Widerstand 24 und eine Zenerdiode 25 an
den Kollektor des Transistors 22 angeschlossen und VAus angelegt, und ferner wird ein Widerstand 26 und
eine Zenerdiode 27 an den Kollektor des Transistors 23 angeschlossen
und VAus angelegt. In anderen Worten, wird die
Kathode von jeder der Zenerdioden an einen Erfassungsanschluss 28 von
VAus angeschlossen und jede Anode wird an
den Kollektor von jedem der entsprechenden Transistoren durch jeden
Widerstand angeschlossen.
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Die
Zenerspannung der Zenerdiode 27 wird auf einen vorbestimmten
Wert, beispielsweise 100 V, eingestellt. Wenn deshalb VAus die
Schwelle von 100 V überschreitet,
wird die Zenerdiode 27 ein Verringern, der an den Spannungsteilungswiderständen 20 und 21 anliegenden
definierten Spannung, durchführen
(die Spannung am „P”-Knoten
im Spannungsteilungswiderstand). Die Zenerspannung der Zenerdiode 25 wird
ferner auf einen vorbestimmten Wert, beispielsweise 270 V, eingestellt.
Wenn deshalb VAus die Schwelle von 270 V überschreitet,
wird die Zenerdiode 25 ein Verringern, der an den Spannungsteilungswiderständen 20 und 21 anliegenden
definierten Spannung, durchführen
(da eine Stromstärkenbegrenzung
durch die Einstellung eines Wiederstandswertes erleichtert wird,
kann der Wert der Spannung bevor man die Entladungslampe anschaltet
aufrecht erhalten bleiben (Leerlaufspannung)). Entsprechend entspricht
dieses Beispiel dem Merkmal, welches den G2d Teil des Graphs G2
der 7 beinhaltet.
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Ein
Teil, der einen Stromspiegelkreis ausmacht, welcher aus den Spannungsteilungswiderständen 29 und 30,
dem Widerstand 31 und den pnp Transistoren 32 und 33 besteht,
wird zur Strombegrenzung zu einem frühen Zeitpunkt des Ansteigens der
Steuerstromversorgung bereitgestellt. Insbesondere werden die Widerstände 29 und 30 in
Reihe geschaltet mit einen Anschlußpol 34 zum Bereitstellen von
VEIN oder einer Spannung „Vcc”, die durch
einen Spannungsgenerator, der nicht gezeigt ist, generiert wird,
und deren Widerstandsspannungsteilungswerte werden an der Basis
der Transistoren 32 und 33 und dem Emitter des
Transistors 32 durch den Widerstand 31 angelegt.
Die vorbestimmte Referenzspannung Eref wird an den Emitter von jedem
der Transistoren angelegt und der Kollektor des Transistors 33 wird
mit dem Kollektor des Transistors 23 verbunden. Entsprechend
fließt
ein Strom zum Stromspiegelkreis um das elektrische Potential des
P-Knotens, während
der Wert von VEIN oder Vcc klein ist, zu
verringern (eine Strombegrenzung wird erhöht bis die Versorgungsspannung über einen
normalen Wert ansteigt).
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In
diesem Schaltkreis ist es möglich,
Merkmale in verschiedenen Konfigurationen, in Abhängigkeit
von der Präsenz
der Zenerdioden 25 und 27 oder einer Änderung
der konstanten Werte, wie deren Zenerspannungen und den Widerstandswerten
der Widerstände 24 und 26,
zu implementieren. Ferner, wenn, wie in 9 gezeigt,
ein Kondensator 35, gezeigt mit einer gestrichelten Linie,
an einen Spannungsteilungspunkt, gezeigt im Punkt „Q”, angeschlossen
wird (ein Knoten der Widerstände 29 und 30)
(parallel mit dem Widerstand 30), kann eine Zeit zu einem
frühen
Zeitpunkt des Anstiegs von VEIN oder Vcc
gesteuert werden (durch einen Zeitkonstantenschaltkreis, der durch
einen Widerstand 30 und einen Kondensator 35 gebildet
wird).
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Im
Falle eines Universal-IC werden alle in der Zeichnung gezeigten
Elemente durch externe Komponenten bereitgestellt. In einem speziell
angefertigten integrierten Schaltkreis werden ein Element, das die
Durchbruchsspannung des Schaltkreises übertrifft, eine Zenerdiode
und ein Kondensator als externe Komponenten bereitgestellt.
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Bezüglich der
Methode zum Erfassen des zum Umschaltelement 11 fließenden Stroms,
wird ferner üblicherweise
ein Erfassungswiderstand benutzt (Nebenwiderstand). Während, wie
in 8 gezeigt, das Erfassungssignal eines Erfassungswiderstands
Rs, welcher mit dem Umschaltelement 11 verbunden ist, an
den Leistungssteuerkreis 17 gesendet wird, kann jedoch
auch jegliche weitere Methode in der Erfindung benützt werden.
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10 bis 12 sind
schematische Wellenformdiagramme, um die Operation der Stromstärkenbegrenzung
zu erklären.
In den Figuren haben die gezeigten Symbole die folgende Bedeutung.
- „Vs” = Niveau
des Steuersignals, und
- „Vdet” = Niveau
des Erfassungssignal des zum Umschaltelement 11 fließenden Stroms.
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Vlim
entspricht dem elektrischen Potential des Anschlusses „TL”, und das
Steuersignal Vs wird durch einen Berechnungsschaltkreis zur Leistungssteuerung,
der nicht gezeigt ist, basierend auf dem Erfassungssignal der Spannung
oder der Stromstärke
der Entla dungslampe, generiert. Die Stromstärke und die Spannung, die an
die Entladungslampe anzulegen sind, werden erhöht wenn Vs erhöht wird. Ferner
hat die Wellenform von „Vdet” die Form
eines Sägezahns,
wie gezeigt.
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In
der 10 wird „Vs < Vlim” eingestellt
und Vs wird nicht von Vlim beeinflußt. In anderen Worten, Vdet übersteigt
Vs nicht.
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Ferner
zeigt 11 einen Zustand in dem Vs im
Vergleich zum Fall von 10 erhöht wird, um die Ausgangsspannung,
Stromstärke
und Leistung zu erhöhen,
und Vdet wird entsprechend erhöht.
In der gleichen Weise wie im Fall von 10 wird „Vs < Vlim” gesetzt.
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Andererseits
ist in 12 das Verhältnis zwischen Vs und Vlim
umgekehrt. Insbesondere wird Vdet durch Vlim gesteuert, da „Vs > Vlim”. Folglich wird
Vdet, ursprünglich
durch Vs definiert, hier durch Vlim definiert. Wenn Vlim reduziert
wird, wird die Strombegrenzung erhöht. Folglich wird der Strom, der
zum Umschaltelement 11 fließt, weiter reduziert.
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In
dem Aufbau der 9, kann der Grad der Reduktion
von Vlim durch den Widerstandswert der Spannungsteilungswiderstände 20 und 21 und
dem Anteil des Stroms vom Anschluss ”TL” („current suction”) der durch
den Stromspiegel, der aus einem NPN Transistorenpaar aufgebaut ist,
abgesenkt wird, bestimmt werden.
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Während ferner
in 9 eine Zenerdiode mit einer hohen Durchbruchsspannung
verwendet wird, ist ein Aufbau, in dem die selbe Funktion von einem Element
mit einer niedrigen Durchbruchsspannung durchgeführt wird, vorteilhafter bezüglich der
Kosten. Ein Ausführungsbeispiel 36 dieses
Aufbaus ist in 13 gezeigt.
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In
diesem Schaltkreis werden zwei Operationsverstärker und ein Zähler benutzt.
Die rechten Teile der Spannungsteilungswiderstände 20 und 21, die
am Anschluß „TL” angeschlossen
sind, unterscheiden sich von denen des Aufbaus in 9.
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Die
Ausgangsspannung VAus des DC-DC Wandlers 3 wird
durch die Widerstände 38 und 39 geteilt
und wird an dem nicht umgewandelten Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 37 angelegt.
Ein umgewandelter Eingangsanschluß wird via den Widerstand 40 geerdet
und der Widerstand 41 wird zwischen dem umgewandelten Eingangsanschluß und dem
Ausgangsanschluß bereitgestellt.
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Ferner,
wird die Ausgangsspannung VAus des DC-DC
Wandlers 3 durch die Widerstände 38 und 39 geteilt
und wird an den nicht umgewandelten Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 42 via den
Widerstand 43 angelegt. Die Referenzspannung „Eref”, durch
das Symbol einer konstanten Spannungsquelle gekennzeichnet, wird
an einen nicht umgewandelten Eingangsanschluß angelegt. Der Widerstand 44 wird
zwischen dem umgewandelten Eingangsanschluß und dem Ausgangsanschluß bereitgestellt.
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Die
Ausgangsspannungen der Operationsverstärker 37 und 42 werden
via Dioden und Widerstände
am Anschluß „TL” angelegt.
In anderen Worten, der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 37 wird
an der Anode der Diode 45 angeschlossen und die Kathode
der Diode 45 wird an den Anschluß „TL” via den Widerstand 46 angeschlossen. Ferner
wird der Ausgangsanschluß des
Operationsverstärkers 42 an
die Kathode der Diode 47 angeschlossen und die Anode der
Diode 47 wird an den Anschluß „TL” via den Widerstand 48 angeschlossen.
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Ein
Zähler
(Zeitgeber) 49 wird zum Reduzieren des begrenzten Stromwerts
während
der Übergangsperiode
vom Startpunkt des Ansteigens der Versorgungsspannung Vcc bis zur
Stabilisierung der Versorgungsspannung Vcc bereitgestellt. Zu einem Zeitpunkt,
zu dem eine gewisse Zeitperiode nach dem Startpunkt des Ansteigens
von Vcc abgelaufen ist, wird ein Signal, das das Niveau H hat, ausgegeben.
Wie in der 13 gezeigt, wird der Ausgangsanschluß des Zählers 49 an
die Kathode der Diode 50 angeschlossen und die Anode der
Diode 50 wird via den Widerstand 51 an den Anschluß „TL” angeschlossen.
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In
diesem Aufbau ist der Operationsverstärker 42 ein Inversionsverstärker. Deshalb
wird eine geringere Spannung ausgegeben, wenn die Ausgangsspannung
VAus erhöht
wird (was in anderen Worten den Charakteristiken des Graphs G1 in 6 entspricht).
Bezüglich
des Operationsverstärkers 42, kann
eine Ausgangsspannung durch eine positive Eingangsspannung und ein
Inversionsverstärkungsverhältnis definiert
werden und der Grad der Reduzierung der Ausgangsspannung bis zur
Erhöhung von
VAus kann durch den Widerstandswert des
Widerstands 48 eingestellt werden.
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Ferner
gibt der Operationsverstärker 37 eine höhere Spannung
aus, wenn die Ausgangsspannung VAus erhöht wird
(was in anderen Worten den Charakteristiken des Graphs G1u in 6 entspricht).
Der Grad der Veränderung
in der Ausgangsspannung zu VAus kann durch
das Nichtinversionsverstärkungsverhältnis des
Operationsverstärkers 37 und
durch den Widerstandswerts des Widerstands 46 eingestellt werden.
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Da
der Zähler 49 ein
L Niveausignal ausgibt, bevor eine vorbestimmte Zeit nach der Strom-an
Zeit abläuft,
dient er als eine Senke für
den Anschluß „TL” und dient
dazu das elektrische Potential des selben Anschlusses zu reduzieren
(ein begrenzter Strom wird reduziert). Da anschließend der
Zähler 49 ein
Signal, das ein H Niveau hat, ausgibt, funktioniert dies nicht.
Deshalb ist es vorteilhaft, dass der Wert des Stroms der zum Umschaltelement 11 fließt begrenzt sein
sollte, bis die Versorgungsspannung eine vorbestimmte Spannung erreicht.
Es wird eine Schaltkreiskonfiguration vorgeschlagen in der Mittel
bereitgestellt werden, die feststellen, dass die Versorgungsspannung
eine vorbestimmte Spannung erreicht oder nicht. Weiterhin wird eine
Schaltkreiskonfiguration bereitgestellt in der der Zeitgeberschaltkreis
durch einen Zeitgeber oder einen Zähler aufgebaut.
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14 und 15 zeigen
ein Beispiel einer Messung der Effekte des VDS Unterdrückungsschaltkreises, 14 zeigt
den Fall in dem der VDS Unterdrückungsschaltkreis
nicht bereitgestellt wird und 15 zeigt
den Fall in dem der VDS Unterdrückungsschaltkreis
bereitgestellt wird. In diesen Zeichnungen zeigt die Abszisse die
Zeit an und die Ordinate zeigt Ip, VAus und
VDS an, wie oben beschrieben.
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Wie
durch Vergleichen der beiden Zeichnungen ersichtlich ist, ist die
VDS-Stärke
(der Spitzenwert) in 15 unterdrückt.
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Was
aus dem Vorhergehenden, entsprechend der ersten Ausführung der
Erfindung, offensichtlich wird, ist, dass wenn die Ausgangsspannung des
DC-DC Wandlers erhöht
wird, die Strombegrenzung zum Umschaltelement erhöht wird,
sodass die am Element angelegte Spannung unterdrückt werden kann. Deshalb ist
es nicht nötig
ein Element mit einer hohen Durchbruchsspannung anzuwenden. Ferner,
da das Wicklungsverhältnis
des Transformators nicht erhöht
werden muß,
ist es möglich
eine Verschlechterung des elektrischen Wirkungsgrades zu verhindern.
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Entsprechend
der zweiten Ausführung
der Erfindung ist es möglich
eine Schwelle zu setzen, wodurch der Grad der Begrenzung des zum
Umschaltelements fließenden
Stroms verändert
wird. Folglich ist es möglich
die Entstehung eines nachteiligen Effekts durch eine einzige Definition
der Limitierung zu verhindern (so könnte beispielsweise eine ausreichende
Spannung zur An-Steuerung der Entladungslampe nicht erreicht werden).
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Entsprechend
der dritten Ausführung
der Erfindung gibt es die Möglichkeit,
dass eine an dem Umschaltelement angelegte Spannung erhöht werden
könnte,
falls in einem instabilen Zustand, in dem der Wert der an dem Steuerkreis
angelegten Versorgungsspannung nicht ausreichend ist. Durch Begrenzen
des zum Umschaltelement fließenden Stromwerts
ist es deshalb möglich
die Spannung zu unterdrücken.