CN102860135A - 启动气体放电灯的方法和控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种方法，用来在从无电弧的闭合状态转换到稳定地产生光线的状态时运行气体放电灯（16），在此方法中，升压-电容器（C2）在紧接着点火电压脉冲后面的接续阶段中通过电路放电，该电路传导了流经气体放电灯（16）的电流，并且在该电路中，电感（L1）与至少一个开关（S5）串联。该方法的特征在于，所述升压电容器（C2）通过所述开关（S5）的多次交替地闭合和开启来有节奏地放电。独立权利要求涉及一种用来实施该方法的控制电路。

Description

启动气体放电灯的方法和控制电路

技术领域

本发明涉及一种按权利要求1前序部分所述的方法，并涉及一种按独立的装置权利要求的前序部分所述的控制电路。

背景技术

这种方法和这种控制电路分别是已知的。在运行气体放电灯时，尤其在运行用在机动车的照明装置中的气体放电灯时，在两个电极之间在充满了气体的玻壳中产生电弧。当从无电弧的闭合状态转换到稳定地产生光线的状态时，可区分为多个阶段，它们称为点火、接续、开动。接在后面的是电弧稳定燃烧的正常运行。

为了点火，点火电压脉冲首先施加到电极上。该点火电压脉冲非常短，并且使气体微团在电极之间的电场进行离子化。在商业上通用的用于机动车前大灯的气体放电灯中，脉冲状的点火电压的高度在20和30千伏。

随后在称为接续的阶段中，存储在升压电容器中的能量用来如此强烈地加速离子化的气体微团，使得通过冲击离子化在电极之间产生雪崩状的载流子击穿，它点燃并保持电弧。

在此，先前充电达约400伏的升压-电容器C2的电压下降至在稳定的运转状态下出现的燃烧电压。对于含汞的灯来说，该燃烧电压约为80伏。无汞灯以43伏的燃烧电压来运转。通常适用的是，燃烧电压按灯的规格可在30伏和120伏之间。该接续阶段例如长几百微秒。

接在接续阶段后面的是气体放电灯16的开动以及短暂的直流运行，该直流运行用来快速地加热电极。直流电阶段的典型长度约为50微秒。在第一直流电阶段之后，通常是具有反向极性的长度相同的第二直流电阶段。

随后，气体放电灯在正常运转中以频率为250Hz至800Hz、尤其为400Hz的交流电压运行，并以两个电极之间的燃烧电压运行，该燃烧电压的值与灯的规格有关并且在30和120伏之间。借助交流电压的运转用来限制电极烧损。

在此上下文中，本发明涉及升压电容器的被称为接续的放电阶段，借助此阶段由于充电加速和冲击离子化为雪崩式击穿提供能量。接续这一概念指在电弧中的过渡。

此外，气体放电灯的接续性能还与在接续阶段过程能量有关。为了实现安全可重复的接续，也就是说，为了可靠地构建电弧，必要的是，源自升压电容器的放电电流的电流流动的持续时间超过预先设定的最小值，并且放电电流的电流强度在此持续时间内既不低于预先设定的最小值，也不超出预先设定的最大值。

在最大值上的限定用来保护气体放电灯和引导放电电流的电路元件，以免遭受高得不允许的电流负荷。相反，不低出最小值和最少的持续时间是必要的，以便避免在升压电容器放电之后电弧的熄灭。

当气体放电灯从无电弧的闭合状态转换到稳定产生光线的状态时，升压电容器在紧接在点火电压脉冲后面的接续阶段中通过电路放电，该电路传导了流经气体放电灯的电流，并且在该电路中电感与至少一个开关串联。在现有技术中，该电感由提供点火脉冲的点火变压器的次级电感构成，并且放电电流通过与升压电容器串联的放电电阻流出。

升压电容器因此作为能源施加到由放电电阻和气体放电灯构成的串联电路上。该放电电阻因此提高了放电电流回路中的电阻，这在时间上拖延了放电，并且减少了放电电流的高度。

在这种电路中，存储在升压电容器中的能量在放电时与放电电阻和气体放电灯的阻抗成比例地分布在放电电阻和气体放电灯上。放电电阻的一部分能量在该处转换成热量，并因此不能用来构建和保持电弧。在气体放电灯冷起动时，它具有比放电电阻更小的值，因此放电电阻中大部分存储的能量无用地转化成热量。

尤其在电阻的环境温度扩展为150℃时，在技术和经济上很难为放电电阻设定适宜的尺寸。

发明内容

在此背景下，本发明的目的是，给出一种分别前述类型的方法和控制电路，它们确保，为实现成功接续，与其状态、尤其是其类型、新旧、制造商以及由制造引起的性能波动无关地将所需的能量传输到气体放电灯中，其中不会出现所述的与一个或多个放电电阻的尺寸设定有关的技术和经济困难。

此目的分别借助独立权利要求中的一项的特征得以实现。在其方法角度上，本发明规定，升压电容器通过开关的多次交替地闭合和开启来有节奏地放电。

相应地，本发明在它的装置角度上规定，控制电路是这样设计的，即升压电容器通过开关的多次交替地闭合和开启来有节奏地放电。

因此，获得了在开关控制的节奏中出现的、在放电电流强度的上升值和下降值之间的交替。通过交替，可产生期望的平均的放电电流强度，它位于预先设定的界限值以下。因此，电流限制的目的得以实现。与现有技术的放电电阻不同的是，电感将存储于升压电容器中的能量的落在该电感上的那部分不是不可逆转地转化成热量，而是可逆转地转化成磁性的场能，该场能在开关断开时的作用是，即使在开关断开时也能保持穿过气体放电灯的电流。因此，穿过灯的电流在开关断开时只是延迟地衰减。

因此结果是达到了这样的优点，即尽可能大部分存储于升压电容器中的能量可用于接续，也就是说，用来触发雪崩状击穿，并在气体放电灯的电极之间产生稳定的电弧。换言之，与现有技术相比，通过本发明可使更大部分的存储于升压电容器中的能量传递到气体放电灯上。

与现有技术的放电电阻相比，参与的构件承受更小的热负荷，并且尺寸可设定得用于更小的载流能力，并因此更小且更便宜。

升压电容器还可由于能量利用率更高而缩小。还可应用其它的电容器类型，例如电解质电容器或陶瓷层电容器，来代替在现有技术中所用的薄膜电容器。陶瓷电容器的缺点是，它的电容在高电压下只有它在更低电压值时电容的不到40％。这一点通过有节奏地放电的更高效率来补偿。

此外，与现有技术相比，放电电流直接在点火之后更快地上升。这一点对接续表现有积极影响。在热点火时平均明显更高的接续电流对热点火表现有积极影响。通过改变节奏频率和/或它的节奏比例来对影响接续电流的时间进程，同样也是有利的。

有节奏的升压-放电的时间控制原则上已可通过时间控制的节奏器就能实现，而不需费时费力的额外布线。

从独立权利要求、说明书和附图中得出其它的优点。

应理解，以上提到的以及下面还将阐述的特征不仅可在各自说明的组合中应用，而且可在其它组合或者单独地应用，而不会离开本发明的范围。

附图说明

在附图中示出了本发明的实施例，并在以下描述中进行详细阐述。在此，在不同附图中用相同的附图标记分别表示相同的元件。其中分别以示意的形式示出了：

图1示出了按本发明的控制电路的第一实施例；

图2示出了按现有技术和按本发明的电路中的升压电容器的放电电流的变化曲线，用来说明按本发明的方法；以及

图3示出了按本发明的控制电路的第二实施例。

具体实施方式

图1详细地示出了控制电路10，它通过接头12、14连接到气体放电灯16上，并通过接头18、20连接到电能供应站22上。在优选的构造方案中，气体放电灯16是指机动车照明装置的气体放电灯，尤其是指具有集成点火设备的类型为D1或D3或D5的灯。但本发明还可用于具有外部点火设备的类型为D2、D4或D6的灯。电能供应站22在这种情况下是指电源或机动车整车电源中的电压源，例如机动车电池。

在所示的构造方案中，气体放电灯16具有燃烧器24，即充满了气体的玻壳，其具有两个电极和集成的点火设备，其中图1示出了点火变压器的次级电感26。此次级电感26与燃烧器24串联连接地位于接头12和14之间的电路中，并且设计为，作为对相应激励的反应通过点火变压器的未示出的初线线圈的磁场来产生高度为几kV（高度尤其为20至30kV）的点火电压脉冲。

通过燃烧器24的电流由控制电路10的控制模块27来控制，该控制模块为此闭合了多个不同的通过开关S1至S5延伸的电路。在气体放电灯16接通之前，DC/DC-变换器将电容器C1和C2增压到电压U1的第一数值，并在气体放电灯16的电弧稳定燃烧时提供电压U1的稳定的第二数值。

控制模块27设计得用来控制按本发明的方法及其构造方案中的一个的流程。在构造方案中，控制模块27是具有计算和存储能力的集成开关电路，它的程序编制为，可控制这种方法。

在优选的构造方案中，第一数值约为400V。第二数值，即燃烧电压根据灯的规格各在30伏和120伏之间。在所示的实施例中，该电压U1相对于地电势是负30。但是，所述电路的原理也可用于正电压U1。但在这种情况下，自振荡二极管D1、D2、D3、D4和D5在相反的方向上连接。电容器C2是升压电容器。电容器C2是滤波电容器。

电阻R1是用于升压电容器C2的充电电阻，并在开关S5闭合时被桥接。因此，它不会承载放电电流，并且不与现有技术的放电电阻比较，该放电电阻在该处引导放电电流，并因此把存储在升压电容器2中的能量转换成热量。

在按本发明的控制电路10的图1所示的构造方案中，放电电阻在其功能方面通过电感L1以及与该电感L1串联地位于放电电路中的开关S5一起来替代，以及通过有节奏地开启和闭合开关S5的控制模块27来代替，所述功能是指限制放电电流并因此在时间上延缓放电的持续时间。

下面描述了所示的控制电路10关于接续阶段的表现。开关S5、S1和S4在第一方法步骤中在点火之前闭合。开关S2和S3是断开的。

在变换器输出端上首先存在着约400伏的电压。U1相对于用三角形30表示的参考电势是负的。升压电容器C2充电至该电压。没有电流流经电感L1。

短的高电压点火脉冲的结果是，气体放电灯16可以使电流在它的两个电极之间引导。电压U1由于该电流而耗散。电感L1的U1侧的上端部相对于C2侧的下端部是正的，因此通过电感L1产生电压。电压驱使电流经过电感L1，此电流由升压电容器C2供应。电荷会减少，因此升压电容器C2的存储的能量也会减少。升压电容器C2的能量损失分布在气体放电灯16和电感L1的磁场上。

在现有技术中未流入气体放电灯中的能量份额在欧姆式的放电电阻中不可逆地转换成热量，与之不同的是，能量在此是可逆地存储在电感L1的磁场中。

在放电电流的电流强度能够上升到临界数值之前，在另一方法步骤中再次断开放电电流回路中的开关（例如开关S5）。然后，电感L1的磁场会瓦解，这通过电感效应导致电流通过电感L1只是延迟地返回，其中该电流在开关S5断开时通过自振荡二极管D1在参考电势上封闭。一旦返回的放电电流强度下降到足够的程度，则开关S5在另一方法步骤中再次被闭合。放电电流再次上升，则形成磁场，等等。结果是，升压电容器C2有节奏地放电，其中可在接续阶段应用大部分电容存储的能量，用来产生和稳定燃烧器24中的电弧。

通过此方法，并通过选择开关S5的相应的接通和闭合时间，流经该灯的接续电流（

）可在预定的界限内自由调节，因此不会超过预先设定的最大值，并且不会低出依赖于时间范围的最小值，该最小值对于电弧的维持是必要的。

该基本原理可用于DC/DC-变换器的起始电压U1的正值和负值。所示的控制电路10设计得用于U1的负值。对于U1的正值来说，必须建造具有反向极性的自振荡二极管D1、D2、D3、D4和D5。

图2以定性的形式中示出了在现有技术中放电电流随时间变化的曲线32，并与曲线34比较，该曲线34是通过按本发明的控制电路并结合按本发明的方法实现的。在该曲线32中，放电电流首先上升到原则上不利的很高的最大值，以便随后相对较速地下降。

相反在曲线34中，在数值低于曲线32的最大值时，通过打开与电感L1串联位于放电电路中的开关来中断上升，该上升与图2的视图不同首先比上升32更陡且因此更快地进行。随后，该开关有节奏地再次闭合和打开，因此产生了所示的电流曲线34，在该流动曲线中平均的电流强度比曲线32保持得相对更长时间。为了实现更可靠的接续表现，有利的是，该平均的电流强度保持最少约300μs，并且在此流过约3安培的放电电流。从曲线32和34的比较中可以看出，电流曲线34比电流曲线32更能满足这些要求。此外，在曲线34中没有曲线32的不利的高起始最大值，其会在放电电阻通流中的放电电阻和其它元件（连同气体放电灯16自身）产生强烈的热负荷。

在与升压电容器C2的放电联系在一起的接续阶段中，借助过去的直流电运行来实现气体放电灯的开动。直流电阶段的典型长度是50微秒。通常，长度相同的第二直流电阶段以相反的极性接在第一直流电阶段上。随后，气体放电灯在正常运行中以频率为250Hz至800Hz、尤其约400Hz的交流电压，并以燃烧电压在两个电极之间运行，该燃烧电压按灯的规格在30伏和120伏之间。为此，在通过开关S4和S1实现的电流和备选电流之间交替地切换，该备用电流是通过由开关S1、S2、S3、S4构成的H-电桥的开关S3和S2实现。该切换是通过控制模块27实现的，该开关相应地断开和闭合。开关S1至S5优选是晶体管。借助交流电压的运行用来限制电极烧损。这一点也类似地适用于图3的内容。

图3示出了控制电路110，作为按本发明的控制电路的第二实施例。该控制电路110与图1的控制电路10的区别在于，它没有单独的电感L1和单独的开关S5也能有节奏地实现升压电容器C2的放电。在此点火变压器（Zündübertrager）的次级电感26以及构成H-电桥的开关S1、S2、S3、S4中的至少一个用来实现升压电容器C2的放电，来代替图1的控制电路10的电感L1。在接续阶段，电路110以下述方式来工作。

开关S1和S4在点火之前闭合。开关S2和S3是断开的。在气体放电灯16点火之后，因为DC/DC-变换器的构建的电压U1由于电弧引起的电流通过燃烧器24击穿该灯。这一点在脱耦二极管D1上引起了电压差，其开始引导。在实践中，滤波电容器C1和升压电容器C2的并联以及因此起始电压U1现在通过H-电桥直接施加到点火部件上。这一点通过燃烧器24和点火变压器的次级电感26导致了随时间上升的电流。在达到极限电流时，要么两个引导电流的开关S1和S4都是断开的，用来确保自振荡并且防止DC/DC-变换器28的C1侧的输出端上的超电压，要么只有下面的引导电流的开关S4是断开的。现在不再有电流流过H-电桥。

下面首先观察两个引导电流的H-电桥开关S4和S1都断开的情况。那么，次级电感26迫使电流通过上方断开的H-电桥开关S2的自振荡二极管D3到滤波电容器C1上。通过次级电感26的电流下降，直到开关S1和S4再次接通。在滤波电容器C1上可能出现超电压。

备选的是，下面观察下述情况，即只有电势上较高的、引导电流的H-电桥开关S4是断开的，而电势上较低的S1保持闭合。那么，次级电感26还通过电势上较低的、断开的H-电桥开关S2的自振荡二极管D3和电势上较低的、闭合的H-电桥开关S1运行电流再次经过气体放电灯16。在该滤波电容器C1上不会产生超电压，因为电流回路是闭合的。经过气体放电灯16的电流开始下降。在一定时间之后，H-电桥的先前打开的开关S4再次闭合。经过气体放电灯16的电流开始再次上升，并因此经过燃烧器24以及经过次级电感26的电流也开始再次上升。

另一构造方案规定，只有电势上较低的、引导电流的H-电桥开关S1是断开的。在这种情况下，次级电感26再次通过电势上较高的、开启的H-电桥开关S3的自振荡二极管D4，并通过闭合的、电势上较高的H-电桥开关S4运行电流再次经过气体放电灯16。在该滤波电容器C1上不会产生超电压，因为电流回路是闭合的。经过电感26或经过燃烧器24的电流开始下降。在一定时间之后，H-电桥的先前打开的开关S1再次闭合。经过燃烧器24以及次级电感26的电流也开始再次上升。

对于这三个描述的构造方案来说都适用的是，通过选择开关S4或开关S1和S4的相应的接通和闭合时间，可在预定的界限内自由调节流经气体放电灯16的接续电流。因此，不会超过最大值，并且不会低于依赖于时间范围的最大值，该最大值对于电弧的保持是必要的。在构造方案中，通过各自所用的控制电路的相应编程或电路技术方面的实施，可实现这种时间控制。这一点与图1所示的特殊构造形式无关。

在应用了点火电路的次级电感26的控制电路110中，在控制电路10中所用的单独的电感L1和开关S5都可以省略。控制电路10、110的基本原理既可用于DC/DC-变换器28的正的起始电压U1，也可用于负的起始电压U1。借助二极管D1和D5的所示连接方向，所示的控制电路126设计得用于DC/DC-变换器28的起始电压U1的相对于接地30为负的数值。对于U1的正值来说，脱耦二极管D1和自振荡二极管D2、D3、D4和D4以反向的流动和截止方向连接。

此外，控制电路110按与控制电路10相同的基本原理来工作，该基本原理是指有节奏地结合电感的能量存储器的放电。就此而言，用于图1的控制模块26的构造方案的实施形式也适用于图3的控制模块126。

本方法的构造方案规定，测量放电电流的电流强度，如果该电流强度超过预定的第一阈值，则断开该至少一个开关；如果该电流强度低出预定的第二阈值，则将它闭合。

在此，第一阈值确定为预先设定的参考值和以及预定的波动幅度的一部分的总和，而第二阈值确定为参考值和预先设定的第二阈值之间的差异。

因此产生了滞后-特性。为了通过滞后调节器来控制，通过灯的接续电流由测量装置来探测，并与参考信号进行比较。该测量装置在图3中通过测量电阻36并结合在测量电阻36上的电压评估在控制模块126中实现。另一构造方案相似地规定，按图1的电路具有这种测量电阻36，并与用来测量电压的控制模块27结合起来。

在达到了由参考值和滞后的一部分（例如一半）组成的总和时，图1中的控制电路10的开关S5或开关S4或图3中的控制电路110的开关S1和S4闭合。在低出有关滞后的一部分（例如一半）的参考值时，该开关或这些开关再次接通。平均会产生与参考值成比例的电流。该参考值可再次根据其它参数来形成，例如DC/DC-变换器28的起始电压U1和/或升压电容器C2上的剩余电压U2，或借助合适的控制软件以任意的方式控制。因此，即使经过更长的时间段，也能确保有足够的电流经过气体放电灯16。

另一构造方案规定，该至少一个开关以固定的频率和固定的占空比来开启和闭合。在对于滞后调节的备选方案中，控制电路10的开关S5或开关S4或控制电路110的开关S1和S4以合适的固定频率和固定的占空比来控制。通过适当地选择占空比和频率，可把通过气体放电灯16的电流限制在最大可能的数值上。

通过在接续过程中击穿的电压U1，在频率和占空比都是固定的情况下，接通的电流自动地下降，这使通过气体放电灯16的接续电流随时间下降。因此，即使经过更长的时间段，也能确保有足够的电流经过气体放电灯16。

备选的构造方案规定了具有可变频率和可变占空比的控制方式。在此构造方案中，控制电路10的开关S5或开关S4或控制电路110的开关S1和S4以可变频率和/或适当的可变占空比来控制。通过适当地控制占空比和/或频率，可在时间进程中任意地影响接续电流。因此，即使经过更长的时间段，也能确保有足够的电流经过气体放电灯。

与具有固定频率和固定占空比的控制方式相比，在频率可变和占空比可变的情况下，在接续电流的时间进程中可实现更多的自由度。与具有固定频率和固定占空比的控制方式相比，例如还可调节到放电电流的时间方面怛定的数值。

Claims (13)

1.一种用来在从无电弧的闭合状态转换到稳定地产生光线的状态时运行气体放电灯（16）的方法，在此方法中升压电容器（C2）在紧接着点火电压脉冲后面的接续阶段中通过电路放电，该电路传导了流经气体放电灯（16）的电流，并且在该电路中，电感（L1）与至少一个开关（S5）串联，其特征在于，所述升压电容器（C2）通过所述开关（S5）的多次交替地闭合和开启来有节奏地放电。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个开关（S5）为了实现有节奏的放电被时间受控制地闭合和开启。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，为了实现有节奏地放电，要么仅操纵H-电桥的一个传导电流的开关，要么同步地操纵H-电桥的两个传导电流的开关。

4.根据权利要求3所述的方法，第一备选方案，其特征在于，为了实现有节奏地放电，只操纵H-电桥电路在电势上较高的、引导电流的开关。

5.根据权利要求3所述的方法，第一备选方案，其特征在于，为了实现有节奏地放电，只操纵H-电桥电路在电势上较低的、引导电流的开关。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，测量放电电流的电流强度，如果该电流强度超过预定的第一阈值，则打开该至少一个开关(S5)；如果该电流强度低出预定的第二阈值，则将所述至少一个开关闭合。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一阈值确定为预先设定的参考值和预定的波动幅度的一部分的总和，而第二阈值确定为参考值和预先设定的第二阈值之间的差异。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述参考值根据给升压-电容器（C2）充电的DC/DC-变换器（28）的起始电压和/或升压电容器（C2）上的剩余电压（U2）来预先设定。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该至少一个开关（S5）以固定的频率和固定的占空比来开启和闭合。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该至少一个开关（S5）以可变的频率和/或可变的占空比来开启和闭合。

11.一种控制电路（10），其设置用于在从无电弧的闭合状态转换到稳定地产生光线的状态时运行气体放电灯（16），所述控制电路具有升压电容器（C2）并且这样设计，即，将所述升压电容器（C2）在紧接着点火电压脉冲后面的接续阶段中通过电路放电，该电路传导了流经气体放电灯（16）的电流，并且在该电路中，电感（L1）与至少一个开关（S5）串联，其特征在于，所述控制电路（10）是这样设计为使所述升压-电容器（C2）通过所述开关（S5）的多次交替地闭合和开启来有节奏地放电。

12.按权利要求11所述的控制电路（10），其特征在于，所述控制电路（10）具有DC/DC-变换器（28），并且电感（L1）与升压电容器（C2）以及DC/DC-变换器（28）的两个输出接线柱之间的开关（S5）串联，并且与由至少一个开关（S4）和气体放电灯（16）构成的串联电路并联。

13.按权利要求11所述的控制电路（110），其特征在于，所述控制电路（110）具有DC/DC-变换器（28），并且所述电感（26）与气体放电灯（16）串联，并且与由升压-电容器（C2）和该升压-电容器的充电电阻（R1）构成的串联电路并联。

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