DE102005020773A1

DE102005020773A1 - Vorrichtung zum Betreiben oder Zünden einer Hochdruckentladungslampe, Lampensockel und Beleuchtungssystem mit einer derartigen Vorrichtung sowie Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe

Info

Publication number: DE102005020773A1
Application number: DE102005020773A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Siessegger
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2005-05-02
Filing date: 2005-05-02
Publication date: 2006-11-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betreiben oder Zünden einer Hochdruckentladungslampe (10), wobei die Vorrichtung ein spannungsabhängiges Schaltmittel (131) zum Erzeugen der Zündspannung für die Hochdruckentladungslampe (10) aufweist, dessen Schaltschwellenspannung größer oder gleich der Zündspannung der Hochdruckentladungslampe (10) ist, und ein entsprechendes Betriebs- bzw. Zündverfahren. Die Erfindung ermöglicht eine Impulszündung der Hochdruckentladungslampe (10) ohne Verwendung eines Zündtransformators. Die erfindungsgemäße Impulszündvorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich vorteilhaft mit dem Hochfrequenzbetrieb der Hochdruckentladungslampe (10), insbesondere einer Fahrzeugscheinwerfer-Hochdruckentladungslampe kombinieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betreiben oder Zünden einer Hochdruckentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, einen Lampensockel und ein Beleuchtungssystem mit einer derartigen Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe.

Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise in der WO 98/53647 offenbart. Diese Offenlegungsschrift beschreibt eine Impulszündvorrichtung für eine Hochdruckentladungslampe, insbesondere für eine Fahrzeugscheinwerfer-Hochdruckentladungslampe. Diese Impulszündvorrichtung weist als wesentliche Elemente eine Funkenstrecke, einen Zündtransformator und einen Zündkondensator auf. Zum Zünden der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe wird der Zündkondensator aufgeladen, um sich beim Erreichen der Durchbruchsspannung der Funkenstrecke über diese und über die Primärwicklung des Zündtransformators zu entladen, so dass in der Sekundärwicklung des Zündtransformators die zum Zünden erforderlichen Hochspannungsimpulse für die Hochdruckentladungslampe induziert werden. Nach der Zündung der Gasentladung wird die Hochdruckentladungslampe üblicherweise mit einem im wesentlichen reckförmigen Strom mit einer Frequenz unterhalb von 1 kHz an einem Vollbrückenwechselrichter betrieben, wie es beispielsweise in dem Buch „Betriebsgeräte und Schaltungen für elektrische Lampen" von C.H. Sturm/E. Klein, 6. Auflage, 1992, Siemens Aktiengesellschaft, auf den Seiten 217-218 beschrieben ist. Nachteilig ist hier der vergleichsweise hohe Schaltungsaufwand, insbesondere der zweistufige Aufbau des Betriebsgerätes mit Hochsetzsteller und nachgeordnetem Vollbrückenwechselrichter sowie die erforderliche Ansteuerungsschaltung für die Halbleiterschalter des Wechselrichters und des Hochsetzstellers. Außerdem verursacht die geringe Lampenstromfrequenz dauernde Schwankungen der Elektrodentemperatur, die zu Sprüngen des Entladungsbogenansatzes auf der Elektrodenoberfläche und damit zu schwer abschirmbaren elektromagnetischen Störungen sowie zu schnellen Änderungen in der Leuchtdichte führen können.

Die WO 2005/011339 A1 offenbart ein als Klasse-E-Konverter ausgebildetes Betriebsgerät zum Beaufschlagen einer Fahrzeugscheinwerfer-Hochdruckentladungslampe mit einem im wesentlichen sinusförmigen, hochfrequenten Wechselstrom. Das Betriebsgerät umfasst eine Zündvorrichtung zum Zünden der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe, wobei die Zündvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel als Impulszündvorrichtung ausgeführt ist, die als wesentliche Elemente eine Funkenstrecke, einen Zündtransformator und einen Zündkondensator aufweist. Zum Zünden der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe wird der Zündkondensator aufgeladen, um sich beim Erreichen der Durchbruchsspannung der Funkenstrecke über diese und über die Primärwicklung des Zündtransformators zu entladen, so dass in der Sekundärwicklung des Zündtransformators die zum Zünden erforderlichen Hochspannungsimpulse für die Hochdruckentladungslampe induziert werden. Nachteilig ist hier, dass die Sekundärwicklung des Zündtransformators in den Lampenstromkreis geschaltet ist und dadurch nach erfolgter Zündung der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe vom hochfrequenten Lampenstrom durchflossen wird. Aufgrund der bei hohen Frequenzen, insbesondere größer oder gleich 100 kHz, vergleichsweise großen Impedanz der Sekundärwicklung des Zündtransformators, insbesondere wenn Zündspannungen größer als 8 kV erforderlich sind, entsteht daher während des Lampenbetriebs ein hoher Spannungsabfall über der Sekundärwicklung, der ein mehrfaches der Lampenbrennspannung betragen kann. Dieses führt zu Verlusten im Transformatorkern und darüber hinaus muss von dem Betriebsgerät bzw. Spannungswandler eine entsprechend höhere Ausgangsspannung bereitgestellt werden muss. Die bereitzustellende, durch die Sekundärwicklung verursachte Blindleistung führt zu Verlusten in dem Spannungswandler.

Die US 6,194,844 offenbart eine Zündvorrichtung für eine Hochdruckentladungslampe bei der der Lampenstrom nicht durch die Sekundärwicklung eines Zündtrans formators fließen muss. Bei der vorgeschlagenen Lösung befindet sich jedoch ein Kondensator in Reihe zur Hochdruckentladungslampe, der von einer Gleichspannungsquelle auf die Zündspannung der Hochdruckentladungslampe aufgeladen wird. In 11 ist das Grundschema dieser Gleichspannungszündung dargestellt. Die Gleichspannungsquelle 1104 lädt zum Zünden der Hochdruckentladungslampe 1103 den Kondensator 1102 auf die Zündspannung der Hochdruckentladungslampe auf. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass der vom Spannungswandler 1101 bereitgestellte Lampenwechselstrom während des nachfolgenden Betriebs durch diesen Kondensator 1102 fließen muss. Diese Anordnung ist daher nur für einen Lampenbetrieb mit äußerst hoher Frequenz des Lampenstroms geeignet, da anderenfalls die Kapazität des besagten Kondensators sehr groß dimensioniert werden müsste und die in ihm gespeicherte Energie beim Durchbruch der Entladungsstrecke der Hochdruckentladungslampe zu deren Zerstörung führen würde.

Der besagte Kondensator darf, um einen hohen Wirkungsgrad der gesamten Schaltung zu gewährleisten, bei der äußerst hohen Frequenz des Lampenstroms nur geringe Verluste verursachen, was dieses Bauelement sehr teuer macht. Darüber hinaus führt der endliche Widerstand des Lampengefäßes einer heißen Hochdruckentladungslampe im Fall einer sofortigen Heiß-Wiederzündung, unmittelbar nach dem Ausschalten der Hochdruckentladungslampe, zu einer zusätzlichen Belastung der Gleichspannungsquelle, da ein Teil des von ihr bereitgestellten Stroms über das heiße Lampengefäß abfließt. Das nach dem Ausschalten der Hochdruckentladungslampe noch heiße, üblicherweise aus Quarzglas bestehende Lampengefäß besitzt nämlich im ungünstigen Fall einen Widerstand von nur 15 Megaohm bis 20 Megaohm, so dass der Widerstand der Hochdruckentladungslampe im ausgeschalteten Zustand ebenfalls nur einen Widerstand in diesem Bereich aufweist. In 13 ist der Widerstand R einer Fahrzeugscheinwerfer-Hochdruckentladungslampe mit einer Entladungsgefäß aus Quarzglas und einer Nennleistung von 35 Watt im ausgeschalteten Zustand in Abhängigkeit von der Zeitspanne t_off, die seit dem Ausschalten der Hochdruckentladungslampe verstrichen ist, für unterschiedliche Brenndauern t_on der Hochdruckentladungslampe dargestellt. Beispielsweise besitzt die Hochdruckentladungslampe bei einer Brenndauer von 5 Minuten unmittelbar nach dem Ausschalten einen Widerstand von weniger als 20 Megaohm. Etwa 9 Sekunden nach dem Ausschalten hat ihr Widerstandswert auf 100 Megaohm zugenommen. Die Anstiegsgeschwindigkeit des Widerstandswertes hängt, neben der Lampe selbst, von der Wärmekapazität der Leuchte bzw. des Scheinwerfers sowie deren bzw. dessen thermischer Ankopplung an die Umgebung ab. Die in der US 6,194,844 offenbarte Gleichspannungsquelle kann daher nicht als Spannungswandler mit einem kleinen Piezotransformator geringer Leistung realisiert werden.

II. Darstellung der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Betreiben oder Zünden einer Hochdruckentladungslampe sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe bereitzustellen, bei der die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik nicht auftreten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betreiben oder Zünden einer Hochdruckentladungslampe weist ein spannungsabhängiges Schaltmittel zum Erzeugen der Zündspannung für die Hochdruckentladungslampe auf, wobei die Schaltschwellenspannung des spannungsabhängigen Schaltmittels größer oder gleich der Zündspannung der Hochdruckentladungslampe ist. Dadurch kann eine Zündvorrichtung realisiert werden, die zur Erzeugung der Zündspannungsimpulse für die Hochdruckentladungslampe ohne Verwendung eines Zündtransformators bzw. ohne Verwendung eines Kondensators, der vom Lampenstrom durchflossen werden muss, auskommt. Dementsprechend besitzt die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht den oben erläuterten Nachteil des Standes der Technik beim Lampenbetrieb mit hochfrequentem Wechselstrom. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht ferner die Erzeugung wesentlich kürzerer Zündspannungsimpulse, da kein Zündtransformator beteiligt ist, dessen parasitäre Elemente zu einer Verbreiterung der Zündspannungsimpulse füh ren würden. Daher lässt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders gut in Kombination mit einem Betriebsgerät einsetzen, das die Hochdruckentladungslampe mit einem hochfrequenten Lampenstrom versorgt.

Die oben genannte Zündspannung der Hochdruckentladungslampe ist die zum Zünden der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe erforderliche Spannung. Um unter allen möglichen Zuständen der Hochdruckentladungslampe eine Zündung der Gasentladung garantieren zu können, sind beispielsweise Zündspannungen von bis zu 30 Kilovolt erforderlich. Sogar in dem günstigen Fall, dass die Hochdruckentladungslampe mit einer Zündhilfe versehen ist, beispielsweise einer kapazitiv an die Gasentladungselektroden der Hochdruckentladungslampe gekoppelten Zündhilfsbeschichtung auf dem Entladungsgefäß oder auf der Außen- bzw. Innenseite eines das Entladungsgefäß umschließenden Außenkolbens, kann die erforderliche Zündspannung noch 8 kV betragen. Die Schaltschwellenspannung des spannungsabhängigen Schaltmittels beträgt daher vorzugsweise mindestens 8 kV.

Um derart hohe Zündspannungen auf einfache Weise generieren zu können, umfasst das spannungsabhängige Schaltmittel mindestens eine Funkenstrecke. Die Schaltschwellenspannung, das heißt, die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke kann durch Verändern des Abstands ihrer Elektroden bzw. des Drucks des verwendeten Füllgases auf den gewünschten Wert bzw. auf einen Wert größer oder gleich der Zündspannung der Hochdruckentladungslampe eingestellt werden. Alternativ können dazu statt einer Funkenstrecke auch mehrere in Serie geschaltete Funkenstrecke oder eine fremdtriggerbare Funkenstrecke mit zusätzlicher Zündelektrode verwendet werden. Anstelle von Funkenstrecken können aber auch andere spannungsabhängige Schaltmittel, beispielsweise Thyristoren oder spannungsabhängige Widerstände oder eine Kombination der vorgenannten Bauteile eingesetzt werden.

Vorzugsweise ist in der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein auf die Schaltschwellenspannung aufladbares Ladungsspeichermittel vorgesehen, um die Energie für den Durchbruch des spannungsabhängigen Schaltmittels bereitzustellen. Bei dem vorgenannten Ladungsspeichermittel handelt es sich vorzugsweise um einen oder mehrere Kondensatoren, die für hohe Spannungen ausgelegt sind.

Gemäß der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung wird das Ladungsspeichermittel vorzugsweise mit Hilfe eines Piezotransformators oder einer Spannungsvervielfachungsschaltung oder einer Kombination davon aufgeladen. Mit Hilfe des Piezotransformators oder der Spannungsvervielfachungsschaltung bzw. der Kombination daraus, können auf relativ einfache Weise die erforderlichen hohen Spannungen erzeugt werden. Der Piezotransformator kann unmittelbar von dem Spannungswandler, der auch die Brennspannung für die Hochdruckentladungslampe generiert, mit Spannung versorgt werden. Die Spannungsvervielfachungsschaltung wird beispielsweise über einen in den Lampenstromkreis geschalteten Transformator oder bzw. und einen Serienresonanzkreis mit Energie versorgt oder aber ist dem Piezotransformator nachgeschaltet, um dessen Ausgangsspannung nochmals zu erhöhen.

Vorteilhafterweise ist ein Spannungswandler vorgesehen, um aus der Netzspannung, beispielsweise aus dem 230 Volt Niederspannungswechselstromnetz oder aus der Bordnetzspannung eines Kraftfahrzeugs, die Spannungsversorgung des spannungsabhängigen Schaltmittels während der Zündphase der Hochdruckentladungslampe sicherzustellen und die Versorgung der Hochdruckentladungslampe mit einem Strom wechselnder Polarität zu gewährleisten. Mit Hilfe des Spannungswandlers können unterschiedliche Betriebsmodi realisiert werden, um die unterschiedlichen Erfordernisse der Hochdruckentladungslampe während ihrer Zündphase und während des Lampenbetriebs nach Beendigung der Zündphase zu erfüllen. Vorzugsweise wird mittels des Spannungswandlers während der Zündphase der Hochdruckentladungslampe eine erste Versorgungsspannung für das spannungsabhängige Schaltmittel generiert und nach erfolgter Zündung der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe eine zweite Versorgungsspannung zum Erzeugen eines Lampenstroms mit wechselnder Polarität generiert.

Der Spannungswandler ist daher vorzugsweise als Wechselrichter bzw. Wechselspannungsumrichter ausgebildet, der mit unterschiedlichen Takt- oder Schaltfrequenzen betreibbar ist. Zum Erzeugen der oben genannten ersten und zweiten Versorgungsspannung wird der Wechselrichter vorzugsweise mit Schaltfrequenzen aus unterschiedlichen Frequenzbereichen betrieben. Dadurch kann auf einfache Weise sichergestellt werden, dass nach erfolgter Zündung der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe an dem spannungsabhängigen Schaltmittel nur noch eine geringere Spannung als seine Schaltschwellenspannung anliegt und somit keine weiteren Zündspannungsimpulse generiert werden.

Vorteilhafterweise ist ein Filternetzwerk vorgesehen, um den Spannungswandler während der Zündphase der Hochdruckentladungslampe vor dem Zündspannungsimpuls bzw. den Zündspannungsimpulsen zu schützen. Das Filternetzwerk kann im einfachsten Fall von der Lampendrossel gebildet werden, die während des Lampenbetriebs nach Beendigung der Zündphase der Hochdruckentladungslampe den Lampenstrom begrenzt. Zusätzlich kann das Filternetzwerk ein Tiefpassfilter umfassen, um den Spannungswandler gegen die Zündspannungsimpulse, die Spannungen aus einem wesentlich höheren Frequenzspektrum besitzen als der Lampenstrom, weiter abzuschirmen. Nach erfolgter Zündung der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe sorgt das spannungsabhängige Schaltmittel für eine galvanische Trennung zwischen den Komponenten der Zündvorrichtung und dem Spannungswandler. Dadurch ist keine vollständige Deaktivierung der Vorrichtung, welche die Aufladung des Ladungsspeichermittels bewerkstelligt, erforderlich und es sind keine negativen Auswirkungen, beispielsweise auf die Lebensdauer der Hochdruckentladungslampe, durch einen dauerhaften Gleichstromfluss zu befürchten. Dieses ermöglicht eine besonders einfache Realisierung der Zündvorrichtung.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst nur wenige Bauelemente und kann daher im Lampensockel einer Hochdruckentladungslampe untergebracht werden. Daher lässt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders vorteilhaft bei Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampen für Kraftfahrzeugscheinwerfer, insbesondere auch bei quecksilberfreien Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampen für Kraftfahrzeugscheinwerfer verwenden.

Ein sehr hoher Strom durch die Hochdruckentladungslampe bzw. ein hoher Energieeintrag innerhalb der relativ kurzen Dauer des bzw. der Zündspannungsimpulse kann zu einem Abtrag von Elektrodenmaterial führen, das sich teilweise auf der inneren Oberfläche des Entladungsgefäßes niederschlägt. Dieses führt zu einer Schädigung der Elektrode und zu einer Schwärzung und damit Beeinträchtigung der Lichtdurchlässigkeit sowie einer erhöhten thermischen Belastung des Entladungsgefäßes. Außerdem wird dadurch auch die Zusammensetzung des Entladungsplasmas aufgrund der veränderten Temperaturverteilung innerhalb der Hochdruckentladungslampe beeinflusst. Alle Faktoren bewirken eine Reduktion der Lebensdauer der Hochdruckentladungslampe. In 12 ist die über viele Versuchslampen gemittelte, normierte Lebensdauer L/L₀ von 35 Watt-Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampen in Abhängigkeit der im Ladungsspeichermittel gespeicherten Energie E zum Zeitpunkt des Erreichens der Schaltschwellenspannung und des Umschaltens des spannungsabhängigen Schaltmittels dargestellt. Für die Messung wurde die Vorrichtung gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel mit der Funkenstrecke 131 als spannungsabhängiges Schaltmittel und dem Kondensator 132 als Ladungsspeichermittel verwendet. Die Energie E berechnet sich gemäß der Formel: E = ½ C132 U2swobei C₁₃₂ die Kapazität des Ladungsspeichermittels bzw. des Kondensators 132 und U_S die Schaltschwellenspannung des spannungsabhängigen Schaltmittels bzw. die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke 131 bezeichnen.

Die in 12 dargestellte Messreihe wurde durch Verändern der Kapazität des Kondensators 132 und damit der Energie E durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass die Kapazität C₁₃₂ des Kondensators 132 so dimensioniert werden sollte, dass die sich aus der Schaltschwellenspannung ergebende Energie E kleiner als 0,5 Joule und vorzugsweise sogar kleiner als 0,1 Joule ist. Bei dem letztgenannten Wert für die Energie E beträgt die Lebensdauer der Hochdruckentladungslampen noch 70 Prozent des Vergleichswerts L₀. Lampen mit höherer Nennleistung als 35 Watt können während des Zündvorgangs bei gleichen Anforderungen an die Lebensdauer mit höherer Energie beaufschlagt werden. Allgemein sollte die Kapazität C₁₃₂ des Ladungsspeichermittels bzw. des Kondensators 132 der nachstehenden Bedingung genügen: C132 <[(2·0,5 J)/U2S]·[P/35 W] und vorzugsweise sogar C132 <[(2·0,1 J)/U2S]·[P/35 W] wobei P die Nennleistung der Hochdruckentladungslampe, U_S die Schaltschwellenspannung des spannungsabhängigen Schaltmittels bzw. der Funkenstrecke 131 und C₁₃₂ die Kapazität des Ladungsspeichermittels bzw. des Kondensators 132 bezeichnen.

Für den Betrieb einer Kraftfahrzeugscheinwerfer-Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe mit einer Nennleistung von 35 Watt ist die Kapazität des Ladungsspeichermittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorzugsweise kleiner als 5,1 nF und besonders bevorzugt sogar kleiner als 3,2 nF.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren können sowohl für Hochdruckentladungslampen, bei denen die Zündung über die beiden Hauptelektroden, das heißt, über ihre Gasentladungselektroden erfolgt, als auch für Hochdruckentladungslampen, die mit einer Zündhilfselektrode versehen sind, eingesetzt werden.

III. Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Nachstehend wird die Erfindung anhand mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 Das Grundschema einer Schaltungsanordnung zum Zünden und Betreiben einer Hochdruckentladungslampe mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
2 Eine Schaltungsskizze der Vorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung
3 Eine Schaltungsskizze der Vorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung
4 Eine Schaltungsskizze der Vorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung
5 Eine Schaltungsskizze der Vorrichtung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung
6 Eine Schaltungsskizze der Vorrichtung gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung
7 Eine Schaltungsskizze der Vorrichtung gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung
8 Eine Schaltungsskizze der Vorrichtung gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung
9 Eine Schaltungsskizze der Vorrichtung gemäß dem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung
10 Eine Schaltungsskizze der Vorrichtung gemäß dem neunten Ausführungsbeispiel der Erfindung
11 Das Grundschema einer Vorrichtung zum Zünden und Betreiben einer Hochdruckentladungslampe gemäß dem Stand der Technik
12 Die Lebensdauer der Hochdruckentladungslampe in Abhängigkeit von der im Ladungsspeichermittel zum Zündzeitpunkt gespeicherten Energie
13 Den Widerstand der Hochdruckentladungslampe im ausgeschalteten Zustand in Abhängigkeit von der nach dem Ausschalten der Hochdruckentladungslampe verstrichenen Zeitspanne Anhand der 1 soll das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Zündung und der Betrieb der Hochdruckentladungslampe dargestellt werden. Die Vorrichtung zum Betreiben der Hochdruckentladungslampe 10 umfasst einen Spannungswandler 11, der aus der Netzspannung, beispielsweise der Bordnetzspannung eines Kraftfahrzeugs oder der Netzwechselspannung von 230 Volt bzw. 120 Volt, eine hochfrequente Wechselspannung generiert, und ein Filternetzwerk 12 sowie eine Zündvorrichtung 13. Das Filternetzwerk 12 besteht im einfachsten Fall nur aus der Lampendrossel 121, die während des Lampenbetriebs nach Beendigung der Zündphase der Hochdruckentladungslampe 10 vom Lampenstrom durchflossen wird und diesen begrenzt. Das Filternetzwerk 12 kann somit zur Stabilisierung der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe 10 dienen. Zusätzlich kann das Filternetzwerk 12 optional ein Tiefpassfilter 122, 123 aufweisen, das in 1 mit gestrichelten Linien angedeutet ist. Bei dem Spannungswandler 11 handelt es sich beispielsweise um einen Klasse-E-Konverter gemäß der WO 2005/011339 A1 oder um einen beliebigen anderen DC-AC-Konverter oder AC-AC-Konverter. Die Zündvorrichtung 13 besteht aus einer Funkenstrecke 131, deren Durchbruchsspannung größer oder gleich der Heiß-Neu-Zündspannung der Hochdruckentladungslampe 10 ist, und einem Kondensator 132, der auf die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke 131 aufladbar ist.
Zum Zünden der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe 10 wird der Spannungswandler 11 in einem ersten Betriebsmodus betrieben, um eine erste Versorgungsspannung für die Zündvorrichtung 13 zu generieren und das Aufladen des Kondensators 132 auf die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke 131 zu ermöglichen. Die Verbindung zwischen Spannungswandler 11 und Kondensator 132 sowie gegebenenfalls zusätzlichen Elementen einer Ladeanordnung sind der Übersichtlichkeit halber in 1 nicht dargestellt. Erreicht die Spannung am Kondensator 132 die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke 131, so wird die Hochdruckentladungslampe 10 mit Hochspannungsimpulsen beaufschlagt, die zum Zünden der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe führen. Das Filternetzwerk 12 schützt den Spannungswandler 11 während der Zündphase der Hochdruckentladungslampe 10 vor diesen Hochspannungsimpulsen, die eine Breite bzw. Dauer von ca. 10 bis 950 Nanosekunden besitzen. Anschließend wird der Spannungswandler 11 in einem zweiten Betriebsmodus betrieben, um eine zweite Versorgungsspannung für die Hochdruckentladungslampe 10 zu generieren und diese mit einem Wechselstrom zu versorgen, dessen Frequenz oberhalb von 100 kHz liegt. Die Frequenz des Lampenstroms ist deutlich kleiner als das Frequenzspektrum der oben erwähnten Hochspannungsimpulse während der Zündphase der Hochdruckentladungslampe 10. Während des zweiten Betriebsmodus des Spannungswandlers 11 wird der Kondensator 132 nur noch auf eine geringere Spannung als die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke 131 aufgeladen, so dass die Funkenstrecke 132 während des Lampenbetriebs, nach Beendigung der Zündphase eine Potentialtrennung zwischen Zündvorrichtung 13 und Spannungswandler 11 sowie Hochdruckentladungslampe 10 bewirkt.
Der Spannungswandler 11 versorgt die Hochdruckentladungslampe 10 nach erfolgter Zündung mit einem Lampenstrom mit einer Frequenz von 1,3 MHz. Die Drossel 121 ist als hochspannungsfeste Drossel mit einer Induktivität von 11 μH bzw. 38 μH ausgebildet. Bei der Lampe 10 handelt es sich um eine quecksilberfreie bzw. quecksilberhaltige Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe mit einer Nennleistung von 35 Watt und einer nominellen Brennspannung von 45 Volt bzw. 85 Volt, die zur Verwendung in einem Kraftfahrzeugscheinwerfer vorgesehen ist. Die Funkenstrecke 131 besitzt eine Schaltschwellenspannung bzw. Durchbruchsspannung von 25 kV. Der Kondensator 132 ist für eine Spannung von bis zu 30 kV ausgelegt und besitzt eine Kapazität von 100 pF. Die angegebenen Induktivitätswerte der Drossel 121 sind dabei so gewählt, dass neben dem Schutz des Spannungswandlers 11 auch eine Stabilisierung des Gasentladungsstroms bewerkstelligt wird. Falls die Hochdruckentladungslampe nach erfolgter Zündung mit einem Lampenstrom mit einer Frequenz von 700 kHz statt der oben genannten 1,3 MHz betrieben werden, so ist die Drossel 121 derart zu dimensionieren, dass ihre Induktivität 20 μH im Fall der quecksilberfreien Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe und 70 μH im Fall der quecksilberhaltigen Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe beträgt.
In 2 ist schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Der Spannungswandler ist als Ein-Transistorwandler ausgebildet, der einen Feldeffekttransistor 21 mit integrierter Body-Diode und parasitärer Kapazität sowie einen Transformator 22 mit einer Primärwicklung 221 und zwei Sekundärwicklungsabschnitten 222, 223 und einen parallel zum Feldeffekttransistor 21 und in Serie zur Primärwicklung 221 geschalteten Kondensator 23 umfasst. Das Gate des Feldeffekttransistors 21 ist mit einer Ansteuerungsvorrichtung 211 verbunden. Zur Spannungsversorgung dient eine Gleichspannungsquelle 24, beispielsweise die Bordnetzspannung eines Kraftfahrzeugs. Der erste Sekundärwicklungsabschnitt 222 dient zur Spannungsversorgung der Zündvorrichtung, die von der Gleichrichterdiode 251, dem Widerstand 252, dem strombegrenzenden Element 253, dem Kondensator 254 und der Funkenstrecke 255 gebildet wird. Das in 2 schraffiert dargestellte strombegrenzende Element 253 ist optional. Als strombegrenzendes E lement 253 kann beispielsweise ein Widerstand, eine Drossel oder eine Reihenschaltung der vorgenannte Bauteile verwendet werden. Das Element 253 erhöht zudem die elektromagnetische Verträglichkeit der Schaltung bzw. Vorrichtung. Es dient zum Schutz der Gasentladungselektroden der Hochdruckentladungslampe 20 und der Funkenstrecke 255 vor einem zu hohen Entladungsstrom des Kondensators 254 und verlängert die Lebensdauer des Kondensators aufgrund einer reduzierten Pulsbeanspruchung. Es kann, insbesondere bei einer geringen Schaltfrequenz des Spannungswandlers, dazu dienen, die zeitliche Ausdehnung des Hochspannungsimpulses bzw. der Hochspannungsimpulse zu verlängern, so dass der niederohmige Zustand der Hochdruckentladungslampe solange erhalten bleibt, bis der vom Spannungswandler gelieferte Strom hierfür sorgt.
Die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke 255 ist, wie bereits oben erläutert wurde, auf die Zündspannung der Hochdruckentladungslampe 20 abgestimmt. Der zweite Sekundärwicklungsabschnitt 223 des Transformators 22 versorgt den Lampenkreis, der hier von dem Filternetzwerk 26, bestehend aus der Lampendrossel 261 und der Transildiode 262, sowie der Hochdruckentladungslampe 20 gebildet wird.
Zum Zünden der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe wird die Schaltfrequenz des Transistors 21 mittels der Ansteuerungsvorrichtung derart gesteuert, dass sie nahe bei der Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises liegt, der von dem Kondensator 23 und der Primärwicklung 221 gebildet wird. Dabei kann eine Frequenzmodulation der Schaltfrequenz durchgeführt werden, um unabhängig von Toleranzen der für den Serienresonanzkreis verwendeten Bauteile eine Anregung der Resonanz zu gewährleisten. Dadurch wird in dem ersten Sekundärwicklungsabschnitt 222 eine ausreichend hohe Spannung induziert, um den Kondensator 254 über die Gleichrichterdiode 251 und den Widerstand 252 sowie das strombegrenzende Bauelement 253 auf die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke 255 aufzuladen. Beim Erreichen der Durchbruchsspannung der Funkenstrecke 255 entlädt sich der Kondensator 254 über den Widerstand 253 und die Funkenstrecke 255, so dass die Hochdruckentladungslampe 20 mit einem oder mehreren Hochspannungsimpulsen beaufschlagt wird, die zum Zünden der Gasentladung in der Hochdruckentladungs lampe 20 führen. Anschließend wird die Schaltfrequenz des Transistors 21 mittels der Ansteuerungsvorrichtung 211 derart gesteuert, dass sie außerhalb der Resonanz des Resonanzkreises 23, 221 liegt und an dem zweiten Sekundärwicklungsabschnitt 223 eine ausreichend hohe Wechselspannung induziert wird, um die Hochdruckentladungslampe 20 mit ihrer Brennspannung von ca. 45 Volt im Fall einer quecksilberfreien Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe bzw. von ca. 85 Volt im Fall einer quecksilberhaltigen Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe betreiben zu können. Der Kondensator 254 wird dadurch nicht mehr auf die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke 255 aufgeladen, so dass auch keine weiteren Hochspannungsimpulse generiert werden. Die Schaltfrequenz des Transistors 21 liegt oberhalb von 100 kHz, vorzugsweise im Bereich von 0,3-3,5 MHz, so dass der durch die Lampendrossel 261 und über die Entladungsstrecke der Lampe 20 fließende Lampenstrom ebenfalls diese Frequenz besitzt. Die Lampendrossel 261 dient zur Begrenzung des Lampenstroms. Die Transildiode 262 schützt den Transformator 22 und den Transistor 21 während der Zündphase der Lampe 20 vor den Hochspannungsimpulsen der Funkenstrecke 255.
In 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das sich von dem in 2 abgebildeten Ausführungsbeispiel nur durch einen zusätzlichen Kondensator 263 unterscheidet, der in Serie zur Lampendrossel 261 geschaltet ist und zur partiellen Kompensation der Induktivität der Lampendrossel 261 dient, und durch das strombegrenzende Bauelement 256, das als Widerstand ausgebildet ist. In allen anderen Details und auch in ihrer Funktionsweise stimmen das erste und zweite Ausführungsbeispiel überein. Daher wurden in den 2 und 3 für identische Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet.
In der 4 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Der Spannungswandler ist als Ein-Transistorwandler ausgebildet, der einen Feldeffekttransistor 41 mit integrierter Body-Diode und parasitärer Kapazität sowie einen Transformator 42 mit einer Primärwicklung 421 und einer Sekundärwicklung 422 sowie einen parallel zum Feldeffekttransistor 41 und in Serie zur Primärwicklung 421 geschalteten Kondensator 43 umfasst. Das Gate des Feldeffekttransistors 41 ist mit einer Ansteuerungsvorrichtung 411 verbunden. Zur Spannungsversorgung dient eine Gleichspannungsquelle 44, beispielsweise die Bordnetzspannung eines Kraftfahrzeugs. An die Sekundärwicklung 422 ist ein Filternetzwerk 46 angeschlossen, das aus einem Tiefpassfilter 461, 462, 464 und einer parallel zur Sekundärwicklung angeordneten Transildiode 463 besteht, wobei die Induktivitäten 461, 464 auch als Lampendrossel zur Stabilisierung des Lampenstroms wirken. Die Hochdruckentladungslampe 40 ist an das Filternetzwerk 46 angeschlossen. An den Mittenabgriff zwischen dem Tiefpasskondensator 46, und den Induktivitäten 461, 464 ist der Spannungseingang einer Spannungsvervielfachungsschaltung 47 mit integriertem Gleichrichter angeschlossen, die zur Spannungsversorgung der Komponenten 453, 454, 455 der Zündvorrichtung für die Hochdruckentladungslampe 40 dient.
Zum Zünden der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe wird die Schaltfrequenz des Transistors 41 mittels der Ansteuerungsvorrichtung 411 derart gesteuert, dass sie nahe bei der Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises liegt, der von dem Kondensator 462 und der Drossel 461 gebildet wird. Dadurch wird eine entsprechend hohe Eingangsspannung für die Spannungsvervielfachungsschaltung 47 bereitgestellt, um den Kondensator 454 auf die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke 455 aufzuladen. Beim Erreichen der Durchbruchsspannung der Funkenstrecke 455 entlädt sich der Kondensator 454 über die Drossel 453 und die Funkenstrecke 455, so dass die Hochdruckentladungslampe 40 mit einem oder mehreren Hochspannungsimpulsen beaufschlagt wird, die zum Zünden der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe 40 führen. Die Drossel 453 dient zum Schutz der Lampenelektroden und der Funkenstrecke 455 vor einem überhöhten Entladungsstrom des Kondensators 454. Anschließend wird die Schaltfrequenz des Transistors 41 mittels der Ansteuerungsvorrichtung 411 derart gesteuert, dass sie außerhalb der Resonanz des Resonanzkreises 43, 421 liegt und in der Sekundärwicklung 422 eine ausreichend hohe Wechselspannung induziert wird, um die Hochdruckentladungslampe 40 mit ihrer Brennspannung von ca. 40 Volt im Fall einer quecksilberfreien Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe bzw. von ca. 85 Volt im Fall einer quecksilberhaltigen Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe betreiben zu können. Der Kondensator 454 wird dadurch nicht mehr auf die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke 455 aufgeladen, so dass auch keine weiteren Hochspannungsimpulse generiert werden. Die Schaltfrequenz des Transistors 41 liegt oberhalb von 100 kHz, vorzugsweise im Bereich von 0,3-3,5 MHz, so dass der durch die Lampendrossel 461 und über die Entladungsstrecke der Lampe 40 fließende Lampenstrom ebenfalls diese Frequenz besitzt. Die Lampendrossel 461 dient zur Begrenzung des Lampenstroms. Die Transildiode 463 schützt den Transformator 42 und den Transistor 41 während der Zündphase der Lampe 40 vor den Hochspannungsimpulsen der Funkenstrecke 455.
In der 5 ist ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Der Spannungswandler ist als Ein-Transistorwandler ausgebildet, der einen Feldeffekttransistor 51 mit integrierter Body-Diode und parasitärer Kapazität sowie einen Transformator 52 mit einer Primärwicklung 521 und einer Sekundärwicklung 522 sowie einen parallel zum Feldeffekttransistor 51 und in Serie zur Primärwicklung 521 geschalteten Kondensator 53 umfasst. Das Gate des Feldeffekttransistors 51 ist mit einer Ansteuerungsvorrichtung 511 verbunden. Zur Spannungsversorgung dient eine Gleichspannungsquelle 54, beispielsweise die Bordnetzspannung eines Kraftfahrzeugs. An die Sekundärwicklung 522 ist ein Filternetzwerk 56 angeschlossen, das aus einem Spartransformator 561, 563, einem Kondensator 562, einer parallel zur Sekundärwicklung 522 angeordneten Transildiode 565 und der Drossel 564 besteht. Der Primärwicklungsabschnitt 561 des Spartransformators und die Drossel 564 bilden mit dem Kondensator 562 einen Tiefpass. Die Hochdruckentladungslampe 50 ist an das Filternetzwerk 56 angeschlossen. Der Sekundärwicklungsabschnitt 563 des Spartransformators dient zur Spannungsversorgung der Zündvorrichtung, die von der Gleichrichterdiode 551, dem Widerstand 552, der Drossel 553, dem Kondensator 554 und der Funkenstrecke 555 gebildet wird. Der Widerstand 556 und die Drossel 557 sind optional. Sie dienen zum Schutz der Gasentladungselektroden der Hochdruckentladungslampe 50 und der Funkenstrecke 555 vor einem zu hohen Entladungsstrom des Kondensators 554. Die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke 555 ist, wie bereits oben erläutert wurde, bei allen Ausführungsbeispielen auf die Zündspannung der Hochdruckentladungslampe abgestimmt.
Zum Zünden der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe wird die Schaltfrequenz des Transistors 51 mittels der Ansteuerungsvorrichtung 511 derart gesteuert, dass sie nahe bei der Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises liegt, der von dem Kondensator 562 und der Primärwicklung 561 gebildet wird. Dadurch wird in dem Sekundärwicklungsabschnitt 563 des Spartransformators eine ausreichend hohe Spannung induziert, um den Kondensator 554 auf die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke 555 aufzuladen. Beim Erreichen der Durchbruchsspannung der Funkenstrecke 555 entlädt sich der Kondensator 554 über den Widerstand 556 und die Drossel 557 sowie die Funkenstrecke 555, so dass die Hochdruckentladungslampe 50 mit einem oder mehreren Hochspannungsimpulsen beaufschlagt wird, die zum Zünden der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe 50 führen. Anschließend wird die Schaltfrequenz des Transistors 51 mittels der Ansteuerungsvorrichtung 511 derart gesteuert, dass sie außerhalb der Resonanz des Resonanzkreises 561, 562 liegt und in der Sekundärwicklung 562 eine ausreichend hohe Wechselspannung induziert wird, um die Hochdruckentladungslampe 50 mit ihrer Brennspannung von ca. 45 Volt im Fall einer quecksilberfreien Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe bzw. von ca. 85 Volt im Fall einer quecksilberhaltigen Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe betreiben zu können. Der Kondensator 554 wird dadurch nicht mehr auf die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke 555 aufgeladen, so dass auch keine weiteren Hochspannungsimpulse generiert werden. Die Schaltfrequenz des Transistors 51 liegt oberhalb von 100 kHz, vorzugsweise im Bereich von 0,3-3,5 MHz, so dass der durch die Lampendrossel 564 und über die Entladungsstrecke der Lampe 50 fließende Lampenstrom ebenfalls diese Frequenz besitzt. Die Primärwicklung 561 und die Drossel 564 dienen zur Begrenzung des Lampenstroms. Die Transildiode 565 schützt den Transformator 52 und den Transistor 51 während der Zündphase der Lampe 50 vor den Hochspannungsimpulsen der Funkenstrecke 555.
In der 6 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Der Spannungswandler ist als Ein-Transistorwandler ausgebildet, der einen Feldeffekttransistor 61 mit integrierter Body-Diode und parasitärer Kapazität sowie einen Transformator 62 mit einer Primärwicklung 621 und einer Sekundärwicklung 622 sowie einen parallel zum Feldeffekttransistor 61 und in Serie zur Primärwicklung 621 geschalteten Kondensator 63 umfasst. Das Gate des Feldeffekttransistors 61 ist mit einer Ansteuerungsvorrichtung 611 verbunden. Zur Spannungsversorgung dient eine Gleichspannungsquelle 64, beispielsweise die Bordnetzspannung eines Kraftfahrzeugs. An die Sekundärwicklung 622 ist ein Filternetzwerk 66 angeschlossen, das aus einem Spartransformator 661, 663, einem Kondensator 662, einer parallel zur Sekundärwicklung 622 angeordneten Transildiode 665 und der Drossel 664 besteht. Der Primärwicklungsabschnitt 661 des Spartransformators bildet mit dem Kondensator 662 einen Tiefpass. Die Hochdruckentladungslampe 60 ist an das Filternetzwerk 66 angeschlossen. Der Sekundärwicklungsabschnitt 663 des Spartransformators dient zur Spannungsversorgung einer Spannungsvervielfachungsschaltung 67 mit integriertem Gleichrichter, deren Ausgangsspannung wiederum zum Aufladen des Kondensators 654 auf die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke 655 verwendet wird. Die Drossel 653 dient während der Zündphase zum Schutz der Hochdruckentladungslampe 60 und der Funkenstrecke 655 vor einem zu hohen Entladungsstrom des Kondensators 654. Die Drossel 653 kann alternativ auch so in die Schaltung eingesetzt werden, dass sie nach der Zündung der Lampe 60 nicht vom hochfrequenten Lampenstrom durchflossen wird und während der Zündphase nicht vom Ladestrom des Kondensators 654, sondern nur vom Entladungsstrom des Kondensators 654 durchflossen wird. In der dargestellten Anordnung kann die Drossel 653 darüber hinaus zur Stabilisierung der Entladung und zur Erhöhung der elektromagnetischen Verträglichkeit während der Zündung und des nachfolgenden Lampenbetriebs dienen.
Zum Zünden der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe wird die Schaltfrequenz des Transistors 61 mittels der Ansteuerungsvorrichtung 611 derart gesteuert, dass sie nahe bei der Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises liegt, der von dem Kondensator 662 und der Primärwicklung 661 gebildet wird. Dadurch wird eine ausreichend hohe Eingangsspannung für die Spannungsvervielfachungsschaltung 67 bereitgestellt, um den Kondensator 654 auf die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke 655 aufzuladen. Beim Erreichen der Durchbruchsspannung der Funkenstrecke 655 entlädt sich der Kondensator 654 über die Funkenstrecke 655 und die Drossel 653, so dass die Hochdruckentladungslampe 60 mit einem oder mehreren Hochspannungsimpulsen beaufschlagt wird, die zum Zünden der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe 60 führen. Anschließend wird die Schaltfrequenz des Transistors 61 mittels der Ansteuerungsvorrichtung 611 derart gesteuert, dass sie außerhalb der Resonanz des Resonanzkreises 661, 662 liegt und in der Sekundärwicklung 622 eine ausreichend hohe Wechselspannung induziert wird, um die Hochdruckentladungslampe 60 mit ihrer Brennspannung von ca. 45 Volt im Fall einer quecksilberfreien Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe bzw. von ca. 85 Volt im Fall einer quecksilberhaltigen Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe betreiben zu können. Der Kondensator 654 wird dadurch nicht mehr auf die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke 655 aufgeladen, so dass auch keine weiteren Hochspannungsimpulse generiert werden. Die Schaltfrequenz des Transistors 41 liegt oberhalb von 100 kHz, vorzugsweise im Bereich von 0,3-3,5 MHz, so dass der durch die Lampendrossel 461 und über die Entladungsstrecke der Lampe 60 fließende Lampenstrom ebenfalls diese Frequenz besitzt. Die Primärwicklung 661 und die Drossel 664 dienen zur Begrenzung des Lampenstroms. Die Transildiode 665 schützt den Transformator 62 und den Transistor 61 während der Zündphase der Lampe 60 vor den Hochspannungsimpulsen der Funkenstrecke 655.
In 7 ist ein sechstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Zünden und Betreiben der Hochdruckentladungslampe 70 dargestellt. Die Vorrichtung umfasst einen Spannungswandler 71, der aus der Bordnetzspannung eines Kraftfahrzeugs eine hochfrequente Wechselspannung generiert, einen Transformator 72 mit Primärwicklung 721 und Sekundärwicklung 722, einen Kondensator 73, eine Lampendrossel 74 und eine Zündvorrichtung für die Hochdruckentladungslampe 70, die aus der Funkenstrecke 75 und einer symmetrischen Spannungsverdopplungsschaltung besteht. Die Spannungsverdoppelungsschaltung wird von den Kondensatoren 761, 762 und den Dioden 771, 772 gebildet. Die Primärwicklung 721 und die Drossel 74 sowie der Kondensator 73 bilden ein Tiefpassfilter, das den Spannungswandler 71 während der Zündphase vor den Hochspannungsimpulsen schützt.
Während der Zündphase der Hochdruckentladungslampe 70 wird die Spannungsverdoppelungsschaltung 761, 762, 771, 772 von der Spannung über der Sekundärwick lung 722 mit einer ausreichend hohen Spannung versorgt, um den Kondensator 761 am Ausgang der Spannungsverdoppelungsschaltung auf die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke 75 aufzuladen, so dass die Hochdruckentladungslampe 70 mit einem oder mehreren Hochspannungsimpulsen zum Zünden der Gasentladung beaufschlagt wird.
Nach Beendigung der Zündphase reicht der Spannungsabfall an der Sekundärwicklung 722 nicht mehr aus, um den Kondensator 761 auf die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke 75 aufzuladen. Dabei kann nach Beendigung der Zündphase eine Änderung der Schaltfrequenz des Spannungswandlers 71 erfolgen, wenn eine Dämpfung des aus der Primärwicklung 721 und dem Kondensator 73 bestehenden Resonanzkreises durch die gezündete Hochdruckentladungslampe 70 nicht ausreichend ist.
In 8 ist ein siebtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Zünden und Betreiben der Hochdruckentladungslampe 80 dargestellt. Die Vorrichtung umfasst einen Spannungswandler 81, der aus der Bordnetzspannung eines Kraftfahrzeugs eine hochfrequente Wechselspannung generiert, einen Transformator mit Primärwicklung 82 und Sekundärwicklung 83, einen optionalen Kondensator 89 parallel zum Spannungsausgang des Spannungswandlers 81, eine Lampendrossel 84 und eine Zündvorrichtung für die Hochdruckentladungslampe 80, die aus der Funkenstrecke 85 und einer symmetrischen Spannungsverdopplungsschaltung besteht. Die Spannungsverdoppelungsschaltung wird von den Kondensatoren 861, 862 und den Dioden 871, 872 sowie einem optionalen Widerstand 88 gebildet. Durch die verhältnismäßig hohe Innenimpedanz des Spannungswandlers 81 fällt dessen Ausgangsspannung nach Beendigung der Zündphase der Hochdruckentladungslampe 80 so stark ab, dass die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke 85 nicht mehr erreicht wird.
In 9 ist ein achtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Zünden und Betreiben der Hochdruckentladungslampe 90 dargestellt. Die Vorrichtung umfasst einen Spannungswandler 91, der aus der Bordnetzspannung eines Kraftfahrzeugs eine hochfrequente Wechselspannung generiert, einen Transformator mit Primärwicklung 92 und Sekundärwicklung 93, einen optionalen Kondensator 99 parallel zum Spannungsausgang des Spannungswandlers 91, eine Lampendrossel 94 und eine Zündvorrichtung für die Hochdruckentladungslampe 90, die aus der Funkenstrecke 95 und einer unsymmetrischen Spannungsverdopplungsschaltung besteht. Die Spannungsverdoppelungsschaltung bzw. zweistufige Kaskadenschaltung wird von den Kondensatoren 961, 962, 963, 964 und den Dioden 971, 972, 973, 974 gebildet. Eine Elektrode der Hochdruckentladungslampe 90 ist mit dem Massebezugspotential 98 und ihre andere Elektrode ist mit einem Anschluss der Funkenstrecke 95 verbunden.
Während der Zündphase der Hochdruckentladungslampe 90 wird die Spannungsverdoppelungsschaltung 961, 962, 963, 964, 971, 972, 973, 974 von der Spannung an der Sekundärwicklung 93 mit einer ausreichend hohen Spannung versorgt, um den Kondensator 964 am Ausgang der Spannungsverdoppelungsschaltung auf die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke 95 aufzuladen, so dass die Hochdruckentladungslampe 90 mit einem oder mehreren Hochspannungsimpulsen zum Zünden der Gasentladung beaufschlagt wird.
Nach Beendigung der Zündphase wird der Spannungswandler 91 mit einer anderen Schaltfrequenz betrieben, so dass, aufgrund seiner Innenimpedanz, dessen Ausgangsspannung, die der Spannung an der Sekundärwicklung 93 entspricht, nicht mehr ausreicht, um den Kondensator 964 auf die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke 95 aufzuladen.
In der 10 ist ein neuntes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Der Spannungswandler ist als Ein-Transistorwandler ausgebildet, der einen Feldeffekttransistor 31 mit integrierter Body-Diode und parasitärer Kapazität sowie einen Transformator 32 mit einer Primärwicklung 321 und einer Sekundärwicklung 322 sowie einen parallel zum Feldeffekttransistor 31 und in Serie zur Primärwicklung 321 geschalteten Kondensator 33 umfasst. Das Gate des Feldeffekttransistors 31 ist mit einer Ansteuerungsvorrichtung 311 verbunden. Zur Spannungsversorgung dient eine Gleichspannungsquelle 34, beispielsweise die Bordnetzspannung eines Kraftfahrzeugs. An die Sekundärwicklung 322 ist ein Filternetzwerk 36 angeschlossen, das aus einer parallel zur Sekundärwicklung angeordneten das aus einer parallel zur Sekundärwicklung angeordneten Transildiode 362 und der Lampendrossel 361 besteht. Die Hochdruckentladungslampe 30 ist an das Filternetzwerk 36 angeschlossen. Die Zündvorrichtung für die Hochdruckentladungslampe 30 umfasst einen Piezotransformator 37, dessen Spannungseingang an den Kondensator 33 angeschlossen ist, an den Spannungsausgang des Piezotransformators 37 angeschlossene Dioden 391, 392, die mit den internen Kapazitäten des Piezotransformators 37 auf der Sekundärseite eine Spannungsverdoppelungsschaltung bilden, und die Widerstände 393, 394 sowie den Kondensator 38 und die Funkenstrecke 35.
Zum Zünden der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe 30 wird die Schaltfrequenz des Transistors 61 mittels der Ansteuerungsvorrichtung 611 derart gesteuert, dass eine Resonanz des Piezotransformators 37 angeregt wird. Auf der Sekundärseite des Piezotransformators 37 wird seine Ausgangsspannung mittels der Spannungsverdoppelungsschaltung 391, 392 verdoppelt, so dass der Kondensator 38 über den Widerstand 394 auf die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke 35 aufgeladen wird. Dadurch entlädt sich der Kondensator 38 über den Widerstand 393 und die Funkenstrecke 35, wobei die Hochdruckentladungslampe 30 mit einem oder mehreren Hochspannungsimpulsen beaufschlagt wird, die zum Zünden der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe 30 führen.
Nach erfolgter Zündung der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe 30 wird die Schaltfrequenz des Transistors 31 mittels der Ansteuerungsvorrichtung 311 derart gesteuert, dass sie außerhalb der Resonanz des Piezotransformators 37 liegt und an der Sekundärwicklung 322 eine ausreichend hohe Wechselspannung induziert wird, um die Hochdruckentladungslampe 30 mit ihrer Brennspannung von ca. 45 Volt im Fall einer quecksilberfreien Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe bzw. von ca. 85 Volt im Fall einer quecksilberhaltigen Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe betreiben zu können. Der Kondensator 38 wird nicht mehr auf die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke 35 aufgeladen, da nach Beendigung der Zündphase keine Resonanz des Piezotransformators 37 angeregt ist, so dass auch keine weiteren Hochspannungsimpulse generiert werden. Die Schaltfrequenz des Transistors 31 liegt oberhalb von 100 kHz, vorzugsweise im Bereich von 0,3-3,5 MHz, so dass der durch die Lampendrossel 361 und über die Entladungsstrecke der Lampe 30 fließende Lampenstrom ebenfalls diese Frequenz besitzt. Die Lampendrossel 361 dient zur Begrenzung des Lampenstroms. Die Transildiode 362 schützt den Transformator 32 und den Transistor 31 während der Zündphase der Lampe 30 vor den Hochspannungsimpulsen der Funkenstrecke 35. Die Funkenstrecke 35 sorgt nach Beendigung der Zündphase für eine Potentialtrennung zwischen der Sekundärseite des Piezotransformators 37 und dem Spannungswandler 31, 32.
Im Gegensatz zu der im Stand der Technik vorgestellten Schaltungsanordnung wird nun der Piezotransformator während des Aufladens des Kondensators 38 nicht durch den parasitären Widerstand einer gegebenenfalls noch heißen Hochdruckentladungslampe, wie in 13 dargestellt, belastet. Es können dadurch wesentlich kleinere und kostengünstigere Piezotransformatoren verwendet werden als dieses nach dem Stand der Technik möglich war.

Claims

Vorrichtung zum Betreiben oder Zünden einer Hochdruckentladungslampe (10), wobei die Vorrichtung ein spannungsabhängiges Schaltmittel (131) zum Erzeugen der Zündspannung für die Hochdruckentladungslampe (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltschwellenspannung des spannungsabhängigen Schaltmittels (131) größer oder gleich der Zündspannung der Hochdruckentladungslampe (10) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltschwellenspannung des spannungsabhängigen Schaltmittels (131) größer oder gleich 8 Kilovolt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das spannungsabhängige Schaltmittel mindestens eine Funkenstrecke (131) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ladungsspeichermittel (132) vorgesehen ist, das auf die Schaltschwellenspannung aufladbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ladungsspeichermittel (132) eine Kapazität von kleiner oder gleich 5,1 nF besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität des Ladungsspeichermittels (132) der folgenden Bedingung genügt: C132 <[(2·0,5 J)/U2S]·[P/35 W]wobei P die Nennleistung der Hochdruckentladungslampe (10), U_S die Schaltschwellenspannung des spannungsabhängigen Schaltmittels (131) und C₁₃₂ die Kapazität des Ladungsspeichermittels (132) bezeichnen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ladungsspeichermittel mindestens einen Kondensator (132) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufladen des Ladungsspeichermittels (38, 454) ein Piezotransformator (37) oder bzw. und eine Spannungsvervielfachungsschaltung (47) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein strombegrenzendes Element (253) zur Begrenzung des Entladungsstroms des Ladungsspeichermittels (254) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine strombegrenzende Element (253) in Reihe zur Entladungsstrecke der Hochdruckentladungslampe (20) und in Reihe zu dem spannungsabhängigen Schaltmittel (131) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das strombegrenzende Element (253) einen Widerstand oder eine Induktivität oder eine Kombination dieser Bauteile umfasst.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannungswandler (11) vorgesehen ist, der zur Spannungsversorgung des spannungsabhängigen Schaltmittels (131) während der Zündphase der Hochdruckentladungslampe (10) und zur Versorgung der Hochdruckentladungslampe (10) mit einem Strom wechselnder Polarität dient.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom wechselnder Polarität eine Grundfrequenz größer oder gleich 100 kHz aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Filternetzwerk (12) zum Schutz des Spannungswandlers (11) vor den von dem spannungsabhängigen Schaltmittel (131) generierten Spannungsimpulsen vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Filternetzwerk (12) derart ausgebildet ist, dass es zur Stabilisierung der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe (10) beiträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Filternetzwerk (12) zumindest eine Drossel (121) umfasst.
Lampensockel für eine Hochdruckentladungslampe (10) mit einer Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16.
Beleuchtungssystem mit mindestens einer Hochdruckentladungslampe und mindestens einer Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16.
Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe (10), wobei mit Hilfe eines spannungsabhängigen Schaltmittels (131) Spannungsimpulse zum Zünden einer Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe (10) generiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltschwellenspannung des spannungsabhängigen Schaltmittels (131) größer oder gleich der zum Zünden der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe (10) erforderlichen Zündspannung ist.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zünden der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe (10) ein Ladungsspeichermittel (132) auf die Schaltschwellenspannung des spannungsabhängigen Schaltmittels (131) aufgeladen wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufladen des Ladungsspeichermittels (132, 454) auf die Schaltschwellenspannung mit Hilfe eines Piezotransformators (37) oder bzw. und einer Spannungsvervielfachungsschaltung (47) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe eines Spannungswandlers (11) während der Zündphase der Hochdruckentladungslampe (10) eine erste Versorgungsspan nung für das spannungsabhängige Schaltmittel (131) und nach erfolgter Zündung der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe (10) eine zweite Versorgungsspannung für die Hochdruckentladungslampe (10), zum Erzeugen eines Lampenstroms mit wechselnder Polarität bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler als Wechselrichter bzw. Wechselspannungsumrichter ausgebildet ist, der zum Erzeugen der ersten und zweiten Versorgungsspannung mit Schaltfrequenzen aus unterschiedlichen Frequenzbereichen betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler (11) mit Hilfe eines Filternetzwerkes (12) vor den Spannungsimpulsen von dem spannungsabhängigen Schaltmittel (131) geschützt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Ladungsspeichermittel (132) nach erfolgter Zündung der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe (10) auf eine Spannung aufgeladen wird, die kleiner als die Schaltschwellenspannung des spannungsabhängigen Schaltmittels (131) ist.