DE9315239U1

DE9315239U1 - Schaltung zum Betreiben eines Plasmas

Info

Publication number: DE9315239U1
Application number: DE9315239U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-10-08
Filing date: 1993-10-08
Publication date: 1994-11-17
Anticipated expiration: 2003-10-09
Also published as: DE4435916A1

Description

• ·.

Schaltung zum Betr$b^nieme$_#Bla$mas··, '·

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zum Erzeugen und Betreiben eines Plasmas der im Oberbegriff des Schutzanspruchs 1 genannten Art.

Hochdruck-Kaltkathoden-Gasentladungslampen, wie sie z.B. bei der Straßenbeleuchtung und neuerdings auch in Fahrzeugscheinwerfern verwendet werden, benötigen besondere Schaltungen zum Zünden des Lichtbogens, d.h. zum Erzeugen eines Piamas innerhalb der Gasentladungslampe. Dabei ist oftmals, wie dieses besonders bei der Straßenbeleuchtung zu beobachten ist, eine relativ lange Zeitdauer bis zu einer halben Stunde erforderlich, bis die Gasentladungslampe jeweils ihre volle Leuchtkraft erreicht. Bei der Verwendung von Gasentladungslampen in Fahrzeugscheinwerfern ist eine lange Anlaufzeit jedoch nicht tragbar, so daß die Gasentladungslampen möglichst schnell ihre volle Leuchtkraft erreichen müssen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine derartige Schaltung zum Erzeugen und Betreiben eines Plasmas in einer Gasentladungsstrecke so zu verbessern, daß sie bei hohem Wirkungsgrad und geringer Baugröße eine schnelle Erzeugung des Plasmas mit der jeweils gewünschten Lichtintensität bewirkt.

Bei einer Schaltung der genannten Art ist diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Schutzanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Schaltung zeichnet sich dadurch aus, daß die zum Betreiben des Plasmas bzw. des Lichtbogens innerhalb der Gasentladungslampe erforderliche Wechselspannung hinsichtlich ihrer Amplitude durch die änderbare Gleichspannung der geregelten Gleichspannungsquelle bestimmt wird, wobei die Gleichspannungsquelle als Regelgröße die Lichtintensität des Plasmas erhält. Der vom Wechselrichter abgegebenen Wechselspannung, deren Amplitude in dieser Weise geregelt wird, wird zum Zünden des Plasmas von einer Zündschaltung ein Hochspannungs-Zündimpuls überlagert, wobei in vorteilhafter Weise die Erzeugung dieses Zündimpulses durch die Regelgröße der geregelten Gleichspannungsquelle derart bestimmt wird, daß der Zündimpuls immer nur

dann erzeugt werden kann, weiöj, tL^§· vomj_#P3.aEma*Sgfcigejjebene Licht unterhalb einer bestimmten Lichtintensität liegt und die von der Gleichspannungsquelle abgegebene Gleichspannung einen bestimmten Mindestwert überschreitet.

Auf diese Weise ergibt sich sowohl für die Zündung als auch das Betreiben der Gasentladungslampe eine sehr einfache Schaltung hoher Leistungsfähigkeit, die insbesondere durch die Regelung der Gleichspannungsquelle nach Maßgabe der vom Plasma abgegebenen Lichtintensität eine schnelle Zündung und eine sehr kurze Anlaufphase der Gasentladungslampe sicherstellt, da die von dem geregelten Gleichspannungswandler abgegebene Gleichspannung die Amplitude der von dem Wechselrichter abgegebenen Wechselspannung bestimmt, die wiederum die von der Gasentladungslampe abgegebene Lichtintensität bestimmt.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Schutzansprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der schematischen Zeichnung erläutert.

Ein hier nur schematisch dargestellter Wechselrichtung WR besteht aus einer Flip-Flop-Steuerstufe FFS und einer Gate-Steuerschaltung G-Ctrl, die beide miteinander über Isolationstransformatoren ITRl und ITR2 verbunden sind. Die Gate-Steuerschaltung steuert zwei MOSFETS TRl und TR2 innerhalb eines Halbbrückenverstärkers HBV derart an, daß der eine Transistor immer erst dann leitend werden kann, wenn der zuvor leitende Transistor vollständig gesperrt ist. Dabei wird vorzugsweise eine potentialgetrennte Ansteuerung der MOSFETS verwendet, wie sie in der DE-OS 43 12 300 erläutert ist.

Mit dem Wechselrichtunger WR ist eine geregelte Gleichspannungsquelle GSQ verbunden, die vorzugsweise als geregelter Gleichspannungswandler ausgebildet ist, wie dieser in der EP-B-O 301 436 und der US-PS 4 922 396 beschrieben ist. Diese Gleichspannungsquelle verfügt über einen hier nur schematisch angedeuteten kapazititven Spannungsteiler mit den Kondensatoren CLl und CL2, an denen jeweils die halbe abgegebene geregelte Gleichspannung UGL liegt. Die Gleichspannungsquelle GSQ erhält an einem Regel-

eingang Pin4 die von einer Regeleinrichtung *REiJ ,abgegebene Regelgröße über einen einstellbaren Widerstand Radj. Wie dieses hier nur schematisch angedeutet ist, hat die Regeleinrichtung RES einen Fototransistor, der mit Licht LI beaufschlagt wird. Die Gleichspannungsquelle gibt die geregelte Gleichspannung UGL an ihrem Ausgang an die MOSFETS TRl und TR2 des Halbbrückenverstärkers HBV des Wechselrichters WR. Die Gleichspannungsquelle selbst liegt an einer Spannungsversorgung Vcc und gibt ihrerseits eine Speisespannung auch an die Flip-Flop-Steuerung FFS.

Die Ausgangsklemmen Al und A2 des Wechselrichters WR sind über die Sekundärwicklung W2 eines Zündtransformators ZTR mit einer Gasentladungslampe verbunden, in der das Plasma PLM erzeugt und betrieben, d.h. aufrechterhalten wird. Das Plasma PLM erzeugt das Licht LI für den Fototransistor der Regeleinrichtung RES.

Die Primärwicklung Wl des Zündtransformators ZTR ist über einen Vorwiderstand RV mit dem Ausgang einer Zündschaltung ZSCH verbunden, die ihrerseits mit dem Halbbrückenverstärker HBV verbunden ist, d.h. die vom Wechselrichter WR abgegebene Wechselspannung erhält. Diese Wechselspannung besteht aus Rechteckimpulsen mit einer Amplitude von 1/2 UGL um Erdpotential, d.h. die halbe Amplitude der geregelten Gleichspannung UGL. Die Zündschaltung ZSCH weist ihrerseits einen Steuertransformator STR auf, mit dem das Gate eines MOSFET TR3 angesteuert wird. Zwei mit der Primärwicklung des Steuertransformators STR jeweils in Reihe und gegeneinander geschaltete Zenerdioden Zl und Z2 begrenzen bzw. vermindern die Amplitude der am Halbbrückenverstärker abgenommenen Rechteckimpulse des Wechselrichters WR. Weiterhin ist ein Zündkondensator CZ mit der Primärwicklung bzw. den Zenerdioden Zl und Z2 in Reihe geschaltet, der nach Maßgabe der abgenommenen Rechteckimpulse umgeladen wird. Dabei wird vorzugsweise nur jeder zweite Rechteckimpuls über die Sekundärwicklung des Steuertransformators STR zur Ansteuerung des MOSFET TR3 benutzt, d.h. nur die positiven Rechteckimpulse werden zur Ansteuerung benutzt. Eine weitere Zenerdiode Z3 dient zum Schutz des MOSFET TR3. Da die Zündschaltung ZSCH durch die am Halbbrückenverstärker des Wechselrichters WR abgenommenen Rechteckimpulse der vom Wechselrichter abgegebenen Rechteck-Wechselspannung angesteuert wird, werden auch die von der Zündschaltung abgegebenen Hochleistungsimpulse synchron mit den Rechteckimpulsen dieser Wechsel-

spannung erzeugt und an die P%;j.fnarwickXu$ig; Wl»^s^#£ündtransformators ZTR gegeben.

Die Schaltung ist so ausgelegt, daß die Zündschaltung ZSCH nur dann Hochleistungsimpulse an den Zündtransformator ZTR abgeben kann, wenn die vom Plasma PLM abgegebene Lichtintensität LI eine bestimmte Intensität noch unterschreitet, also z.B. kein Plasma bei nicht gezündeter Gasentladungslampe vorhanden ist. Außerdem muß aber die von der Gleichspannungsquelle GSQ abgegebene Gleichspannung UGL einen bestimmten Mindestwert überschreiten, damit an den Zündtransformator ein nadeiförmiger Hochleistungsimpuls abgegeben werden kann. Mit Hilfe des Zündtransformators ZTR wird dieser Hochleistungsimpuls in einen Hochspannungs-Zündimpuls transformiert und gleichzeitig den Rechteckimpulsen der vom Wechselrichter WR abgegebenen Wechselspannung überlagert. Aus der Schaltung bzw. ihrer Arbeitsweise ist zu erkennen, daß der als erste Spannungsquelle dienende Wechselrichter WR mit der als zweite Spannungsquelle dienenden Zündschaltung ZSCH über den Zündtransformator ZTR wirkungsmäßig in Reihe geschaltet ist. Unmittelbar nach dem Zünden der Gasentladungslampe, d.h. nach dem Erzeugen von Plasma PLM erhält der Fototransistor in der Regeleinrichtung RES eine solche Lichtintensität LI, daß die geregelte Ausgangsspannung UGL der Gleichspannungsquelle GSQ zurückgenommen wird, wodurch die Zündschaltung ZSCH abschaltet, da die Amplitude der über die Zenerdioden Zl und Z2 verminderten Rechteckimpulse zu einem Leitendschalten des MOSFET TR3 nicht mehr ausreicht.

Andererseits wird mit Hilfe der geregelten Gleichspannung UGL die Amplitude der von dem Wechselrichter WR abgegebenen Wechselspannung nach Maßgabe der vom Plasma PLM erzeugten Lichtintensität LI so geregelt, daß die Gasentladungslampe schnellstmöglich ihren stabilen Betriebsbereich erreicht, wobei die Gasentladungslampe dabei eine nach den individuellen Erfordernissen der jeweils gespeisten Gasentladungslampe erhöhte, jedoch keine unnötig große Leistung erhält. Somit können auch Toleranzen von Gasentladungslampen gleichen Typs automatisch ausgeglichen werden.

Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad der Schaltung optimal gehalten und die Belastung der Gasentladungslampen so gering wie

• ·*

möglich gemacht. Die als gere^e^eS^Glfedfch^parax^ncjswandler ausgebildete Gleichspannungsquelle GSQ ist dabei spitzenspannungsbegrenzt, so daß er bei einer übermäßigen Belastung selbsttätig abschaltet.

Mit Hilfe des geregelten Gleichspannungswandlers kann aber nicht nur die Anlaufphase einer Gasentladungslampe optimal geregelt werden, sondern es kann auch die Helligkeit während des normalen Betriebs der Gasentladungslampe geregelt bzw. vorgewählt werden, wozu z.B. der mit dem Fototransistor in Reihe geschaltete Einstellwiderstand Radj der Regeleinrichtung RES benutzt werden kann.

Claims

ücße: I : :

1. Schaltung zum Erzeugen und Betreiben eines Plasmas (PLM) in einer Gasentladungsstrecke eines Lichtbogens, insbesondere von Hochdruck-Kaltkathoden-Gasentladungslampen, die aus mindestens einer geregelten Gleichspannungsquelle (GSQ), einer Regeleinrichtung (RES), einem Wechselrichter (WR) und einer Zündschaltung (ZSCH) besteht, dadurch gekennzeichnet,

daß die Gleichspannungsquelle (GSQ) von der Regeleinrichtung (RES) dem Betriebszustand des Plasmas (PLM) entsprechend geregelt wird,

daß die geregelte Gleichspannung (UGL) von dem nachgeschalteten Wechselrichter (WR) in eine für den Dauerbetrieb des Plasmas (PLM) erforderliche Wechselspannung (UAL) umgewandelt wird,

daß eine Zündschaltung (ZSCH) nur für die Zündung des Plasmas (PLM) Hochspannungs-Zündimpulse erzeugt, und

daß die Hochspannungs-Zündimpulse den Impulsen der Wechselspannung (UAL) überlagert werden.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die

Regeleinrichtung (RES) auf die Lichtintensität (LI) des Plasmas (PLM) anspricht und die Gleichspannung (UGL) der Gleichspannungsquelle (GSQ) nach Maßgabe dieser Lichtintensität regelt.

3. Schaltung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß

die Regeleinrichtung (RES) die Lichtintensität (LI) des Plasmas (PLM) auf photo-elektrischem Wege überwacht.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtintensität (LI) vorwählbar und während des Betriebes durch die Regeleinrichtung (RES) änderbar ist.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter (WR) nach dem Prinzip eines Flip-Flop (FFS)-gesteuerten Halbbrückenverstärkers (HBV) arbeitet und die von der Gleichspannungsquelle (GSQ) erzeugte Gleichspannung (UGL) in eine symmetrische, rechteckförmige Wechsel-

spannung (UAL) im Tonfrequenz^er^cn¹ mS-^ti itnmer^jiiaxjimalem Tastverhältnis und der halben Amplitude der Gleichspannung (UGL) umwandelt .

6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündschaltung (ZSCH) nadeiförmige Hochleistungsimpulse aus der Gleichspannung (UGL) synchron zu den Impulsen der Wechselspannung (UAL) erzeugt, und diese über einen Vorwiderstand (RV) an die Primärwicklung (Wl) eines Zündtransformators (ZTR) abgibt, wobei die Zündschaltung (ZSCH) mindestens zwei Zenerdioden (Zl, Z2), einen Kondensator (CZ), einen Steuertransformator (STR), eine weitere Zenerdiode (Z3) sowie einen potentialgetrennt angesteuerten Leistungs-MOSFET (TR3) aufweist.

7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bis zum Zünden des Plasmas (PLM) Impulse der Wechselspannung (UAL), insbesondere aber nur jeder zweite Impuls zum synchronen Erzeugen von Hochleistungsimpulsen dienen.

8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Gleichspannungsquelle (GSQ) erzeugte, geregelte Gleichspannung (UGL) zum Erzeugen der Hochleistungsimpulse bis zum Zünden des Plasmas (PLM) genutzt wird.

9. Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein nadeiförmiger Hochleistungsimpuls immer nur dann erzeugt wird, wenn die Lichtintensität (LI) des Plasmas (PLM) zu gering und eine Mindest-Gleichspannung (UGL) überschritten ist.

10. Schaltung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (Al) des Wechselrichters (WR) über die Sekundärwicklung (W2) des Zündtransformators (ZTR) und weiter über das Plasma (PLM) mit dem Ausgang (A2) der Gleichspannungsquelle (OSQ) verbunden ist.

11. Schaltung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Zündschaltung (ZSCH) erzeugten, nadeiförmigen Hochleistungsimpulse von dem Zündtransformator (ZTR) in Hochspannungs-Zündimpulse umgewandelt werden und durch die Wicklungen (Wl, W2) des Zündtransformators (ZTR) galvanisch getrennt

der rechteckförmigen Wechsels^anr^Ag (UAL) iüberj-^g^rt

werden.

12. Schaltung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Leistungs-MOSFET (TR3) und der Primärwicklung (Wl) in Reihe liegende Widerstand (RV) nur eine begrenzte Leistungsaufnahme hat und bei erfolglosem Zünden des Plasmas (PLM) nach einiger Zeit durchbrennt, um den Leistungs-MOSFET (TR3) zu schützen.

13. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungsguelle (GSQ) ein geregelter Gleichspannungswandler (GSW) ist.

14. Schaltung nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter (WR) im Halbbrückenverstärker (HBV) zwei MOSFETS (TRl, TR2) aufweist, die von einer Gate-Steuerschaltung (G-Ctrl) potentialgetrennt angesteuert sind.