DE102005047613A1

DE102005047613A1 - Verfahren und Schaltung zum Zünden und zur Energieversorgung einer Hochintensitäts-Entladungslampe

Info

Publication number: DE102005047613A1
Application number: DE102005047613A
Authority: DE
Inventors: Ronald M. Tewksbury Fiorello
Original assignee: Osram Sylvania Inc
Current assignee: Osram Sylvania Inc
Priority date: 2004-10-25
Filing date: 2005-10-05
Publication date: 2006-04-27
Also published as: US20060087250A1; CA2512358A1

Abstract

Es wird eine Schaltung zum Zünden einer Hochintensitäts-Entladungslampe offenbart. Die Schaltung enthält einen Gleichrichter, der eine Wechselstrom-Leitungsspannung empfängt. Ein mit dem Gleichrichter gekoppelter Sperrwandler hat einen Induktor, der eine primäre Induktionswicklung und eine sekundäre Induktionswicklung aufweist. Schließlich koppelt eine mit der sekundären Induktionswicklung gekoppelte Leerlaufspannungsschaltung während des Zündens eine zusätzliche Induktionswicklung mit der Sekundärwicklung. Es wird auch ein Verfahren zum Zünden einer Hochintensitäts-Entladungslampe offenbart. Das Verfahren enthält die Schritte des Erzeugens einer Gleichspannung für die Hochintensitäts-Entladungslampe mittels eines Sperrwandlers, des Vorsehens einer Induktionswicklung, die eine primäre Induktionswicklung und eine sekundäre Induktionswicklung im Sperrwandler enthält, und des Koppelns einer zusätzlichen Induktionswicklung, die während des Zündens mit der Sekundärwicklung gekoppelt ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Schaltungen zur Energieversorgung von Entladungslampen, und insbesondere auf ein Verfahren und eine Schaltung zum Zünden und zur Energieversorgung einer Hochintensitäts-Entladungslampe.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Beim Start einer Hochintensitäts-Entladungslampe (HID) durchläuft die Lampe drei Phasen. Diese Phasen umfassen einen Durchschlag, eine Glimmentladung und einen thermionischen Lichtbogen. Der Durchschlag erfordert das Anlegen einer hohen Spannung zwischen den Elektroden der Lampe. Nach dem Durchschlag muss die Spannung hoch genug sein, um eine Glimmentladung aufrechtzuerhalten und die Elektroden für eine thermionische Emission zu erwärmen. Wenn die thermionische Emission beginnt, muss Strom in der Anlaufphase aufrechterhalten werden, bis die Elektroden die Dauerzustandstemperatur erreichen. Nach dem Erreichen des Bogenzustands kann die Lampe mit einem niedrigeren Strompegel im Dauerzustand-Betriebsmodus betrieben werden.

Zum Zünden der Lampe müssen die Lampenelektroden während einer festgelegten Dauer in der Zeit vor dem Durchschlag mit einer hohen Spannung versorgt werden. Übliche Lampen sind durch einen minimalen Spannungspegel und eine minimale Zeitdauer zum Erreichen des Durchschlags gekennzeichnet. HID-Lampen erfordern eine hohe Zündspannung (z.B. 1000 bis 5000 V_rms), um die Plasmaentladung im kalten Zustand auszulösen. Aufgrund hoher vorübergehender Verlustleistungen liegt die Lampen-Eingangsleistung während der Lampenzündung typischerweise 5 bis 10 mal höher als die Lampen-Nennleistung im Dauerzustand. Diese Spannung erzeugt ein sehr starkes an die Elektroden angelegtes elektrisches Feld, das die Entladung auslöst. Die Hochspannungserfordernisse für einen Durchschlag können über Impuls-Resonanzkreise erreicht werden. Die Frequenz, bei der der Kreis die Resonanz erreicht, und die daraus entstehende Resonanzspannung variieren von Schaltkreis zu Schaltkreis aufgrund von Schwankungen bei den Toleranzen der Bauteile. Da die Lampenstartspannung von einer Wechselrichter-Eingangsspannung abhängt, ist es wichtig, dass die Gleichstromspannung dadurch aufrechterhalten wird, dass sie so lange wie möglich in einem festgelegten Bereich gehalten wird, ehe die Lampe zündet.

Die Belastung eines Ballasts während der Zündung kann aber beträchtlich sein. Dies gilt insbesondere bezüglich eines Leistungstransistors in einem Sperrwandler. Das heißt, es gibt eine Spannungsbelastung am Leistungstransistor der Primärseite während des Zündens, da die zum Leistungstransistor zurückreflektierte Spannung proportional zum Verhältnis der Primär- und Sekundärwicklungen (Np/Ns) des Rücklauftransistors ist. Dementsprechend wird ein Ballast benötigt, der eine reduzierte Belastung des Leistungstransistors während des Zündens bewirkt.

Sobald der Bogen erzeugt wurde, ist es günstig, eine konstante Leistung an die Lampe zu liefern, um eine konstante und zuverlässige Lichtleistung zu gewährleisten. Typischerweise regeln elektronische Ballaste die Lampenleistung beim Betrieb von Hochintensitäts-Entladungslampen durch Erfassen des Lampenstroms und der Lampenspannung. Die erfassten Werte des Lampenstrom und der Lampenspannung werden multipliziert, um die Wattleistung zu erhalten. Die Multiplikation könnte durch Verwendung eines Mikrocontrollers oder eines Mikroprozessors erhalten werden. Die Wattleistung wird dann mit einem Wattleistungs-Bezugswert verglichen. Eine Rückkopplungsschleife wird derart vorgesehen, dass der aus diesem Vergleich stammende Fehler in ein Signal umgewandelt wird, das den Lampenstrom so anpasst, dass die gemessene Lampenleistung gleich der Bezugsleistung ist.

Elektronische Ballaste für HID-Lampen gemäß dem Stand der Technik empfangen einen Netzwechselstrom, wie zum Beispiel den Netzwechselstrom, der von einer Spannungsquelle 10 geliefert wird, wie sie in 1 gezeigt ist. Der Strom wird an eine Gleichrichterschaltung 12 geliefert, die eine Leistung an einen Aufwärtswandler 14 erzeugt. Der Aufwärtswandler wird typischerweise von einer Leistungsfaktor-Korrektursteuerung 16 gesteuert. Der Aufwärtswandler hat typischerweise seine eigene Spannungssteuerschleife, um seine Ausgangsspannung höher als die Eingangsspannung zu halten. Auf den Aufwärtswandler folgt eine Leistungsverarbeitungsstufe, die einen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 18, wie zum Beispiel einen Abwärtswandler, oder einen anderen geeigneten Typ von Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler aufweist, der wiederum seine eigene Steuerschleife hat, wie zum Beispiel ein Impulsbreitenmodulationsregler 20 (PWM), und verwendet wird, um eine konstante Spannungs- oder Stromausgabe aufrechtzuerhalten und die notwendige Spannungsumwandlung und -aufbereitung durchzuführen. Die Leistungsverarbeitungsstufe ist mit einem Wechselrichter 22 (der von einer entsprechenden Wechselrichter-Treiberschaltung 24 gesteuert wird) gekoppelt, der die Lampe 26 mit Strom versorgt.

Die Leistungsverarbeitungsstufe führt aber zu zusätzlichen Leistungsverlusten und erfordert zusätzliche Bauteile, die zu einer zunehmenden Größe und höheren Kosten führen. Bei der Herstellung von elektronischen Bauteilen kann allgemein jede Verringerung an notwendigen Bauteilen bedeutend sein. Auf dem Gebiet der elektronischen Ballaste ist jede Verbesserung, die Materialkosten verringern kann, wichtig. Zum Beispiel kann die Verringerung oder das Weglassen von üblichen Schaltungen die Anzahl von Teilen und die Kosten beträchtlich verringern. Daher besteht ein Bedarf nach Ballasten, die keine getrennte Leistungsverarbeitungsstufe erfordern, um den Strom zu regeln, der an eine HID-Lampe geliefert wird.

ZIELE DER ERFINDUNG

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen elektronischen Ballast mit Universaleingangsspannung anzugeben, in dem die Lampenleistung zuverlässig von einer leistungsfaktorkorrigierten (PFC) Sperrwandlerstufe geregelt wird, die jede Notwendigkeit einer getrennten Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler-Leistungsverarbeitungsstufe beseitigt und die damit verbundenen Energieverluste, Größe und Kosten vermeidet.

Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Mikroprozessor-Steuerschaltungsanordnung für den programmierbaren Start eines elektronischen Universalspannung-Ballasts anzugeben, der einen aktiven Rücklauf, einen leistungsgeregelten Leistungsfaktorkorrektor und einen Wechselrichter aufweist.

Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Mikroprozessor-Steuerschaltungsanordnung für den programmierbaren Start eines Universalspannung-Ballasts anzugeben, der eine zusätzliche Wicklung auf dem Rücklauftransformator hat, um die notwendige Leerlaufspannung zum Zünden der Lampe zu liefern.

Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Mikroprozessor-Steuerschaltungsanordnung für die Durchschnittsleistungsregelung und den programmierbaren Start eines Universalspannung-Ballasts zu liefern, der eine zusätzliche Wicklung auf dem Rücklauftransformator für eine Leerlaufspannung, einen aktiven Rücklauf, einen leistungsgeregelten Leistungsfaktorkorrektor und einen Wechselrichter aufweist.

Dementsprechend ist es wünschenswert, einen verbesserten elektronischen Ballast zum Zünden und zur Leistungsregelung in einer Hochintensitäts-Entladungslampe vorzusehen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es wird eine Schaltung zum Zünden und zur Energieversorgung einer Hochintensitäts-Entladungslampe offenbart. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält die Schaltung eine Gleichrichterschaltung, die so angeschlossen ist, dass sie eine Wechselstrom-Leitungsspannung empfängt. Ein mit der Gleichrichterschaltung verbundener Sperrwandler hat einen Rücklauftransformator mit einer primären Induktionswicklung, einer sekundären Induktionswicklung und einer zusätzlichen Induktionswicklung. Eine mit der sekundären Induktionswicklung verbundene Leerlaufspannungsschaltung verbindet die zusätzliche Induktionswicklung während des Zündens der Lampe mit der Sekundärwicklung.

Es wird auch ein Verfahren zum Zünden und zur Energieversorgung einer Hochintensitäts-Entladungslampe offenbart. Das Verfahren enthält die Schritte der Erzeugung einer Gleichstromspannung für die Hochintensitäts-Entladungslampe mittels eines Sperrwandlers, des Vorsehens eines Rücklauftransformators mit einer primären Induktionswicklung, einer sekundären Induktionswicklung und einer zusätzlichen Induktionswicklung im Sperrwandler, und des Verbindens der zusätzlichen Induktionswicklung mit der Sekundärwicklung während des Zündens.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockschaltbild einer bekannten Schaltung zum Zünden und zur Energieversorgung einer Hochintensitäts-Entladungslampe;
2 ist ein Blockschaltbild einer Schaltung zum Zünden und zur Energieversorgung einer Hochintensitäts-Entladungslampe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist ein ausführlicheres Blockschaltbild der Schaltung aus 2 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ist ein ausführliches Schaltungsdiagramm einer Gleichrichterschaltung, eines Sperrwandlers und einer Rücklauf-Steuerschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 ist ein ausführliches Schaltungsdiagramm eines Wechselrichter und eines Wechselrichter-Treibers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 ist ein ausführliches Schaltungsdiagramm einer Leistungs-Steuerschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 ist ein Diagramm, das das Formen eines sinusförmigen Eingangsstroms gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Zünden und zur Energieversorgung einer Hochintensitäts-Entladungslampe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
9 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Zünden und zur Energieversorgung einer Hochintensitäts-Entladungslampe gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf einen elektronischen Ballast und auf ein Verfahren zum Zünden und zur Energieversorgung einer Hochintensitäts-Entladungslampe, gespeist von einem Universaleingangs-Wechselstromnetz. Die vorliegende Erfindung enthält eine aktive Leistungsfaktorkorrekturschaltung, die als Sperrwandler konfiguriert ist, um eine Leistungsfaktorkorrektur und eine Leistungsregelung in einer einzigen Leistungsverarbeitungsstufe zu liefern. Die durchschnittliche Lampenleistung wird von einem Mikrocontroller geregelt, der eine Übergangsmodus-(TM)-Leistungsfaktorsteuerung oder eine kritische Leitfähigkeitsmodus-Leistungsfaktorsteuerung bewirkt. Der Ausgangsstrom und die Ausgangsspannung des Sperrwandlers werden verändert, um die Lampenleistung zu regeln. Entweder kann die Gleichstrom-Ausgangsleitungsleistung geregelt werden, oder man kann unter Hinzufügung eines Strom- und Spannungswandlers die Ausgangsleistung des Wechselstrom-Wechselrichters regeln. Da der Mittelwert von einer digitalen PWM-Ausgangsspannung genommen wird, die auf einer Verweistabelle basiert, und verwendet wird, um die Leistung des Sperrwandlers zu regeln, wird eine Zwischen-Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlerstufe unnötig und die zugehörigen Kosten und Platzbedürfnisse entfallen. Daher liefert der Sperrwandler mit einer einzigen Stufe und einem einzigen Schalter sowohl die Leistungsfaktorkorrektur als auch die Laststromregelung.
Zusätzlich sieht die vorliegende Erfindung eine zusätzliche Wicklung auf einem Rücklauftransformator vor, um die Lampe mit niedrigerer Belastung der Bauteile des Sperrwandlers zu zünden. Die zusätzliche Wicklung auf dem Rücklauftransformator erzeugt die notwendige Leerlaufspannung für die Lampe. Die zusätzliche Wicklung verringert die Spannungsbelastung auf dem Leistungsschalter der Primärseite während des Zündens, da die zur Primärseite zurück reflektierte Spannung proportional zum Verhältnis Np/Ns des Rücklauftransformators ist. Die zusätzliche Wicklung wird durch den Mikrocontroller von der Schaltung abgeschaltet, sobald das Zünden der Lampe stattfindet.
2 zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltung zum Zünden und zur Energieversorgung einer Hochintensitäts-Entladungslampe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Schaltung wird verwendet, um HID-Lampen zu re geln, die von einer Quelle 10 wie z.B. einer 120- oder 227-V Wechselstromleitung gespeist werden. Insbesondere enthält ein elektronischer Ballast 50 zur Stromversorgung einer HID-Lampe 26 eine Gleichrichterschaltung 52, die mit einem Wechselstromleitungsquelle 10 verbunden ist, und eine aktive Leistungsfaktorkorrekturschaltung 54. Die aktive Leistungsfaktorkorrekturschaltung 54 enthält einen Wandler mit einer einzigen Stufe und einem einzigen Schalter, der als ein Sperrwandler 56 konfiguriert ist und eine Wechselstrom-Gleichstrom-Umwandlung bewirkt, und eine Rücklaufsteuerschaltung 58, die eine Leistungsfaktorkorrektur und eine Leistungsregelung in einer einzigen Leistungsverarbeitungsstufe bewirkt. Eine Wechselrichterstufe 62 enthält eine Wechselrichterschaltung 64, die einen Zünder aufweist und das Ausgangssignal des Sperrwandlers 56 über eine leistungsgeregelte Gleichstrom-Sammelleitung empfängt, und einen Wechselrichter-Treiber 66. Wie nachfolgend ausführlicher beschrieben, liefert die Wechselrichterschaltung 64 die notwendige Spannung, um die HID-Lampe zu zünden und mit Energie zu versorgen.
Ein Verfahren mit einer einzigen Leistungsregelungsschleife gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird verwendet, um die Energieversorgung der Lampe konstant zu halten. Die verschiedenen Verbindungen zwischen den Schaltungen der 4-6 sind ausführlicher in 3 gezeigt, um das Verständnis der Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Schaltungen zu ermöglichen. Wie ausführlicher unter Bezugnahme auf 4 beschrieben wird, speist die Leistungsfaktorkorrekturschaltung 54 einen Wechselrichter, um eine Wechselstrom-Anregung zu liefern, die eine HID-Lampe anregt. Die Wechselrichterschaltung 64 und die Wechselrichter-Treiberschaltung 66 werden ausführlicher unter Bezugnahme auf 5 beschrieben. Schließlich erfasst die Leistungs-Steuerschaltung 60 die Ausgangswerte von Strom und Spannung des Sperrwandlers 56, wie unter Bezugnahme auf 6 ausführlicher beschrieben wird.
4 zeigt ein Schaltbild der aktiven Leistungsfak torkorrekturschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Schaltung, die allgemein ein Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler ist, weist eine Gleichrichterschaltung 52 mit Dioden D2-D5 und einem Kondensator C4 auf, der die Ausgangspole der Gleichrichterschaltung 52 verbindet. Der mit der Gleichrichterschaltung verbundene Sperrwandler 56 weist einen Rücklauftransformator mit Wicklungen L1-L3 auf. Ein Kondensator C17 liegt zwischen der Verbindung der Wicklung L1 und des Transistors Q1 und Masse. Ein Leistungs-Schalttransistor Q1 wird über einen Eingangswiderstand R54 angesteuert, um periodisch die Sperrwandler-Wicklung L1 mit einer gleichgerichteten Spannung zu speisen. Eine Ausgangsgleichrichterdiode D6 ist mit der Sekundärwicklung L2 des Rücklauftransformators verbunden. Ein Ausgangsenergiespeicherkondensator C2 verbindet die Ausgänge der Rücklaufschaltung. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Wicklungen der Leiter so konfiguriert, dass das Windungsverhältnis L1 zu L2 1 zu 0,65 beträgt, wobei L1 30 Windungen hat, das Windungsverhältnis L1 zu L3 (Nullstromwindung) ist 1 zu 0,15, und L1, L2 und L3 sind auf TDK PQ40/40 Spulenkerne gewickelt.
Eine Leerlaufspannungsschaltung mit einer zusätzlichen Wicklung L4 ist mit der Wicklung L2 über einen Schalter S1 verbunden. Die zusätzliche Wicklung L4 ist mit einer Diode D10 und mit einem Widerstand R30 in Reihe geschaltet. Die zusätzliche Wicklung L4 hat vorzugsweise doppelt so viele Windungen wie L2. Der Schalter S1 kann zum Beispiel durch ein Relais oder einen isolierten Halbleiterschalter realisiert werden. Der Schalter S1 ist vor dem Zünden der Lampe geschlossen, um die Wicklung L4 mit der Wicklung L2 in Reihe zu schalten, und wird dann nach dem Zünden geöffnet, um die Wicklung L4 von der Wicklung L2 abzukoppeln. Der Schalter S1 kann zum Beispiel vom Mikroprozessor U101 gesteuert werden (siehe 6) und ein Signal vom Stift 27 von U101 empfangen. Das heißt, dass eine Spule L5, die zwischen +5 Volt und dem Stift 27 von U101 gekoppelt ist, den Schalter S1 in Abhängigkeit von dem Signal öffnet oder schließt, das am U101-Stift 27 geliefert wird. Der Rücklaufab schnitt der Leistungsfaktorkorrekturschaltung arbeitet vorzugsweise im kritischen Leitungsmodus, um Schaltverluste zu minimieren, und enthält einen Übergangsmodus-(TM)-Regler, der eine konstante Ausgangsleistung über einen von einem Mikrocontroller gesteuerten Bezugswert regelt.
Der Sperrwandler 56 ist auch mit der Rücklaufsteuerschaltung 58 gekoppelt, die eine Leistungsfaktor-Steuerungsschaltung mit einer Leistungsfaktorsteuerung U15 besitzt, wie z.B. einen SGS Microelectronics L6561 TM Regler. Die Leistungsfaktorsteuerung U15 ist mit einer Spannungsrückkopplungsschleife über einen Widerstandsteiler R60-R62, eine Stromrückkopplungsschleife über den Widerstand R63 und mit einer Leistungsregelschleife versehen. Das die Widerstände R60, R61 und R62 enthaltende Widerstandsteilernetz erzeugt eine Spannung, die mit der Leerlaufausgangsleistung des Sperrwandlers 56 verbunden ist. Ein zweites, die Widerstände R69, R70, R71 und R41 enthaltendes Widerstandsnetz erzeugt am Ausgang 210 ein Rückkopplungsstromsignal und am Ausgang 212 ein Rückkopplungsspannungssignal. Wie unter Bezug auf 6 ausführlicher beschrieben wird, sind die Rückkopplungsspannungs- und Rückkopplungsstromsignale mit dem Leistungssteuerstrom 60 gekoppelt, um ein Leistungssteuersignal zu erzeugen, das über eine Leistungssteuerschleife an die Leistungsfaktorsteuerung U15 rückgekoppelt wird. Auf der Basis des Werts des Leistungssteuerungssignals regelt die Leistungsfaktorsteuerung die Leistung der Rücklaufschaltung 56 nach dem Zünden durch Steuern der Frequenz und des Arbeitszyklus, mit denen der Transistor Q1 angetrieben wird.
Der Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlerabschnitt formt den sinusförmigen Eingangsstrom derart, dass er mit der sinusförmigen Eingangsspannung in Phase liegt, und regelt die Ausgangsleistung des Sperrwandlers über die Leistungssteuerungsüberwachungsschleife, die mit dem Leistungstransistor Q1 über einen Widerstand R54 verbunden ist. Die Leistungsfaktorsteuerungsschaltung UI5 ist vorzugsweise mit einem Spitzenstrom- Erfassungsmerkmal für das Nullstrom-Einschalten und das Beinahe-Nullspannungs-Ausschalten des Leistungstransistors versehen.

Ein Widerstandsnetz mit Widerständen R66, R67 und R68 liefert die Spannung am Eingang des Sperrwandlers an die Leistungsfaktorsteuerung U15. Ein kleiner keramischer Kondensator C9, wie z.B. ein 0,1 μF Kondensator, ist vorzugsweise mit dem Stift 3 von U15 gekoppelt, um das Rauschen an diesem Stift zu verringern. Eine RC-Schaltung aus R65 und C22 ist mit dem Gleichrichterschaltungsausgang 106, 108 verbunden und erzeugt eine Vorspannung während des Einschaltens der Lampe, um eine Hilfsversorgung an U15 zu liefern, bis die Lampe aufleuchtet. Ein 0,1 μF Kondensator C8 ist vorzugsweise mit dem Stift 8 von U15 gekoppelt, um das Rauschen an diesem Stift zu verringern. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist Q1 ein IXS24N100 24A/1000V Leistungstransistor der IXYS Corporation. R41 ist ein 2W,5% Widerstand, der vier parallelgeschaltete Widerstände mit je 0,62 Ohm aufweist. D10 ist eine 8A/600V Diode der IXYS Corporation. Die übrigen Kondensatoren, Widerstände und Dioden haben vorzugsweise die in der Tabelle 1 aufgelisteten Werte. TABELLE 1

Bauteil	Wert
C4	0,22μF/500V
C17	560μF/350V
C2	470μF/400V
C22	22μF/50V
C23	1μF/50V
C21	2200pF/1kV
D2, 3, 4, 5	3A/600V
R54	22Ω
R63	0,15Ω
R64	34kΩ
R60,61	124kΩ
R62	2,49kΩ
R66, 67	750kΩ
R68	9,1kΩ
R65	150kΩ

R69,70	250kΩ
R71	5kΩ

5 zeigt ein Schaltbild der Wechselrichterschaltung 64 und des Wechselrichter-Treibers 66 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Insbesondere enthält eine typische Zünderschaltung einen Widerstand R20, einen Kondensator C20, einen Induktor L20-L21 und eine Funkenstrecke G1. Die Zünderschaltung ist über die Lampe gekoppelt, um die Lampe zu zünden, wie es in der Technik bekannt ist. Der Wechselrichter-Treiber 66 enthält Gate-Treiber U16 und U17, die je vorzugsweise einen IR2101 Gate-Treiber von International Rectifier aufweisen. Die Gate-Treiber U16 und U17 steuern Transistoren M2 und M4 bzw. Transistoren M3 und M5, die einen H-Brückenwandler zum Umwandeln der vom Sperrwandler 56 erzeugten Gleichspannung in eine Wechselspannung aufweisen. Vorzugsweise sind die Transistoren M2, M3, M4 und M5 12A/600V Transistoren, wie die 20N60S Transistoren der Infineon Corporation. Die Kondensatoren C24 und C25 sind 1μF/50V Kondensatoren, die Dioden D36 und D37 sind 1A/600V Dioden, und die Widerstände R55-58 sind 22Ω-Widerstände.
6 zeigt ein Blockschaltbild einer Leistungs-Steuerschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Leistungs-Steuerschaltung enthält vorzugsweise einen Mikroprozessor, wie zum Beispiel einen Mikrochip PIC 18C242, oder einen ähnlichen Mikrocontroller, und besitzt ein erstes Eingangsterminal 802 zur Überwachung des Ausgangsstroms (über den Widerstand R53 der 4) des Sperrwandlers 56, und ein zweites Eingangsterminal 804 zur Überwachung der Gleichspannung (über den Widerstandsteiler R69, R70, R71 der 4) am Ausgang des Sperrwandlers. Das erste Eingangsterminal ist mit einem differentiellen OP-AMP U125A, Verstärkungseinstellwiderständen R105, R106, R107, R108, und einem Frequenzkompensationskondensator C109 gekoppelt. Das erste Eingangsterminal ermöglicht einen leistungsfaktorkorrigierten Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler mit einer einzigen Stufe und einem einzigen Schalter, und eine konstante Lampen-Durchschnittsleistung, die auf andere Leistungspegel über die geeignete Anpassung von R105, R106, R107 und R108 oder über eine Änderung in den Werten der ROM-Verweistabelle skalierbar ist. Ein zweites Eingangsterminal 804 ist mit OP-AMP U125B, Verstärkungseinstellungswiderständen R109, R110, R111, R112 und dem Frequenzkompensationskondensator C110 gekoppelt. Der Ausgang des Mikroprozessors U101 ist mit einem Stromverstärker gekoppelt, der OP-AMP U122A enthält. Insbesondere wird U122A vom U101 über Dioden D102 und D103 angetrieben, die vorzugsweise IN4148 Dioden sind, bis die Lampe leuchtet, wenn die Leistungsregelungsschaltung übernimmt.

Ein zugeordnetes Tiefpassfilter, das R139, C126, R140 und C125 enthält, ist auch mit dem anderen Eingang von OP-AMP 122A gekoppelt, um die Leistungsregelung zu liefern. Der Arbeitszyklus des Signals am Stift 13 von U101, der auf der Ausgangsspannung am Ausgang von U125B gekoppelt mit Stift 2 von U101 beruht, beruht auf den Werten in einer Verweistabelle, wie sie in der nachfolgenden Tabelle 2 dargestellt ist. TABELLE 2

Ausgangsspannung	Arbeitszyklus
1.310484	0.66129
1.315249	0.65927
1.320015	0.65726
1.324780	0.65524
1.329545	0.65323
1.334311	0.64919
1.339076	0.64718
1.343842	0.64516
1.348607	0.64315
1.353372	0.64113
1.358138	0.63911
1.362903	0.63710
1.367669	0.63508
1.372434	0.63105

Das Tiefpassfilter koppelt einen Mittelwert der Spannung mit dem Stift 3 von U122A. Die Ausgangsleistung des OP-AMP 122A wird (über den Ausgang 810) an die Rücklaufsteuerungsschaltung 58 rückgeführt, die die Frequenz und den Arbeitszyklus so steuert, dass der Transistor M1 aufgrund des Werts der Ausgangsleistung von OP-AMP 122A eingeschaltet wird. Das heißt, dass die Ausgangsleitung von OP-AMP 122A ein Leistungssteuerungssignal liefert, das die vom Sperrwandler erzeugte Leistung steuert.
Es ist anzumerken, dass der Lampenstrom und die Lampenspannung, die verwendet werden, um die Lampenleistung zu regeln, vom Mikroprozessor U101 überwacht werden (6), um alle Fehlerzustände zu erfassen, die auftreten können. Wenn ein Fehlerzustand auftritt, sendet der Mikroprozessor einen Befehl (über die Diode D102, OP-AMP UI22A und den Ausgang 810), durch den der Sperrwandler ausgeschaltet wird, wodurch die Elektronikbauteile des Ballasts geschützt werden. Vorzugsweise haben die Widerstände und Kondensatoren in der Schaltung der 6 die folgenden Werte:
R101, 103, 104 = 1k Ohm, R105, 108 = 25k Ohm,
R106, 107, 110, 111, 139, 140 = 10k Ohm, R109, 112 = 39.2k Ohm,
R133 = 40k Ohm, R142, 146 = 5k Ohm,
C101, 102, 124, 125, 126, 134, 139 = 1 μF, C103, 104 = 18 pF,
C109, 110 = 470 pF.
Das Blockschaltbild gemäß 7 zeigt das Formen eines sinusförmigen Eingangsstroms gemäß einer Ausführungsform der vorliegende Erfindung. Ein eingebetteter Mikrocontroller, wie U101 der 6, misst die Lampenleistung durch Tasten der Lampenspannung und des Lampenstroms. Die Spannung wird als ein Index in einer Verweistabelle verwendet, aus der die geeignete Stromsteuerung bestimmt wird, um zur korrekten Lampenleistung zu kommen. Der Mikrocontroller liefert ein digitales impulsbreitenmoduliertes Ausgangssignal, dessen Arbeitsverhältnis proportional zur gemessenen Lampenspannung ist. Dieses Signal wird dann gemittelt und als Bezugswert für den Stromfehlerverstärker verwendet, zum Beispiel OP-AMP 122A der 6. Das heißt, dass die Summiererblöcke und Fehlerverstärkung durch OP-AMP 122A durchgeführt werden können, das am Stift 3 Vref empfängt und ein Leistungssteuersignal V_c ausgibt, das ein Fehlersignal darstellt. Das Ausgangssignal V_c dieses Fehlerverstärkers wird anstelle des Fehlerverstärkers innerhalb einer Leistungsfaktorsteuerung als ein variables Eingangssignal in den Multiplizierer verwendet. Dieses Eingangssignal wird mit einer Tastprobe der gleichgerichteten Netzspannung multipliziert, um einen gleichgerichteten Wechselstrom-Bezugswert zu liefern. Der Bezugswert wird mit dem Leistungsschalterstrom verglichen, um einen sinusförmigen Eingangsstrom zu formen, derart, dass der Eingangsstrom I_in = K·sinwt ist, wobei K der durch die Leistungssteuerungsschleife gesteuerte variable Gleichstrom-Term ist. Die Multiplikation und die Impulsbreitenmodulation könnten von der Leistungsfaktorsteuerung U15 durchgeführt werden, die die erfasste Spitzenspannung V_p empfängt und ein Arbeitszyklussignal "d" ausgibt, das an den Sperrwandler geliefert wird. Der Ausgangsstrom I_O wird dann durch einen Verstärkungsfaktor K₂ verändert, um eine Eingangsspannung V_S für U122A zu erzeugen. Der Leistungsfaktorsteuerungs-Spannungsverstärker liefert eine geregelte Leerlaufgleichspannung von etwa 300VDC, ehe die Lampenzündung ausgelöst wird. Wenn die Lampenzündung stattgefunden hat, steuert und regelt die Leistungsregelungsschleife die Lampenleistung auf der Basis einer Verweistabelle, die im Bordprogramm ROM gespeichert ist.
8 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Zünden und zur Energieversorgung einer Hochintensitäts-Entladungslampe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Insbesondere wird in einem Schritt 802 in einer Gleichrichterschaltung ein Wechselstrom empfangen. In einem Schritt 804 wird mittels eines Sperrwandlers eine Gleichspannung für eine Hochintensitäts-Entladungslampe erzeugt. In einem Schritt 806 wird eine Induktionswicklung vorgesehen, die eine primäre Induktionswicklung und eine sekundäre Induktionswicklung im Sperrwandler aufweist. In einem Schritt 808 wird eine zusätzliche Induktionswicklung während des Zündens mit der Se kundärwicklung gekoppelt. In einem Schritt 810 wird die Hochintensitäts-Entladungslampe gezündet. In einem Schritt 812 wird die zusätzliche Wicklung nach dem Zünden der Hochintensitäts-Entladungslampe abgekoppelt. In einem Schritt 814 wird die Ausgangsleistung des Sperrwandlers verändert, um die Leistung an die Lampe auf der Basis der Spannung und des Stroms zu regeln.
9 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Zünden und zur Energieversorgung einer Hochintensitäts-Entladungslampe gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Insbesondere wird in einem Schritt 902 in einer Gleichrichterschaltung ein Wechselstrom empfangen. In einem Schritt 904 wird eine Induktionswicklung vorgesehen, die eine primäre Induktionswicklung und eine sekundäre Induktionswicklung enthält. In einem Schritt 906 wird eine zusätzliche Induktionswicklung während des Zündens mit der Sekundärwicklung gekoppelt. In einem Schritt 908 wird dann die Hochintensitäts-Entladungslampe gezündet. In einem Schritt 910 wird die zusätzliche Wicklung nach dem Zünden der Hochintensitäts-Entladungslampe abgekoppelt. In einem Schritt 912 wird ein impulsbreitenmoduliertes Ausgangssignal eines Sperrwandlers erzeugt, der mit der Hochintensitäts-Entladungslampe gekoppelt ist. In einem Schritt 914 wird eine vom Sperrwandler erzeugte Spannung erfasst. In einem Schritt 916 wird dann ein Rückkopplungsstrom mit einem Bezugsstrom des impulsbreitenmodulierten Ausgangssignals verglichen. Dann wird in einem Schritt 918 bestimmt, ob die an die Lampe gelieferte Leistung korrekt ist. Wenn nicht, wird in einem Schritt 920 ein Leistungssteuerungssignal mit dem Sperrwandler gekoppelt. In einem Schritt 922 wird die Ausgangsleistung des Sperrwandlers mittels des Leistungssteuerungssignals verändert.
Es ist also klar, dass eine neue und neuartige Schaltung und ein neues und neuartiges Verfahren zum Zünden und zum Betreiben einer Hochintensitäts-Entladungslampe beschrieben wurden. Der Fachmann versteht, dass es viele Alternativen und Äquivalente gibt, die die offenbarte Erfindung beinhalten.
Letztlich ist die Erfindung als nicht durch die obigen Ausführungsformen, sondern nur durch die nachfolgenden Ansprüche eingeschränkt zu sehen.

Claims

Schaltung zum Zünden und zur Energieversorgung einer Hochintensitäts-Entladungslampe, wobei die Schaltung aufweist: – eine Gleichrichterschaltung, die so angeschlossen ist, dass sie eine Wechselstrom-Leitungsspannung empfängt; – einen Sperrwandler, der mit der Gleichrichterschaltung gekoppelt ist und eine Wicklung aufweist, die eine primäre Induktionswicklung und eine sekundäre Induktionswicklung besitzt; und – eine Leerlaufspannungsschaltung, die mit der sekundären Induktionswicklung gekoppelt ist, wobei die Leerlaufspannungsschaltung während des Zündens der Hochintensitäts-Entladungslampe eine zusätzliche Induktionswicklung mit der sekundären Induktionswicklung koppelt.
Schaltung nach Anspruch 1, in der die Leerlaufspannungsschaltung weiter einen Schalter zum Abkoppeln und Ankoppeln der zusätzlichen Induktionswicklung an die sekundäre Induktionswicklung aufweist.
Schaltung nach Anspruch 1, die weiter eine Leistungssteuerungsschaltung aufweist, die mit dem Sperrwandler gekoppelt ist und die ein Leistungssteuerungssignal an den Sperrwandler anlegt.
Schaltung nach Anspruch 4, in der das Leistungssteuerungssignal die Ausgangsleistung des Sperrwandlers regelt.
Schaltung nach Anspruch 5, in der die Leistungssteuerungssignale ein Signal zur Steuerung des Arbeitszyklus eines Leistungstransistors des Sperrwandlers aufweist.
Schaltung zum Zünden und zur Energieversorgung einer Hochintensitäts-Entladungslampe, wobei die Schaltung aufweist: – einen Gleichrichter, der eine Wechselstrom- Leitungsspannung empfängt; – einen Sperrwandler, der mit der Gleichrichtereinrichtung gekoppelt ist und eine erste Einrichtung zur Erzeugung einer Rückkopplungsausgangsspannung und eine zweite Einrichtung zur Erzeugung eines Rückkopplungsausgangsstroms aufweist; – eine Leerlaufspannungseinrichtung, die mit der Sperrwandlereinrichtung gekoppelt ist, um die Spannungsbelastung der Primärwicklung während des Zündens zu verringern; – eine Spannungserfassungseinrichtung, die die Rückkopplungsausgangsspannung empfängt; – eine Stromerfassungseinrichtung, die den Rückkopplungsausgangsstrom empfängt; – eine Steuerschaltungseinrichtung, die mit der Spannungserfassungseinrichtung und mit der Stromerfassungseinrichtung gekoppelt ist; und – eine Leistungssteuerungs-Rückkopplungseinrichtung, die mit der Steuerschaltungseinrichtung gekoppelt ist und ein Leistungssteuerungssignal an die Sperrwandlereinrichtung anlegt.
Schaltung nach Anspruch 6, die weiter eine Wechselrichtereinrichtung aufweist, die einen Zünder zum Zünden der Hochintensitäts-Entladungslampe besitzt.
Schaltung nach Anspruch 7, die weiter einen Wechselrichter-Treiber zum Regeln des Wechselrichters aufweist.
Schaltung nach Anspruch 6, die weiter eine Sperrwandler-Steuereinrichtung aufweist.
Verfahren zum Zünden und zur Energieversorgung einer Hochintensitäts-Entladungslampe, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: – Erzeugen einer Gleichspannung für die Hochintensitäts-Entladungslampe mittels eines Sperrwandlers; – Vorsehen eines Rücklauftransformators in dem Sperrwand ler, wobei der Rücklauftransformator eine primäre Induktionswicklung, eine sekundäre Induktionswicklung und eine zusätzliche Induktionswicklung aufweist; und – Ankoppeln der zusätzlichen Induktionswicklung mit der Sekundärwicklung, um die Hochintensitäts-Entladungslampe zu zünden.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt der Kopplung der zusätzlichen Wicklung mit der Sekundärwicklung das Umschalten der zusätzlichen Wicklung in eine Schaltung zur Erzeugung einer verstärkten Gleichspannung während des Zündens der Hochintensitäts-Entladungslampe enthält.
Verfahren nach Anspruch 10, das weiter einen Schritt des Abkoppelns der zusätzlichen Wicklung von der Sekundärwicklung nach dem Zünden der Hochintensitäts-Entladungslampe enthält.
Verfahren nach Anspruch 12, das weiter einen Schritt der Veränderung der Ausgangsleistung durch den Sperrwandler abhängig von der Spannung und dem Strom enthält, die von der Sperrschaltung erzeugt werden.
Verfahren zum Zünden und Betreiben einer Hochintensitäts-Entladungslampe, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: – Vorsehen eines Sperrwandlers mit einem Rücklauftransformator, der eine primäre Induktionswicklung, eine sekundäre Induktionswicklung und eine zusätzliche Induktionswicklung aufweist; – Ankoppeln der zusätzlichen Induktionswicklung mit der Sekundärwicklung, um die Lampe zu zünden; – Abkoppeln der zusätzlichen Wicklung von der Sekundärwicklung nach dem Zünden der Lampe; – Erzeugen eines impulsbreitenmodulierten Ausgangssignals des Sperrwandlers, der mit der Hochintensitäts-Entladungslampe gekoppelt ist; – Erfassen einer Spannung, die von dem Sperrwandler erzeugt wird; – Erfassen des Stroms des impulsbreitenmodulierten Ausgangssignals; und – Koppeln eines Leistungssteuerungssignals, das auf dieser Spannung und diesem Strom beruht, mit dem Sperrwandler.
Verfahren nach Anspruch 14, das weiter einen Schritt der Veränderung des impulsbreitenmodulierten Ausgangssignals des Sperrwandlers mittels des Leistungssteuerungssignals aufweist.