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EP1741320A1 - Schaltungsanordnung zum betrieb von hochdruckentladungslampen und betriebsverfahren für eine hochdruckentladungslampe - Google Patents

Schaltungsanordnung zum betrieb von hochdruckentladungslampen und betriebsverfahren für eine hochdruckentladungslampe

Info

Publication number
EP1741320A1
EP1741320A1 EP05742608A EP05742608A EP1741320A1 EP 1741320 A1 EP1741320 A1 EP 1741320A1 EP 05742608 A EP05742608 A EP 05742608A EP 05742608 A EP05742608 A EP 05742608A EP 1741320 A1 EP1741320 A1 EP 1741320A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
voltage
circuit
pressure discharge
discharge lamp
ignition device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP05742608A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1741320B1 (de
Inventor
Günther Hirschmann
Daniel Lerchegger
Bernhard Siessegger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Osram GmbH
Original Assignee
Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH filed Critical Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Publication of EP1741320A1 publication Critical patent/EP1741320A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1741320B1 publication Critical patent/EP1741320B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B41/00—Circuit arrangements or apparatus for igniting or operating discharge lamps
    • H05B41/14—Circuit arrangements
    • H05B41/26—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from DC by means of a converter, e.g. by high-voltage DC
    • H05B41/28—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from DC by means of a converter, e.g. by high-voltage DC using static converters
    • H05B41/288—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from DC by means of a converter, e.g. by high-voltage DC using static converters with semiconductor devices and specially adapted for lamps without preheating electrodes, e.g. for high-intensity discharge lamps, high-pressure mercury or sodium lamps or low-pressure sodium lamps
    • H05B41/2881—Load circuits; Control thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
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    • H05B41/2821—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from DC by means of a converter, e.g. by high-voltage DC using static converters with semiconductor devices by means of a single-switch converter or a parallel push-pull converter in the final stage
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    • H05B41/2822—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from DC by means of a converter, e.g. by high-voltage DC using static converters with semiconductor devices by means of a single-switch converter or a parallel push-pull converter in the final stage using specially adapted components in the load circuit, e.g. feed-back transformers, piezoelectric transformers; using specially adapted load circuit configurations

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement for operating high-pressure discharge lamps according to the preamble of claim 1, a pulse ignition device and a high-pressure discharge lamp with a pulse ignition device and a method for operating a high-pressure discharge lamp.
  • the laid-open specification WO 98/18297 describes a push-pull converter which acts on a load circuit and a pulse ignition device galvanically separated therefrom with high-frequency alternating voltage via a transformer.
  • a high-pressure discharge lamp is connected in the load circuit.
  • the pulse ignition device supplies high-voltage pulses to an auxiliary ignition electrode of the high-pressure discharge lamp during the ignition phase.
  • the object of the invention to provide a generic circuit arrangement with an improved voltage supply for the pulse ignition device. len. Furthermore, the circuit arrangement according to the invention is intended to ensure high-frequency operation of the high-pressure discharge lamp with alternating voltages in the megahertz range and reliable ignition of the gas discharge in the lamp.
  • the circuit arrangement according to the invention for operating high-pressure discharge lamps has a voltage converter for generating an AC voltage and a transformer connected to it or designed as part of the voltage converter, the secondary winding of which feeds a load circuit which is provided with connections for a high-pressure discharge lamp and for the ignition voltage output of a pulse ignition device, and a series resonance circuit, which is provided for the voltage supply of the pulse ignition device during the ignition phase of the high-pressure discharge lamp.
  • an ignition transformer with a lower winding ratio between the secondary and primary winding and a correspondingly reduced inductance can be used for the pulse ignition device in order to provide the required ignition voltage for the high-pressure discharge lamp.
  • the reduced inductance of the ignition transformer has the advantage that after the gas discharge in the high-pressure discharge lamp has been ignited, a significantly reduced voltage drop occurs in the secondary winding of the ignition transformer through which the lamp current flows, and thus the losses in the transformer at the voltage output of the voltage converter and in the electronic components of the voltage converter can be significantly reduced.
  • the aforementioned series resonance circuit therefore enables the combination of a voltage converter, which is comparatively high operating frequencies are designed significantly above 100 kilohertz, with a pulse ignition device, the ignition transformer of which is connected directly in the load circuit supplied by the voltage converter and which, as described in the laid-open specification WO 98/18297, are not electrically isolated from the load circuit got to.
  • the topology of the circuit arrangement can thereby be considerably simplified.
  • an auxiliary ignition electrode can be dispensed with in the high-pressure discharge lamp.
  • the invention can be applied particularly advantageously to a single-stage voltage converter, in particular a voltage converter designed as a current-fed push-pull converter or as a class E converter, which does not generate an intermediate circuit voltage.
  • the circuit topology of these aforementioned single-stage voltage converters is comparatively simple and therefore inexpensive.
  • the aforementioned series resonant circuit is connected to the secondary winding of the transformer and, when a high-pressure discharge lamp is connected, is connected in parallel to the discharge path of the high-pressure discharge lamp.
  • a higher voltage is generated for the pulse ignition device on the components of the series resonance circuit than in the secondary winding of the transformer if the switching frequency of the voltage converter during the ignition phase of the high-pressure discharge lamp is close to the resonance frequency of the series resonance circuit.
  • the series resonance circuit is short-circuited by the now conductive discharge path of the high-pressure discharge lamp and the pulse ignition device is thereby deactivated.
  • the series resonance circuit is connected to the voltage converter on the primary side of the transformer.
  • the resonance inductance of the series resonance circuit is preferably designed as an autotransformer, the secondary winding of which can be connected to the voltage input of a pulse ignition device.
  • the deactivation of the pulse ignition device after the ignition phase of the high-pressure discharge lamp has ended can be done in a simple manner by a change, preferably an increase, in the Switching frequency of the voltage converter can be brought about.
  • the switching frequency of the voltage converter is close to the resonance frequency of the series resonance circuit.
  • a capacitor is advantageously arranged in the load circuit, which is connected in series with the pulse ignition device connected to the secondary winding of the ignition transformer and whose capacity is dimensioned such that it is suitable for the pulse ignition device generated ignition pulses essentially represents a short circuit and, after the gas discharge in the high-pressure discharge lamp has been ignited, partially compensates for the inductance of the ignition transformer through which the lamp current flows.
  • This capacitor can advantageously also be designed as a component of the series resonant circuit.
  • the series resonant circuit is designed according to an advantageous embodiment of the invention as part of a pulse ignition device, which, separate from the other components of the operating device of the high-pressure discharge lamp, is accommodated in the lamp base of the high-pressure discharge lamp.
  • a pulse ignition device which, separate from the other components of the operating device of the high-pressure discharge lamp, is accommodated in the lamp base of the high-pressure discharge lamp.
  • all high-voltage components are arranged in the lamp base, so that the interface between the operating device, which contains the voltage converter with the transformer at its voltage output, and the high-pressure discharge lamp is only subjected to a comparatively low voltage of less than 100 volts.
  • This interface therefore does not require high-voltage insulation, but only shields the high-frequency AC voltage in order to ensure sufficient electromagnetic compatibility of the operating device and the lamp.
  • this is achieved in a known manner by means of grounded, metallic housings or shields and coaxial cables, the shielding braid of which is also grounded.
  • the pulse ignition device according to the invention therefore also has a series resonance circuit which is connected to its voltage input and is used to increase the resonance of the supply voltage provided at the voltage input during the ignition phase.
  • a voltage-multiplying cascade circuit can also be used in the circuit arrangement or pulse ignition device in order to provide a higher input voltage than the induction voltage generated by the secondary winding of the transformer for the pulse ignition device.
  • the variant with the series resonance circuit has the advantage over that with the cascade circuit that it does not require any switching means for deactivating the pulse ignition device.
  • the voltage-multiplying cascade circuit is advantageously supplied with energy either directly from the voltage converter or from the secondary winding of the transformer at the voltage output of the push-pull converter. If the voltage-multiplying cascade circuit is used in combination with the series resonant circuit, then the voltage input of the cascade circuit is connected in parallel to a resonant circuit component and its voltage output is connected to the voltage input of the pulse ignition device.
  • a symmetrical voltage doubling circuit can be used in the circuit arrangement or pulse ignition device in order to provide a higher input voltage than the induction voltage generated by the secondary winding of the transformer for the pulse ignition device.
  • This symmetrical voltage doubling circuit can also be used in combination with the series resonance circuit described above.
  • the symmetrical voltage doubling circuit has the advantage of an approximately symmetrical current consumption during the positive and negative half-wave of the supply voltage and avoids an asymmetrical magnetic modulation of the core of the transformer at the voltage output of the voltage converter.
  • the symmetrical voltage doubling circuit is advantageously supplied with energy either directly from the voltage converter or from the secondary winding of the transformer at the voltage output of the push-pull converter. If the symmetrical voltage doubling circuit is used in combination with the series resonance circuit, then the voltage input of the symmetrical voltage doubling circuit is connected in parallel to a resonance circuit component and its voltage output is connected to the voltage input of the pulse ignition device.
  • the method according to the invention for operating a high-discharge lamp by means of a voltage converter and a pulse ignition device is characterized in that an increase in the supply voltage for the pulse ignition device is carried out during the ignition phase of the high-pressure discharge lamp with the aid of a series resonant circuit operated near its resonance frequency or by means of a voltage-multiplying cascade circuit ,
  • the mode of operation according to the invention enables reliable high-frequency operation of the high-pressure discharge lamp with alternating current frequencies which are far above the acoustic resonances of the discharge medium within the high-pressure discharge lamp.
  • the mode of operation according to the invention can ensure that, on the one hand, a sufficiently high ignition voltage is generated during the ignition phase of the high-pressure discharge lamp and, on the other hand, after the ignition phase has ended during lamp operation, the secondary winding of the ignition transformer through which the high-frequency lamp current flows does not cause unacceptably high power losses in the circuit arrangement .
  • the voltage converter is advantageously operated at a switching frequency close to the resonance frequency of the series resonance circuit in order to provide a resonance-excessive supply voltage for the pulse ignition device.
  • the switching frequency of the switching means of the voltage converter preferably increases a frequency significantly above the resonance frequency of the series resonance circuit to thereby deactivate the pulse ignition device.
  • Figure 1 is a circuit diagram of the circuit arrangement according to a first embodiment of the invention
  • Figure 2 is a circuit diagram of the circuit arrangement according to a second embodiment of the invention.
  • Figure 3 is a circuit diagram of the circuit arrangement according to a third embodiment of the invention.
  • Figure 4 is a circuit diagram of the circuit arrangement according to a fourth embodiment of the invention.
  • Figure 5 is a circuit diagram of the pulse ignition device for the first to fourth exemplary embodiment
  • Figure 6 is a circuit diagram of the circuit arrangement according to the fifth to eighth embodiment of the invention.
  • FIG. 7 shows a circuit diagram of a cascade circuit for supplying the pulse ignition device of the fifth exemplary embodiment shown in FIG. 6
  • FIG. 8 shows a circuit diagram of a combination of the cascade circuit with the pulse ignition device for the fifth exemplary embodiment shown in FIG.
  • FIG. 9 is a circuit diagram of a symmetrical voltage doubling circuit for supplying the pulse ignition device of the sixth exemplary embodiment shown in FIG. 6
  • FIG. 10 shows a circuit diagram of a combination of the symmetrical voltage doubler circuit with the pulse ignition device for the sixth exemplary embodiment shown in FIG. 6
  • FIGS. 1 to 8 are circuit arrangements and pulse ignition devices for operating a mercury-free metal halide high-pressure discharge lamp with an electrical power consumption of approximately 35 watts, which is intended for use in the headlight of a motor vehicle.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a circuit arrangement according to the invention for operating the above-mentioned mercury-free metal halide high-pressure discharge lamp.
  • a pulse ignition device for igniting the gas discharge is shown in the mercury-free metal halide high-pressure discharge lamp, which is accommodated in the lamp base.
  • the circuit arrangement comprises a DC voltage source UO, which is formed by the battery or alternator of the motor vehicle, and a choke L1, a capacitor C1, two controllable semiconductor switches S1, S2, each with a diode D1 and D2 and, respectively, connected in parallel therewith a transformer TI with two primary and one secondary winding.
  • the switches S 1, S2 are designed as field effect transistors (MOSFETS) and the diodes D 1 and D 2 are the so-called body diodes integrated in the field effect transistors S 1 and S2.
  • the inductor L1, the capacitor C l, the semiconductor switches S l, S2 with their diodes D l, D2 and the transformer TI are connected to one another in the manner of a current-fed push-pull converter, as described in the prior art cited above.
  • the choke L1 an approximately constant current is impressed on the center tap M1 between the two primary windings of the transformer TI which are polarized in the same direction.
  • the semiconductor switches S l, S2 switch alternately, so that one of the two switches S l, S2 is always closed.
  • the aforementioned components of the circuit arrangement form the operating part for the lamp, which is arranged in a housing, separately from the lamp.
  • a load circuit is connected to the secondary winding of the transformer TI the mercury-free metal halide high-pressure discharge lamp La and the pulse ignition device are equipped.
  • the pulse ignition device IZV comprises an ignition transformer T2, the secondary winding L2b of which is connected to the load circuit.
  • the voltage input of the pulse ignition device IZV is connected in parallel to the resonance capacitor C4.
  • the series resonance circuit C4, L3 is designed here as a component of the pulse ignition device IZV and is housed together with it in the base of the mercury-free metal halide high-pressure discharge lamp La.
  • the operating and ignition parts are connected to each other via shielded coaxial cables.
  • the second exemplary embodiment of the invention shown in FIG. 2 differs from the first exemplary embodiment described above only in that the components L3, C4 of the series resonant circuit are not designed as a component of the pulse ignition device IZV, but as a component of the operating part. For this reason, the same reference numerals have been used in FIGS. 1 and 2 for identical components.
  • the circuit arrangement shown in FIG. 3 according to the third exemplary embodiment differs from the first exemplary embodiment only in the additional capacitor C6 and the dimensioning of the capacitor C5. For this reason, the same reference numerals have been used in the exemplary embodiments in FIGS. 1 and 3 for identical components.
  • the capacitors C5. C6 and the inductor L3 together form a series resonance circuit which supplies the pulse ignition device IZV with energy during the ignition phase of the high-pressure discharge lamp La.
  • the voltage input of the pulse ignition device IZV is connected in parallel with the capacitors C5, C6 connected in series during the ignition phase of the lamp La.
  • the components C5, L3 of the series resonance circuit which are connected in parallel with the discharge path of the high-pressure discharge lamp La are replaced by the now conductive discharge path of the lamp La is short-circuited and the switching frequency of the current-fed push-pull converter is increased to such an extent that it is close to the resonance frequency of the series resonance circuit which is formed by the capacitor C6 now connected in series with the secondary winding L2b of the ignition transformer T2 and the aforementioned secondary winding L2b becomes.
  • the capacitor C6 partially compensates for the inductance of the secondary winding L2b of the ignition transformer T2 through which the lamp current flows, as a result of which the power losses in the semiconductor switches S 1, S2 of the push-pull converter and the transformer TI are reduced.
  • Table 1 shows a dimensioning for the components used in the first to third exemplary embodiments.
  • a circuit diagram of the pulse ignition device IZV for the aforementioned exemplary embodiments is shown in FIG. 5:
  • the field effect transistors S l, S2 are alternately switched by their control device (not shown), for example as a microcontroller control, with a switching frequency of 350 kilohertz, which corresponds to the resonance frequency of the Scrien resonance circuit L3, C4 or L3, C5, C6 corresponds.
  • a switching frequency of 350 kilohertz which corresponds to the resonance frequency of the Scrien resonance circuit L3, C4 or L3, C5, C6 corresponds.
  • the series resonance circuit components L3, C4 or L3, C5 are short-circuited by the now conductive discharge path of the lamp La, and as a result the input voltage provided at the resonance capacitor C4 or C5 and C6 is no longer sufficient for the pulse ignition device IZV, around the ignition capacitor Charge C3 to the breakdown voltage of the spark gap FS.
  • the switching frequency of the push-pull converter is raised to a center frequency of 550 kilohertz and frequency modulation of the alternating current in the load circuit is carried out with a frequency swing of 30 Hertz and a modulation frequency of 500 Hertz around the aforementioned center frequency.
  • the so-called start-up phase or the so-called power start-up of the lamp an excessive power is supplied to the lamp La in order to achieve a rapid evaporation of the filling components of the discharge medium of the high-pressure discharge lamp La and thus the full light emission of the lamp La in the shortest possible time .
  • the center frequency of the lamp alternating current is raised to the value of 715 kilohertz in order to ensure operation with the lamp power of 35 watts.
  • the frequency modulation of the lamp current described above serves to avoid acoustic resonances in the discharge medium of the lamp La. If the alternating current frequencies are sufficiently high, at which acoustic resonances are no longer significantly stimulated, frequency modulation can be dispensed with.
  • FIG. 4 shows the circuit arrangement in accordance with a fourth exemplary embodiment of the invention.
  • This circuit arrangement differs from the first exemplary embodiment only in that the choke L1 in the current-fed push-pull converter has been replaced by the autotransformer L4, L4b and the pulse ignition device IZV by the pulse ignition device IZV. Identical components have therefore been given the same reference numerals in FIGS. 1 and 4.
  • the function of the choke L1 is taken over by the primary winding L4 of the autotransformer L4, L4b.
  • the secondary winding L4b of the aforementioned autotransformer has ten times the number of turns of the primary winding L4 and is the pulse input with the voltage input. ignition device IZV connected.
  • the pulse ignition device IZV also has the structure shown in FIG. 5, but differs from the pulse ignition device IZV in the dimensions of its components.
  • the components of the pulse ignition device IZV and its ignition transformer T3 with the primary L3a and secondary winding L3b are dimensioned according to the information in Table 2.
  • the current-fed push-pull converter according to the fourth exemplary embodiment (FIG. 4) is operated with a switching frequency of 100 kilohertz.
  • the components L4, Cl and TI form a series resonance circuit during the aforementioned ignition phase, so that an input voltage of approximately 1000 volts generated on the secondary winding L4b by means of the resonance boosting method and increased according to the turns ratio of the secondary and primary winding of the autotransformer L4, L4b the pulse ignition device IZV is provided.
  • This input voltage is sufficient to charge the ignition capacitor C3 to the breakdown voltage of the spark gap FS and to generate high-voltage pulses for igniting the gas discharge in the high-pressure discharge lamp La by means of the ignition transformer T3.
  • the switching frequency of the push-pull converter is increased, as was already the case in the first exemplary embodiment.
  • the voltage drop across the autotransformer L4 is sufficient.
  • L4b is no longer sufficient to charge the ignition capacitor C3 to the breakdown voltage of the spark gap FS.
  • the deactivation of the pulse ignition device IZV at the end of the ignition phase can also be ensured by means of an additional switch.
  • the operation of the high-pressure discharge lamp La after its ignition phase has ended is identical to the first exemplary embodiment.
  • FIG. 6 A circuit arrangement according to the fifth to eighth exemplary embodiment is shown schematically in FIG.
  • This circuit arrangement comprises a current-fed push-pull converter, which is identical to the first exemplary embodiment is trained.
  • FIG. 6 also schematically shows the internal structure of the field effect transistors S1, S2 with their integrated body diodes and their barrier layer capacitance as well as the control device. Identical components therefore have the same reference numerals in FIGS. 1 and 6.
  • the fifth to eighth exemplary embodiments differ from the exemplary embodiments described above in that the input voltage for the pulse ignition device IZV "is not generated by means of a series resonance circuit, but rather by means of a voltage-multiplying circuit KK.
  • the circuit is KK designed as a three-stage cascade circuit, while in the seventh and eighth exemplary embodiment it is designed as a symmetrical voltage doubling circuit.
  • the input voltage U2 for the voltage multiplying circuit KK is provided on the secondary winding of the transformer TI.
  • the voltage input j1. j2 of the voltage multiplying circuit KK is connected in the load circuit in parallel to the secondary winding of the transformer T1.
  • the pulse ignition device IZV " is configured identically to the pulse ignition device IZV shown in FIG. 5 and the circuit KK is designed as a three-stage cascade circuit. Details of the three-stage cascade circuit are shown in FIG. 7. Information on the dimensioning of the three-stage Cascade connections are listed in Table 3. The output voltage Ul of the three-stage cascade connection is supplied to the voltage input of the pulse ignition device IZV ".
  • the push-pull converter is operated with a switching frequency of 100 kilohertz and the three-stage cascade connection increases the induction voltage of the secondary winding of the transformer TI in accordance with the number of its stages and provides the input voltage Ul for the Iiupulsziindvortechnisch IZV "at its voltage output
  • the three-stage cascade circuit is switched off by means of a switch (not shown) which interrupts its voltage supply, and lamp operation continues as in the first exemplary embodiment.
  • the sixth exemplary embodiment of the invention differs from the fifth exemplary embodiment only in that the pulse ignition device and the three-stage cascade circuit are linked together.
  • components of the three-stage cascade circuit such as capacitors C12, C22 and C23, also form components of the pulse ignition device at the same time. Components can be saved as a result.
  • FIG 8 the structure of the combination of three-stage cascade with the pulse ignition device is shown schematically. The function of the circuit arrangement and the operation of the lamp La are identical to the fifth embodiment.
  • the pulse ignition device IZV " is designed identically to the pulse ignition device IZV shown in FIG. 5 and the circuit KK is designed as a symmetrical voltage doubling circuit. Details of the symmetrical voltage doubling circuit are shown in FIG. 9. Details of the dimensioning of the symmetrical voltage doubling circuit are given listed in Table 4. The output voltage U 1 of the symmetrical voltage doubling circuit is supplied to the voltage input of the pulse ignition device IZV ".
  • the push-pull converter is operated with a switching frequency of 100 kilohertz and the symmetrical voltage doubling circuit doubles the induction voltage of the secondary winding of the transformer TI and provides the input voltage U 1 for the pulse ignition device IZV "at its voltage output.
  • the symmetrical voltage doubling circuit is switched off by means of a switch (not shown) which interrupts its voltage supply. The further lamp operation takes place as was already the case with the first exemplary embodiment.
  • the eighth embodiment of the invention differs from the seventh embodiment only in that the pulse ignition device and the symmetrical voltage doubling circuit are linked together.
  • components of the symmetrical voltage doubling circuit such as capacitors C7 and C8, also form components of the pulse ignition device at the same time. tung. Components can be saved as a result.
  • Figure 10 the structure of the combination of symmetrical voltage doubling circuit with the pulse ignition device is shown schematically. The function of the circuit arrangement and the operation of the lamp La are identical to the seventh embodiment.
  • the invention is not limited to the exemplary embodiments described in more detail above.
  • the invention can also be applied to a pulse ignition device, the ignition voltage output of which is provided for connection to the auxiliary ignition electrode of a high-pressure discharge lamp.
  • the voltage input of the voltage-multiplying cascade circuit and the symmetrical voltage doubling circuit can also be connected on the primary side to the push-pull converter and do not necessarily have to be supplied by the secondary winding T1b of the transformer T1.
  • Table 1 Dimensioning of the components of the circuit arrangements according to the first to third exemplary embodiment
  • TI EFD25, N59, without air gap, secondary 40 turns, two primary windings with 8 turns each.
  • IRF740 IRF740
  • Power-MOSFET International Rectifier
  • La mercury-free metal halide high-pressure discharge lamp nominal 35 watts, 45 volts C3 10 nF, 2.5 kV
  • Table 4 Dimensioning of the components of the symmetrical voltage doubling circuit according to FIGS. 9 and 10

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Circuit Arrangements For Discharge Lamps (AREA)

Description

Schaltungsanordnung zum Betrieb von Hochdruckentladungslampen und Betriebsverfahren für eine Hochdruckentladungslampe
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben von Hochdruckentladungslampen gemäß des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1, eine Impulszündvorrichtung und eine Hochdruckentladungslampe mit einer Impulszündvorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe.
I. Stand der Technik
5 Eine derartige Schaltungsanordniing ist beispielsweise in dem Artikel von Michael Gulko und Sam Ben-Yaakov „A MHz Electronic Ballast for Automotive-Type HID Lamps" IEEE Power Electronics Spccialists Conference, PESC-97, Seiten 39-45, St. Louis, 1997 beschrieben. In dieser Veröffentlichung wird ein stromgespeister Gegen- taktwandler offenbart, der über einen Transformator einen Lastkreis, in den eine
/( Hochdruckentladungslampe geschaltet ist, mit einer hochfrequenten Wechselspannung beaufschlagt. In den Lastkreis ist außerdem die Sekundärwicklung des Zündtransformators einer Zündvorrichtung geschaltet, welche die Zündspannung zum Zünden der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe generiert.
Die Offenlegungsschrift WO 98/18297 beschreibt einen Gegentaktwandler, der über 15 einen Transformator einen Lastkreis und eine galvanisch davon gelrennte Impulszündvorrichtung mit hochfrequenter Wechselspannung beaufschlagt. In den Lastkreis ist eine Hochdruckentladungslampe geschaltet. Die Impulszündvorrichtung liefert während der Zündphase Hochspannungsimpulse an eine Zündhilfselektrode der Hochdruckentladungslampe.
II. Darstelluniz der Erflnduntz
20 Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Schaltungsanordnung mit einer verbesserten Spannungsversorgung für die Impulszündvorrichtung bereitzustel- len. Ferner soll die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung einen Hochfrequenzbetrieb der Hochdruckentladungslampe mit Wechselspannungen im Megahertzbereich und eine sichere Zündung der Gasentladung in der Lampe gewährleisten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Betreiben von Hochdruckentladungslampen weist einen Spannungswandler zum Erzeugen einer Wechselspannung sowie einen daran angeschlossenen oder als Bestandteil des Spannungswandlers aus- gebildeten Transformator, dessen Sekundärwicklung einen Lastkreis speist, der mit Anschlüssen für eine Hochdruckentladungslampe und für den Zündspannungsausgang einer Impulszündvorrichtung versehen ist, und einen Serienresonanzkreis auf, der zur Spannungsversorgung der Impulszündvorrichtung während der Zündphase der Hochdruckentladungslampe vorgesehen ist. Mittels des vorgenannten Serienre- sonanzkreises wird während der Zündphase der Hochdruckentladungslampe an dem Spannungseingang der Impulszündvorrichtung eine aus der Ausgangsspannung des Spannungswandlers generierte, resonanzüberhöhte Versorgungsspannung bereitgestellt. Durch die mit dem Serienresonanzkreis bewirkte Resonanzüberhöhung der Versorgungsspannung kann für die Impulszündvorrichtung ein Zündtransformator mit einem geringeren Windungsverhältnis zwischen Sekundär- und Primärwicklung und einer dementsprechend reduzierten Induktivität verwendet werden, um die erforderliche Zündspannung für die Hochdruckentladungslampe bereitzustellen. Insbesondere bei Betriebsfrequenzen weit oberhalb von 100 Kilohertz hat die reduzierte Induktivität des Zündtransformators den Vorteil, dass nach erfolgter Zündung der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe ein deutlich verringerter Spannungsabfall an der vom Lampenstrom durchflossenen Sekundärwicklung des Zündtransformators auftritt und dadurch die Verluste in dem Transformator am Span- nungsausgang des Spannungswandlers und in den elektronischen Komponenten des Spannungswandlers deutlich reduziert werden. Der vorgenannte Serienresonanzkreis ermöglicht daher die Kombination eines Spannungswandlers, der für vergleichsweise hohe Betriebsfrequenzen deutlich oberhalb von 100 Kilohertz ausgelegt ist, mit einer Impulszündvorrichtung, deren Zündtransformator unmittelbar in dem vom Spannungswandler versorgten Lastkreis geschaltet ist und die nicht, wie in der Offenle- gungsschrift WO 98/18297 beschrieben, galvanisch getrennt von dem Lastkreis an- geordnet sein muss. Dadurch kann die Topologie der Schaltungsanordnung erheblich vereinfacht werden. Insbesondere kann bei der Hochdruckentladungslampe auf eine Zündhilfselektrode verzichtet werden. Besonders vorteilhaft kann die Erfindung auf einen einstufigen Spannungswandler, insbesondere einen als stromgespeisten Gegen- taktwandler oder als Klasse-E-Konverter ausgebildeten Spannungswandler, ange- wandt werden, der auf die Erzeugung einer Zwischenkreisspannung verzichtet. Die Schaltungstopologie dieser vorgenannten einstufigen Spannungswandler ist vergleichsweise einfach und daher kostengünstig.
Gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung ist der vorgenannte Serienresonanzkreis an die Sekundärwicklung des Transformators angeschlossen und, bei ange- schlossener Hochdruckentladungslampe, parallel zur Entladungsstrecke der Hochdruckentladungslampe geschaltet. Dadurch wird an den Bauteilen des Serienresonanzkreises eine höhere Spannung für die Impulszündvorrichtung generiert als in der Sekundärwicklung des Transformators, wenn die Schaltfrequenz des Spannungs- wandlcrs während der Zündphase der Hochdruckentladungslampe in die Nähe der Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises liegt. Nach Beendigung der Zündphase wird der Serienresonanzkreis durch die nun leitfähige Entladungsstrecke der Hochdruckentladungslampe kurzgeschlossen und dadurch die Impulszündvorrichtung deaktiviert.
Gemäß einer anderen bevorzugten Variante der Erfindung ist der Serienresonanz- kreis auf der Primärseite des Transformators in den Spannungswandler geschaltet. Zu diesem Zweck ist die Resonanzinduktivität des Serienresonanzkreises vorzugsweise als Spartransformator ausgebildet, dessen Sekundärwicklung mit dem Spannungseingang einer Impulszündvorrichtung verbindbar ist. Das Deaktivieren der Impulszündvorrichtung nach Beendigung der Zündphase der Hochdruckentladungslampe kann hier auf einfache Weise durch eine Änderung, vorzugsweise eine Erhöhung, der Schaltfrequenz des Spannungswandlers herbeigeführt werden. Während der Zündphase liegt die Schaltfrequenz des Spannungswandlers in der Nähe der Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises.
Um die Verlustleistung in der Schaltungsanordn ng weiter zu verringern, ist in vor- teilhafter Weise in dem Lastkreis ein Kondensator angeordnet, der bei angeschlossener Impulszündvorrichtung in Serie zur Sekundärwicklung des Zündtransformators geschaltet ist und dessen Kapazität derart dimensioniert ist, dass er für die von der Impulszündvorrichtung generierten Zündimpulse im wesentlichen einen Kurzschluss darstellt und nach erfolgter Zündung der Gasentladung in der Hochdruckentladungs- lampe eine teilweise Kompensation der Induktivität des vom Lampenstrom durch- flossenen Zündtransformators bewirkt. Dieser Kondensator kann vorteilhaft auch als Bestandteil des Serienresonanzkreises ausgebildet sein.
Der Serienresonanzkreis ist gemäß einer vorteilhaften Aus führungs form der Erfindung als Bestandteil einer Impulszündvorrichtung ausgebildet, die, getrennt von den übrigen Komponenten des Betriebgerätes der Hochdruckentladungslampe, in dem Lampensockel der Hochdruckentladungslampe untergebracht ist. Dadurch sind alle Hochspannung führenden Komponenten in dem Lampensockel angeordnet, so dass die Schnittstelle zwischen dem Betriebsgerät, das den Spannungswandler mit dem Transformator an seinem Spannungsausgang enthält, und der Hochdruckentladungs- lampe nur mit einer vergleichsweise geringen Spannung von weniger als 100 Volt beaufschlagt wird. Diese Schnittstelle erfordert daher keine Hochspannungsisolierung, sondern nur eine Abschirmung der Hochfrequenz- Wechselspannung, um eine ausreichende elektromagnetische Verträglichkeit des Betriebsgerätes und der Lampe zu gewährleisten. Beispielsweise wird das mittels geerdeter, metallischer Gehäuse bzw. Abschirmungen und Koaxialkabel, deren Abschirmgeflecht ebenfalls geerdet ist, in bekannter Weise erreicht.
Die erfindungsgemäße Impulszündvorrichtung besitzt daher zusätzlich zu den üblichen Komponenten noch einen Serienresonanzkreis, der mit ihrem Spannungseingang verbunden ist und zur Resonanzüberhöhung der am Spannungseingang bereit- gestellten Versorgungsspannung während der Zündphase dient. Alternativ oder zusätzlich zu dem vorgenannten Serienresonanzkreis kann auch eine spannungsvervielfachende Kaskadenschaltung in der Schaltungsanordnung oder Impulszündvorrichtung verwendet werden, um eine höhere Eingangsspannung als die von der Sekundärwicklung des Transformators generierte Induktionsspannung für die Impulszündvorrichtung bereitzustellen. Sie bietet in Kombination mit dem Spannungswandler ähnliche Vorteile wie der oben beschriebene Serienresonanzkreis. Allerdings hat die Variante mit dem Serienresonanzkreis gegenüber der mit der Kaskadenschaltung den Vorteil, dass sie kein Schaltmittel zum Deaktivieren der Impulszündvorrichtung benötigt.
Die spannungsvervielfachende Kaskadenschaltung wird in vorteilhafter Weise entweder direkt von dem Spannungswandler oder von der Sekundärwicklung des Transformators am Spannungsausgang des Gegentaktwandlers mit Energie versorgt. Falls die spannungsvervielfachende Kaskadenschaltung in Kombination mit dem Serienresonanzkreis verwendet wird, dann ist der Spannungseingang der Kaskadenschaltung parallel zu einem Resonanzkreisbauteil geschaltet und ihr Spannungsausgang mit dem Spannungseingang der Impulszündvorrichtung verbunden.
Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung kann alternativ zu der oben beschriebenen spannungsvervielfachcnden Kaskadenschaltung eine symmetrische Span- nungsverdoppelungsschaltung in der Schaltungsanordnung oder Impulszündvorrich- tung verwendet werden, um eine höhere Eingangsspannung als die von der Sekundärwicklung des Transformators generierte Induktionsspannung für die Impulszündvorrichtung bereitzustellen. Sie bietet in Kombination ähnliche Vorteile wie die oben beschriebene Kaskadenschaltung, wenn eine Spannungsverdoppelung ausreichend ist. Diese symmetrische Spannungsverdoppelungsschaltung kann auch in Kombina- tion mit dem oben beschriebenen Serienresonanzkreis verwendet werden. Die symmetrische Spannungsverdoppelungsschaltung hat den Vorteil einer annähernd symmetrische Stromaufnahme während der positiven und negativen Halbwelle der Versorgungsspannung und vermeidet eine unsymmetrische magnetische Aussteuerung des Kerns des Transformators am Spannungsausgang des Spannungswandlers. Die symmetrische Spannungsverdoppelungsschaltung wird in vorteilhafter Weise entweder direkt von dem Spannungswandler oder von der Sekundärwicklung des Transformators am Spannungsausgang des Gegentaktwandlers mit Energie versorgt. Falls die symmetrische Spannungsverdoppelungsschaltung in Kombination mit dem Serienresonanzkreis verwendet wird, dann ist der Spannungseingang der symmetrische Spannungsverdoppelungsschaltung parallel zu einem Resonanzkreisbauteil geschaltet und ihr Spannungsausgang mit dem Spannungseingang der Impulszündvorrichtung verbunden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Hochentladungslampe mittels eines Spannungswandlers und einer Impulszündvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass während der Zündphase der Hochdruckentladungslampe mit Hilfe eines nahe seiner Resonanzfrequenz betriebenen Serienresonanzkreises oder bzw. und mittels einer spannungs vervielfachenden Kaskadenschaltung eine Erhöhung der Versorgungsspannung für die Impulszündvorrichtung durchgeführt wird.
Die erfindungsgemäße Betriebsweise ermöglicht einen zuverlässigen Hochfrequenzbetrieb der Hochdruckentladungslampe mit Wechselstromfrequenzen, die weit oberhalb der akustischen Resonanzen des Entladungsmediums innerhalb der Hochdruckentladungslampe liegen. Insbesondere kann durch die erfindu gsgemäße Betriebsweise gewährleistet werden, dass einerseits während der Zündphase der Hochdruck- entladungslampe eine ausreichend hohe Zündspannung generiert wird und andererseits nach Beendigung der Zündphase während des Lampenbetriebs die vom hochfrequenten Lampenstrom durchflossene Sekundärwicklung des Zündtransformators keine unzumutbar hohen Leistungsverluste in der Schaltungsanordnung verursacht. Während der Zündphase der Hochdruckentladungslampe wird der Spannungswandler in vorteilhafter Weise mit einer Schaltfrequenz nahe der Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises betrieben, um eine resonanzüberhöhte Versorgungsspannung für die Impulszündvorrichtung bereitzustellen. Nach Beendigung der Zündphase wird die Schaltfrequenz der Schaltmittel des Spannungswandlers vorzugsweise zu einer Frequenz deutlich oberhalb der Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises verlagert, um die Impulszündvorrichtung dadurch zu deaktivieren.
III. Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Nachstehend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 Eine Schaltskizze der Schaltungsanordnung gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung
Figur 2 Eine Schaltskizze der Schaltungsanordnung gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung
Figur 3 Eine Schaltskizze der Schaltungsanordnung gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung
Figur 4 Eine Schaltskizze der Schaltungsanordnung gemäß eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung
Figur 5 Eine Schaltskizze der Impulszündvorrichtung für das erste bis vierte Aus- führungsbeispiel
Figur 6 Eine Schaltskizze der Schaltungsanordnung gemäß des fünften bis achten Ausführungsbeispiels der Erfindung
Figur 7 Eine Schaltskizze einer Kaskadenschaltung zur Versorgung der Impulszündvorrichtung des in Figur 6 abgebildeten fünften Ausführungsbeispiels Figur 8 Eine Schaltskizze einer Kombination der Kaskadenschaltung mit der Impulszündvorrichtung für das in Figur 6 abgebildete fünfte Ausführungsbeispiel
Figur 9 Eine Schaltskizze einer symmetrischen Spannungsverdoppelungsschaltung zur Versorgung der Impulszündvorrichtung des in Figur 6 abgebildeten sechsten Ausführungsbeispiels Figur 10 Eine Schaltskizze einer Kombination der symmetrischen Spannungsver- doppelungsschaltung mit der Impulszündvorrichtung für das in Figur 6 abgebildete sechste Ausführungsbeispiel
Bei den in Figuren 1 bis 8 abgebildeten Ausführungsbeispielen der Erfindung handelt es sich um Schaltungsanordnungen und Impulszündvorrichtungen für den Betrieb einer quecksilberfreien Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe mit einer elektrischen Leistungsaufnahme von ca. 35 Watt, die für den Einsatz in dem Scheinwerfer eines Kraftfahrzeugs vorgesehen ist.
In Figur 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsan- Ordnung zum Betreiben der oben genannten quecksilberfreien Halogen-Metalldampf- Hochdruckentladungslampe abgebildet. Zusätzlich ist auch eine Impulszündvorrichtung zum Zünden der Gasentladung in der quecksilberfreien Halogen-Metalldampf- Hochdruckentladungslampe abgebildet, die in dem Lampensockel untergebracht ist. Die Schaltungsanordnung umfasst eine Gleichspannungsquelle UO, die von der Bat- terie bzw. Lichtmaschine des Kraftfahrzeugs gebildet wird, und eine Drossel Ll , einen Kondensator C l , zwei steuerbare Halbleiterschaltcr S l , S2 mit jeweils einer parallel dazu geschalteten Diode Dl bzw. D2 und einen Transformator TI mit zwei Primär- und einer Sekundärwicklung. Die Schalter S l , S2 sind als Feldeffekttransistoren (MOSFETS) ausgebildet und bei den Dioden Dl bzw. D2 handelt es sich um die in den Feldeffekttransistor S l bzw. S2 integrierte sogenannte Body-Diode. Die Drossel Ll, der Kondensator C l, die Halbleiterschalter S l , S2 mit ihren Dioden D l , D2 und der Transformator TI sind nach der Art eines stromgespeisten Gegentakt- wandlers, wie in dem oben zitierten Stand der Technik beschrieben, miteinander verschaltet. Mit Hilfe der Drossel Ll wird an dem Mittenabgriff M l zwischen den bei- den gleichsinnig gepolten Primärwicklungen des Transformators TI ein näherungs- weise konstanter Strom eingeprägt. Die Halbleiterschalter S l, S2 schalten alternierend, so dass immer einer der beiden Schalter S l, S2 geschlossen ist. Die vorgenannten Komponenten der Schaltungsanordnung bilden den Betriebsteil für die Lampe, der in einem Gehäuse, separat von der Lampe angeordnet ist. An die Sekundärwick- lung des Transformators TI ist ein Lastkreis angeschlossen, der mit Anschlüssen für die quecksilberfreie Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe La und die Impulszündvorrichtung ausgestattet ist. Die Impulszündvorrichtung IZV umfasst einen Zündtransformator T2, dessen Sekundärwicklung L2b in den Lastkreis geschaltet ist. Parallel zu der Sekundärwicklung des Transformators Tl, die den Span- nungsausgang des stromgespeisten Gegentaktwandlers bildet, ist ein Serienresonanzkreis angeschlossen, der aus der Resonanzinduktivität L3 und dem Resonanzkondensator C4 besteht. Der Spannungseingang der Impulszündvorrichtung IZV ist parallel zu dem Resonanzkondensator C4 geschaltet. Der Serienresonanzkreis C4, L3 ist hier als Bestandteil der Impulszündvorrichtung IZV ausgebildet und zusammen mit dieser in dem Sockel der quecksilberfreien Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungs- lampe La untergebracht. Das Betriebs- und Zündteil sind hier über abgeschirmte Koaxialkabel miteinander verbunden.
Das in Figur 2 abgebildete zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheidet sich von dem oben beschrieben ersten Ausführungsbeispiel nur dadurch, dass die Komponenten L3, C4 des Serienresonanzkreises nicht als Bestandteil der Impulszündvorrichtung IZV, sondern als Bestandteil des Betriebsteils ausgebildet sind. Aus diesem Grund wurden in den Figuren 1 und 2 für identische Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet.
Die in Figur 3 abgebildete Schaltungsanordnung gemäß des dritten Ausführungsbei- spiels unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel nur durch den zusätzlichen Kondensator C6 und die Dimensionierung des Kondensators C5. Aus diesem Grund wurden bei den Ausführungsbeispielen in den Figuren 1 und 3 für identische Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet. Die Kondensatoren C5. C6 und die Induktivität L3 bilden zusammen einen Serienresonanzkreis, der während der Zünd- phase der Hochdruckentladungslampe La die Impulszündvorrichtung IZV mit Energie versorgt. Der Spannungseingang der Impulszündvorrichtung IZV ist zu diesem Zweck parallel zu den während der Zündphase der Lampe La in Serie geschalteten Kondensatoren C5, C6 geschaltet. Nach Beendigung der Zündphase werden die parallel zu der Entladungsstrecke der Hochdruckentladungslampe La geschalteten Bau- teile C5, L3 des Serienresonanzkreises durch die nun leitfähige Entladungsstrecke der Lampe La kurzgeschlossen und die Schaltfrequenz des stromgespeisten Gegen- taktwandlers wird so weit erhöht, dass sie nahe der Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreise liegt, der von dem nun in Serie zu der Sekundärwicklung L2b des Zündtransformators T2 geschalteten Kondensators C6 und der vorgenannten Sekun- därwicklung L2b gebildet wird. Der Kondensator C6 bewirkt, nach Beendigung der Zündphase, während des Lampenbetriebs eine partielle Kompensation der Induktivität der vom Lampenstrom durchflossenen Sekundärwicklung L2b des Zündtransformators T2, wodurch die Verlustleistungen in den Halbleiterschaltern S 1 , S2 des Ge- gentaktwandlers und dem Transformator TI reduziert werden.
In der Tabelle 1 ist eine Dimensionierung für die in dem ersten bis dritten Ausführungsbeispiel verwendeten Bauteile angegeben. Eine Schaltskizze der Impulszündvorrichtung IZV für die vorgenannten Ausführungsbeispiele ist in der Figur 5 abgebildet:
Während der Zündphase der Hochdruckentladungslampe La werden die Feldeffekt- transistoren S l , S2 von ihrer, beispielsweise als Mikrocontroller-Steuerung ausgebildeten Ansteuerungsvorrichtung (nicht abgebildet) alternierend mit einer Schaltfrequenz von 350 Kilohertz geschaltet, die der Resonanzfrequenz des Scrienresonanz- kreises L3, C4 bzw. L3, C5, C6 entspricht. An der Sekundärwicklung des Transformators TI wird dadurch eine Wechselspannung von derselben Frequenz generiert, aus der mittels des vorgenannten Serienresonanzkreises eine durch Resonanz überhöhte Wechselspannung von ca. 2500 Volt erzeugt wird. An dem Kondensator C4 bzw. an der Serienschaltung der Kondensatoren C5, C6 steht daher für die Impulszündvorrichtung IZV eine entsprechend hohe Eingangsspannung Ul zur Verfügung, die ausreicht, um den Zündkondensator C3 der Impulszündvorrichtung IZV über die Gleichrichterdiode D3 und den Widerstand Rl auf die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke FS der Impulszündvorrichtung IZV aufzuladen. Beim Durchbruch der Funkenstrecke FS entlädt sich der Kondensator C3 über die Primärwicklung L2a des Zündtransformators T2 und in seiner Sekundärwicklung L2b werden Flochspan- nungszündimpulse von bis zu 30000 Volt zum Zünden der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe La generiert. Nach erfolgter Zündung der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe La werden die Serienresonanzkreisbauteile L3, C4 bzw. L3, C5 durch die nun leitfähige Entladungsstrecke der Lampe La kurzgeschlossen und dadurch reicht die an dem Resonanzkondensator C4 bzw. C5 und C6 bereitgestellte Eingangsspannung für die Impulszündvorrichtung IZV nicht mehr aus, um den Zündkondensator C3 auf die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke FS aufzuladen. Nach erfolgter Zündung der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe La wird die Schaltfrequenz des Gegentaktwandlers auf eine Mittenfrequenz von 550 Kilohertz angehoben und eine Frequenzmodulation des Wechselstroms im Lastkreis mit einem Frequenzhub von 30 Hertz und einer Modulationsfrequenz von 500 Hertz um die vorgenannte Mittenfrequenz durchgeführt. Während dieser Betriebsphase, der sogenannten Anlaufphase oder dem sogenannten Leistungsanlauf der Lampe, wird der Lampe La eine überhöhte Leistung zugeführt, um ein schnelles Verdampfen der Füllungskomponenten des Entladungsmediums der Hochdruckentladungslampe La und damit in möglichst kurzer Zeit die volle Lichtemission der Lampe La zu errei- chen. Am Ende des vorgenannten Leistungsanlaufs wird die Mittenfrequenz des Lampenwechselstroms auf den Wert von 715 Kilohertz angehoben, um den Betrieb bei der Lampcnncnnlcistung von 35 Watt zu gewährleisten. Die oben beschriebene Frequenzmodulation des Lampenstroms dient zur Vermeidung von akustischen Resonanzen in dem Entladungsmcdium der Lampe La. Bei ausreichend hohen Wech- selstromfrequenzen, bei denen akustische Resonanzen nicht mehr in nennenswertem Maße angeregt werden, kann auf die Frequenzmodulation verzichtet werden.
In der Figur 4 ist die Schaltungsanordnung gemäß eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung abgebildet. Diese Schaltungsanordnung unterscheidet sich von der ersten Ausführungsbeispiels nur dadurch, dass die Drossel Ll in dem stromge- speisten Gegentaktwandler durch den Spartransformator L4, L4b und die Impulszündvorrichtung IZV durch die Impulszündvorrichtung IZV ersetzt wurde. Identische Bauteile wurden daher in den Figuren 1 und 4 mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Funktion der Drossel Ll wird in dem vierten Ausführungsbeispiel von der Primärwicklung L4 des Spartransformators L4, L4b übernommen. Die Sekun- därwicklung L4b des vorgenannten Spartransformators besitzt die zehnfache Windungszahl der Primärwicklung L4 und ist mit dem Spannungseingang der Impuls- zündvorrichtung IZV verbunden. Sie versorgt diese während der Zündphase der Hochdruckentladungslampe La mit Energie. Die Induktivität der Primärwicklung L4 beträgt 75 μH. Die Impulszündvorrichtung IZV besitzt ebenfalls den in der Figur 5 dargestellten Aufbau, unterscheidet sich aber durch die Dimensionierung ihrer Bau- teile von der Impulszündvorrichtung IZV. Die Bauteile der Impulszündvorrichtung IZV und ihr Zündtransformator T3 mit der Primär- L3a und Sekundärwicklung L3b sind gemäß der Angaben in der Tabelle 2 dimensioniert.
Während der Zündphase der Hochdruckentladungslampe La wird der stromgespeiste Gegentaktwandler gemäß des vierten Ausführungsbeispiels (Figur 4) mit einer Schaltfrequenz von 100 Kilohertz betrieben. Die Bauteile L4, Cl und TI bilden während der vorgenannten Zündphase einen Serienresonanzkreis, so dass an der Sekundärwicklung L4b eine mittels der Methode der Resonanzüberhöhung generierte und noch entsprechend des Windungsverhältnisses von Sekundär- und Primärwicklung des Spartransformators L4, L4b erhöhte Eingangsspannung von ungefähr 1000 Volt für die Impulszündvorrichtung IZV bereitgestellt wird. Diese Eingangsspannung reicht aus, um den Zündkondensator C3 auf die Durchbruchsspannung der Fun- kenstrecke FS aufzuladen und mittels des Zündtransformators T3 Hochspannungsimpulse zum Zünden der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe La zu generieren. Nach erfolgter Zündung der Gasentladung in der Hochdruckentladungs- lampe La wird die Schaltfrequenz des Gegentaktwandlers, wie bereits oben bei dem ersten Ausführungsbeispiel wurde, angehoben. Durch die Erhöhung der Schaltfrequenz reicht der Spannungsabfall an dem Spartransformator L4. L4b nicht mehr aus, um den Zündkondensator C3 auf die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke FS aufzuladen. Gegebenenfalls kann das Deaktivieren der Impulszündvorrichtung IZV am Ende der Zündphase aber auch mittels eines zusätzlichen Schalters sichergestellt werden. Der Betrieb der Hochdruckentladungslampe La nach Beendigung ihrer Zündphase ist identisch zu dem ersten Ausführungsbeispiel.
In der Figur 6 ist eine Schaltungsanordnung gemäß des fünften bis achten Ausführungsbeispiels schematisch dargestellt. Diese Schaltungsanordnung umfasst einen stromgespeisten Gegentaktwandler, der identisch zum ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet ist. In Figur 6 ist im Unterschied zur Figur 1 auch der interne Aufbau der Feldeffekttransistoren Sl, S2 mit ihren integrierten Body-Dioden und ihrer Sperr- schichtkapazität sowie der Ansteuerungsvorrichtung schematisch dargestellt. Identische Bauteile tragen daher in den Figuren 1 und 6 dieselben Bezugszeichen. Das fünfte bis achte Ausführungsbeispiel unterscheiden sich von den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen dadurch, dass die Eingangsspannung für die Impulszündvor- richtung IZV" nicht mittels eines Serienresonanzkreises, sondern mittels einer span- nungsvervielfachenden Schaltung KK erzeugt wird. Bei dem fünften und sechstens Ausführungsbeispiel ist die Schaltung KK als dreistufige Kaskadenschaltung ausge- bildet, während sie bei dem siebten und achten Ausführungsbeispiel als eine symmetrische Spannungsverdoppelungsschaltung ausgebildet ist. Die Eingangsspannung U2 für die spannungsvervielfachende Schaltung KK wird an der Sekundärwicklung des Transformators TI bereitgestellt. Der Spannungseingang j l . j2 der spannungs- verviel fachenden Schaltung KK ist parallel zu der Sekundärwicklung des Transfor- mators Tl in den Lastkreis geschaltet.
Gemäß des fünften Alisführungsbeispiels der Erfindung ist die Impulszündvorrich- lung IZV" identisch zu der in Figur 5 dargestellten Impulszündvorrichtung IZV ausgebildet und die Schaltung KK als dreistufige Kaskadenschaltung ausgeführt. Details der dreistufigen Kaskadenschaltung sind in der Figur 7 abgebildet. Angaben zur Di- mensionierung der dreistufigen Kaskadenschaltung sind in der Tabelle 3 aufgeführt. Die Ausgangsspannung Ul der dreistufigen Kaskadenschaltung wird dem Span- nungseingang der Impulszündvorrichtung IZV" zugeführt. Während der Zündphase der Hochdruckentladungslampe La wird der Gegentaktwandler mit einer Schaltfre- quenz von 100 Kilohertz betrieben und die dreistufige Kaskadenschaltung erhöht die Induktionsspannung der Sekundärwicklung des Transformators TI entsprechend der Anzahl ihrer Stufen und stellt an ihrem Spannungsausgang die Eingangsspannung Ul für die Iiupulsziindvorrichtung IZV" zur Verfügung. Am Ende der Zündphase wird die dreistufige Kaskadenschaltung mittels eines Schalters (nicht abgebildet), der ihre Spannungsversorgung unterbricht, abgeschaltet. Der weitere Lampenbetrieb erfolgt wie bereits bei dem ersten Ausführungsbeispiel wurde. Das sechste Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheidet sich von dem fünften Ausführungsbeispiel nur dadurch, dass die Impulszündvorrichtung und die dreistufige Kaskadenschaltung miteinander verquickt sind. Das heißt, Bauteile der dreistufigen Kaskadenschaltung, wie zum Beispiel die Kondensatoren C12, C22 und C23, bilden auch gleichzeitig Bauteile der Impulszündvorrichtung. Dadurch können Bauteile eingespart werden. In Figur 8 ist der Aufbau der Kombination von dreistufiger Kaskadenschaltung mit der Impulszündvorrichtung schematisch dargestellt. Die Funktion der Schaltungsanordnung und der Betrieb der Lampe La sind identisch zu dem fünften Ausführungsbeispiel.
Gemäß des siebten Alisführungsbeispiels der Erfindung ist die Impulszündvorrichtung IZV" identisch zu der in Figur 5 dargestellten Impulszündvorrichtung IZV ausgebildet und die Schaltung KK als symmetrische Spannungsverdoppelungsschaltung ausgeführt. Details der symmetrische Spannungsverdoppelungsschaltung sind in der Figur 9 abgebildet. Angaben zur Dimensionierung der symmetrische Spannungsver- doppelungsschaltung sind in der Tabelle 4 aufgeführt. Die Ausgangsspaniuing U l der symmetrische Spannungsverdoppelungsschaltung wird dem Spannungseingang der Impulszündvorrichtung IZV" zugeführt. Während der Zündphase der Hochdruckentladungslampe La wird der Gegentaktwandler mit einer Schaltfrcquenz von 100 Kilohertz betrieben und die symmetrische Spannungsverdoppelungsschaltung verdoppelt die Induktionsspannung der Sekundärwicklung des Transformators TI und stellt an ihrem Spannungsausgang die Eingangsspannung U l für die Impulszündvorrichtung IZV" zur Verfügung. Am Ende der Zündphase wird die symmetrische Spannungsverdoppelungsschaltung mittels eines Schalters (nicht abgebildet), der ihre Spannungsversorgung unterbricht, abgeschaltet. Der weitere Lampenbetrieb erfolgt wie bereits bei dem ersten Ausführungsbeispiel wurde.
Das achte Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheidet sich von dem siebten Ausführungsbeispiel nur dadurch, dass die Impulszündvorrichtung und die symmetrische Spannungsverdoppelungsschaltung miteinander verquickt sind. Das heißt, Bauteile der symmetrische Spannungsverdoppelungsschaltung, wie zum Beispiel die Kondensatoren C7 und C8, bilden auch gleichzeitig Bauteile der Impulszündvorrich- tung. Dadurch können Bauteile eingespart werden. In Figur 10 ist der Aufbau der Kombination von symmetrischer Spannungsverdoppelungsschaltung mit der Impulszündvorrichtung schematisch dargestellt. Die Funktion der Schaltungsanordnung und der Betrieb der Lampe La sind identisch zu dem siebten Ausführungsbeispiel.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die oben näher beschriebenen Ausführungsbeispiele. Beispielsweise kann die Erfindung auch auf eine Impulszündvorrichtung angewandt werden, deren Zündspannungsausgang zum Anschließen an die Zündhilfselektrode einer Hochdruckentladungslampe vorgesehen ist. Der Spannungseingang der spannungsvervielfachenden Kaskadenschaltung und der symmetrischen Spannungsverdoppelungsschaltung können auch primärseitig mit dem Gegentaktwandler verbunden sein und müssen nicht unbedingt von der Sekundärwicklung Tlb des Transformators T 1 gespeist werden.
Tabelle 1: Dimensionierung der Bauteile der Schaltungsanordnungen gemäß des ersten bis dritten Ausfuhrungsbeispiels
Cl 1.0 nF, FKPl (WIMA)
C4 33 pF C5 35 pF
C6 570 pF
Ll 60 μH, 20Wdg. auf RM5, N49 (EPCOS)
L3 4,6 mH, EFD15, N49, 300 Wdg. (EPCOS)
TI EFD25, N59, ohne Luftspalt, Sekundär: 40 Wdg., zwei Primärwicklungen mit jeweils 8 Wdg.
T2 Primär: 1 Wdg., Sekundär: 20 Wdg.
L2b 60 μH
51 (& Dl) IRF740, Power-MOSFET (International Rectifier)
52 (& D2) IRF740, Power-MOSFET (International Rectifier) U0 nominal 42 Volt, zulässig: 30Volt bis 58 Volt
La quecksilberfreie Halogen-Metalldampf-Hochdruckent- ladungslampe, nominal 35 Watt, 45 Volt C3 10 nF, 2,5 kV
D3 zwei Dioden BY505 in Reihe geschaltet FS 2000 Volt Rl 30 Kilo-Ohm
Tabelle 2: Dimensionierung der Bauteile der Impulszündvorrichtung IZV gemäß des vierten Ausführungsbeispiels
C3 70 nF, 1000 Volt D3 BY505 FS 800 Volt Rl 12 Kilo-Ohm T3 Primär: 1 Wdg., Sekundär: 40 Wdg. L3b 60 μH Tabelle 3: Dimensionierung der Bauteile der dreistufigen Kaskadenschaltung gemäß Figur 7
C11,C21,C31 l,0nF,FKPl(WIMA)
C12, C22, C32 33 nF, FKP1 (WIMA) D11,D21,D31 US1M
D12,D22,D32 US1M
FS 2000 Volt
R2 1000 Ohm
Tabelle 4: Dimensionierung der Bauteile der symmetrischen Spannungsverdoppe- lungsschaltung gemäß Figur 9 und 10
R3 30000 Ohm
D4, D5 BY505
C7, C8 22 nF, 1200 Volt
FS 2000 Volt

Claims

Patentansprüche
1. Schaltungsanordniing zum Betreiben von Hochdruckentladungslampen, wobei die Schaltungsanordnung folgende Merkmale aufweist, - Einen Spannungswandler (S 1 , S2) zum Erzeugen einer Wechselspannung, - Einen Transformator (TI) mit einer Sekundärwicklung (Tlb), der an den Spannungswandler (S l, S2) angeschlossen oder als Bestandteil des Spannungswandlers (Sl, S2) ausgebildet ist, - Einen Lastkreis, der von der Sekundärwicklung (Tlb) des Transformators (TI) gespeist wird und Anschlüsse für eine Hochdruckentladungslampe (La) und den Zündspannungsausgang einer Impulszündvorrichtung (IZV) aufweist, die zum Zünden der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe (La) dient, dadurch gekennzeichnet, dass ein Serienresonanzkreis (L3, C4) oder eine spannungsvervielfachende Kaskadenschaltung oder eine symmetrische Span- nungsverdoppelungsschaltung oder die Kombination eines Serienresonanz- kreises mit einer spannungsvervielfachenden Kaskadenschaltung oder einer symmetrischen Spannungsverdoppelungsschaltung zur Spannlingsversorgung der Impulszündvorrichtung (IZV) während der Zündphase der Hochdruckentladungslampe (La) vorgesehen ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Serienresonanzkreis (L3, C4) an die Sekundärwicklung (Tl b) des Transformators (TI ) angeschlossen ist und, bei angeschlossener Hochdruckentladungslampe, parallel zur Entladungsstrecke der Hochdruckentladungslampe (La) geschaltet ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Serienresonanzkreis primärseitig an den Transformator (TI) angeschlossen ist.
4. Schaltungsanordniing nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzinduktivität des Serienresonanzkreises als Spartransformator (L4, L4b) ausgebildet ist, dessen Sekundärwicklung (L4b) mit dem Spannungseingang einer Impulszündvorrichtung verbindbar ist.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Lastkreis ein Kondensator (C6) angeordnet ist, der bei angeschlossener Im- pulszündvorrichtung (IZV) in Serie zur Sekundärwicklung (L2b) des Zündtransformators (T2) der Impulszündvorrichtung (IZV) geschaltet ist und derart dimensioniert ist, dass er für die von der Impulszündvorrichtung (IZV) generierten Zündimpulse im wesentlichen einen Kurzschluss darstellt und nach erfolgter Zündung der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe (La) eine teilweise Kompensation der Induktivität des Zündtransformators (L2b) bewirkt.
6. Schaltungsanordniing nach Anspruch 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (C6) als Bestandteil des Serienresonanzkreises ausgebildet ist.
1. Schaltungsanordniing nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die spannungsvervielfachende Kaskadenschaltung während der Zündphase der Hochdruckentladungslampe (La) von der Sekundärwicklung (Tlb) des Transformators (TI) mit Energie versorgt wird.
8. Schaltungsanordniing nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungseingang der spannungsverviel fachenden Kaskadenschaltung auf der Primärseite des Transformators (TI) in den Spannungswandler (Sl . S2) geschaltet ist.
9. Schaltungsanordniing nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die symmetrische Spannungsverdoppelungsschaltung während der Zündphase der Hochdruckentladungslampe (La) von der Sekundärwicklung (Tlb) des Transformators (TI) mit Energie versorgt wird.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungseingang der symmetrischen Spannungsverdoppelungsschaltung auf der Primärseite des Transformators (TI) in den Spannungswandler (Sl, S2) geschaltet ist.
1 1. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler (S 1 , S2) als stromgespeis- ter Gegentaktwandler ausgebildet ist.
12. Impulszündvorrichtung zum Zünden einer Gasentladung in einer Hochdruckentladungslampe, wobei die Impulszündvorrichtung (IZV) einen Spannungs- eingang für ihre Versorgungsspannung besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulszündvorrichtung (IZV) einen Serien- resonanzkreis (L3, C4) aufweist, der mit dem Spannungseingang verbunden ist und zur Resonanzüberhöhung der am Spannungseingang bereitgestellten Versorgungsspannung während der Zündphase dient, oder eine spannungsvervielfachende Kaskadenschaltung oder eine symmetrische Spannungsver- doppclungsschaltung oder die Kombination eines Serienresonanzkreises mit einer spannungsverviel fachenden Kaskadenschaltung oder einer symmetrischen Spannungsverdoppelungsschaltung besitzt, deren Alisgangsspannung dem Zündtransformator (T2 bzw. T3) zugeführt wird.
13. Impulszündvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulszündvorrichtung (IZV) einen Kondensator (C6) besitzt, der in Serie zur Sekundärwicklung (L2b) des Zündtransformators (T2) der Impulszündvorrichtung (IZV) geschaltet ist, als Bestandteil des Serienresonanzkreises (C5, C6, L3) ausgebildet ist und derart dimensioniert ist. dass er für die von der Zündvorrichtung (IZV) generierten Zündspannungsimpulse im wesentlichen einen Kurzschluss darstellt und nach erfolgter Zündung der Gasentla- düng in der Hochdruckentladungslampe (La) eine teilweise Kompensation der Induktivität des Zündtransformators (L2b) bewirkt.
14. Hochdruckentladungslampe mit einer im Lampensockel angeordneten Impulszündvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13.
5. Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe mittels eines Spannungswandlers und einer Impulszündvorrichtung, wobei die Versorgungsspannung für die Impulszündvorrichtung mit Hilfe des Spannungswandlers generiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass während der Zündphase der Hochdruckentladungslampe mit Hilfe eines nahe seiner Resonanz betriebenen Serienresonanzkreises oder einer Spannungsvervielfachenden Kaskadenschaltung oder einer symmetrische Spannungsverdoppelungsschaltung oder mittels der Kombination eines Serienresonanzkreises mit einer spannungsvervielfachen- den Kaskadenschaltung oder einer symmetrischen Spannungsverdoppelungs- schaltung eine Erhöhung der Versorgungsspannung für die Impulszündvorrichtung durchgeführt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckentladungslampe nach erfolgter Zündung der Gasentladung in der Hoch- druckentladungslampe mit Wechselspannungen betrieben wird, deren Frequenz oberhalb der Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises liegt.
17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die spannungsvervielfachende Kaskadenschaltung nach erfolgter Zündung der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe deaktiviert wird.
18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die symmetrische Spannungsverdoppelungsschaltung nach erfolgter Zündung der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe deaktiviert wird.
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