DE102004041925A1

DE102004041925A1 - Vorschaltgerät für eine Hochdruckentladungslampe

Info

Publication number: DE102004041925A1
Application number: DE102004041925A
Authority: DE
Inventors: Kikuo Izumi; Shigeki Harada; Akihiko Iwata; Takashi Ohsawa
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2004-08-30
Publication date: 2005-04-14
Also published as: US6975077B2; US20050057181A1; JP2005078910A; CN1592532A

Abstract

Es wird ein kompaktes, kostengünstiges Hochdruckentladungslampenvorschaltgerät bereitgestellt, welches normales Vorschalten ohne Erlöschen des Lichtbogens beim Entladungsbeginn bewerkstelligen kann. Es umfasst eine DC-AC-Wechselrichterverstärkungsschaltung (30), einen ersten Resonanzkreis (40) und einen zweiten Resonanzkreis (60). Die DC-AC-Wechselrichterverstärkungsschaltung umfasst einen DC-AC-Wandlertransformator (33), um im Ansprechen auf Ein- und Ausschalten von FETs (31 und 32) eine aus einer DC-Stromversorgung zugeführte DC-Spannung in eine AC-Spannung umzuwandeln, wobei die Spannung verstärkt wird. Der erste Resonanzkreis umfasst eine Leckstromdrosselspule (41), die mit der Sekundärwicklung (35) des DC-AC-Wandlertransformators in Reihe geschaltet ist, und einen ersten Resonanzkondensator (42), der mit der Sekundärwicklung parallel geschaltet ist. Der zweite Resonanzkreis umfasst eine Metall-Halogenlampe (62), einen Zündtransformator (55) zum Erzeugen einer Spannung zum Einschalten der Metall-Halogenlampe und einen zweiten Resonanzkondensator (61).

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Vorschaltgerät für eine Hochdruckentladungslampe.
Beschreibung des verwandten Stands der Technik
Seit kurzem werden Metall-Halogenlampen anstelle von Halogenlampen als Scheinwerfer eines Kraftfahrzeugs verwendet. Die Metall-Halogenlampe von der Art der HID-Lampe (HID – High Intensity Discharge) zeichnet sich im Vergleich zur Halogenlampe durch ihre hohe Lichtleistung, hohe Farbtemperatur und lange Lebenserwartung aus.
Die Lichtbogenröhre der Metall-Halogenlampe enthält Metallhalogenide, welche ein Gemisch einiger Metalle wie Natrium und Scandium mit Halogen wie Jod, wobei Hochdruck-Xenon als Initiatorgas dient, und Quecksilber sind. Die Metall-Halogenlampe beginnt wie folgt, Licht abzustrahlen. Als Erstes beginnt sie mit der Entladung des Xenons in einem gasförmigen Zustand bei Raumtemperatur, dann folgt eine Lichtbogenentladung des Xenons, was die Temperatur innerhalb der Lichtbogenröhre erhöht. Wenn die Temperatur in der Röhre ansteigt, verdampft das Quecksilber und es beginnt eine Lichtbogenentladung, wodurch die Temperatur in der Röhre noch mehr ansteigt. Ein weiterer Anstieg der Temperatur in der Röhre bringt die Verdampfung der Metallhalogenide, gefolgt von deren Lichtbogenentladung mit sich, wodurch die hohe Farbtemperaturemission mit hoher Lichtleistung erzielt wird. Obwohl das Quecksilber als Sperrstrecke für die Entladung zwischen dem Xenon und den Metallhalogeniden dient, wurden in jüngster Zeit Metall-Halogenlampen bereitgestellt, die kein Quecksilber enthalten.
Bei dem Vorschaltgerät der Metall-Halogenlampe unterscheiden sich die Dichten der Substanzen in den verschiedenen Phasen des Temperaturanstiegs beim Arbeitsablauf des Vorschaltgeräts stark. Somit muss beim Vorschaltgerät der Metall-Halogenlampe verhindert werden, dass die Entladung aufgrund einer Abnahme der elektronischen Temperatur nachlässt, wodurch die Entladung weitergeht. Anders ausgedrückt muss es die Entladung im Ansprechen auf die variablen Lastmerkmale der Lampe steuern. In der Folge muss der Vorschaltkreis der Metall-Halogenlampe einzelne Anforderungen erfüllen, die sich stark von den Anforderungen unterscheiden, die an den Vorschaltkreis von Leuchtstofflampen (Niederdruckquecksilberdampfentladungslampen) gestellt werden, die weit verbreiteten Gebrauch als normale Haushalts- und Hintergrundbeleuchtung von Flüssigkristallanzeigen finden.
Als Vorschaltgerät für Fahrzeugscheinwerfer, die herkömmliche Metall-Halogenlampen verwenden, welche die vorstehenden Anforderungen erfüllen, ist beispielsweise die in der einschlägigen Bezugsschrift 1 offenbarte Technik bekannt. In der vorliegenden Beschreibung wird die in der in Bezugsschrift 1 beschriebene Schaltungskonfiguration aufgrund ihrer Schaltungseigenschaften „Vollbrücken-Niederfrequenzvorschaltsystem" genannt. Obwohl das Vollbrücken-Niederfrequenzvorschaltsystem die für die Metall-Halogenlampen erforderlichen Anforderungen erfüllen und ein ziemlich kompaktes und kostengünstiges Vorschaltgerät bereitstellen kann, ist eine weitere Reduktion bei Größe und Kosten erforderlich.
Andererseits wurde, was die herkömmlichen Vorschaltgeräte von Leuchtstofflampen anbelangt, die als Hintergrundbeleuchtung von Flüssigkristallanzeigen verwendet werden, eine durchgehende Reduktion ihrer Größe und Kosten durchgeführt, wie beispielsweise bei dem Vorschaltgerät, das in der einschlägigen Bezugsschrift 2 beschrieben ist. Im Ergebnis wurden weitgehend die Systeme eingesetzt, die die Spannungen, die aus Gleichstromversorgungen zugeführt werden, in Wechselstromwellen umwandeln, indem Gegentakt-Gleichstrom-/Wechselstromwechselrichter verwendet werden, um die Lampen mit hohen Frequenzen zum Scheinen zu bringen. In der vorliegenden Beschreibung wird die in der einschlägigen Bezugsschrift 2 offenbarte Schaltungskonfiguration von ihren Schaltungseigenschaften her „Gleichstrom-/Wechselstrom-Einschrittspannungserhöhungshochfrequenzwechselrichtersystem" genannt. Das Gleichstrom-/Wechselstrom-Einschrittspannungserhöhungshochfrequenzwechselrichtersystem führt die Stromumwandlung von Gleich- auf Wechselstrom im Vorschaltgerät nur einmal mit einem Gegentakt-Gleichstrom-/Wechselstromwechselrichter durch. Auf diese Weise kann es die Schaltungskonfiguration vereinfachen und seinen Transformator miniaturisieren, der aufgrund der Hochfrequenzeinschaltung einen großen Teil des Gesamtvolumens des Geräts einnimmt, wodurch es möglich wird, die Reduktion der Größe und Kosten des Vorschaltgeräts zu erzielen. Um das Schaltungsschema auf das Vorschaltgerät der Metall-Halogenlampe anzuwenden, müssen die einzelnen Anforderungen der Metall-Halogenlampe erfüllt werden, was deren Implementierung verhindert.

Einschlägige Bezugsschrift 1: japanische Patentanmeldung mit der Offenlegungsnummer 2002-352989.

Einschlägige Bezugsschrift 2: japanische Patentanmeldung mit der Offenlegungsnummer 7-211472/1995.

Zusätzlich trennt das Vollbrücken-Niederfrequenzvorschaltsystem seinen spannungserhöhenden Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler vom Wechselrichter zum Umwandeln des Gleichstroms in Wechselstrom, um sowohl die Anforderung, die Größe des Transformators zu senken als auch die Hochdruckentladungslampe zu stabilisieren, zu erfüllen. Somit wird eine mehrstufige Umwandlung notwendig, was die Anzahl von Schaltungsbauteilen erhöht und die Abnahme bei Größe und Kosten des Vorschaltgeräts für die Hochdruckentladungslampe verhindert.

Das Vorschaltgerät der Metall-Halogenlampe muss einen Hochspannungsimpuls von ca. 20 kV oder darüber in der Lampe erzeugen, um während der Entladungsbeginnperiode einen Durchbruch zu verursachen. Das Vollbrücken-Niederfrequenzvorschaltsystem versorgt die Lampe mit dem Hochspannungsimpuls, indem die Ausgangsspannung des Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers zum Auslösen der elektrischen Entladung an den Transformator angelegt wird, der im Folgenden „Zündtransformator" genannt wird. In diesem Fall muss die den Hochspannungsimpuls erzeugende Schaltung die Spannung, die der Primärseite des Zündtransformators zugeführt werden soll, auf einen beträchtlichen Pegel anheben, um eine Zunahme bei der Größe des Zündtransformators zu verhindern.

Andererseits muss, was die Schaltung angeht, die das Einschrittspannungserhöhungshochfrequenzwechselrichtersystem anbelangt, der Transformator des DC-AC-Wechselrichters ein großes Wicklungsverhältnis oder eine Verstärker- oder Boosterschaltung auf seiner Sekundärseite aufweisen, um einen Hochspannungsimpuls beim Beginn der Entladung zu erzeugen. Das erhöht die Größe des Transformators und die Anzahl der Bauteile und wirft das Problem auf, der Senkung bei Größe und Kosten des Hochdruckentladungslampenvorschaltgeräts im Wege zu stehen.

Um die Metall-Halogenlampe nach dem Erlöschen des Lichtbogens, nachdem die Lampe eine Weile gebrannt hat, wieder anzuzünden, besitzt das Vollbrücken-Niederfrequenzvorschaltsystem einen Ladungsaufbaukondensator (einen Kondensator, der zum Anlaufenlassen der elektrischen Entladung beiträgt) mit einer vergleichsweise hohen Stehspannung und einer vergleichsweise hohen Kapazität auf der Sekundärseite des Transformators, um ein Nachlassen der Entladung zu verhindern, wodurch eine ausreichende Spannung zum Aufrechterhalten der Entladung der Metall-Halogenlampe sofort nach dem Entladungsbeginn zugeführt wird. Dies wirft das Problem auf, der Abnahme bei Kosten und Größe des Hochdruckentladungslampenvorschaltgeräts hinderlich zu sein.

Andererseits nutzt die Schaltung, die das Einschrittspannungserhöhungshochfrequenzwechselrichtersystem einsetzt, ihrem Schaltungsaufbau entsprechend dieselbe Frequenz zum Ansteuern des Transformators und zum Vorschalten der Lampe. Im Ergebnis muss der Transformator, um die Lampe mit der für den Entladungsaufbau notwendigen Spannung zu versorgen, ein großes Wicklungsverhältnis oder einen Kondensator mit einer großen Kapazität am DC-Schaltungsteil auf seiner Primärseite haben, um die Spannung am Kondensator zeitweilig zu erhöhen. Dies erhöht Größe und Kosten des Transformators und Kondensators und die Anzahl an Bauteilen, wodurch das Problem aufgeworfen wird, dass die Abnahme bei Größe und Kosten des Hochdruckentladungslampenvorschaltgeräts verhindert wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die vorstehenden Probleme zu lösen. Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein kompaktes, kostengünstiges Hochdruckentladungslampenvorschaltgerät bereitzustellen, das in der Lage ist, eine Metall-Halogenlampe normal einzuschalten, ohne zu Beginn der Entladung zu flackern, indem ein Einschrittspannungserhöhungshochfrequenzwechselrichtersystem verwendet wird.

Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Hochdruckentladungslampenvorschaltgerät bereitgestellt, das umfasst: einen DC-AC-Wechselrichter mit mindestens einem Schaltelement, um eine DC-Spannung in eine AC-Spannung umzuwandeln, und einem Transformator zum Verstärken der AC-Spannung; einen ersten Resonanzkreis, der an eine Ausgangsseite des DC-AC-Wechselrichters angeschlossen ist und ein Induktivitätselement und einen ersten Resonanzkondensator umfasst; und einen zweiten Resonanzkreis, der an den ersten Resonanzkreis angeschlossen ist, der eine Hochdruckentladungslampe, einen Zündtransformator zum Erzeugen einer Spannung zum Anlaufenlassen der Hochdruckentladungslampe und einen zweiten Resonanzkondensator umfasst, und der die Hochdruckentladungslampe zusammen mit dem ersten Resonanzkreis entsprechend individueller Entladungsperioden wirksam mit einer Ausgangsspannung des DC-AC-Wechselrichter versorgt.

Das Hochdruckentladungslampenvorschaltgerät umfasst den DC-AC-Wechselrichter, um die DC-Spannung in AC-Spannung umzuwandeln, wobei diese verstärkt wird, und den ersten Resonanzkreis und den zweiten Resonanzkreis auf der Sekundärseite des Transformators des DC-AC-Wechselrichters. Dies macht es möglich, die Schaltung zu verkleinern und der Hochdruckentladungslampe während der Entladungsentwicklungsphase ausreichend Energie zuzuführen. Im Ergebnis bietet es den Vorteil, die Größe der Vorrichtung, die das normale Vorschalten der Metall-Halogenlampe bewerkstelligt, zu reduzieren.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Schaltungsschema, das einen Aufbau eines Vorschaltgeräts 100 einer Metall-Halogenlampe einer Ausführungsform 1 nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist ein Schema, das eine Abfolge der Vorschaltsteuerung der Metall-Halogenlampe von Ausführungsform 1 nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
die 3A und 3B sind grafische Darstellungen, welche die Übertragungskennlinien auf der Seite einer Sekundärwicklung 35 eines DC-AC-Wandlertransformators 33 darstellen;
4 ist eine grafische Darstellung, welche die Verhältnisse zwischen den Einschaltdauer von Feldeffekttransistoren FET 31 und 32 und der Ausgangsspannung eines ersten Resonanzkreises 40 (die an einem ersten Resonanzkondensator 42 anliegende Spannung) und den Spitzenwerten der Spannung der Metall-Halogenlampe 62 darstellt;
5 ist eine grafische Darstellung, welche die Verhältnisse zwischen der Ansteuerungsfrequenz der FETs 31 und 32 und der Ausgangsspannung des ersten Resonanzkreises 40 (der am ersten Resonanzkondensator 42 anliegenden Spannung) und den Spitzenwerten der Spannung der Metall-Halogenlampe 62 darstellt;
6 ist eine grafische Darstellung, die wahrscheinliche Neustartfälle (in den schlimmsten Neustartbedingungen) der Metall-Halogenlampe 62 unter mehreren Bedingungen bei Ausführungsform 1 darstellt; und
7 ist eine grafische Darstellung, die Spannungs- und Stromwellenformen der Metall-Halogenlampe 62 in einer normalen Entladungsphase darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
AUSFÜHRUNGSFORM 1
1 ist ein Schaltungsschema, das einen Aufbau eines Vorschaltgeräts 100 für eine Metall-Halogenlampe (ein Vorschaltgerät für eine Hochdruckentladungslampe) einer Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 1 gezeigt ist, umfasst das Vorschaltgerät 100 für eine Metall-Halogenlampe eine DC-Stromversorgung 10 wie eine Batterie, einen Glättungskondensator 20, eine DC-AC-Gleichrichterverstärkungsschaltung 30 (einen DC-AC-Gleichrichter), einen ersten Resonanzkreis 40, eine Hochspannungsimpulsgeneratorschaltung 50, einen zweiten Resonanzkreis 60 und einen Vorschaltsteuerkreis 70.
Die DC-AC-Gleichrichterverstärkungsschaltung 30 weist einen FET (Feldeffekttransistor) 31 und einen FET 32 (Schaltelement) und einen DC-AC-Wandlertransformator 33 (Transformator) auf. Die FETs 31 und 32 schalten jeweils im Ansprechen auf ein Impulssignal ein und aus, das aus dem Vorschaltsteuerkreis 70 in ihre Gates eingespeist wird. Damit verändert sich der durch die Primärwicklung 34 des DC-AC-Wandlertransformators 33 fließende Strom so, dass eine Rechteckwellenspannung an der Sekundärwicklung 35 entsteht. Die Rechteckwellenspannung hat einen Spitzenwert, der um einen Faktor des Wicklungsverhältnisses des DC-AC-Wandlertransformators 33 höher ist als die Spannung der DC-Stromversorgung 10 oder die Spannung am Glättungskondensator 20.
Der erste Resonanzkreis 40 besteht aus einer Leckstromdrosselspule 41, bei der es sich um die Leckstromdrosselkomponente des DC-AC-Wandlertransformators 33 handelt, und einem ersten Resonanzkondensator 42. Der erste Resonanzkreis 40 kann auch aus einem Drosselspulenelement bestehen, das an die Sekundärwicklung 35 des DC-AC-Wandlertransformators 33 und den ersten Resonanzkondensator 42 angeschlossen ist.
Die Hochspannungsimpulsgeneratorschaltung 50 umfasst einen Widerstand 51, eine Diode 52, einen Kondensator 53, einen Funken streckenschalter 54 und einen Zündtransformator 55. Der Zündtransformator 55 erzeugt eine Spannung von ca. 20 kV, um die Metall-Halogenlampe 62 einzuschalten. Der Kondensator 53 wird über den Widerstand 51 und die Diode 52 geladen. Erreicht die Spannung am Kondensator 53 einen Schwellenwert, schaltet der Funkenstreckenschalter 54 ein, so dass die am Kondensator 53 anliegende Spannung der Primärwicklung des Zündtransformators 55 zugeführt wird. Auf diese Weise erzeugt der Zündtransformator 55 den Hochspannungsimpuls, der um einen Wicklungsfaktor an der Sekundärwicklung höher ist als die Spannung an der Primärwicklung.
Der zweite Resonanzkreis 60 umfasst den Zündtransformator 55, einen zweiten Resonanzkondensator 61 und eine zweite Metall-Halogenlampe 62 (Hochdruckentladungslampe). Der zweite Resonanzkreis 60 reduziert seine Blindleistung, die durch die Drosselspule des Zündtransformators 55 nach dem Beginn der Entladung erzeugt wird, durch den zweiten Resonanzkondensator 61, wodurch die Stromzufuhr zur Metall-Halogenlampe 62 erleichtert wird.
Die Vorschaltsteuerschaltung 70 ist eine Schaltung zum zweckgemäßen Modifizieren der Vorschaltspannungswellenform und umfasst eine Frequenzsteuerschaltung 71, eine Leistungssteuerschaltung 72 und eine Anlaufzeitsteuerschaltung 73.
Als Nächstes wird der Betrieb des Vorschaltgeräts 100 für eine Metall-Halogenlampe beschrieben.
Der Anlaufvorgang der Metall-Halogenlampe umfasst vier Phasen: 0. Entladungswarteperiode, A. Entladungsbeginnperiode; B. Entladungsübergangsperiode; und C. Normale Entladungsperiode. Es erfolgt eine Beschreibung der Phasen A. Entladungsbeginnperiode, B. Entladungsübergangsperiode und C. Normale Entladungsperiode.
A. Entladungsbeginnperiode
Der Lastzustand der Metall-Halogenlampe 62 entspricht in der Entladungswarteperiode (O) dem Kondensator, und ihre Impedanz von ca. einigen Megaohm ist vergleichsweise hoch. Der Wert der Impedanz variiert je nach der Zeit, die seit dem Ende der vorhergehenden Entladung vergangen ist. Ist der Druck in der Röhre niedrig, weil seit dem Ende der vorhergehenden Entladung ausreichend Zeit verstrichen und die Temperatur auf annähernd Raumtemperatur abgesunken ist, ist die Durchbruchspannung niedrig. Dieser Zustand wird hier „kalter Zustand" genannt. Ist hingegen der Druck in der Röhre noch hoch, weil keine ausreichende Zeit seit dem Ende der vorhergehenden Entladung vergangen und die Temperatur in der Röhre noch hoch ist, ist die Durchbruchspannung höher als diejenige im kalten Zustand. Dieser Zustand wird hier „warmer Zustand" genannt. In der Entladungsbeginnperiode muss eine hohe Spannung von einigen Dutzend Kilovolt an die Metall-Halogenlampe 62 angelegt werden, um den Durchbruch tatsächlich auch im warmen Zustand zu erzeugen, in dem die Durchbruchspannung hoch ist.
B. Entladungsübergangsperiode
Die Entladungsübergangsperiode teilt sich weiter auf in B-1. Entladungsentstehungsperiode und B-2. Lichtstromanlaufperiode, welche zeitlich nicht definitiv aufgeteilt werden können und hier insgesamt als B. Entladungsübergangsperiode bezeichnet werden. Im Allgemeinen ist die Entladungsentstehungsperiode ein Zeitraum von ca. einigen wenigen zehn Mikrosekunden bis mehreren hundert Mikrosekunden ab dem Anlaufen des Vorschaltgeräts, und die Lichtstromanlaufperiode ist ein Zeitraum von einigen wenigen Millisekunden bis mehreren zehn Sekunden nach der Entladungsentstehungsperiode.
B-1. Entladungsentstehungsperiode
Wie im Fall vor dem in Zusammenhang mit der A. Entladungsbeginnperiode beschriebenen Durchbruch, hängt die Impedanz der Metall-Halogenlampe 62 nach dem Durchbruch auch von der Zeit ab, die seit der vorhergehenden Entladung verstrichen ist. Beginnt die Entladung aus dem kalten Zustand heraus, fällt die Impedanz der Metall-Halogenlampe 62 vor dem Entladungsbeginn abrupt von einigen Megaohm auf mehrere zehn Ohm ab, gefolgt von einem Anstieg auf einige hundert Ohm eines Beharrungszustands entsprechend der Temperatur der Röhre des Vorschaltgeräts der Metall-Halogenlampe 62 und einem Anstieg der Temperatur. Beginnt die Entladung hingegen aus dem warmen Zustand heraus, fällt die Impedanz der Metall-Halogenlampe 62, die höher ist als die Impedanz im Beharrungszustand, von einigen Megaohm auf einige hundert Ohm ab, weil sowohl die Vorschaltröhrentemperatur als auch der Röhrendruck hoch sind, gefolgt von einem graduellen Absinken auf die Impedanz im Beharrungszustand.
Im Entstehungsprozess der Entladung wird, wenn nicht genügend Energie zur Aufrechterhaltung der Entladung zugeführt wird, die Entladung instabil und kann erlöschen. Darüber hinaus muss im Kathodenflächenprozess der Entladung genügend Energie zugeführt werden, um Wärmeelektronen auszuschütten, damit die Lichtbogenentladung weitergeht. Dementsprechend muss unmittelbar nach dem Durchbruch genügend Energie zugeführt werden, um zu verhindern, dass die Entladung erlischt. Wie vorstehend beschrieben, variiert die Energie, die zugeführt werden muss, um das Erlöschen der Entladung zu verhindern, je nach den Zuständen der Metall-Halogenlampe 62, wie dem Druck und der Temperatur in der Röhre. Wenn sie aus dem kalten Zustand heraus angelassen wird, ist der Großteil des Röhrengases im Entstehungsprozess Xenon, in welchem Fall, da der Röhrendruck niedrig ist, die zuzuführende Energie vergleichsweise niedrig ist. Hingegen ist bei einem Anlassen aus dem warmen Zustand heraus, weil der Großteil der Röhrengase im Entstehungsprozess Xenon und Quecksilberdampf sind, der Röhrendruck hoch, und die zuzuführende Energie nimmt zu.
B-2. Lichtstromanlaufperiode
Die Metall-Halogenlampe 62 muss in einem vorbestimmten Zeitraum einen gewünschten Lichtstrom erzeugen. Um dies zu bewerkstelligen, muss der Prozess schnell durch die einzelnen Entladungsperioden bis zum Prozess der Ionisierung der Metallhalogenide voranschreiten. Dazu muss die Metall-Halogenlampe 62 mit genügend Energie versorgt werden, indem ein Strom wie etwa 70 W zugeführt wird, was mehr ist als der Nennstrom von 35 W während der normalen Entladungsperiode. In diesem Fall schwankt das Verhalten der Lampe auch im warmen und kalten Zustand. Dementsprechend muss die zuzuführende Energie je nach warmem oder kaltem Zustand eingestellt werden. Genauer ausgedrückt ist die Impedanz der Lampe im warmen Zustand nach dem Durchbruch höher, geht schneller zur Impedanz im Beharrungszustand über und erreicht den gewünschten Lichtstrom schneller. In der Folge führt eine Zufuhr der Energie zur Entladungsentstehung und zum Anlaufen des Lichtstroms im warmen Zustand über denselben Zeitraum wie im kalten Zustand zu einer übermäßigen Energiezufuhr, wodurch die Lebensdauer der Lampe verkürzt wird. Wird hingegen die Energie zur Entladungsentstehung und zum Anlaufen des Lichtstroms im kalten Zustand nicht ausreichend lang zugeführt, kann die Entladung erlöschen, oder die Zeit, die bis zur Herstellung des gewünschten Lichtstroms gebraucht wird, verlängert sich.
C. Normale Entladungsperiode
Bei der normalen Beleuchtung durch die Lichtbogenentladung der Metallhalogenide muss der Nennstrom auf 35 W gehalten und die stabile Entladung unterstützt werden. Was die Metall-Halogenlampe 62 betrifft, muss, weil die Vorschaltfrequenz einer der wichtigsten Faktoren ist, eine geeignete Frequenz gewählt werden, um eine instabile Entladung aufgrund akustischer Resonanz zu verhindern, was später noch beschrieben wird.
Der Betrieb des Vorschaltgeräts 100 der Metall-Halogenlampe wird nun entsprechend den vorstehenden vier Phasen beschrieben.
In der vorliegenden Ausführungsform 1 wird, wenn nicht anders angegeben, davon ausgegangen, dass eine Autobatterie als DC-Stromversorgung 10 verwendet wird und die Stromversorgungsspannung 12 V beträgt. Zusätzlich wird davon ausgegangen, dass das Wicklungsverhältnis des DC-AC-Wandlertransformators 33 1:17 beträgt, die Induktivität der Leckstromdrosselspule 33 0,35 mH beträgt, der erste Resonanzkondensator 42 3 nF hat, die Induktivität des Zündtransformators 55 1 mH beträgt und der zweite Resonanzkondensator 61 3,5 nF hat. Darüber hinaus wird bei der Hochspannungsimpulsgeneratorschaltung 50 davon ausgegangen, dass der Wert des Widerstands 51 5 kΩ, der Wert des Kondensators 0,1 μF beträgt und der Funkenstreckenschalter 54 bei 800 V einschaltet.
2 ist ein Schema, das eine Abfolge der Vorschaltsteuerung der Metall-Halogenlampe 62 des Vorschaltgeräts 100 für die Metall-Halogenlampe bei der vorliegenden Ausführungsform 1 zeigt. In 2 entsprechen die Perioden A, B-1, B-2, C und O den einzelnen Phasen, und 2 stellt die Ansteuerfrequenzen und Einschaltdauer der FETs 31 und 32 dar, die von der Vorschaltsteuerschaltung 70 in den einzelnen Perioden gesteuert werden. Die Einschaltdauer von FET 31 oder FET 32 bezieht sich auf das Verhältnis der Zeitdauer, während der das Signal zum Einschalten der FETs 31 und 32 unter der Voraussetzung ausgegeben wird, dass die halbe Periode des aus der Vorschaltsteuerschaltung 70 zugeführten Gate-Impulssignals der FETs 31 und 32 100% beträgt.
Die Vorschaltsteuerschaltung 70 lässt die Frequenzsteuerschaltung 71 die Ansteuerfrequenz des Vorschaltgeräts bestimmen, die Leistungssteuerschaltung 72 die Spannung und den Strom erfassen, und steuert die Energie, die der Metall-Halogenlampe 62 zugeführt werden soll, indem die Einschaltdauer verändert wird. Zusätzlich lässt die Vorschaltsteuerschaltung 70 die Anlaufzeitsteuerschaltung 73 den Funkenstreckenschalter in der Entladungswarteperiode arbeiten, wodurch die der Metall-Halogenlampe 62 zuzuführende Energie so gesteuert wird, dass die Entladung während der Entladungsentstehungsperiode aufrechterhalten bleibt.
Als Erstes wird der Betrieb in der Entladungswarteperiode (O) beschrieben.
Wenn der (nicht gezeigte) Beleuchtungsschalter der Metall-Halogenlampe 62 eingeschaltet wird, führt die Vorschaltsteuerschaltung 70 den FETs 31 und 32 das Gate-Impulssignal zu. Auf diese Weise schalten die FETs 31 und 32 wiederholt ein und aus, wodurch eine Rechteckwellenspannung mit einem Spitzenwert entsteht, der um einen Faktor des Wicklungsverhältnisses des DC-AC-Wandlertransformators 33 an der Sekundärwicklung 35 des DC-AC-Wandlertransformators 33 höher ist als die Stromversorgungsspannung. In diesem Fall beträgt die Ansteuerfrequenz der FETs 31 und 32 vorzugsweise um die 100 Hz oder darüber, um eine Vergrößerung des DC-AC-Wandlertransformators 33 zu verhindern. Hier wird davon ausgegangen, dass, wie in 2 dargestellt, die Ansteuerfrequenz 170 kHz beträgt.
Da das Metall-Halogenlampenvorschaltgerät 100 der vorliegenden Ausführungsform 1 das im verwandten Stand der Technik beschriebene Einschrittspannungserhöhungshochfrequenzwechselrichtersystem verwendet, kann es den Bedarf nach einem Hochfrequenzschalter für den DC-DC-Wandler aus der Welt schaffen, welcher vom herkömmlichen Vollbrücken-Niederfrequenzvorschaltsystem benötigt wird. Dementsprechend kann es die Fähigkeit nutzen, die vom Hochfrequenzschalter erzeugte Wärme und die von den Schaltelementen der DC-AC-Wechselrichterverstärkungsschaltung 30 erzeugte Wärme abzuleiten. Somit können die FETs 31 und 32, auch wenn ihre Ansteuerfrequenz steigt, betrieben werden, ohne dass irgendein neuer Kühlkörper hinzugefügt wird.
Wenn durch den Betrieb der FETs 31 und 32 die Rechteckwellenspannung mit dem Spitzenwert von ca. 200 V an der Sekundärwicklung 35 des DC-AC-Wandlertransformators 33 entsteht, erzeugt ein durch den ersten Resonanzkreis 40 fließender Strom eine Spannung am ersten Resonanzkondensator 42. Die erzeugte Spannung hängt von der Übertragungskennlinie auf der Seite der Sekundärwicklung 35 des DC-AC-Wandlertransformators 33, der Ansteuerfrequenz der FETs 31 und 32 und der Impedanz der Metall-Halogenlampe 62 ab, wie in den 3A und 3B dargestellt ist. Dies bedeutet, dass die erzeugte Spannung vom Strom abhängt, der durch den ersten Resonanzkreis 40 fließt. Somit hängt die Ausgangsspannung des ersten Resonanzkreises 40 auch von der Einschaltdauer der FETs 31 und 32 ab.
Wie vorstehend beschrieben, ist die Impedanz der Metall-Halogenlampe 62 in der Größenordnung von einigen Megaohm während der Entladungswarteperiode ausreichend hoch. Dementsprechend hängt die Ausgangsspannung des ersten Resonanzkondensators 42, wenn die Ansteuerfrequenz der FETs 31 und 32 konstant ist, und die Kapazität des ersten Resonanzkreises 42 konstant ist, nur von der Einschaltdauer der FETs 31 und 32 ab.
4 zeigt die Verhältnisse zwischen der Einschaltdauer der FETs 31 und 32 und der Ausgangsspannung des ersten Resonanzkreises 40 (Spannung am ersten Resonanzkondensator 42), und dem Spitzenwert der Spannung der Metall-Halogenlampe 62, wenn die Ansteuerfrequenz der FETs 31 und 32 170 kHz beträgt. Wie in 4 dargestellt ist, hängen der Ausgang des ersten Resonanzkreises 40 und die Spannung der Metall-Halogenlampe 62 jeweils von der Einschaltdauer der FETs 31 und 32 ab.
Während der Entladungswarteperiode muss sich der Kondensator 53 auf die Einschaltspannung des Funkenstreckenschalters 54 aufladen.
Wenn eine Spannung am ersten Resonanzkondensator 42 entsteht und der Ausgang des ersten Resonanzkreises 40 positiv ist, d.h. wenn in 1 die obere Seite des ersten Resonanzkreises 42 positiv ist, leitet die Diode 52 der Hochspannungsimpulsgeneratorschaltung 50 und der Kondensator 53 wird aufgeladen. Ist hingegen der Ausgang des ersten Resonanzkreises 40 umgekehrt und sein Ausgang wird negativ, d.h. die in 1 obere Seite des ersten Resonanzkondensators wird negativ, wird die Diode außer Leitfähigkeit gesetzt und der Kondensator 53 nicht aufgeladen. Anders ausgedrückt ist die Spannung am Kondensator 53 gleich dem Spitzenwert der Ausgangsspannung des ersten Resonanzkreises 40. Wird die Ansteuerfrequenz der FETs 31 und 32 auf 170 kHz eingestellt, bei welcher die Übertragungskennlinie der Sekundärseite des DC-AC-Wandlertransformators 33 maximal wird, und wird die Einschaltdauer, wie in 4 dargestellt, auf 60% eingestellt, kann die Ausgangsspannung des ersten Resonanzkreises 40 bei 800 V angesiedelt werden. Somit kann der Funkenstreckenschalter 54 auf 800 V verstärkt werden.
Ist im Übrigen der Ausgang des ersten Resonanzkreises 40 negativ, wird die Diode 52 der Hochspannungsimpulsgeneratorschaltung 50 mit der Summe der am Kondensator 53 anliegenden Spannung und der Spitzenspannung der negativen Seite des ersten Resonanzkreises 40 versorgt. Dementsprechend muss die Diode 52 eine Stehspannung haben, die zweimal so hoch ist wie der Spitzenwert der Ausgangsspannung des ersten Resonanzkreises 40.
Um die Stehspannung des ersten Resonanzkondensators 42 zu reduzieren, wird zusätzlich die Einschaltdauer der FETs 31 und 32 so gesteuert, dass die Ausgangsspannung des ersten Resonanzkreises 40 800 V nicht übersteigt. Und zwar, weil eine Zunahme der Stehspannung des ersten Resonanzkondensators 42 eine Zunahme bei der Größe des Kondensators mit sich bringt.
Die Zeit, die der Kondensator 53 braucht, um auf die Einschaltspannung des Funkenstreckenschalters 54 aufzuladen, wird durch die Zeitkonstante bestimmt, die durch das Produkt des Widerstands 51 und Kondensators 53 und durch die Ausgangsfrequenz des ersten Resonanzkreises 40 festgelegt ist.
Als Nächstes wird der Betrieb während der Entladungsbeginnperiode (A) beschrieben.
Wenn die Spannung des Kondensators 53 auf 800 V steigt, schaltet der Funkenstreckenschalter 54 ein, so dass die Spannung von 800 V an der Primärwicklung des Zündtransformators 55 anliegt, wodurch die Spannung an der Sekundärwicklung entsteht, die um einen Faktor des Wicklungsverhältnisses verstärkt ist. Hier wird davon ausgegangen, dass das Wicklungsverhältnis zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung des Zündtransformators 55 6:220 beträgt. In diesem Fall entsteht eine Spannung von ca. 30 kV an der Sekundärwicklung und wird an die Elektroden der Metall-Halogenlampe 62 angelegt. Da die Spannung die Durchbruchspannung sowohl im kalten als auch warmen Zustand übersteigt, findet der Durchbruch statt.
Als Nächstes wird der Betrieb des Metall-Halogenlampenvorschaltgeräts 100 während der Entladungsentstehungsperiode (B-1) in der Entladungsübergangsperiode beschrieben.
Die FETs 31 und 32 schalten nach dem Durchbruch der Metall-Halogenlampe 62 weiterhin ein und aus, um die Metall-Halogenlampe 62 mit Strom zu versorgen. Wie vorstehend beschrieben, muss während der Entladungsentstehungsperiode die Metall-Halogenlampe 62 nach dem Durchbruch mit der Energie versorgt werden, die entsprechend den Zuständen der Metall-Halogenlampe 62 erforderlich ist, um zu verhindern, dass die Entladung erlischt. Da die Impedanz der Metall-Halogenlampe 62 während der Entladungsentstehungsperiode je nach den Zuständen der Metall-Halogenlampe 62 variiert, variiert auch die Energie, die erforderlich ist, um das Erlöschen der Entladung zu verhindern.
Was die Impedanz der Metall-Halogenlampe 62 nach dem Durchbruch im kalten Zustand anbelangt, kann, da sie vergleichsweise niedrig ist und ca. einige zehn Ohm beträgt, das Erlöschen der Entladung der Metall-Halogenlampe 62 durch Anlegen einer vergleichsweise niedrigen Spannung verhindert werden. Was hingegen die Impedanz der Metall-Halogenlampe 62 nach dem Durchbruch im warmen Zustand anbelangt, kann, da sie ziemlich hoch ist und einige hundert Ohm oder darüber beträgt, das Erlöschen der Entladung nur verhindert werden, wenn eine vergleichsweise hohe Spannung an die Metall-Halogenlampe 62 angelegt wird. Dementsprechend ist es besser, die an die Metall-Halogenlampe 62 während der Entladungsentstehungsperiode anzulegende Spannung an die Spannung anzupassen, die nach dem Durchbruch im warmen Zustand angelegt wird.
Das Vollbrücken-Niederfrequenzvorschaltsystem weist einen hochkapazitiven Kondensator in einem DC-Schaltungsteil zwischen der Sekun därseite des DC-DC-Wandlers und dem Wechselrichter auf, um die Metall-Halogenlampe 62 mit der zur Aufrechterhaltung der Entladung notwendigen Energie zu versorgen, und lädt den Kondensator mit dem DC-Strom auf, wodurch die DC-Spannung an die Metall-Halogenlampe 62 angelegt wird.
Das Metall-Halogenlampenvorschaltgerät 100 der vorliegenden Ausführungsform 1 verwendet jedoch das Einschrittspannungserhöhungshochfrequenzwechselrichtersystem, so dass das DC-Schaltungsteil auf den Abschnitt beschränkt ist, der aus der DC-Stromversorgung 10 und dem Glättungskondensator 20 vor der Primärseite des DC-AC-Wandlertransformators 33 besteht. Um wie im herkömmlichen System einen Kondensator in diesem Teil anzuschließen, ist aufgrund der niedrigeren Ladungsspannung ein Kondensator mit einer höheren Kapazität als im herkömmlichen System erforderlich. Um die Metall-Halogenlampe 62 mit der erforderlichen Spannung zu versorgen, ist es überdies notwendig, einen DC-AC-Wandlertransformator 33 mit einem großen Wicklungsverhältnis zu verwenden oder eine Schaltung einzufügen, um die Spannung des Kondensators zeitweilig zu verstärken, was aber der Abnahme bei Größe und Kosten der Vorrichtung im Wege steht. Angesichts dessen verwendet die vorliegende Ausführungsform 1 ein System, das die Ausgangsspannung des DC-AC-Wandlertransformators 33 durch den ersten Resonanzkreis 40 verstärkt.
5 stellt beispielhaft die Verhältnisse zwischen der Ansteuerfrequenz der FETs 31 und 32 und der Ausgangsspannung des ersten Resonanzkreises 40 (die Spannung am ersten Resonanzkondensator 42) und der Spannung der Metall-Halogenlampe 62 dar, wenn die Entladung im warmen Zustand anläuft und die Impedanz der Metall-Halogenlampe 62 500 Ω beträgt. In 5 ist die Einschaltdauer der FETs 31 und 32 bei 90% konstant.
Wie in 5 dargestellt ist, wird, wenn die Ansteuerfrequenz der FETs 31 und 32 170 kHz beträgt, die Spannung der Metall-Halogenlampe 62 maximal. Anders ausgedrückt, um die Metall-Halogenlampe 62 mit einer Spannung zu versorgen, die hoch genug ist, müssen die FETs 31 und 32 mit der Frequenz angesteuert werden, bei der die Verstärkung in der Übertragungskennlinie auf der Seite der Sekundärwicklung 35 des DC-AC-Wandlertransformators 33 maximal wird, wenn die Impedanz der Metall-Halogenlampe 62, wie in den 3A und 3B dargestellt, 500 Ω beträgt.
Um die Metall-Halogenlampe 62 mit der zur Aufrechterhaltung ihrer Entladung ausreichenden Energie zu versorgen, muss der an die Metall-Halogenlampe 62 anzulegende Strom maximal ausgelegt werden. Um dies zu bewerkstelligen, sollte die Einschaltdauer der FETs 31 und 32 vorzugsweise unmittelbar nach dem Entladungsbeginn einen Höchstwert annehmen.
Was die Schaltung anbelangt, die das Einschrittspannungserhöhungshochfrequenzwechselrichtersystem als Metall-Halogenlampenvorschaltgerät 100 der vorliegenden Ausführungsform 1 verwendet, sollten zusammenfassend die FETs 31 und 32 mit der Frequenz angesteuert werden, bei der der Ausgang des Resonanzkreises auf der Seite der Sekundärwicklung 35 des DC-AC-Wandlertransformators 33 während der Entladungsentstehungsperiode maximal wird, und die Einschaltdauer sollte in diesem Fall maximal ausgelegt werden.
Um eine solche Abfolge zu bewerkstelligen, steuert die vorliegende Ausführungsform 1 die FETs 31 und 32 mit der Frequenz 170 kHz an, bei der die Übertragungsfunktion auf der Seite der Sekundärwicklung 35 des DC-AC-Wandlertransformators 33 während der Entladungswarteperiode maximal wird, und stellt die Einschaltdauer nach dem Beginn der Entladung so ein, dass die Einschaltdauer sofort mit Aufrechterhalten der Frequenz bei 170 kHz den Höchstwert von 90% annimmt, wodurch die Entladung entsteht.
6 stellt die Zusammenfassung der wahrscheinlichen Neustartfälle, nachdem zehn Sekunden nach dem Einschalten der Metall-Halogenlampe 62 verstrichen sind, für einen Zeitraum dar, in dem die vorstehende Abfolge hinsichtlich der Stromversorgungsspannung und verschiedener Zustände eingesetzt wurde. Was die einzelnen Konstanten der Schaltung betrifft, werden die vorstehend genannten Werte verwendet.
In 6 zeigt eine höhere Stromversorgungsspannung auf derselben Kennlinie die höhere Ausgangsspannung des ersten Resonanzkreises 40 an. Wie in 6 dargestellt ist, wird bei der Stromversorgungsspannung 14V eine fast 100%-ige Neustartwahrscheinlichkeit erzielt, wenn das Wicklungsverhältnis des DC-AC-Wandlertransformators 33 1:17 und die Einschaltdauer der FETs 31 und 32 80% beträgt. Im Gegensatz dazu wird bei der Stromversorgungsspannung 12V eine fast 100%-ige Neustartwahrscheinlichkeit erzielt, wenn das Wicklungsverhältnis dasselbe ist (1:17) und die Einschaltdauer der FETs 31 und 32 90% beträgt. Somit kann das Einstellen der Einschaltdauer der FETs 31 und 32 auf einen Wert möglichst nahe 100%, bei einem geringeren Wicklungsverhältnis das Wiedereinschalten sicherstellen. Eine Reduzierung des Wicklungsverhältnisses des Transformators ermöglicht dessen Verkleinerung.
Es wird davon ausgegangen, dass der Spannungsbereich der Stromversorgung in Anbetracht der Schwankungen der in einem Fahrzeug montierten Batterie beim Vorschaltbeginn der Metall-Halogenlampe 62 9 V bis 16 V beträgt. Was die Stromversorgungsspannung 9 V betrifft, wird eine fast 100%-ige Neustartwahrscheinlichkeit erzielt, wenn das Transformatorenwicklungsverhältnis 1:25 und die Einschaltdauer der FETs 31 und 32 90% beträgt. Das Transformatorenwicklungsverhältnis kann reduziert werden, indem die Parameter des ersten Resonanzkreises 40, des Zündtransformators 55 und des zweiten Resonanzkondensators 61 des zweiten Resonanzkreises 60 von 1 verändert werden, und indem somit der Ausgang des ersten Resonanzkreises 40 verändert wird.
Als Nächstes wird der Betrieb des Metall-Halogenlampenvorschaltgeräts 100 in der Lichtstromanlaufperiode (B-2) in der Entladungsübergangsperiode beschrieben.
In der Lichtstromanlaufperiode wird die Metall-Halogenlampe 62, wenn sie sich im kalten Zustand befindet, mit einer höheren Energie als ihrer Nennleistung von 35 W versorgt, wie etwa 70 W, um schnell auf den gewünschten Lichtstrom hochzufahren. Die Energie wird eingestellt, indem die Einschaltdauer der FETs 31 und 32 verändert wird. Im warmen Zustand ist die Anlaufzeit kürzer als im kalten Zustand, weil die Temperatur der Röhre immer noch hoch ist.
Hier wird die Ansteuerfrequenz der FETs 31 und 32 beschrieben. Es ist nach der Entladungswarteperiode und der Entladungsbeginnperiode bis zur Entladungsentstehungsperiode nicht notwendig, die Ansteuerfrequenz der FETs 31 und 32 auf eine spezifische Frequenz einzustellen, solange die Spannung und der Strom bereitgestellt werden können, die in den einzelnen Perioden erforderlich sind. Die Frequenz schwankt je nach den Werten der Kondensatoren und Drosselspulen der Schaltung auf der Seite der Sekundärwicklung 35 des DC-AC-Wandlertransformators 33. Hingegen muss die Ansteuerfrequenz entsprechend der typischen Kennlinie der Metall-Halogenlampe 62 in der Lichtstromanlauf- und der normalen Entladungsperiode eingestellt werden.
Die typische Kennlinie der Metall-Halogenlampe 62 bezieht sich auf die Erscheinung, dass die Entladung instabil wird oder erlischt, wenn die Metall-Halogenlampe 62 zum Einschalten mit einer Frequenz von einigen Kilohertz angesteuert wird, was im Allgemeinen „akustische Resonanz" genannt wird. Die Einzelheiten der akustischen Resonanz sind im Journal of the Illuminating Engineering Institute of Japan, Band 77, Nr. 10, 1993, S. 29 – 36 berichtet. Nach dieser Schrift wird der Mechanismus, der die Instabilität der Lichtbogenentladung aufgrund akustischer Resonanz verursacht, wie folgt erklärt. Die Frequenz der in den Reflexionsrichtungen untereinander fortschreitenden Wellen innerhalb der Lampe nähert sich der natürlichen Frequenz der Lampe, wodurch eine stehende Welle entsteht. Die stehende Welle, die eine Druckwelle des Quecksilberdampfs ist, der während des Scheinens in der Lampe vorherrscht, bringt eine ungleichmäßige Druckverteilung innerhalb der Lampe mit sich. Bei der Druckverteilung bildet sich die Lichtbogenentladung derart, dass der Energiezustand minimal wird, wodurch der Lichtbogen gekrümmt wird. Die Frequenz, bei der die Entladungsinstabilität aufgrund der akustischen Resonanz auftritt, verändert sich je nach der akustischen Welle in der Röhre. Mit anderen Worten verändert sie sich je nach Röhrendruck und -temperatur.
Die Lichtstromanlaufperiode stellt einen Teil der Entladungsübergangsperiode dar, und ihre Dauer reicht von einigen Millisekunden bis mehreren zehn Sekunden. Röhrendruck und -temperatur während der Periode verändern sich je nach der Versorgungsleistung und der verstrichenen Zeit sowie auch den Ausgangszuständen der Metall-Halogenlampe 62. Von daher sind sie nicht eindeutig bestimmt. Wenn die Metall-Halogenlampe 62 während der Lichtstromanlaufperiode mit einer feststehenden Frequenz angesteuert wird, kann die akustische Resonanz je nach den Zuständen der Vorschaltröhre auftreten und ein Flackern oder Ausgehen der Metall-Halogenlampe 62 hervorrufen.
Um das Flackern oder Ausgehen der Entladung aufgrund der akustischen Resonanz, die durch den Röhrendruck und die Röhrentemperatur verursacht wird, die sich in der Lichtstromanlaufperiode verändern, zu umgehen, wurden die folgenden beiden Verfahren konzipiert.
Das erste Verfahren erfasst die Schwankungen der Spannung der Metall-Halogenlampe 62 und führt die Steuerung so durch, dass, wenn die Schwankungen der Spannung der Metall-Halogenlampe 62 zunehmen, die Frequenz eingestellt wird, um die Schwankungen zu reduzieren.
Das Verfahren nutzt die Tatsache, dass die akustische Resonanz die Krümmung des Lichtbogens mit sich bringt, was die Impedanz der Metall-Halogenlampe 62 stark verändert, und von daher auch die Spannung verändert, mit der die Metall-Halogenlampe 62 versorgt wird. Solange hingegen keine akustische Resonanz auftritt, ist die Impedanz der Metall-Halogenlampe 62 stabil, und die Schwankungen in der Spannung sind gering. Somit kann die akustische Resonanz durch Erfassen der Schwankungen in der Spannung und durch Einstellen der Frequenz auf eine Weise, dass die Schwankungen nicht zunehmen, verhindert werden.
Ein anderes Verfahren zählt die seit dem Ende der vorhergehenden Entladung verstrichene Zeit und beginnt mit der Entladung, nachdem die Frequenz der verstrichenen Zeit entsprechend eingestellt wurde.
Das Verfahren bestimmt die Frequenz, die in der Lichtstromanlaufperiode verwendet werden soll, indem der Ausgangszustand der Metall-Halogenlampe 62 ab der seit dem Ende des vorherigen Einschaltens verstrichenen Zeit und aus den Werten entschieden wird, die aus vergangenen Erfahrungsfällen erhalten wurden. Und zwar ist dem so, weil die Röhrentemperatur und der Röhrendruck der Metall-Halogenlampe 62 in gewissem Maße vom Ausgangszustand der Metall-Halogenlampe 62 abhängen. In diesem Fall ist es nicht notwendig, die Frequenz über die gesamte Lichtstromanlaufperiode festzulegen, die zeitlichen Veränderungen können aber den Werten entsprechend vorgenommen werden, die aus den vergangenen Erfahrungsfällen erhalten wurden.
Allerdings müssen die beiden Verfahren die Frequenz in einem solchen Bereich einstellen, dass der Anlauf des Lichtstroms in einem spezifizierten Zeitraum durch Einstellen der Einschaltdauer der FETs 31 und 32 unter Berücksichtigung der Übertragungskennlinie auf der Seite der Sekundärwicklung 35 des DC-AC-Wandlertransformators 33 ermöglicht wird.
Als Nächstes wird der Betrieb des Metall-Halogenlampenvorschaltgeräts 100 in der normalen Entladungsperiode (C) beschrieben.
Ist der Lichtstrom erst einmal angelaufen, beginnt die normale Entladungsperiode, bei der die Entladung mit der Nennleistung von 35 W weitergeführt wird, indem die Einschaltdauer der FETs 31 und 32 eingestellt wird. Die 35 W-Konstantsteuerung wird wie folgt ausgeführt. Zunächst erfasst die Vorschaltsteuerungsschaltung 70 von 1 die Spannung und den Strom der Schaltung auf der Seite der Sekundärwicklung 35 des DC-AC-Wandlertransformators 33. Dann vergleicht sie die vorliegende Leistung mit der Beharrungsleistung 35 W und liefert den FETs 31 und 32 das Gate-Impulssignal für die erforderliche Einschaltdauer.
Um die instabile Entladung aufgrund akustischer Resonanz in der normalen Entladungsperiode zu vermeiden, wird ein Frequenzhubverfahren eingesetzt, das die Frequenz moduliert, um eine Wellenform zur Vorschaltansteuerung zu erzeugen. In Ausführungsform 1 wird die Vorschaltansteuerung durch die Wellenform mit der Mittelfrequenz von 90 kHz, der Modulationsfrequenz von 1 kHz, der Mindestfrequenz von 80 kHz und der Höchstfrequenz von 100 kHz durchgeführt. Zusätzlich kann die Vorschaltansteuerung mit der frequenzmodulierten Wellenform ab der Entladungswarteperiode bis zum Ende des Vorschaltens kontinuierlich durchgeführt werden.
7 stellt ein Beispiel der Spannungs- und Stromwellenformen der Metall-Halogenlampe 62 im normalen Vorschaltmodus dar. Wie in 7 dargestellt ist, wird die Ausgangswellenform des DC-AC-Wandlertransformators 33, welche eine Rechteckwelle ist, in eine Wellenform ähnlich einer Sinuswelle umgeformt und an die Metall-Halogenlampe 62 angelegt. Und zwar deswegen, weil der zweistufige Resonanzkreis, der aus dem ersten Resonanzkreis 40 und dem zweiten Resonanzkreis 60 besteht, über die gesamten einzelnen Perioden des Vorschaltens der Metall-Halogenlampe 62 in Betrieb ist. Anders ausgedrückt dient der zweistufige Resonanzkreis so als elektrisches Filter, dass die der Metall-Halogenlampe 62 zugeführte Wellenform keine unerwarteten Oberwellen enthält, wodurch ermöglicht wird, dass das Vorschaltgerät mit der beabsichtigten Frequenz gesteuert werden kann.
Wie vorstehend beschrieben, verwendet die vorliegende Ausführungsform 1 das „Einschrittspannungserhöhungshochfrequenzwechselrichtersystem", das die Spannung aus der DC-Stromversorgung 10 durch die DC-AC-Wechselrichterverstärkungsschaltung 30 in eine AC-Wellenform umwandelt und die Metall-Halogenlampe 62 mit einer hohen Frequenz einschaltet. Zusätzlich kann der erste Resonanzkreis 40, der auf der Seite der Sekundärwicklung 35 des DC-AC-Wandlertransformators 33 angeordnet ist und die Leckstromdrosselspule 41 des DC-AC-Wandlertransformators 33 und den ersten Resonanzkondensator 42 umfasst, der Metall-Halogenlampe 62 während der Entladungsentstehungsperiode genügend Energie zuführen. Dementsprechend kann die vorliegende Ausführungsform 1 den Schaltungsaufbau vereinfachen, indem sie den Vorteil bietet, Größe und Kosten der Vorrichtung für normales Vorschalten der Metall-Halogenlampe 62 zu reduzieren.
Zusätzlich kann die Nutzung der Leckstromdrosselspule 41 des DC-AC-Wandlertransformators 33 zum Aufbau des ersten Resonanzkreises 40 die Reduzierung bei Größe und Kosten der Schaltung bewerkstelligen, ohne irgendeine neue Drosselspule hinzuzufügen.
Darüber hinaus bietet die Hochspannungsimpulsgeneratorschaltung 50 den Vorteil, Größe und Kosten der Schaltung reduzieren zu können. Und zwar, weil die Hochspannungsimpulsgeneratorschaltung 50 die Notwendigkeit, das Wicklungsverhältnis des DC-AC-Wandlertransformators 33 zu erhöhen oder eine neue Verstärkungsschaltung auf der Sekundärseite der DC-AC-Gleichrichterverstärkungsschaltung 30 hinzuzufügen, um die Spannung zu erzeugen, die der Primärwicklung des Zündtransformators 55 zum Anlassen des Vorschaltgeräts der Metall-Halogenlampe 62 zugeführt werden soll, überflüssig macht.
Darüber hinaus kann die vorliegende Ausführungsform 1 die Spannung abgeben, die zur Unterstützung der Entladung in den einzelnen Perioden ab dem Beginn der Entladung bis zum normalen Vorschalten notwendig ist, indem der erste Resonanzkondensator 42 nur mit einer vergleichsweise niedrigen Kapazität an die Sekundärwicklung 35 des DC-AC-Wandlertransformators 33 angeschlossen wird. Somit kann die vorliegende Ausführungsform 1 den Kondensator mit der vergleichsweise hohen Kapazität entfallen lassen, der vom Vollbrücken-Niederfrequenzvorschaltsystem verwendet wird, wodurch sich der Vorteil bietet, Größe und Kosten der Vorrichtung zum Vorschalten der Metall-Halogenlampe 62 reduzieren zu können.
Im Übrigen ist die Vorschaltsteuerschaltung 70 so aufgebaut, dass sie die Ansteuerfrequenz und Einschaltdauer der FETs 31 und 32 im Ansprechen auf die Zustände in den einzelnen Vorschaltperioden der Metall-Halogenlampe 62 steuert. Im Ergebnis kann sie das Ausgehen der Entladung verhindern und die stabile Entladung aufrechterhalten, ohne irgendeine neue Schaltung hinzuzufügen, um die Spannungen zu erzeugen die für die einzelnen Perioden der Entladung erforderlich sind.
Überdies umfasst die vorliegende Ausführungsform 1 den zweistufigen Resonanzkreis, der aus dem ersten Resonanzkreis 40 und dem zweiten Resonanzkreis 60 in der Ausgangsschaltung auf der Seite der Sekundärwicklung 35 des DC-AC-Wandlertransformators 33 besteht. Der Resonanzkreis dient als elektrisches Filter, das die Spannung an der Sekundärwicklung 35 des DC-AC-Wandlertransformators 33, welche eine Rechteckwelle ist, in eine Wellenform ähnlich einer Sinuswelle umformt, die über die gesamten einzelnen Entladungsperioden an die Metall-Halogenlampe 62 angelegt wird. Dies macht es möglich, die Notwendigkeit, unerwartete Oberwellen zu berücksichtigen, zu umgehen, und eine stabile Vorschaltsteuerung mit der beabsichtigten Frequenz durchzuführen.
Darüber hinaus ist Ausführungsform 1 so aufgebaut, dass die Vorschaltsteuerschaltung 70 den Spannungsanstieg der Metall-Halogenlampe 62 während der Lichtstromanlaufperiode erfasst, bei der sich Druck und Temperatur im Inneren der Metall-Halogenlampe 62 stark verändern, und die Ansteuerfrequenz der FETs 31 und 32 steuert, um die Schwankungen in der Spannung zu unterdrücken. Im Ergebnis kann die vorliegende Ausführungsform 1 ein von akustischer Resonanz herrührendes Flackern der Lampe aus der Welt schaffen und den Lichtstrom innerhalb der festgelegten Zeitdauer anlaufen lassen.
Darüber hinaus ist die Vorschaltsteuerschaltung 70 so aufgebaut, dass sie die ab dem Ende des vorgehenden Einschaltens bis zum Beginn des nächsten Einschaltens verstrichene Zeit misst und die Metall-Halogenlampe 62 mit der Frequenz ansteuert, die der verstrichenen Zeit entspricht. Im Ergebnis kann die vorliegende Ausführungsform ein von akustischer Resonanz herrührendes Flackern des Lichtbogens verhindern, und kann den Lichtstrom in einer vorbestimmten Zeitdauer anlaufen lassen.
Schließlich formt die vorliegende Ausführungsform 1 die Spannungswellenform, die der Metall-Halogenlampe 62 zugeführt werden soll, während der normalen Entladungsperiode noch in eine frequenzmodulierte Wellenform um. Im Ergebnis kann die vorliegende Ausführungsform 1 das Flackern der Lampe aus der Welt schaffen und den stabilen Vorschaltvorgang aufrechterhalten. BEZUGSZEICHENLISTE

Claims

Hochdruckentladungslampenvorschaltgerät (100), umfassend: einen DC-AC-Wechselrichter (30) mit mindestens einem Schaltelement (31, 32), um eine DC-Spannung in eine AC-Spannung umzuwandeln, und einen Transformator (33), um die AC-Spannung zu verstärken; einen ersten Resonanzkreis (40) der an eine Ausgangsseite des DC-AC-Wechselrichters angeschlossen ist und ein Drosselspulenelement (41) und einen ersten Resonanzkondensator (42) umfasst; und einen zweiten Resonanzkreis (60), der an den ersten Resonanzkreis angeschlossen ist, der eine Hochdruckentladungslampe (62), einen Zündtransformator (55) zum Erzeugen einer Spannung zum Einschalten der Hochdruckentladungslampe und einen zweiten Resonanzkondensator (61) umfasst, und der die Hochdruckentladungslampe wirksam zusammen mit dem ersten Resonanzkreis entsprechend den einzelnen Entladungsperioden mit einer Ausgangsspannung des DC-AC-Wechselrichters versorgt.
Hochdruckentladungslampenvorschaltgerät nach Anspruch 1, wobei der erste Resonanzkreis (40) eine Leckstromdrosselspule des Transformators (33) des DC-AC-Wechselrichters (30) als Drosselspulenelement (41) verwendet.
Hochdruckentladungslampenvorschaltgerät nach Anspruch 1 oder 2, darüber hinaus eine Hochspannungsimpulsgeneratorschaltung (50) mit einem Funkenstreckenschalter (54), um die Ausgangsspannung des DC-AC-Wechselrichters über den ersten Resonanzkreis zu erhalten, und um eine Spannung auf einer Primärseite des Zündtransformators zu erzeugen, und einen Kondensator (53) umfassend, um eine Spannung zum Einschalten des Funkenstreckenschalters zu speichern.
Hochdruckentladungslampenvorschaltgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, darüber hinaus umfassend: eine Vorschaltsteuerschaltung (70) zum Steuern einer Frequenz und einer relativen Einschaltdauer zum Ansteuern des Schaltelements des DC-AC-Wechselrichters, um die Hochdruckentladungslampe mit ausreichend Energie zu versorgen, die in den einzelnen Perioden von einer Entladungsbeginnperiode bis zu einer normalen Entladungsperiode erforderlich ist, wobei das Hochdruckentladungslampenvorschaltgerät die Hochdruckentladungslampe ansteuert: in einer Entladungswarteperiode mit einer Frequenz und einer relativen Einschaltdauer, die eine Verstärkung auf eine Spannung ermöglicht, die den Funkenstreckenschalter einschaltet, um eine Spannung an der Primärseite des Zündtransformators zu erzeugen; in einer Entladungsentstehungsperiode mit einer Frequenz und einer relativen Einschaltdauer, die den Übertragungswirkungsgrad einer Schaltung auf der Sekundärseite des Transformators des AC-DC-Wechselrichters maximiert; in einer Lichtstromanlaufperiode mit einer Frequenz und einer relativen Einschaltdauer, die ein stabiles Anlaufen eines Lichtstroms in einer festgelegten Zeitdauer ermöglicht; und in einer normalen Entladungsperiode mit einer Frequenz und einer relativen Einschaltdauer, die eine festgelegte Energiezufuhr zur Hochdruckentladungslampe ermöglicht, um eine stabile Entladung aufrechtzuerhalten.
Hochdruckentladungslampenvorschaltgerät nach Anspruch 4, wobei die Vorschaltsteuerspannung (70) in der Lichtstromanlaufperiode Schwankungen der Spannung der Hochdruckentladungslampe erfasst, die Frequenz zum Ansteuern des Schaltelements auf eine Frequenz steuert, welche die Schwankungen der Spannung der Hochdruckentladungslampe unterdrückt und die Entladung stabilisiert, und die Hochdruckentladungslampe mit der Energie versorgt, die zum Anlaufen des Lichtstroms erforderlich ist, indem die relative Einschaltdauer entsprechend der Frequenz eingestellt wird.
Hochdruckentladungslampenvorschaltgerät nach Anspruch 4, wobei die Vorschaltsteuerspannung (70) in der Lichtstromanlaufperiode die Frequenz und die relative Einschaltdauer zum Ansteuern des Schaltelements entsprechend der ab einem Ende des vorhergehenden Einschaltens der Hochdruckentladungslampe verstrichenen Zeit einstellt, bevor die Hochdruckentladungslampe eingeschaltet wird.
Hochdruckentladungslampenvorschaltgerät nach Anspruch 1, wobei der erste Resonanzkreis (40) und der zweite Resonanzkreis (60) die Hochdruckentladungslampe mit der Ausgangsspannung des DC-AC-Wechselrichters versorgen, wobei eine Wellenform der Ausgangsspannung des DC-AC-Wechselrichters geglättet wird.