DE102005035745A1

DE102005035745A1 - Zündschaltung zum Zünden einer Entladungslampe und Verfahren zum Zünden der Entladungslampe

Info

Publication number: DE102005035745A1
Application number: DE102005035745A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Honsberg-Riedl; Burkhard Ulrich; Alwin Veser
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2005-07-29
Publication date: 2007-02-01
Also published as: WO2007087836A1; CA2616573A1; EP1911333A1; JP2009503773A; JP4910111B2; TW200715912A; CN101233791B; KR20080036124A; CN101233791A

Abstract

Es wird eine Zündschaltung zum Zünden mindestens einer Entladungslampe durch Anlegen eines elektrischen Zündspannungspulses an die Entladungslampe angegeben, wobei die Zündschaltung folgende Merkmale aufweist: mindestens eine Quellenschaltung zum Bereitstellen eines elektrischen Primärspannungspulses, mindestens einen Zündkreis zum Bereitstellen des Zündspannungspulses und mindestens ein induktives Koppelelement zum induktiven Einkoppeln des Primärspannungspulses in den Zündkreis zum Erzeugen des Zündspannungspulses. Die Zündschaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass das induktive Koppelelement ein Übersetzungsverhältnis einer Spannungsübersetzung aufweist, das aus dem Bereich von 1/25 bis 1/400 ausgewählt ist. Daneben wird auch ein Verfahren zum Zünden einer Entladungslampe durch Anlegen eines Zündspannungspulses unter Verwendung der Zündschaltung nach einem der vorangegangenen Ansprüche mit folgenden Verfahrensschritten angegeben: a) Bilden eines Zündschwingkreises mit parallel geschalteter Entladungslampe b) Erzeugen des Zündspannungspulses im Zündschwingkreis. Die Zündschaltung wird insbesondere zum Zünden von VIP-Lampen verwendet, wobei die VIP-Lampen auch im betriebsheißen Zustand bei Temperaturen von 500 DEG C bis 1000 DEG C wieder gezündet werden können.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündschaltung zum Zünden mindestens einer Entladungslampe durch Anlegen eines elektrischen Zündspannungspulses an die Entladungslampe, wobei die Zündschaltung folgende Merkmale aufweist: Mindestens eine Quellenschaltung zum Bereitstellen eines elektrischen Primärspannungspulses, mindestens einen Zündkreis zum Bereitstellen des Zündspannungspulses und mindestens ein induktives Koppelelement zum induktiven Einkoppeln des Primärspannungspulses in den Zündkreis zum Erzeugen des Zündspannungspulses. Neben der Zündschaltung wird ein Verfahren zum Zünden einer Entladungslampe unter Verwendung der Zündschaltung angegeben.

Eine Zündschaltung der genannten Art ist jeweils aus EP 0 903 967 A1 und EP 0 987 928 A1 bekannt. Beim Zünden der Entladungslampe wird ein Gas in einer Lampenbrennkammer der Entladungslampe ionisiert. Das Gas besteht beispielsweise aus Quecksilberdampf. Es entsteht ein elektrisch leitfähiges Plasma. Dieses Plasma verursacht ein erstes Leuchten der Entladungslampe. Zum Aufrechterhalten dieses Leuchtens und der raschen Aufheizung von Innenelektroden der Lampenbrennkammer wird die Entladungslampe beispielsweise mit einem sinusförmigen Wechselstrom angesteuert (Zündübernahmestrom). Eine Frequenz dieses Wechselstroms beträgt beispielsweise 200 kHz. Eine Zündübernahmespannung der Entladungslampe bei Raumtemperatur beträgt beispielsweise 150 V bis 500 V. Nach einer Zündübernahmezeit im Sekundenbereich (unter einer Sekunde bis zu einigen Sekunden) kann der eigentliche Betriebsstrom eingeprägt werden. Der Betriebstrom ist sinusförmig oder er weist eine rechteckähnliche Form auf. Eine dazu nötige Betriebsspannung beträgt beispielsweise 15 V bis 225 V. Ab dieser Phase (nach 1 min bis 4 min) kommt die Entladungslampe in den gewünschten, hoch erhitzten Betriebszustand mit hohem Innendruck in der Lampenbrennkammer, höchster Leuchteffizienz und breitbandigem Emissionsspektrum.

Zum Zünden werden die Innenelektroden einer Lampenbrennkammer der Entladungslampe mit dem Zündspannungspuls angesteuert. Es kommt zu einem elektrischen Überschlag, der zur Ionisierung des Gases führt. Der Zündspannungspuls ist ein Paket aus einer Vielzahl von Spannungsimpulsen (Spannungsimpulszug). Eine Impulsfolgefrequenz der Spannungsimpulse innerhalb eines Spannungsimpulszugs beträgt 1 MHz bis 10 MHz. Damit es zum Zünden der Entladungslampe kommt, werden Zündspannungspulse mit einer Scheitelspannung im kV-Bereich benötigt. Die Zündspannungspulse sind somit Hochspannungsimpulszüge im Hochfrequenzbereich (High Voltage RF-Burst). Mit diesen Hochspannungsimpulszügen wird die Zündübernahmespannung während des Zündvorgangs überlagert. Die Zündschaltung ist derart ausgestaltet, dass es bei maximaler Zündübernahmespannung zur Überlagerung und damit zur Zündung der Entladungslampe kommt.

Die bekannte Zündschaltung besteht im Wesentlichen aus einer Quellenschaltung, einem Zündkreis in Form eines Schwingkreises (Zündschwingkreis, Sekundärschwingkreis) und einem induktiven Koppelelement in Form eines Zündtransformators. Die Entladungslampe ist elektrisch parallel zum Zündschwingkreis geschaltet. In der Quellenschaltung wird der Primärspannungspuls erzeugt. Mit Hilfe des Zündtransformators wird der Primärspannungspuls in den Zündschwingkreis eingekoppelt. Im Zündschwingkreis entsteht der Zündspannungspuls. Es kommt zum Zünden der Entladungslampe. Die Komponenten der Zündschaltung, insbesondere der Zündtransformator des induktiven Koppelelements sind derart ausgelegt, dass eine möglichst hohe Güte Q des Zündresonanzkreises resultiert. Die Güte Q beträgt über 100.

Eine Zündschaltung zum Zünden einer Entladungslampe ist beispielsweise in einem so genannten elektronischen Vorschaltgerät (EVG) realisiert. Das EVG formt eine elektrische Energie aus einer verfügbaren Netzspannung so um, dass die Entladungslampe in ihrem optimalen Spannungs-, Strom- und Frequenzbereich betrieben werden kann. Die Entladungslampe ist beispielsweise eine Hochdrucklampe oder Höchstdrucklampe, die als Video- und Projektionslampe (VIP-Lampe) eingesetzt werden.

Bei einer relativ niedrigen Lampentemperatur (z.B. Raumtemperatur, ca. 20° C) genügt eine Scheitelspannung des Zündspannungspulses von einigen hundert bis wenigen tausend Volt, um den elektrischen Überschlag zwischen den Innenelektroden der Lampe zu initiieren. Je höher die Lampentemperatur ist, desto höher ist die für das Zünden der Hoch- bzw. Höchstdrucklampe notwendige Scheitelspannung. Bei einer VIP-Lampe treten üblicherweise Betriebstemperaturen von 950° C bis 1050° C auf. Die für den elektrischen Überschlag zwischen den Innenelektroden notwendige Zündspannung ist bei diesen Temperaturen außerordentlich hoch, da das Gas in der Lampenbrennkammer aufgrund eines vorherrschenden Gasdrucks elektrisch stark isolierend wirkt. Dies führt dazu, dass die VIP-Lampe abkühlen muss, bevor sie wieder gezündet werden kann. Die Temperatur der Brennkammer muss bei heutigen Vorschaltgeräten auf etwa 500° C sinken. Von einer Brennerbetriebstemperatur der VIP-Lampe von etwa 1000° C ausgehend dauert das Abkühlen auf 500° C etwa 30 Sekunden. Innerhalb der Abkühlzeit von 30 Sekunden schlägt eine Wiederzündung (Heißwiederzündung) der VIP-Lampe ohne zusätzliche Maßnahmen fehl.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektrische Zündschaltung anzugeben, die dazu geeignet ist, eine Entladungslampe auch innerhalb der Abkühlzeit der Lampe zu zünden.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine Zündschaltung zum Zünden mindestens einer Entladungslampe durch Anlegen eines elektrischen Zündspannungspulses an die Entladungslampe angegeben, wobei die Zündschaltung folgende Merkmale aufweist: mindestens eine Quellenschaltung zum Bereitstellen eines elektrischen Primärspannungspulses, mindestens einen Zündkreis zum Bereitstellen des Zündspannungspulses und mindestens ein induktives Koppelelement zum induktiven Einkoppeln des Primärspannungspulses in den Zündkreis zum Erzeugen des Zündspannungspulses. Die Zündschaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass das induktive Koppelelement ein Übersetzungsverhältnis einer Spannungsübersetzung aufweist, das aus dem Bereich von einschließlich 1/25 bis einschließlich 1/400 ausgewählt ist. Vorzugsweise ist das Übersetzungsverhältnis aus dem Bereich von einschließlich 1/40 bis einschließlich 1/200 und insbesondere aus dem Bereich von einschließlich 1/40 bis einschließlich 1/70 ausgewählt.

Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zum Zünden einer Entladungslampe durch Anlegen eines Zündspannungspulses unter Verwendung der Zündschaltung nach einem der vorangegangenen Ansprüche mit folgenden Verfahrensschritten angegeben: a) Bilden des Zündschwingkreises mit parallel geschalteter Entladungslampe und b) Erzeugen des Zündspannungspulses im Zündschwingkreis.

Die Entladungslampe bzw. die Innenelektroden der Entladungslampe sind zusammen mit weiteren Komponenten an den Zündschwingkreis angeschlossen. Der Zündkreis weist alle notwendigen reaktiven Bestandteile auf. Durch das hohe Übersetzungsverhältnis und die resonante Spannungsüberhöhung, die entweder im Zündkreis oder im Koppelelement auftritt, wird ein Hochfrequenz-Zündpuls mit einer sehr hohen Scheitelspannung im Zündkreis erzeugt. Vorzugsweise wird ein Zündspannungspuls mit einer Scheitelspannung von einschließlich 10 kV bis einschließlich 50 kV und insbesondere mit einer Scheitelspannung von einschließlich 15 kV bis einschließlich 25 kV erzeugt.

Es wird ein Hochfrequenz-Spannungspuls mit einer Impulsfolgefrequenz im MHz-Bereich erzeugt. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird ein Zündspannungspuls mit einer Impulsfolgefrequenz von einschließlich 0,5 MHz bis einschließlich 30 MHz und insbesondere von einschließlich 0,9 MHz bis einschließlich 10 MHz erzeugt. Besonders gute Ergebnisse wurden beispielsweise mit der Impulsfolgefrequenz von 1,5 MHz erzielt.

Mit dieser Impulsfolgefrequenz und den hohen Spannungen kann die Zündpulsdauer des Zündspannungspulses kurz gehalten werden. Die Zündpulsdauer beträgt unter 50 μs. In einer besonderen Ausgestaltung wird ein Zündspannungspuls mit einer Zündpulsdauer aus dem Bereich von einschließlich 5 μs bis einschließlich 30 μs erzeugt. Insbesondere sind Zündpulsdauern von unter 20 μs möglich. Diese relativ kurzen Zündspannungspulse genügen, um auch bei hohen Temperaturen der Entladungslampe aufgrund des hohen Übersetzungsverhältnisses das Zünden der Entladungslampe zu ermöglichen.

Durch häufige Zündwiederholungen lässt sich die Zündwahrscheinlichkeit erhöhen. Daher wird gemäß einer weiteren Ausgestaltung das Erzeugen des Zündspannungspulses mit einer Wiederholfrequenz (Repititionsrate) aus dem Bereich von einschließlich 50 Hz bis einschließlich 10 kHz und insbesondere aus dem Bereich von einschließlich 100 Hz bis einschließlich 1 kHz durchgeführt. Mit der Wiederholfrequenz wird ein Zündspannungspuls in den Zündkreis eingekoppelt. Mit einer relativ hohen Wiederholfrequenz, beispielsweise 1 kHz, wird die Wahrscheinlichkeit dafür erhöht, dass das Zünden innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls erfolgreich ist.

Das induktive Koppelelement weist mindestens einen Zündtransformator auf. Der Zündtransformator weist eine Primärinduktivität mit mindestens einer Primärwicklung auf und eine Sekundärinduktivität mit mindestens einer Sekundärwicklung. Die Sekundärinduktivität des Zündtransformators ist Bestandteil des Zündkreises. Der Zündkreis kann als Zündschwingkreis ausgestaltet sein. Mit Hilfe des Zündtransformators wird der in der Quellenschaltung gebildete Primärspannungspuls in den Zündschwingkreis eingekoppelt. Vorzugsweise ist dazu der Zündtransformator ein HF-HV-Transformator mit einem ferromagnetischen Kern (z.B. Ferrit- oder Eisenpulverkern). Der HF-HV-Transformator ist derart ausgelegt, dass er alleine für die hohe Spannungsübersetzung sorgt. So ist der HF-HV-Transformator beispielsweise ein Transformator mit 25 kV Ausgangsspannung. Mit einem derart ausgestalteten Zündtransformator kann eine deutlich schlechtere Güte des Zündschwingkreises in Kauf genommen werden. Der Zündschwingkreis weist eine Güte Q von unter 100 auf.

Das induktive Koppelelement kann alleine den entsprechend ausgelegten Zündtransformator aufweisen. In einer besonderen Ausgestaltung weist das induktive Koppelelement mindestens einen Koppeltransformator auf. Der Zündtransformator und der Koppeltransformator sind elektrisch derart miteinander verbunden, dass sie zusammen das induktive Koppelelement bilden. Der Zündtransformator und der Koppeltransformator sind dazu in einer besonderen Ausgestaltung in Serie geschaltet. Die Primärinduktivität des Koppeltransformators kann Bestandteil der Quellenschaltung sein. Die Sekundärinduktivität des Koppelkondensators und die Primärinduktivität des Zündtransformators sind elektrisch verbunden. Die Sekundärinduktivität des Zündtransformators ist wiederum Bestandteil des Zündresonanzkreises.

Der Koppeltransformator dient der Spannungsanpassung. Dies führt dazu, dass das hohe Übersetzungsverhältnis des induktiven Koppelelements vom Zündtransformator gemeinsam mit dem Koppeltransformator bereitgestellt wird. Das Übersetzungsverhältnis wird nicht vom Zündtransformator alleine gestemmt. Es resultiert ein kleinerer Beitrag des Zündtransformators. Dies führt dazu, dass die Sekundärinduktivität und damit die Sekundärwicklung des Zündtransformators klein gehalten werden kann. Damit sind folgende besonderen Vorteile verbunden: Der ohmsche Widertand der Sekundärwicklung wird durch eine geringe Windungszahl und damit durch eine kürzere Drahtlänge geringer. Der ohmsche Widerstand wird auch vom Betriebsstrom der Entladungslampe durchflossen und führt daher zu einer zu vermeidenden Dauerverlustleistung. Darüber hinaus führt der Koppeltransformator zu einer weiteren Entkopplung des Zündschwingkreises und der Quellenschaltung. Damit wird eine für die Bildung des Zündspannungspulses notwendige resonante Spannungsüberhöhung im Zündschwingkreis erleichtert.

Mit der aufgezeigten Kombination von Zündtransformator und Koppeltransformator können bei günstiger Auslegung der weiteren Bestandteile der Zündschaltung Zündspannungspulse mit einer Scheitelspannung von über 30 kV erreicht werden. Dies ist, anders betrachtet, die Spannung, die vom positiven Maximum zum negativen Maximum gerechnet 60 kVss (im Anglikanischen 60 kVpp) aufweist (unter der Annahme, dass im vorliegenden Fall die Spannung in etwa sinusförmig ist).

In einer besonderen Ausgestaltung weist das induktive Koppelelement mindestens einen Koppelschwingkreis auf. Mit dem Koppelschwingkreis kann sich ein Koppeltransformator erübrigen. Vorzugsweise ist aber ein Koppeltransformator vorhanden und der Koppelschwingkreis verbindet den Zündtransformator und den Koppeltransformator elektrisch miteinander. Der Koppelschwingkreis wird auch als Tankresonanzkreis bezeichnet. Er ist zwischen dem Koppeltransformator und dem Zündtransformator derart eingefügt, dass er die Resonanz der Sekundärwicklung des Zündtransformators übernimmt. Im Koppelschwingkreis findet eine resonante Spannungsüberhöhung statt, die durch den Primärspannungspuls der Quellenschaltung ausgelöst wird. Dagegen ist der Zündkreis nicht als Zündschwingkreis ausgelegt. Hier findet keine resonante Spannungsüberhöhung statt. Über den Zündtransformator wird lediglich ein Zündspannungspuls an den Innenelektroden der Entladungslampe erzeugt. Auch bei dieser besonderen Ausgestaltung liefert der Zündtransformator nicht allein das Übersetzungsverhältnis des gesamten induktiven Koppelelements. Die Höhe des Übersetzungsverhältnisses hängt sehr stark von der Auslegung des Tankreises ab, der entweder durch geeignete kapazitive oder induktive Anzapfung selbst transformierend wirkt oder zusätzlich durch Vorschaltung eines Koppeltransformators durch dessen Beitrag. Beispielsweise entwickelt der Tankresonanzkreis eine Spannung von 2 kV bis 10 kV. Damit ist eine moderate Übersetzung für den Zündtransformator möglich In Abhängigkeit von der Quellenschaltungsart kann auf den Koppeltransformator verzichtet werden.

Die Quellenschaltung weist ein geeignetes Hochfrequenz-Schaltelement auf. Das Hochfrequenz-Schaltelement weist einen oder mehrere Hochfrequenz-Schalttransistoren auf. Der Hochfrequenz-Schalttransistor ist ein (Leistungs-)MOS-Transistor und insbesondere einen CoolMOS^®-Transistor oder powerMESH ^(TM)-Transistor oder FDmesh ^(TM)-Transistor oder ein Silizium-Karbid FET-Transistor.

Die Quellenschaltung liefert für die Pulsdauer eine hohe Leistung. Die Quellenschaltung ist derart ausgelegt, dass eine durchschnittliche Primärleistung zwischen 300 W und 2 kW liegt. Dies führt dazu, dass ein für das Schalten verwendeter Hochfrequenz-Schalttransistor Strompulse mit einem Scheitelstrom zwischen 10 A und 100 A führt. Dabei wird dafür gesorgt, dass ein Wirkungsgrad ausreichend hoch ist. Ein Preis für einen Hochfrequenz-Schalttransistor hängt sehr stark von dessen Stromtragfähigkeit ab. Je höher der Wirkungsgrad der Quellenschaltung ist, desto niedriger kann die Stromtragfähigkeit für den bzw. die Hochfrequenz-Schalttransistoren gewählt werden.

In einer besonderen Ausgestaltung weist die Quellenschaltung zur Bereitstellung des Primärspannungspulses ein Hochfrequenz-Schaltelement mit Schaltentlastung auf. Dies bedeutet im Allgemeinen, dass im Moment des Einschaltens des Schaltelements die anliegende Spannung und der geführte Strom gleich oder nahe Null liegen. Auf diese Weise kann eine Verlustleistungsspitze vermieden werden, die beim Schaltvorgang normalerweise auftritt. Es resultiert eine Quellenschaltung mit besonders hohem Wirkungsgrad. Ein weiterer wichtiger Vorteil der Schaltentlastung stellt die Vermeidung starker elektromagnetischer Störanteile (EMV-Problem) im Spektrum bei und weit über der Schaltfrequenz dar.

Vorzugsweise weist die Quellenschaltung eine aus der Gruppe Klasse E, der Klasse D oder und der Klasse DE ausgewählte Topologie auf. Die Klasse E und die Klasse DE zeichnet sich durch eine besonders gute Schaltentlastung aus. Aufgrund der hohen Schaltentlastung kann ein Elektrolytkondensator, der in der Regel als Versorgungspuffer für die Quellenschaltung benötigt wird, klein gehalten werden. Darüber hinaus wird für diese Schaltstufe nur ein Hochfrequenz-Schalttransistor benötigt, der aufgrund des erhöhten Wirkungsgrads nur eine begrenzte Stromtragfähigkeit aufweisen muss. Somit resultiert eine relativ preiswerte Zündschaltung. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine Ausgangsspannung der Schaltstufe ohne weitere Abstimmung nahezu linear einer Gleichspannung folgt, mit der die Schaltstufe versorgt wird. Dies ermöglicht eine Regelung der Hochfrequenz-Spannung über eine vorgeschaltete Spannungsversorgung der Quellenschaltung.

Es gibt zwei Arten der Klasse E: Am Drain- bzw. Kollektoranschluss des Transistors kann ein Parallelkreis oder ein Serienkreis angeschlossen sein. Die zweite Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass sie mit sehr geringen Versorgungsspannungen betrieben werden kann. Es ist somit möglich, einen Hochstromtransistor mit relativ geringer Sperrfähigkeit zu verwenden.

Eine sehr gute Schaltentlastung wird auch mit einer Hochfrequenz-Schaltstufe der Klasse DE erzielt. Diese Klasse basiert auf einer Halbbrücke aus zwei Schalttransistoren. Die eingesetzten Schalttransistoren benötigen eine deutlich geringere Spannungsfestigkeit als der Schalttransistor, der in der Klasse E zum Einsatz kommt.

Verwendung findet die Zündschaltung insbesondere in EVGs für Hochdruckentladungslampen und für Höchstdruckentladungslampen (Ultrahochdruckentladungslampen) wie sie in der Video- und Projektions-Technik eingesetzt werden. Bei einer Hochdruckentladungslampe treten in der Lampenbrennkammer Drücke von 2 Bar bis 20 Bar auf. Bei Ultrahochdrucklampen bewegen sich die Drücke im Bereich von 100 Bar bis 200 Bar. Ziel ist es dabei, ein möglichst breites Emissionsspektrum zu erzielen. Eine Leistung der VIP-Lampen liegt zwischen 100 W und 300 W, beispielsweise 120 W. Höhere und niedrigere Leistungen sind auch denkbar. Mit der Zündschaltung können solche Entladungslampen auch im betriebsheißen Zustand bei Temperaturen von über 500°C bis hin zu 1000°C gezündet werden.

Zusammenfassend ergeben sich mit der Erfindung folgende wesentlichen Vorteile:

– Mit der Zündschaltung wird erreicht, dass eine Entladungslampe auch bei hohen Temperaturen von über 500°C wieder gezündet werden kann. Nach einer Unterbrechung des Leuchtens der Entladungslampe ist ein Abkühlen für ein neuerliches Zünden nicht notwendig. Es tritt keine Zündpause auf
– Mit der Erfindung kann auf eine Zündhilfselektrode verzichtet werden, die oft zur Einhaltung der heute üblichen Zündpause eingesetzt wird.

Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der zugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert.
Die 1, 2, 3A und 3B zeigen Schaltschemata verschiedener Ausführungsbeispiele der Zündschaltung.
4 zeigt das Schaltschema einer Hochfrequenz-Schaltstufe der Klasse DE.
Die Zündschaltung 1 zum Zünden einer Entladungslampe 2 durch Anlegen eines elektrischen Zündspannungspulses ist in einem EVG für eine Hochdruckentladungslampe 2 realisiert. Die Hochdruckentladungslampe 2 ist eine VIP-Entladungslampe mit einer Leistung von 120 W. In dazu alternativen Ausführungen weist die VIP-Entladungslampe eine Leistung von 100 W oder 300 W auf.
Die wesentlichen Bestandteile der Zündschaltung 1 sind die Quellenschaltung 11 zum Bereitstellen des Primärspannungspulses, der Zündkreis 12 zum Bereitstellen des Zündspannungspulses und das induktive Koppelelement 13 zum induktiven Einkoppeln des Primärspannungspulses in den Zündkreis 12. Durch das Einkoppeln des Primärspannungspulses in den Zündkreis 12 entsteht der Zündspannungspuls.
Die in der Lampenbrennkammer 21 angeordneten Innenelektroden 22 der Hochdruckentladungslampe 2 sind Bestandteile des Zündkreises 12. Der im Zündkreis 12 erzeugte Zündspannungspuls führt zu einem elektrischen Überschlag zwischen den Innenelektroden 22. Das Gas im Inneren der Lampenbrennkammer 21 wird ionisiert. Es bildet sich das aufheizende Plasma für die Zündübernahme.
Zum Aufrechterhalten des Aufheizplasmas wird die Hochdruckentladungslampe 2 über die Spannungsversorgungseinheit 122 mit einer sinusähnlichen Zündübernahmespannung angesteuert. Die Spannungsversorgungseinheit 122, die in das EVG integriert ist, stellt eine sinusähnliche Zündübernahmespannung zwischen 150 V und 500 V im 100 kHz-Bereich zur Verfügung.
Die Quellenschaltung 11 wird über die Spannungsversorgungseinheit 111 mit einer geeigneten elektrischen Gleichspannung versorgt. Die Quellenschaltung 11 verfügt über ein Hochfrequenz-Schaltelement 112. Das Hochfrequenz-Schaltelement 112 ist schaltentlastet. Dies bedeutet, dass im Moment des Einschaltens die anliegende Spannung und der geführte Strom 0 bzw. nahe 0 ist. Bestandteile des Hochfrequenz-Schaltelements 112 sind mindestens ein Hochfrequenz-Schalttransistor 113 und mindestens eine HF-Treiberschaltung 114. Der Hochfrequenz-Schalttransistor 113 wird mit der HF-Treiberschaltung 114 angesteuert. Der Hochfrequenz-Schalttransistor 113 ist ein CoolMOS^®-Transistor. In dazu alternativen Ausgestaltungen werden ein powerMESH ^(TM)-Transistor, ein FDmesh ^(TM ⁾-Transistor oder ein Silizium-Karbid FET-Transistor verwendet. Die HF-Treiberschaltung 114 liefert ein Hochfrequenz-Schaltsignal für den Hochfrequenz-Schalttransistor 113, das an die zu erzielende Impulsfolgefrequenz des Zündspannungspulses angepasst ist. Dies bedeutet, dass in der Quellenschaltung 11 ein Primärspannungspuls erzeugt wird, der eine gleiche oder sehr ähnliche Impulsfolgefrequenz aufweist wie der Zündspannungspuls im Zündkreis 12.
Mit Hilfe der Zündschaltung 1 wird ein Hochfrequenz-Zündspannungspuls zum Zünden der Entladungslampe 2 erzeugt. Eine Impulsfolgefrequenz des Zündspannungspulses beträgt in einer ersten Ausführungsform etwa 1,5 MHz. Gemäß einer weiteren Ausführungsform beträgt die Impulsfolgefrequenz 4 MHz. Die Scheitelspannung des Zündspannungspulses beträgt 22 kV. Dies entspricht 44 kVss (44 kVpp). Gemäß einer weiteren Ausführungsform beträgt die Scheitelspannung des Zündspannungspulses 30 kV (60 kVss). Die Zündpulsdauer beträgt 20 μs. Gemäß einer weiteren Ausführungsform beträgt die Zündpulsdauer 5 μs.
Das induktive Koppelelement 13 weist ein Übersetzungsverhältnis der Spannungsübersetzung von etwa 1/60 auf. Durch dieses hohe Übersetzungsverhältnis ist es möglich, die Hochfrequenz-Spannungspulse mit der hohen Scheitelspannung zu erzielen. Aufgrund der hohen Scheitelspannung ist es möglich, die VIP-Hochdruckentladungslampe bei hohen Brenneroberflächentemperaturen von über 500°C zu zünden. Die Abkühlphase muss zum erfolgreichen Wiederzünden der Entladungslampe nicht abgewartet werden.
Zur Erzielung des hohen Übersetzungsverhältnisses werden im Folgenden drei Beispiele angegeben:
Beispiel 1:
Das zugehörige Schaltschema ist in 1 wiedergegeben. Das induktive Koppelelement 13 besteht lediglich aus einem Zündtransformator 131. Der Zündtransformator 131 liefert alleine das hohe Übersetzungsverhältnis. Eine Primärinduktivität 1311 des Zündtransformators 131 ist Bestandteil der Quellenschaltung 11. Die Sekundärinduktivität 1312 des Zündtransformators 131 ist Bestandteil des Zündkreises 12, der als Zündschwingkreis 121 ausgestaltet ist. Über die Primärinduktivität 1311 und die Sekundärinduktivität 1312 des Zündtransformators 131 wird der Primärspannungspuls in den Zündschwingkreis 121 eingekoppelt.
Der Zündtransformator 131 ist ein HF-HV-Transformator mit einem ferromagnetischen Kern und entsprechenden Windungszahlen der Primärinduktivität 1311 und der Sekundärinduktivität 1312. Der Zündschwingkreis 121 weist eine Güte Q von weit unter 100 auf.
Die Sekundärinduktivität 1312 besteht aus zwei nahezu identischen Teilinduktivitäten mit gleichem Wicklungssinn. Diese Teilinduktivitäten sind mit weiteren Bestandteilen zu einem nahezu symmetrischen Zündschwingkreis 121 zusammengefügt. Dies erlaubt die Zuführung der Betriebsspannung und der Zündübernahmespannung ohne Beeinflussung durch die Hochspannungsimpulse der Zündung.
Das Hochfrequenz-Schaltelement 112 der Quellenschaltung 11 weist eine Hochfrequenz-Schaltstufe der Klasse E (Serien-Topologie) auf.
Beispiel 2:
Das entsprechende Schaltschema ist der 2 zu entnehmen. Im Unterschied zum Beispiel 1 weist das induktive Koppelelement 13 neben dem Zündtransformator 131 einen Koppeltransformator 132 auf. Das hohe Übersetzungsverhältnis wird durch eine Kopplung des Zündtransformators 131 mit dem Koppeltransformators 132 erreicht. Dazu ist eine Primärinduktivität 1321 des Koppelkondensators 132 Bestandteil der Quellenschaltung 11. Der Primärspannungspuls wird mittelbar über die Sekundärinduktivität 1322 des Koppeltransformators 132 und die Primärinduktivität 1311 des Zündtransformators 131 in den Zündschwingkreis 121 eingekoppelt. Durch eine entsprechende Ausgestaltung des Koppeltransformators 132 wird ein Teil-Übersetzungsverhältnis erzielt. Das Teilübersetzungsverhältnis des Zündtransformators 131 kann somit verringert werden. Das hohe Übersetzungsverhältnis des gesamten induktiven Koppelelements 13 bleibt erhalten.
Das Hochfrequenz-Schaltelement 112 der Quellenschaltung 11 weist ebenfalls eine Hochfrequenz-Schaltstufe der Klasse E auf, allerdings mit Parallel-Topologie.
Beispiel 3:
Das zugehörige Schaltschema ist mit den 3A und 3B angedeutet. Der Zündkreis 12 ist nicht als Zündschwingkreis ausgestaltet. Dies bedeutet, dass der Zündkreis 12, abgesehen von parasitären Elementen, nicht zu Schwingungen im Frequenzbereich des Zündspannungspulses angeregt werden kann.
Zum induktiven erzeugen des Zündspannungspulses im Zündkreis 12 weist das induktive Koppelelement 13 einen Tankresonanzkreis (Koppelschwingkreis) 133 auf. Der Tankresonanzkreis 133 weist einen kapazitiven Teiler auf (3A). Alternativ dazu ist der Tankresonanzkreis 133 als Tankresonanzkreis mit angezapfter Spule ausgestaltet (angezapfter Tankresonanzkreis, 3B). Dieser Tankresonanzkreis 133 ist in Weiterbildung des Koppelelements 13 gemäß dem vorangegangenen Beispiel zwischen dem Koppeltransformator 132 und dem Zündtransformator 131 geschaltet. Die Primärinduktivität 1311 des Zündtransformators ist Bestandteil des Tankresonanzkreises 133. Auch hier wird ein Teil-Übersetzungsverhältnis von dem Tankresonanzkreis übernommen. Somit kann der Zündtransformator 131 mit einem kleineren Übersetzungsverhältnis auskommen.
Neben den beschriebenen Beispielen gibt es noch eine Vielzahl von Ausführungsformen, die sich durch entsprechende Ausgestaltungen der Quellenschaltung 11, des Zündkreises 12 oder des Koppelelements 13 und seiner Bestandteile ergeben. So ist die Sekundärinduktivität 1312 des Zündtransformators 131 gemäß einer nicht dargestellten Ausführungsform einteilig. Mehr als zwei Bestandteile sind ebenfalls denkbar. In einer weiteren Ausführungsform wird für die Quellenschaltung 11 alternativ zum Hochfrequenz-Schaltelement 112 mit der Schaltstufe der E-Klasse ein Hochfrequenz-Schaltelement 112 mit einer Schaltstufe der DE-Klasse verwendet. Eine DE-Schaltstufe mit Serienkreis-Topologie ist in 4 angedeutet. Die Hochfrequenz-Schaltstufe dieser Klasse weist zwei Hochfrequenz-Schalttransistoren 113 auf. Jeder der Hochfrequenz-Schalttransistoren kann mit einer eigenen HF-Treiberschaltung 114 angesteuert werden.

Claims

Zündschaltung (1) zum Zünden mindestens einer Entladungslampe (2) durch Anlegen eines elektrischen Zündspannungspulses an die Entladungslampe, wobei die Zündschaltung folgende Merkmale aufweist: – mindestens eine Quellenschaltung (11) zum Bereitstellen eines elektrischen Primärspannungspulses, – mindestens einen Zündkreis (12) zum Bereitstellen des Zündspannungspulses und – mindestens ein induktives Koppelelement (13) zum induktiven Einkoppeln des Primärspannungspulses in den Zündkreis zum Erzeugen des Zündspannungspulses, dadurch gekennzeichnet, dass – das induktive Koppelelement ein Übersetzungsverhältnis einer Spannungsübersetzung aufweist, das aus dem Bereich von 1/25 bis 1/400 ausgewählt ist.
Zündschaltung nach Anspruch 1, wobei das Übersetzungsverhältnis aus dem Bereich von 1/40 bis 1/200 und insbesondere aus dem Bereich von 1/40 bis 1/70 ausgewählt ist.
Zündschaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das induktive Koppelelement mindestens einen Zündtransformator (131) aufweist.
Zündschaltung nach Anspruch 3, wobei der Zündtransformator ein HF-HV-Transformator mit einem ferromagnetischen Kern ist.
Zündschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Zündkreis einen Zündschwingkreis mit einer Güte von unter 100 aufweist.
Zündschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das induktive Koppelelement mindestens einen Koppeltransformator (132) aufweist.
Zündschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das induktive Koppelelement mindestens einen Koppelschwingkreis (133) aufweist.
Zündschaltung nach Anspruch 7, wobei der Koppelschwingkreis (133) den Zündtransformator und den Koppeltransformator elektrisch miteinander verbindet.
Zündschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Quellenschaltung zum Erzeugen des Primär-Spannungspulses ein Hochfrequenz-Schaltelement (112) mit Schaltentlastung aufweist.
Zündschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Quellenschaltung eine aus der Gruppe Klasse E, Klasse D und Klasse DE ausgewählte Topologie aufweist.
Verfahren zum Zünden einer Entladungslampe durch Anlegen eines Zündspannungspulses unter Verwendung der Zündschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit folgenden Verfahrensschritten: a) Bilden des Zündschwingkreises mit parallel geschalteter Entladungslampe und b) Erzeugen des Zündspannungspulses im Zündschwingkreis.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei ein Zündspannungspuls mit einer Scheitelspannung von 10 kV bis 50 kV und insbesondere mit einer Scheitelspannung von 15 kV bis 25 kV erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei ein Zündspannungspuls mit einer Impulsfolgefrequenz von 0,5 MHz bis 30 MHz und insbesondere von 0,9 MHz bis 10 MHz erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei ein Zündspannungspuls mit einer Zündpulsdauer aus dem Bereich von einschließlich 5 μs bis 30 μs erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei das Erzeugen des Zündspannungspulses mit einer Wiederholfrequenz aus dem Bereich von 50 Hz bis 10 kHz und insbesondere aus dem Bereich von 100 Hz bis 1 kHz wiederholt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei das Zünden bei einer Lampentemperatur der Entladungslampe von über 500° C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei als Entladungslampe eine Hochdruckentladungslampe und insbesondere eine Ultrahochdruckentladungslampe verwendet werden.