DE102005018334A1

DE102005018334A1 - Zündtransformator für Hochdruckentladungslampe

Info

Publication number: DE102005018334A1
Application number: DE200510018334
Authority: DE
Inventors: Alwin Veser; Friedrich Witzani
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2005-04-20
Filing date: 2005-04-20
Publication date: 2006-11-02
Also published as: TWI433182B; TW200707480A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Zündtransformator für Hochdruckentladungslampen mit drei Wicklungen, von denen eine erste und eine zweite in zumindest zwei durchgehenden Lagen gewickelt sind.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Zündtransformator für eine Hochdruckentladungslampe, ein damit ausgestattetes elektronisches Vorschaltgerät und Lampensystem sowie auf die Verwendung derselben für ein Projektionssystem.
Hochdruckentladungslampen werden für verschiedene Anwendungsbereiche, insbesondere auch im Bereich der Videoprojektion, eingesetzt. Dies gilt insbesondere auch für HID-Lampen mit besonders hoher Leuchtdichte und entsprechend höheren Lampendrücken.
Hochdruckentladungslampen müssen mit deutlich über der Dauerbetriebsspannung der Lampe liegenden Zündspannungen gezündet werden, wozu in aller Regel Zündtransformatoren eingesetzt werden.

Solche Zündtransformatoren weisen bei symmetrischer Ausführung zumindest drei Wicklungen auf, wobei ein Zündpuls in der Primärwicklung (im Folgenden "dritte Wicklung") durch den Zündtransformator zu einem in der Spannung ganz erheblich viel größeren Zündpuls in der "ersten" und "zweiten" (Sekundär-)Wicklung hochtransformiert wird und die erste und zweite Wicklung üblicherweise symmetrisch in Bezug auf die Hochdruckentladungslampe liegen. Dabei ergibt sich der Nachteil, dass diese Wicklungen seriell im Lampenstromkreis liegen und damit im Dauerbetrieb abhängig von der Größe der Lampenströme gewisse ohmsche Verluste bedingen. Die ohmsche Verlustwärme ist nicht nur im Hinblick auf damit ungenutzte elektrische Leistung problematisch, sondern kann auch unzulässig hohe Temperaturen erzeugen bzw. störende technische Anforderungen in Bezug auf Kühlung und möglicherweise hierzu vorgesehene Vorrichtungen wie etwa Lüfter bedingen.

Wenn allerdings in Folge des erwünschten Spannungsübersetzungsverhältnisses eine gewisse Windungszahl unumgänglich ist, kann andererseits nicht unbegrenzt der Leitungsquerschnitt erhöht werden, weil damit zusätzlicher Wickelraum um den Transformatorkern benötigt wird und damit ein Teil der Wicklungen weiter vom Kern entfernt zu liegen kommt. Die daraus resultierende schlechtere Kopplung mit dem gesamten Magnetfeld senkt die Windungsspannung, so dass wiederum mehr Windungen notwendig werden. Damit steigt nicht nur der ohmsche Widerstand etwas an, sondern wird auch der Induktivitätswert des Transformators höher, so dass sich das Verhalten des mit dem Zündtransformator ausgestatteten Vorschaltgeräts bei den im Betrieb von Hochdruckentladungslampen üblichen Lampenstrom-Kommutiervorgängen verschlechtert. Konkret prägt sich der hier auftretende Lichteinbruch stärker aus, weil durch die erhöhte Induktivität die Stromumkehr bei der Kommutierung verlangsamt wird.

Man erkennt aus der oben stehenden Darstellung, dass bei der Auslegung eines Zündtransformators verschiedene konkurrierende Gesichtspunkte zu einem günstigen Kompromiss geführt werden müssen. Dies gilt besonders bei Zündtransformatoren für HID-Lampen, bei denen besonders hohe Zündspannungen auftreten können, und ganz besonders bei höheren Lampenleistungen, wie sie im Bereich von Projektionsanwendungen, insbesondere bei der Videorückprojektion für größere Formate, auftreten.

Darstellung der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, einen Zündtransformator anzugeben, der günstige Möglichkeiten für einen Kompromiss zwischen Baugröße, ohmschem Widerstand und Induktivität bietet. Ferner soll die Erfindung ein entsprechend ausgestattetes elektronisches Vorschaltgerät, ein dieses Vorschaltgerät enthaltendes Lampensystem mit einer passenden Hochdruckentladungslampe und schließlich eine günstige Verwendung des Zündtransformators, des Vorschaltgeräts und des Lampensystems angeben.

Dazu richtet sich die Erfindung auf einen Zündtransformator für eine Hochdruckentladungslampe mit einer ersten, zweiten und dritten Wicklung auf einem gemeinsamen Kern, wobei die erste und die zweite Wicklung auf axial getrennten Bereichen des Kerns angebracht sind und die dritte Wicklung die erste und die zweite Wicklung axial überlappt, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Wicklung zumindest zweilagig und in den Lagen durchgehend ausgeführt sind,
sowie auf ein elektronisches Vorschaltgerät für eine Hochdruckentladungslampe mit diesem Zündtransformator, ein Lampensystem mit dem Vorschaltgerät und einer passenden Hochdruckentladungslampe und schließlich auf die Verwendung für ein Projektionssystem, insbesondere Rückprojektionssystem, insbesondere Videoprojektionssystem.

Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und werden im Folgenden näher erläutert. Dabei beziehen sich die Merkmale auf die verschiedenen angesprochenen Aspekte der Erfindung, ohne dass hierzwischen im Einzelnen noch explizit unterschieden wird.

Der erfindungsgemäße Zündtransformator zeichnet sich dadurch aus, dass die erste und die zweite Wicklung, also die Wicklungen, in denen die Zündspannung entstehen soll, in jeweils zwei durchgehenden Lagen ausgeführt sind. Mit dem Begriff "durchgehend" soll dabei ausgedrückt werden, dass die Wicklungen nicht, wie im Stand der Technik üblich, gekammert vorliegen. Dadurch kann das durch die Kammerwände benötigte Volumen für die Wicklungen verwendet werden und somit eine größere "mittlere Nähe" der Wicklungen zum Transformatorkern, i. d. R. einem Ferritkern, sichergestellt werden.

Ferner sollen die erste und die zweite Wicklung jeweils zweilagig vorliegen, d. h. eine innere und eine äußere Lage der ersten Wicklung und eine innere und eine äußere Lage der zweiten Wicklung, wobei die erste und die zweite Wicklung natürlich in axial getrennten Bereichen des Kerns angebracht sind. (Der Begriff "axial" bezieht sich hierbei auf die Längsachse des Kerns, wobei jedoch auch nicht zylindrische Geometrien oder auch etwas gekrümmte Kern- und damit Transformatorgeometrien inbegriffen sein sollen, so dass "axial" also "entlang der Kernlängsrichtung" bedeutet, wobei die einzelnen Windungen der Wicklungen also in Umfangsrichtung laufen.) Eine zumindest zweilagige Ausführung hat sich als besonders günstig erwiesen, um eine kompakte Baugröße zu erzielen. Besonders bevorzugt sind zwei oder drei Lagen, wobei drei Lagen hinsichtlich der axialen Baugröße und zwei Lagen hinsichtlich der thermischen Aspekte etwas günstiger sind. Besonders bevorzugt sind genau zwei Lagen für die erste und die zweite Wicklung.

Ferner kann zwischen diesen Lagen eine Lagenisolation, etwa eine Kaptonfolie, PE-Isolationsfolie oder ein Glasfaserband vorgesehen sein, um die zwischen den Lagen im Verhältnis zu axial benachbarten Windungen höheren Spannungen gut zu isolieren. Eine solche Lagenisolation ist hinsichtlich der für die Wärmeentwicklung und auch die Baugröße wichtigen Packungsdichte der einzelnen Windungen letztlich günstiger als verstärkte Isolationsmäntel des Wicklungsdrahtes selbst.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sollen die erwähnten Lagen in der ersten Lage von (axial) außen nach innen und von dem inneren Ende der ersten Lage ausgehend in der zweiten Lage wieder nach außen sowie ggf. bei weiteren Lagen entsprechend weiter gewickelt sein. Die An schlüsse der Wicklungen in der ersten Lage liegen dann also axial außen, im Falle einer zweilagigen Lösung diejenigen der zweiten Lage ebenfalls. Damit ist eine spannungstechnisch günstige Lösung geschaffen. Insbesondere können die zweiten Lagen axial etwas kürzer und dabei nicht ganz bis zum axial äußeren Ende der darunter liegenden ersten Lage gewickelt sein, um einen gewissen axialen Abstand und damit Isolationsstrecke zu schaffen. Günstige Verhältnisse dieser abweichenden Wicklungslängen der ersten und der zweiten Lage liegen im Bereich von 1,1:1 bis 1,5:1. Die axialen Längen der untersten Lage der ersten und der zweiten Wicklung zusammen können vorzugsweise in einem Verhältnis von 2,5:1–3,5:1 zu dem mittleren Durchmesser des Transformatorkerns stehen. (Der Begriff "mittlerer Kerndurchmesser" soll dabei nicht kreiszylindrische Geometrien berücksichtigen.)

Die vorstehenden Erläuterungen beziehen sich auf die erste und die zweite Wicklung und nicht auf die vergleichsweise niederspannungsseitige dritte Wicklung. Die dritte Wicklung kann mit üblicherweise wenigen Wicklungen über die erste und die zweite Wicklung hinweg ausgeführt sein. Hier ist im Gegensatz zu den vorstehenden Bemerkungen zur ersten und zweiten Wicklung vorzugsweise der Wicklungsdraht selbst mehrfach isoliert und keine weitere Lagenisolation vorgesehen. Wegen der ohnehin geringen Windungszahl kommt es auf Packungsdichte an dieser Stelle nicht an.

Die Erfindung bezieht sich, wie eingangs bereits ausgeführt, auch auf ein elektronisches Vorschaltgerät mit einem solchen Zündtransformator. Das Vorschaltgerät kann dabei für Zündspannungen von 10 kV und mehr ausgelegt sein. Solche Zündspannungen können etwa bei HID-Lampen, insbesondere bei Leistungen, in der Größenordung von 100–200 W auftreten. Vorzugsweise findet die Erfindung, wie erwähnt, Anwendung im Bereich von Projektionssystemen, und insbesondere bei Rückprojektionssystemen und Videoprojektionssystemen. Hier müssen in begrenzten verfügbaren Bauvolumina HID-Lampen mit erheblichen Leistungen gezündet und versorgt wer den. Aus Gründen des Platzes und der Geräuschentwicklung sind neben der Frage der Energieeffizienz vor allem auch die Kühlungsprobleme wesentlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnung(en)
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die offenbarten Einzelmerkmale auch in anderen Kombinationen erfindungswesentlich sind und sich wiederum ohne explizite Unterscheidung auf die verschiedenen Aspekte der Erfindung beziehen. Im Einzelnen zeigt
1 ein vereinfachtes Schaltungsdiagramm eines Lampensystems mit einem elektronischen Vorschaltgerät und einer angeschlossenen HID-Lampe,
2 ein Diagramm zur Erläuterung von Anschlüssen eines Zündtransformators in dem elektronischen Vorschaltgerät aus 1 und
3 eine schematische Darstellung des Aufbaus des Zündtransformators aus den 1 und 2.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
1 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Lampensystems. Eine HID-Hochdruckentladungslampe L ist im rechten Bereich der Figur eingezeichnet und über zwei Anschlüsse an ein in der Figur im Übrigen dargestelltes elektronisches Vorschaltgerät angeschlossen. Die Anschlüsse der HID-Lampe L führen über eine erste Wicklung w1 und eine zweite Wicklung w2 eines Zündtransformators an Abgriffe eines Resonanzkondensators C_res. Eine leistungsgesteuerte Wandlerschaltung PCS (Power Control Supply) ist über gekoppelte Resonanzinduktivitäten L_res an den Resonanzkondensator angeschlossen. Die Einzelheiten des Vorschaltgeräts sind nicht im Einzelnen dargestellt, weil sie dem Fachmann bekannt und für die Erfindung nicht von wesentlicher Bedeutung sind. Bei dem Wandler PCS kann es sich um einen Tiefsetzsteller handeln, wobei die Resonanzinduktivitäten L_res und der Reso nanzkondensator C_res von einer dem Tiefsetzsteller nachgeschalteten Vollbrücke in dem Wandler PCS angesteuert werden. Diese Wandlerschaltung wird von einer Leistungsfaktorkorrekturschaltung, insbesondere einem Hochsetzsteller, mit einer Zwischenkreisgleichspannung versorgt und erzeugt daraus eine je nach Betriebszustand der Lampe (Übernahmephase nach der Zündung und dann Dauerbetrieb) durch die Tiefsetzerfunktion des Wandlers in der Spannung angepasste und durch die Vollbrücke mit einer relativ kleinen Frequenz kommutierte Versorgungsspannung für die HID-Lampe L.
Die relativ hohe Zündspannung im Bereich von über 10 kV muss anderweitig erzeugt werden. Hierzu ist ein durch eine Ladeschaltung CC (Charge Circuitry) aufgeladene Kondensatorschaltung C vorgesehen, die über eine Funkenstrecke SG (Spark Gap) eine Entladung erzeugen kann. Der entsprechend pulsartige Entladungsstrom wird durch eine dritte Wicklung w3 des bereits erwähnten Zündtransformators geleitet, die mit der ersten Wicklung w1 und der zweiten Wicklung w2 gekoppelt ist. Das Wicklungsverhältnis des Zündtransformators liegt dabei typischerweise im Bereich von 1:10 bis 1:15 pro erste bzw. zweite Wicklung, also insgesamt im Bereich von 1:20 bis 1:30. Die in 1 angegebenen Wicklungssinnsymbole zeigen, dass sich dabei die Zündspannungen in den Wicklungen w1 und w2 addieren.
Die Ladeschaltung CC kann beispielsweise durch eine von dem Resonanzkondensator C_res abgeleitete Spannung versorgt werden.
2 dient zur Erläuterung der Bezeichnung der Anschlüsse der drei Wicklungen w1, w2 und w3 des Zündtransformators, um das Verständnis der 3 zu erleichtern. Die Stromflussrichtung ist also von 3 nach 1 durch die Wicklung w1, von 6 nach 4 durch die Wicklung w2 (vgl. 1) und von 5 nach 2 durch die Wicklung w3 bzw. umgekehrt. Das Bezugszeichen F bezeichnet einen Ferritstab als Kern des Zündtransformators.
3 zeigt mit F bezeichnet den Ferritkern in Seitenansicht, also als lang gestrecktes Rechteck. Die eingangs erwähnte axiale Richtung liegt horizontal in der Papierebene. Der Ferritkern hat einen kreisförmigen Querschnitt. Auf ihn ist, wie in der linken Hälfte eingezeichnet, die erste Wicklung w1 beginnend mit 3 links oben nach vorne aus der Papierebene herauskommend und nach unten wieder in die Papierebene eintauchend, also von links aus gesehen im Uhrzeigersinn, bis in die gestrichelt angedeutete Mitte M des Zündtransformators gewickelt und von dort im gleichen Wicklungssinn in einer zweiten außen liegenden Lage in axial entgegengesetzter Richtung bis zu dem Anschluss 1 im unteren Bereich zurückgewickelt. In den inneren (näherungweise) 67 % der axialen Länge der ersten Wicklung ist diese also doppellagig, in den äußeren 33 % einlagig.
Analoges gilt für die zweite Wicklung w2 in der rechten Hälfte, wobei lediglich die Anschlüsse 4 und 6 und die ersten drei äußersten Windungen eingezeichnet sind.
Zwischen den ersten und zweiten Lagen sind jeweils Glasfaserbänder zwischengelegt, wobei diese Lagenisolierung LI für die erste Wicklung im linken Bereich oben und unten eingezeichnet ist. Analoges gilt wiederum, obwohl nicht eingezeichnet, für die rechte Seite und die zweite Wicklung w2.
Schließlich zeigt die breitere grob gestrichelte Linie beginnend bei dem Bezugszeichen 5 und bis zu dem Bezugszeichen 2 die über die erwähnten beiden Wicklungen w1 und w2 mit drei Windungen gewickelte dritte Wicklung w3. Hier ist keine weitere Lagenisolierung verwendet, vielmehr ist der Wicklungsdraht mehrfach isoliert.
Dieser Zündtransformator bietet einen optimalen Kompromiss aus Baugröße, ohmschen Verlusten und Kühlbedarf sowie Übersetzungsverhältnis. Konkret wurden hier 24 Windungen für die jeweils erste Lage der ersten und der zweiten Wicklung und 16 Windungen für die jeweils zweite Lage verwendet, so dass sich ein rechnerisches Übersetzungsverhältnis von insgesamt 3:80 ergibt. Gleichzeitig ist der axiale Abstand zwischen den Wicklungsenden an den Anschlüssen 3 und 1 bzw. 6 und 4 mit über 15 % der Gesamttransforma torlänge relativ groß, so dass hier keine wesentlichen Isolationsprobleme trotz ungekammerten Aufbaus auftreten. Diese axialen Abstände können auch kleiner ausfallen, womit sich bei gleicher Baugröße noch größere Übersetzungsverhältnisse oder geringere axiale Baugrößen erzielen lassen.
Damit lässt sich eine 150 W HID-Lampe mit einem relativ kleinen Zündtransformator und einer Zündspannung über 10 kV sicher zünden. Die ohmschen Widerstände durch die erste Wicklung w1 und die zweite Wicklung w2 sind dennoch relativ gering, so dass im Dauerbetrieb kein übergroßer Kühlungsbedarf entsteht und trotz beengter Platzverhältnisse wenig Luftstrom und damit leise Lüfter verwendet werden können. Das Lampensystem wird in einem Rückprojektionsfernseher verwendet. Der Zündtransformator und damit das gesamte elektronische Vorschaltgerät können im Vergleich zum Stand der Technik in einem kleineren Bauvolumen leicht untergebracht werden, und somit kann ein sehr guter wirtschaftlicher/technischer Kompromiss bei der Auswahl der anderen Komponenten gefunden werden.

Claims

Zündtransformator für eine Hochdruckentladungslampe (L) mit einer ersten, zweiten und dritten Wicklung (w1, w2, w3) auf einem gemeinsamen Kern (F), wobei die erste und die zweite Wicklung (w1, w2) auf axial getrennten Bereichen des Kerns (F) angebracht sind und die dritte Wicklung (w3) die erste und die zweite Wicklung (w1, w2) axial überlappt, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Wicklung (w1, w2) zumindest zweilagig und in den Lagen durchgehend ausgeführt sind.
Zündtransformator nach Anspruch 1, bei dem die erste und die zweite Wicklung (w1, w2) genau zweilagig ausgeführt sind.
Zündtransformator nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zwischen den Lagen eine Lagenisolation (LI) vorgesehen ist.
Zündtransformator nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die erste und die zweite Wicklung (w1, w2) in der ersten Lage von außen nach innen und von dem inneren Ende der ersten Lage aus in der zweiten Lage wieder nach außen gewickelt sind.
Zündtransformator nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die erste und die zweite Wicklung (w1, w2) in der zweiten Lage nicht ganz bis zu dem Ende der darunter liegenden ersten Lage in axialer Richtung gewickelt sind.
Zündtransformator nach Anspruch 5, bei dem die axialen Wicklungslängen der ersten und der zweiten Lage im Verhältnis 1,1–1,5:1 stehen.
Zündtransformator nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die axiale Länge der untersten Lage der ersten Wicklung (w1) zusammen mit der axialen Länge der untersten Lage der zweiten Wicklung (w2) in einem Verhältnis von 2,5:1–3,5:1 zu dem mittleren Kerndurchmesser stehen.
Zündtransformator nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die dritte Wicklung (w3) als Draht mehrfach isoliert ist.
Elektronisches Vorschaltgerät für eine Hochdruckentladungslampe (L) mit einem Zündtransformator nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Vorschaltgerät nach Anspruch 9, das für eine Zündspannung von zumindest 10 kV ausgelegt ist.
Lampensystem mit einem Vorschaltgerät nach Anspruch 9 oder 10 und einer passenden Hochdruckentladungslampe (L).
Verwendung eines Zündtransformators nach einem der Ansprüche 1–8, eines Vorschaltgeräts nach einem der Ansprüche 9 und 10 oder eines Lampensystems nach Anspruch 11 für ein Projektionssystem, insbesondere ein Rückprojektionssystem, insbesondere ein Videoprojektionssystem.