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1. WO2006053529 - SCHALTUNGSANORDNUNG ZUM BETRIEB EINER HOCHDRUCKENTLADUNGSLAMPE

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]

Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Hochdruckentladungslampe

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

I. Stand der Technik
Eine derartige Schaltungsanordnung ist beispielsweise in der EP-A 0 868 833 offenbart. Diese Schrift beschreibt eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Hoch-druckentladungslampe mit einem als Wechselrichter ausgebildeten Spannungswandler, einen von dem Wechselrichter gespeisten Lastkreis, der mit Anschlüssen für eine Hochdruckentladungslampe und mit einer Drossel zur Begrenzung des Lampenstroms versehen ist, und eine Impulszündvorrichtung zum Zünden der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe aufweist. Die Schaltungsanordnung besitzt ferner einen Transformator zur galvanischen Trennung des Wechselrichters von dem Lastkreis und der Impulszündvorrichtung.

II. Darstellung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine vereinfachte Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Hochdruckentladungslampe bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.

Die erfmdungsgeniäße Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Hochdruckentladungslampe weist einen Spannungswandler, einen vom Spannungswandler gespeisten Lastkreis, der mit Anschlüssen für eine Hochdruckentladungslampe und mit einer Drossel zur Begrenzung des Stroms durch die Hochdruckentladungslampe versehen ist, sowie eine Impulszündvorrichtung zum Zünden der Gasentladung in der Hoch- druckentladungslampe auf, wobei die Drossel als Sekundärwicklung des Zündtransformators der Impulszündvorrichtung ausgebildet ist. Dadurch vereinfacht sich der Aufbau der Schaltungsanordnung im Vergleich zum Stand der Technik, da die Drossel zwei Funktionen übernimmt und ein Halbleiterschalter zum Deaktivieren der Im-pulszündvorrichtung nicht erforderlich ist. Außerdem ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Betrieb von Hochdruckentladungslampen geeignet, die keine separate Zündhilfselektrode besitzen.

Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Transformator zur Anpassimg der Eingangsspannung des Spannungswandlers an die im Lastkreis erforderliche Spannung und zur galvanischen Trennung zwischen dem Spannungswandler und dem Lastkreis vorgesehen. Vorzugsweise weist der Transformator zwei Sekundärwicklungen auf, wobei eine erste Sekundärwicklung zur Spannungsversorgung des Lastkreises und die zweite Sekundärwicklung, gegebenenfalls zusammen mit der ersten Sekundärwicklung, zur Spannungsversorgung der Impulszündvorrich-tung dient, um zusätzlich auch eine galvanische Trennung zwischen dem Spannungswandler und der Impulszündvorrichtung zu ermöglichen. Der vorgenannte Transformator dient nicht nur zur galvanischen Trennung, sondern erlaubt ferner, die Ausgangsspannung des Spannungswandlers auf einen höheren Wert zu transformieren. Alternativ kann anstelle des vorgenannten Transformator auch ein Spartransfor-mator verwendet werden, wenn eine galvanische Trennung zwischen Spannungswandler und Lastkreis bzw. Impulszündvorrichtung nicht erforderlich ist.

Um eine Spannungsüberlastung der im Lastkreis angeordneten Sekundärwicklung des Transformators zu verhindern, ist vorteilhafter Weise parallel zu dieser Sekundärwicklung ein spannungsbegrenzendes, bidirektionales Bauelement, beispielsweise eine bidirektionale Transildiode, die auch als Suppressor-Diode oder TVS-Diode bezeichnet wird, geschaltet.

Der Lastkreis weist vorteilhafter Weise mindestens einen in Serie zu der Drossel geschalteten Kondensator auf,, dessen Kapazität derart dimensioniert ist, dass er während des Lampenbetriebs, nach Beendigung der Zündphase der Hochdruckentla-dungslampe, eine partielle Kompensation der Induktivität der Drossel bewirkt, um die Verlustleistung in der Schaltung zu reduzieren. Falls eine verhältnismäßig kleine Sekundärinduktivität des Impulstransformators gewährleistet werden kann, so kann eine partielle Kompensation entfallen. Eine gewisse Größe der Sekundärinduktivität des Impulstransformators sollte zur Stabilisierung der Entladung in jedem Fall vor-handen sein, sofern die Stabilisierung nicht durch den Transformator zur Anpassung der Eingangsspannung des Spannungswandlers an die im Lastkreis bewerkstelligt wird, der hierzu eine entsprechend große sekundäre Streuinduktivität aufweisen müsste. Eine Stabilisierung der Entladung unter Einbeziehung beider Bauelemente ist ebenfalls möglich.

Der Spannungs wandler ist zwecks weiterer Vereinfachung der Schaltungsanordnung vorteilhafter Weise als Ein-Transistor- Wandler ausgebildet. Dies ist im Sinne eines einzigen hochfrequent geschalteten Transitstors zu verstehen. Die Schaltung zeichnet sich durch sehr geringe Schaltverluste aus, da durch die Wahl der Schaltfrequenz sowie des Tastverhältnisses die der Ansteuerung des Schalt-Transistors so erfolgt, dass dieser nur im spannungslosen Zustand ein- bzw. ausgeschaltet wird (zero-voltage switching, ZVS).

Vorzugsweise umfasst der Spannungswandler der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mindestens ein, in periodisch wiederkehrenden Zeitabständen schaltendes Schaltmittel, und Mittel zur Änderung der Schaltfrequenz des mindestens einen Schaltmittels nach erfolgter Zündung der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe, um auf einfache Weise eine Leistungsregelung der Hochdruckentladungslam-pe nach erfolgter Zündung der Gasentladung zu ermöglichen. Insbesondere sind die Mittel zur Änderung der Schaltfrequenz des mindestens einen Schaltmittels vorzugsweise derart ausgebildet sind, dass unmittelbar nach erfolgter Zündung der Gas-entladung in der Hochdruckentladungslampe eine sprunghafte Änderung der Schaltfrequenz des mindestens einen Schaltmittels erfolgt und anschließend, während der Hochlauf- oder Anlaufphase der Hochdruckentladungslampe eine kontinuierliche oder quasi-kontinuierliche Änderung der Schaltfrequenz erfolgt. Durch die sprunghafte Änderung der Schaltfrequenz wird die Zündvorrichtung deaktiviert und durch die kontinuierliche bzw. im Fall einer digitalen Steuervorrichtung quasi-kontinuier- - A - liche Änderung der Schaltfrequenz des mindestens einen Schaltmittels des Spannungswandlers wird eine Leistungsregelung der Hochdruckentladungslampe ermöglicht. Während des Hochlaufens bzw. Anlaufs der Hochdruckentladungslampe, d.h. während die Bestandteile des Entladungsmediums verdampfen, kann daher die Schaltfrequenz so eingestellt werden, dass die Hochdruckentladungslampe mit einer im Vergleich zu ihrer Nennleistung überhöhten Leistung betrieben wird, um die Zeitdauer der Anlaufphase zu verkürzen. Anschließend kann die Schaltfrequenz kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich verändert werden bis im stationären Betrieb der Hochdruckentladungslampe ein Endwert für die Schaltfrequenz erreicht ist, um die Hochdruckentladungslampe mit einer Leistung zvi betreiben, die im Wesentlichen ihrer Nennleistung entspricht.

III. Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 Eine schematische Schaltskizze der Schaltungsanordnung gemäß des ersten Ausführungsbeispiels

Figur 2 Eine schematische Schaltskizze der Schaltungsanordnung gemäß des zweiten Ausführungsbeispiels

Figur 3 Eine detaillierte Schaltskizze der Schaltungsanordnung gemäß des ersten Ausführungsbeispiels

Figur 4 Eine schematische Schaltskizze der Schaltungsanordnung gemäß des dritten Ausführungsbeispiels

Figur 5 Eine schematische Schaltskizze der Schaltungsanordnung gemäß des vierten Ausführungsbeispiels

Figur 6 Eine schematische Schaltskizze der Schaltungsanordnung gemäß des fünften Ausführungsbeispiels In der Figur 1 ist das erste Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung schematisch dargestellt. Diese Schaltungsanordnung beinhaltet einen EinTransistor-Spannungswandler, der an eine Gleichspannungsquelle UO angeschlossen ist und von der Primärwicklung LIa eines Transformators Tl sowie einem Halblei-terschalter S mit antiparallel geschalteter Diode D und einem parallel zum Schalter S geschalteten Kondensator Cl gebildet wird, und einen Lastkreis, der über den Transformator Tl an den Spannungswandler gekoppelt ist, sowie eine Impulszündvorrich-tung IZ, T2 zum Zünden der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe La. In dem Lastkreis sind die Sekundärwicklung LIb des Transformators Tl, die Drossel L2b, der Kondensator C2 und die Hochdruckentladungslampe La bzw. Anschlüsse für die Hochdruckentladungslampe La angeordnet. Die Drossel L2b ist außerdem als Sekundärwicklung des Zündtransformators T2 der Impulszündquelle ausgebildet.

Das in Figur 2 abgebildete zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel nur dadurch, dass ein Spartransformator Tl ' anstelle des Transformators Tl verwendet wird. Aus diesem Grund werden in den Figuren 1 und 2 für identische Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet. Der Lastkreis und der Spannungseingang der Impulszündvorrichtung IZ, T2 werden von dem Primär- LIa' und dem Sekundärwicklungsabschnitt LIb' des Spartransformators Tl' gespeist.

In der Figur 3 sind Details des ersten Ausführungsbeispiels sowie Einzelheiten der in den Figuren 1 und 2 als Blockschaltbild abgebildeten Impulszündvorrichtung IZ, T2 und des Halbleiterschalters S bzw. Q dargestellt. Der Halbleiterschalter S ist in Figur 3 als Feldeffekttransistor Q mit integrierter Body-Diode und parasitärer Kapazität dargestellt. Die Impulszündvorrichtung IZ, T2 wird mit Hilfe der beiden Sekundär-Wicklungen LIb, LIc des Transformators Tl von dem Ein-Transistor-Spannungswandler mit Energie versorgt. Während der Zündphase der Hochdruckentladungslampe La wird der Zündkondensator C3 über die Gleichrichterdiode D3 und den Widerstand R auf die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke FS aufgeladen. Beim Erreichen der vorgenannten Durchbruchsspannung entlädt sich der Zündkon-densator C3 über die Funkenstrecke FS und die Primärwicklung L2a des Zündtrans- formators T2. Dadurch werden in der Sekundärwicklung L2b des Zündtransformators T2 Hochspannungsimpulse generiert, die zur Zündung der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe La führen. Um eine Spannungsüberlastung der in den Lastkreis geschalteten ersten Sekundärwicklung LIb des Transformators Tl bzw. der Wicklungsabschnitte LIa', LIb' des Spartransformators Tl ' zu vermeiden, ist parallel zur ersten Sekundärwicklung LIb bzw. zu den Wicklungsabschnitten LIa', LIb' eine bidirektionale Suppressor-Diode D2 geschaltet. Zum Zünden der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe La wird der Feldeffekttransistor Q des Spannungswandlers mittels seiner Ansteuerungsvorrichtung ST mit einer Schaltfrequenz von ca. 220 kHz betrieben. Dadurch kann sich aufgrund der in der Tabelle angegebenen Dimensionierung der Bauteile an dem Zündkondensator C3 die erforderliche Durchbruchsspannung der Funkenstrecke FS aufbauen. Nach Beendigung der Zündphase wird die Schaltfrequenz des Transistors Q auf den Wert von 750 kHz umgeschaltet und anschließend, korrespondierend zum Verdampfen der Füllungsbestand-teile in dem Entladungsgefäß der Lampe La, bis auf 820 kHz erhöht. Während des Hochlaufs der Lampe wird dieser eine Leistung deutlich größer als der Nennleistung zugeführt, um einen schnellen Hochlauf, d.h. ein schnelles Verdampfen der Füllungsbestandteile zu gewährleisten. Im stationären Betrieb ist die Schaltfrequenz derart gewählt, dass die Hochdruckentladungslampe La mit ihrer Nennleistung von 35 Watt betrieben wird. Aufgrund der dann leitfähigen Entladungsstrecke der Hochdruckentladungslampe La werden nach Beendigung der Zündphase von der Impulszündvorrichtung keine weiteren. Hochspannungsimpulse generiert. Die in dem Lastkreis angeordnete, vom Lampenstrom durchflossene Sekundärwicklung L2b des Zündtransformators T2 dient nach Beendigung der Zündphase als den Lampenstrom begrenzende Drossel, das heißt, zur Stabilisierung der Entladung. Die Kapazität des in Serie zu der Sekundärwicklung bzw. Drossel L2b geschalteten Kondensators C2 ist derart dimensioniert, dass sie die Induktivität der Drossel L2b teilweise kompensiert, um den Spannungsabfall an der Drossel L2b auf das für die Stabilisierung der Entladung notwendige Maß zu begrenzen und dadurch die Verlustleistung in der Schaltung zu reduzieren.

In Figur 4 ist schematisch eine Schaltungsanordnung gemäß dem dritten Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Dieses Ausftihrungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausfuhrungsbeispiel nur dadurch, dass bei der Schaltungsanordnung gemäß dem dritten Ausfuhrungsbeispiel auf den Kondensator C2 verzichtet wurde und die Sekundärwicklung L2b des Zündtransformators 20 Windungen und eine Induktivität von 32 μiH besitzt. In allen anderen Details stimmt das dritte Ausführungsbeispiel mit dem in den Figuren 1 und 3 abgebildeten ersten Ausfuhrungsbeispiel überein. Daher wurden für identische Teile auch dieselben Bezugszeichen verwendet.

In Figur 5 ist schematisch eine Schaltungsanordnung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem dritten Ausführungsbeispiel nur dadurch, dass der Kondensator Cl durch die beiden Kondensatoren CIa und CIb ersetzt ist, wobei der Kondensator CIa parallel zur Schaltstrecke des Schalttransistors S und seiner Body-Diode D geschaltet ist und der Kondensator CIb parallel zur Sekundärwicklung LIb des Transformators Tl geschaltet ist. Die bidirektionale Suppressor-Diode D2 entfällt bei diesem Ausführungsbeispiel, weil der Kondensator CIb neben seiner Funktion zusammen mit CIa zusätzlich als spannungsbegrenzendes Bauelement wirkt und das Anliegen der vom Zündtransformator erzeugten Spannung an der Lampe sicherstellt. Für die Ka-pazitäten der Kondensatoren CIa, CIb und Cl ist folgende Bedingung erfüllt:


wobei kl, kla, klb die Kapazitäten der Kondensatoren Cl, CIa, CIb und nla, nlb die Windungszahlen der Primär- LIa bzw. Sekundärwicklung LIb des Transformators Tl bezeichnen.

Der Kondensator Cl bzw. CIa kann auch parallel zur Primärwicklung LIa des Transformators Tl geschaltet sein, anstatt parallel zum Schalttransistor S.

Die Kapazität Cl kann zur Anpassung an unterschiedliche Lastverhältnisse bzw. zur Gewährleistung der Schaltungsfunktion im Fall eines eingeschränkten Frequenzbe- reichs in ihrem Wert verändert werden. Vorteilhafterweise erfolgt dies in Stufen, wobei als Schalter MOSFET-Transistoren eingesetzt werden. MOSFET-Transistoren ermöglichen einen bidirektionalen Stromfluss im eingeschalteten Zustand und die im ausgeschalteten Zustand vorhandene Body-Diode stellt in dieser Anwendung kein Hindernis dar, da wegen der in der Schaltung vorhandenen Diode D keine negative Spannung über Cl auftreten kann, folglich die zur Variation von Cl eingesetzten Schalter keine Rückwärtssperrfahigkeit aufweisen müssen. Eine Ausführung zeigt Figur 6. Dabei kann beispielsweise CIa' und CIb' so dimensioniert werden, dass nach der Zündung der Lampe anstelle der Frequenzumschaltung, wie beim ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, eine Ansteuerung des MOSFETs Q2 mittels der Steuerschaltung ST erfolgt, um den Kondensator CIb' zu aktivieren bzw. deaktivieren, und im Gegensatz zu den obigen Ausführungen keine Umschaltung der Schaltfrequenz erfolgt. Die Ansteuerung von Q2 kann beispielsweise direkt durch einen Ausgang eines Mikrocontrollers erfolgen, ohne dass eine entsprechend schnelle Ga-te- Ansteuerschaltung wie im Fall von Ql nötig wäre. Im Extremfall kann CIa' gänzlich entfallen und deren Funktion ausschließlich von der parasitären Kapazität des MOSFETs Ql wahrgenommen werden. Die Umschaltung bzw. Variation von Cl so wie die Wahl von Cl sollte dabei so erfolgen, dass der Schalter S bzw. Q immer, d.h. sowohl während der Zündung als auch im nachfolgenden Betrieb, das Schalten im spannungslosen Zustand des Schalters (zero-voltage switching, ZVS) erfolgt.

Die in Figur 6 schematisch dargestellte Schaltungsanordnung gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel nur dadurch, dass der Kondensator Cl durch die beiden Kondensatoren CIa' und CIb' ersetzt ist, wobei der Kondensator CIa' parallel zur Schaltstrecke des Schalttransistors Ql und seiner Body-Diode geschaltet ist und die Serienschaltung bestehend aus dem Kondensator CIb' und einem zweiten Schalttransistor Q2 parallel zum Kondensator CIa' geschaltet ist. Daher wurden in den Figuren 3 und 6 für identische Bauteile dieselben Bezugszeϊchen verwendet.

Bei der Hochdruckentladungslampe La handelt es sich um eine quecksilberfreie Ha- logen-Metalldampf-Hochdruckgasentladungslampe mit einer nominalen Leistung von 35 W im stationären Betrieb und einer nominalen Lampenspannung von 45V für den Einsatz in einem Kraftfahrzeugscheinwerfer. Der Zündtransformator L2a, L2b weist, abgesehen von einem kleinen Luftspalt, einen in einem weichmagnetischen Material (z.B. Ferrit) geschlossenen magnetischen Kreis auf.

Tabelle: Dimensionierung der Komponenten der in den Figuren 1 und 3 abgebildeten Schaltungsanordnung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel

Cl 3,7 nF
C2 1,3 nF
C3 1O nF, 2000 V
D2 zwei P6KE520C in Reihe
D3 BY505
FS 1600 V
Q IRF740LC
R 20 kOhm
Tl EFD25, N49 mit Luftspalt
LIa 13 Windungen, 16 μH
LIb 46 Windungen
LIc 46 Windungen
L2a 1 Windung
L2b 19 Windungen, 63 μH, Ringkern mit Luftspalt (1 mm)
UO 42 V