DE102005052555A1

DE102005052555A1 - Zündvorrichtung für eine Hochdruckentladungslampe und Betriebsgerät für eine Hochdruckentladungslampe mit einer Zündvorrichtung

Info

Publication number: DE102005052555A1
Application number: DE102005052555A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Siessegger
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2005-11-02
Filing date: 2005-11-02
Publication date: 2007-05-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zündvorrichtung zum Zünden der Gasentladung in einer Hochdruckentladungslampe (La), wobei die Zündvorrichtung als Impulszündvorrichtung (C, FS, Tr1) ausgebildet ist und ein piezoelektrischer Transformator (PT) zur Spannungsversorgung der Impulszündvorrichtung (C, FS, Tr1) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Zündvorrichtung ist beispielsweise in der WO 98/18297 offenbart. Diese Schrift beschreibt eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Hochdruckentladungslampe mit einem als Wechselrichter ausgebildeten Spannungswandler, einen von dem Wechselrichter gespeisten Lastkreis, der mit Anschlüssen für eine Hochdruckentladungslampe und mit einer Drossel zur Begrenzung des Lampenstroms versehen ist, und eine Impulszündvorrichtung zum Zünden der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe aufweist. Die Schaltungsanordnung besitzt außerdem einen Transformator zur galvanischen Trennung des Wechselrichters von dem Lastkreis und der Impulszündvorrichtung. Die Impulszündvorrichtung umfasst eine Funkenstrecke, einen Zündkondensator, der während der zum Zünden der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe auf die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke aufgeladen wird, und einen Zündtransformator, über dessen Primärwicklung sich der Zündkondensator nach dem Durchbruch der Funkenstrecke entlädt und von dessen Sekundärwicklung Hochspannungsimpulse zum Zünden der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe erzeugt werden. Die Spannungsversorgung dieser Impulszündvorrichtung wird mittels des Wechselrichters und des vorgenannten, der galvanischen Trennung dienenden Transformators generiert.

Die EP-A 1 496 725 offenbart eine mit einem piezoelektrischen Transformator ausgestattete Zündvorrichtung für eine Hochdruckentladungslampe. Die Primärseite des piezoelektrischen Transformators wird zum Zünden der Gasentladung in der Hoch druckentladungslampe mit einer Wechselspannung gespeist, deren Frequenz einer Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Transformators entspricht. Auf der Sekundärseite des piezoelektrischen Transformators wird dadurch eine Hochspannung generiert, die einer Zündhilfselektrode der Hochdruckentladungslampe zugeführt wird, um die Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe zu zünden.

II. Darstellung der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Impulszündvorrichtung für eine Hochdruckentladungslampe bereitzustellen, die für einen Betrieb der Hochdruckentladungslampe mit einem hochfrequenten Lampenstrom, d.h., mit einer Frequenz größer als 0,1 MHz, oder bei kleinen Versorgungsspannung der Impulszündvorrichtung, geeignet ist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.

Die erfindungsgemäße Zündvorrichtung ist als Impulszündvorrichtung ausgebildet und zu ihrer Spannungsversorgung ist ein piezoelektrischer Transformator vorgesehen. Durch die Verwendung eines piezoelektrischen Transformators zur Spannungsversorgung der Impulszündvorrichtung kann in der Impulszündvorrichtung ein Zündtransformator mit einem wesentlich geringeren Spannungsübersetzungsverhältnis eingesetzt werden, da sich mittels des piezoelektrischen Transformators bereits große Spannungsübersetzungsverhältnisse realisieren lassen und somit die an der Sekundärseite des piezoelektrischen Transformators bereitstehende Versorgungsspannung für die Impulszündvorrichtung gegenüber der an seiner Primärseite anliegenden Eingangsspannung deutlich verstärkt ist und nur noch die Differenz von Zündspannung der Hochdruckentladungslampe und Versorgungsspannung der Impulszündvorrichtung von dem Impulszündtransformator generiert werden muss, um die Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe zünden zu können.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung des piezoelektrischen Transformators zur Spannungsversorgung einer Impulszündvorrichtung, wenn die Hochdruckentladungslampe mit einem hochfrequenten Lampenstrom, das heißt, mit einer Frequenz größer als 0,1 MHz, betrieben wird, weil dadurch das Windungszahlenverhältnis von Sekundär- zu Primärwicklung und die Sekundärinduktivität des Zündtransformators der Impulszündvorrichtung und damit der Spannungsabfall an der vom hochfrequenten Lampenstrom durchflossenen Sekundärwicklung des Zündtransformators verringert werden kann. Anderenfalls würde die Effizienz des gesamten Systems während des Lampenbetriebs nach erfolgter Zündung der Gasentladung unter der hohen Induktivität der Sekundärwicklung des Zündtransformators leiden, weil auch nach erfolgter Zündung der Gasentladung noch ein hoher Spannungsabfall an der vom hochfrequenten Lampenstrom durchflossenen Sekundärwicklung des Zündtransformators auftreten würde. Daher sind nur verhältnismäßig kleine Windungszahlenverhältnisse des Zündtransformators von kleiner als 20 zulässig, da anderenfalls die Windungszahl der Primärwicklung sehr klein wird, beispielsweise gleich 1, und damit eine schlechte magnetische Kopplung von Primär- und Sekundärwicklung des Zündtransformators, ein hoher Strom durch die Primärwicklung während der Zündung mit starker Beanspruchung der Komponenten der Impulszündvorrichtung und nur noch eine ineffiziente Hochspannungserzeugung bewirkt wird. Sollen trotzdem hohe Zündspannungen von ca. 20 kV erzeugt werden, so muss ein Schaltmittel mit einer höheren Sperrspannung als die üblichen 350 V bis 800 V in der Impulszündvorrichtung verwendet werden. Dem entsprechend ergibt sich die Anforderung, die Impulszündvorrichtung mit einer höheren Spannung zu versorgen als das bei einem Lampenbetrieb gemäß dem Stand der Technik. Das wird besonders vorteilhaft mit der erfindungsgemäßen Zündvorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Betriebsgerät erreicht.

Vorteilhafterweise weist der Zündtransformator eine Bauform auf, bei der der magnetische Fluss weitgehend im Magnetmaterial, beispielsweise Ferrit oder Eisen, des Transformatorkerns verläuft, um eine gute elektromagnetische Verträglichkeit und eine Minimierung der durch das magnetische Feld verursachten Verluste außerhalb des Zündtransformators zu gewährleisten. Der Zündtransformator weist daher vorzugsweise einen nahezu geschlossenen Kern, zum Beispiel einen Ringkern oder Topfkern mit Luftspalt auf.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung des piezoelektrischen Transformators zur Spannungsversorgung einer Impulszündvorrichtung darüber hinaus, wenn für die Impulszündvorrichtung nur mit einer verhältnismäßig geringe Versorgungsspannung, d.h. von kleiner 500 V, zur Verfügung steht, da diese beispielsweise aus der Bordnetzspannung eines Kraftfahrzeugs generiert wird.

Vorteilhafterweise ist dem Spannungsausgang des piezoelektrischen Transformators eine Spannungsverdopplungsschaltung oder eine Kaskadenschaltung nachgeschaltet, um die Versorgungsspannung für die Impulszündvorrichtung weiter zu erhöhen.

Die erfindungsgemäße Impulszündvorrichtung umfasst gemäß den bevorzugten Ausführungsbeispielen ein Schaltmittel, beispielsweise ein spannungsabhängiges Schaltmittel mit einer Schaltschwellenspannung, ein Ladungsspeichermittel, das auf die Schaltschwellenspannung des spannungsabhängigen Schaltmittels aufladbar ist, und einen Zündtransformator zum Erzeugen der zum Zünden der Gasentladung der Hochdruckentladungslampe erforderlichen Zündspannung. Die Komponenten der Zündvorrichtung sind vorzugsweise im Inneren des Lampensockels der Hochdruckentladungslampe angeordnet.

III. Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Nachstehend wird die Erfindung anhand mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 Eine Schaltskizze der Zündvorrichtung und des Betriebsgeräts der Hochdruckentladungslampe gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung
2 Eine Schaltskizze der Zündvorrichtung und des Betriebsgeräts der Hochdruckentladungslampe gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung
3 Eine Schaltskizze der Zündvorrichtung und des Betriebsgeräts der Hochdruckentladungslampe gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung
4 Eine Schaltskizze der Zündvorrichtung und des Betriebsgeräts der Hochdruckentladungslampe gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung
5 Eine Schaltskizze der Zündvorrichtung und des Betriebsgeräts der Hochdruckentladungslampe gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung
6 Eine Schaltskizze der Zündvorrichtung und des Betriebsgeräts der Hochdruckentladungslampe gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung
7 Eine Schaltskizze der Zündvorrichtung und des Betriebsgeräts der Hochdruckentladungslampe gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung
8 Eine Schaltskizze der Zündvorrichtung und des Betriebsgeräts der Hochdruckentladungslampe gemäß dem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung
9 Eine Schaltskizze der Zündvorrichtung und des Betriebsgeräts der Hochdruckentladungslampe gemäß dem neunten Ausführungsbeispiel der Erfindung
10 Eine Schaltskizze der Zündvorrichtung und des Betriebsgeräts der Hochdruckentladungslampe gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfin dung mit partieller Kompensation der Eingangskapazität des piezoelektrischen Transformators
In 1 ist schematisch die Schaltskizze einer Impulszündvorrichtung und eines Betriebsgerätes für eine Hochdruckentladungslampe gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Die Impulszündvorrichtung umfasst einen Zündkondensator C, eine Funkenstrecke FS, oder ein beliebiges anderes spannungsabhängiges Schaltmittel, beispielsweise einen DIAC oder eine Kombination aus einem DIAC und einem Thyristor enthält, das beim Erreichen einer bestimmten Schaltschwellenspannung aktiviert bzw. deaktiviert wird, und eine Zündtransformator Tr1 mit Primärwicklung Lp und Sekundärwicklung Ls. Die Serienschaltung aus Funkenstrecke FS und Primärwicklung Lp ist parallel zum Zündkondensator C geschaltet. Zur Spannungsversorgung der Impulszündvorrichtung dienen eine Wechselspannungsquelle U1, ein piezoelektrischer Transformator PT und eine Spannungsverdopplungsschaltung, die von den Dioden D1, D2 und dem Zündkondensator C gebildet wird. Nach erfolgter Zündung der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe La wird die Lampe La mittels der Wechselspannungsquelle U2 betrieben, die einen über die Sekundärwicklung Ls des Zündtransformators Tr1 fließenden Lampenstrom erzeugt. Zum Zünden der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe La wird der piezoelektrische Transformator PT auf seiner Primärseite mittels der Wechselspannungsquelle U1 mit einer Wechselspannungsfrequenz angeregt, die nahe bei einer Resonanzfrequenz des piezoelektrische Transformator PT liegt. Dadurch wird auf seiner Sekundärseite eine Hochspannung generiert, die mittels der Dioden D1, D2 der Spannungsverdoppelungsschaltung gleichgerichtet wird, so dass am Zündkondensator C die gleichgerichtete, doppelte Ausgangsspitzenspannung des piezoelektrischen Transformators PT anliegt. Wenn der piezoelektrische Transformator PT mittels der Wechselspannungsquelle U1 mit einer seiner Resonanzfrequenzen angeregt wird, steht am Zündkondensator C eine Spannung zu Verfügung, die zum Durchbruch der Funkenstrecke FS ausreicht, so dass sich der Zündkondensator C stoßweise über die Funkenstrecke FS und die Primärwicklung Lp des Zündtransformators Tr1 entlädt. Dadurch werden in der Sekundärwicklung Ls des Zündtransformators Tr1 in der Sekundärwicklung Ls des Zündtransformators Tr1 Hochspannungsimpulse induziert, welche die Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe La zünden. Nach erfolgter Zündung der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe La wird die Wechselspannungsquelle U1 entweder deaktiviert oder die Frequenz ihrer Wechselspannung geändert, so dass sie ausreichenden Abstand zu den Resonanzfrequenzen des piezoelektrischen Transformators aufweist, um eine Anregung des piezoelektrischen Transformators PT zu vermeiden bzw. eine Aufladung des Zündkondensators C auf die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke FS zu verhindern.
In 9 ist schematisch die Schaltskizze einer Impulszündvorrichtung und eines Betriebsgerätes für eine Hochdruckentladungslampe gemäß dem neunten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel nur dadurch, dass anstelle des spannungsabhängigen Schaltmittels FS ein beliebiger anderer Schalter S, beispielsweise ein Thyristor, ein IGBT, ein MOSFET oder eine fremdtriggerbare Funkenstrecke mit Triggerelektrode verwendet wird. Der Schalter S ist mit einer Folge von Ansteuerimpulsen zu versehen, die der Zündwiederholfrequenz der Impulszündvorrichtung entspricht. Dabei ist sicherzustellen, dass vor eintreffen eines entsprechenden Ansteuerimpulses der Kondensator C auf eine ausreichend hohen Spannung aufgeladen ist.
In 2 ist schematisch die Schaltskizze einer Impulszündvorrichtung und eines Betriebsgerätes für eine Hochdruckentladungslampe gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel nur dadurch, dass eine einzige, gemeinsame Wechselspannungsquelle U1 zur Spannungsversorgung des piezoelektrischen Transformators PT mit nachgeordneter Impulszündvorrichtung und der Hochdruckentladungslampe La vorgesehen ist, so dass auf die Spannungsquelle U2 verzichtet wird. In allen anderen Details stimmen das erste und zweite Ausführungsbeispiel überein. Daher wurden in den 1 und 2 für identische Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet. Bei der Wechselspannungsquelle U1 handelt es sich vorzugsweise um einen Spannungswandler U1, der aus der Bordnetzspannung des Kraftfahrzeugs eine hochfrequente Wechselspannung zum Zünden und Betreiben der Hochdruckentladungslampe La generiert. Die Hochdruckentladungslampe La ist bei allen Ausführungsbeispielen vorzugsweise eine Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe mit einer elektrischen Leistungsaufnahme von ca. 35 W, die als Lichtquelle in einem Fahrzeugscheinwerfer vorgesehen ist. Zum Zünden der Hochdruckentladungslampe La wird vom Spannungswandler bzw. von der Spannungsquelle U1 eine Wechselspannung erzeugt, deren Frequenz nahe bei einer Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Transformators PT liegt, um den piezoelektrischen Transformator PT anzuregen. Die auf der Sekundärseite des piezoelektrischen Transformators PT generierte Wechselspannung wird mittels der Dioden D1, D2 gleichgerichtet und verdoppelt, so dass der Zündkondensator C auf die gleichgerichtete, doppelte Ausgangsspannung des piezoelektrischen Transformators PT aufgeladen wird, die größer als die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke FS ist. Dadurch entlädt sich der Zündkondensator C über die Funkenstrecke FS und die Primärwicklung Lp des Zündtransformators Tr1. In der Sekundärwicklung Ls des Zündtransformators Tr1 werden daher Hochspannungsimpulse induziert, die zum Zünden der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe La führen. Nach erfolgter Zündung der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe La wird die Frequenz der von dem Spannungswandler bzw. der Spannungsquelle U1 generierten Wechselspannung so variiert, dass sie einen ausreichenden Abstand zu den Resonanzfrequenzen des piezoelektrischen Transformators PT besitzt, um diesen nicht anzuregen bzw. eine Aufladung des Zündkondensators C auf die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke FS zu vermeiden. Beispielsweise kann die Wechselspannungsquelle U1 als Gleichspannungswandler (z.B. Hochsetzsteller) mit nachgeschaltetem Wechselrichter (z.B. Vollbrückenwechselrichter) realisiert werden. Die Schaltfrequenz der Vollbrücke wird während der Zündphase nahe bei einer Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Transformators PT zu ca. 100 kHz gewählt und nach erfolgter Zündung auf ca. 400 Hz reduziert. Alternativ kann die Schaltfrequenz der Vollbrücke während der Zündphase der Hochdruckentladungslampe La auch beispielsweise nur ein Fünftel der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Transformators PT betragen, um den piezoelektrischen Transformator PT mit einer im Signal der Spannungsquelle U1 enthaltenen Oberschwingung, beispielsweise der 5. Harmonischen, anzuregen. Wird aber ein hochfrequenter Lampenbetrieb angestrebt, so kann beispielsweise ein piezoelektrischen Transformator PT mit einer Resonanzfrequenz von beispielsweise 400 kHz verwendet werden, der zum Zünden der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe La mit einer Wechselspannung von ca. 400 kHz angeregt wird. Nach Beendigung der Zündphase wird die Frequenz der Wechselspannung für den weiteren Lampenbetrieb beispielsweise auf 2 MHz erhöht, um den piezoelektrischen Transformator PT nicht weiter anzuregen und die Hochdrucklampe La oberhalb ihrer akustischen Resonanzen zu betreiben. Eine Regelung der Lampenleistung wird beispielsweise mittels einer Variation der Frequenz der Wechselspannung durchgeführt, da hierdurch der frequenzabhängige Blindwiderstand der vom Lampenstrom durchflossenen Sekundärwicklung Ls entsprechend verändert wird. Die Sekundärwicklung Ls dient, ähnlich wie eine Drossel, zur Stabilisierung der Entladung der Hochdruckentladungslampe La.
Falls die Frequenz der von der Spannungsquelle U1 generierten Wechselspannung immer oberhalb der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Transformators PT liegt, so wird zum Anregen des piezoelektrischen Transformators PT vorteilhafterweise eine Amplitudenmodulation verwendet, wobei die Modulationsfrequenz gleich der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Transformators PT ist. Beispielsweise wird bei einem piezoelektrischen Transformator PT mit einer Resonanzfrequenz von 100 kHz eine amplitudenmodulierte Wechselspannung mit einer Trägerfrequenz von 4 MHz und einer Modulationsfrequenz von 100 kHz verwendet, um den piezoelektrischen Transformator PT während der Zündphase der Hochdruckentladungslampe La anzuregen. Nach Beendigung der Zündphase wird die Modulation entweder abgeschaltet oder die Modulationsfrequenz so variiert, dass die vom piezoelektrischen Transformator PT erzeugte Spannung nicht mehr zum Durchbruch der Funkenstrecke FS führt. Nach der Beendigung der Zündphase wird beispielsweise eine Amplitudenmodulation der von dem Spannungswandler U1 generierten Wechselspannung beibehalten, um damit eine Begradigung des aufgrund der Konvektion im Entladungsplasma gekrümmten Entladungsbogens der Hochdruckentladungslampe La zu erreichen, indem mittels der Amplitudenmodulation akustische Resonanzen im Entladungsplasma angeregt werden.
In 3 ist schematisch die Schaltskizze einer Impulszündvorrichtung und eines Betriebsgerätes für eine Hochdruckentladungslampe gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem zweiten Ausführungsbeispiel nur dadurch, dass die Wechselspannungsquelle U1 als Ein-Transistor-Spannungswandler ausgebildet ist, mittels dem aus der Bordnetzspannung U_B des Kraftfahrzeugs die zum Zünden und Betreiben der Hochdruckentladungslampe La erforderlichen Spannungen erzeugt werden. Der Ein-Transistor-Spannungswandler besitzt ein getaktetes Schaltmittel, vorzugsweise einen Feldeffekttransistor Q1 (beispielsweise einen Power-MOSFET), dessen Schalttakt die Frequenz der vom Spannungswandler U1 erzeugten Wechselspannung bestimmt, und einen parallel zur Schaltstrecke des Schaltmittels Q1 geschalteten Kondensator Cs sowie einen Transformator Tr2, dessen Primärwicklung in Serie zu der Parallelschaltung bestehend aus dem Schaltmittel Q1 und dem Kondensator Cs geschaltet ist. Die Sekundärwicklung des Transformators Tr2 ist parallel zum Eingang des piezoelektrischen Transformators PT und zur Serienschaltung bestehend aus Sekundärwicklung Ls des Zündtransformators Tr1 und Entladungsstrecke der Hochdruckentladungslampe La geschaltet. Die Spannung an der Sekundärwicklung des Transformators Tr2 dient während der Zündphase zur Spannungsversorgung bzw. Anregung des piezoelektrischen Transformators PT und nach erfolgter Zündung der Gasentladung zur Spannungsversorgung der Hochdruckentladungslampe La. Wie bereits oben erläutert wurde, ist die Frequenz der vom Spannungswandler generierten Wechselspannung und damit auch die Schaltfrequenz des Schaltmittels Q1 während der Zündphase und nach Beendigung der Zündphase unterschiedlich.
In 4 ist schematisch die Schaltskizze einer Impulszündvorrichtung und eines Betriebsgerätes für eine Hochdruckentladungslampe gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Das vierte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom dritten Ausführungsbeispiel nur dadurch, dass der parallel zum Schaltmittel Q1 geschaltete Kondensator Cs (3) gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel (4) durch die Eingangskapazität des piezoelektrischen Transformators PT ersetzt ist und die Sekundärwicklung des Transformators Tr2 parallel zur Serien schaltung aus Kondensator CK, Sekundärwicklung Ls des Zündtransformators Tr1 und Entladungsstrecke der Hochdruckentladungslampe La geschaltet ist. Der Kondensator CK ist optional und dient zur partiellen Kompensation der Induktivität der Sekundärwicklung Ls während des Lampenbetriebs nach Beendigung der Zündphase. Das Schaltmittel S und die parallel zum Schaltmittel S geschaltete Diode D entsprechen dem Feldeffekttransistors Q1 und seiner Body-Diode in 3. Die Eingangskapazität des piezoelektrischen Transformators PT stellt, ebenso wie der Kondensator Cs im Ausführungsbeispiel drei, einen schaltentlasteten Betrieb (zero voltage switching) des Schaltmittels sicher. Falls die Eingangskapazität des piezoelektrischen Transformators PT für den Spannungswandlerbetrieb zu klein sein sollte, kann in der Schaltungsanordnung gemäß 4 parallel zum Eingang des piezoelektrischen Transformators PT und dem Schaltmittel S ein weiterer Kondensator geschaltet sein. Falls die Eingangskapazität des piezoelektrischen Transformators PT für den Spannungswandlerbetrieb zu groß sein sollte, kann in der Schaltungsanordnung gemäß 4 in Serie zu dem Eingang des piezoelektrischen Transformators PT ein Kondensator geschaltet sein, der zusammen mit der Eingangskapazität des piezoelektrischen Transformators PT einen kapazitiven Spannungsteiler bildet. Alternativ kann, gemäß 10, bei einer zu großen Eingangskapazität des piezoelektrischen Transformators PT durch die Parallelschaltung einer Drossel L_KPT zum Eingang des piezoelektrischen Transformators eine partielle Kompensation von dessen Eingangskapazität erreicht werden. Um in diesem Fall ein Kurzschluss der Eingangsspannungsquele U_B über die Primärwicklung des Transformators Tr2 und die zur partielle Kompensation hinzugefügte Drossel zu verhindern, ist in Reihe zu dieser Drossel ein Abblock-Kondensator C_BPT ausreichender Größe zu schalten und diese Reihenschaltung parallel mit dem Eingang des piezoelektrischen Transformators zu verbinden. Der Abblock-Kondensator C_BPT verhindert einen Gleichstrom durch die Drossel L_KPT, er lässt das Wechselstromverhalten der beschriebenen Anordnung dagegen weitgehend unbeeinflusst. In den 3 und 4 wurden für identische Bauteile der beiden Ausführungsbeispiele dieselben Bezugszeichen verwendet. Die Betriebsweise des vierten Ausführungsbeispiels entspricht dem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel.
In 5 ist schematisch die Schaltskizze einer Impulszündvorrichtung und eines Betriebsgerätes für eine Hochdruckentladungslampe gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Das fünfte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom zweiten oder vierten Ausführungsbeispiel nur dadurch, dass als Wechselspannungsquelle bzw. Spannungswandler U1 anstelle des Ein-Transistor-Spannungswandlers ein stromgespeister Gegentaktwandler verwendet wird. Die Stromspeisung während des Lampenbetriebs nach erfolgter Zündung der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe wird durch die Eingangsdrossel Lin gewährleistet, durch die dann ein näherungsweise konstanter Strom fließt. Der stromgespeiste Gegentaktwandler (5) besteht aus zwei alternierend schaltenden Schaltmitteln S1, S2, die vorzugsweise als Feldeffekttransistoren (Power-MOSFET) mit integrierter Body-Diode D1, D2 ausgebildet sind, aus der Induktivität Lin, der Eingangskapazität des piezoelektrischen Transformators PT und dem Transformator Tr3. Der Transformator Tr3 besitzt zwei Primärwicklungen, die so geschaltet sind, dass bei geschlossenem Schalter S1 der Strom vom Pluspol der Batterie U_B über die erste Primärwicklung zum Masseanschluss fließen kann und bei geschlossenem zweiten Schalter S2 über die zweite Primärwicklung des Transformators Tr3 zum Masseanschluss fließen kann. Der Schalttakt der Schaltmittel S1 und S2 bestimmt die Frequenz der Wechselspannung, die am Eingang des piezoelektrischen Transformators PT zur Verfügung steht, und die Frequenz der Wechselspannung, die an der Sekundärwicklung des Transformators Tr3 zur Spannungsversorgung des daran angeschlossenen Lastkreises erzeugt wird. Die Eingangskapazität des piezoelektrischen Transformators PT stellt, analog zum vierten Ausführungsbeispiel, einen schaltentlasteten Betrieb (zero voltage switching) der beiden Schalter S1 und S2 sicher. Der Lastkreis besteht aus der Serienschaltung von Kondensator Ck, Sekundärwicklung Ls des Zündtransformators Tr1 und der Entladungsstrecke der Hochdruckentladungs-lampe La. An den Spannungsausgang des piezoelektrischen Transformators PT ist die Spannungsverdopplungsschaltung, bestehend aus den Dioden D1, D2 und dem Zündkondensator CFS angeschlossen, so dass am Zündkondensator CFS die gleichgerichtete doppelte Ausgangsspitzenspannung des piezoelektrischen Transformators PT anliegt. Die vom piezoelektrischen Transformator PT und der Spannungsver dopplungsschaltung gespeiste Zündvorrichtung der Hochdruckentladungslampe La besteht aus dem Zündkondensator CFS, der Funkenstrecke FS und dem Zündtransformator Tr1 mit seiner Primärwicklung Lp und seiner Sekundärwicklung Ls. Während der Zündphase der Hochdruckentladungslampe La wird die Schaltfrequenz der Schaltmittel S1, S2 so eingestellt, dass der piezoelektrische Transformator PT mit einer Wechselspannung angeregt wird, deren Frequenz einer seiner Resonanzfrequenzen entspricht. Dadurch wird der Zündkondensator CFS auf die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke FS aufgeladen, um sich dann über die Primärwicklung Lp des Zündtransformators Tr1 und die Funkenstrecke FS zu entladen. In der Sekundärwicklung Ls des Zündtransformators Tr1 werden daher Hochspannungsimpulse induziert, die zum Zünden der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe La führen. Nach Beendigung der Zündphase wird die Schaltfrequenz der Schaltmittel S1, S2 variiert, so dass der piezoelektrische Transformator PT nicht mehr angeregt wird und der Spannungsabfall an dem Zündkondensator CFS nicht mehr zum Durchbruch der Funkenstrecke FS ausreicht. Die Hochdruckentladungslampe La wird über die Sekundärwicklung des Transformators Tr3 mit Energie versorgt. Die vom Lampenstrom durchflossene Sekundärwicklung Ls des Zündtransformators Tr1 wirkt dabei als Drossel zur Begrenzung des Lampenstroms. Der optionale Kondensator CK dient, insbesondere bei einem hochfrequenten Lampenstrom, zur partiellen Kompensation der Induktivität der Sekundärwicklung Ls des Zündtransformators Tr1.
Falls die Eingangskapazität des piezoelektrischen Transformators PT für den Betrieb des Gegentaktwandlers S1, S2, Tr3 zu klein sein sollte, kann parallel zum Eingang des piezoelektrischen Transformators PT ein Kondensator mit passend gewählter Kapazität geschaltet sein. Falls hingegen die Eingangskapazität des piezoelektrischen Transformators PT für den Betrieb des Gegentaktwandlers S 1, S2, Tr3 zu groß sein sollte, kann in Serie zum Eingang des piezoelektrischen Transformators PT ein Kondensator mit passend gewählter Kapazität geschaltet sein. Alternativ kann bei einer zu großen Eingangskapazität des piezoelektrischen Transformators PT durch die Parallelschaltung einer Drossel zum Eingang des piezoelektrischen Transformators eine partielle Kompensation von dessen Eingangskapazität erreicht werden. Im Gegensatz zur Ausführung gemäß Ausführungsbeispiel vier ist hier ein Abblock-Kondensator nicht erforderlich.
In 6 ist schematisch die Schaltskizze einer Impulszündvorrichtung und eines Betriebsgerätes für eine Hochdruckentladungslampe gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die Hochdruckentladungslampe La eine Zündhilfselektrode ZE besitzt, die von der Impulszündvorrichtung während der Zündphase der Hochdruckentladungslampe La mit den Hochspannungsimpulsen zum Zünden der Gasentladung in der Lampe La beaufschlagt wird. Die Impulszündvorrichtung gemäß 6 umfasst einen Zündkondensator C, eine Funkenstrecke FS, oder ein beliebiges anderes spannungsabhängiges Schaltmittel, das beim Erreichen einer bestimmten Schaltschwellenspannung aktiviert bzw. deaktiviert wird, und einen Zündtransformator Tr1 mit Primärwicklung Lp und Sekundärwicklung Ls. Die Serienschaltung aus Funkenstrecke FS und Primärwicklung Lp ist parallel zum Zündkondensator C geschaltet. Zur Spannungsversorgung der Impulszündvorrichtung dienen eine Wechselspannungsquelle U1, ein piezoelektrischer Transformator PT und eine Spannungsverdopplungsschaltung, die von den Dioden D1, D2 und dem Zündkondensator C gebildet wird. Nach erfolgter Zündung der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe La wird die Lampe La mittels der Wechselspannungsquelle U2 und dem Serienresonanzkreis LRes, CRes betrieben, die einen Wechselstrom über die Entladungsstrecke der Hochdruckentladungslampe La erzeugen. Zum Zünden der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe La wird die Frequenz der Wechselspannungsquelle U2 so gewählt, dass an dem Serienresonanzkreis LRes, CRes eine ausreichend hohe Spannung erzeugt wird, die zwischen den beide Hauptelektroden der Hochdruckentladungslampe La anliegt und eine Zündung der Entladung über die Zündhilfselektrode ZE ermöglicht bzw. unterstützt. Weiterhin wird der piezoelektrische Transformator PT auf seiner Primärseite mittels der Wechselspannungsquelle U1 mit einer Wechselspannungsfrequenz angeregt, die nahe bei einer Resonanzfrequenz des piezoelektrische Transformator PT liegt. Dadurch wird auf seiner Sekundärseite eine Hochspannung generiert, die mittels der Dioden D1, D2 der Spannungsverdoppelungsschaltung gleichgerichtet wird, so dass am Zündkondensator C die gleichgerichtete, doppelte Ausgangsspitzenspannung des piezoelektrischen Transformators PT anliegt. Wenn der piezoelektrische Transformator PT mittels der Wechselspannungsquelle U1 mit einer seiner Resonanzfrequenzen angeregt wird, steht am Zündkondensator C eine Spannung zu Verfügung, die zum Durchbruch der Funkenstrecke FS ausreicht, so dass sich der Zündkondensator C stoßweise über die Funkenstrecke FS und die Primärwicklung Lp des Zündtransformators Tr1 entlädt. Dadurch werden in der Sekundärwicklung Ls des Zündtransformators Tr1 Hochspannungsimpulse induziert, die der Zündhilfselektrode ZE zugeführt werden und mittels der Zündhilfselektrode ZE kapazitiv in das Entladungsmedium der Hochdruckentladungslampe La eingekoppelt werden, um die Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe La zu zünden. Nach erfolgter Zündung der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe La wird die Wechselspannungsquelle U1 entweder deaktiviert oder die Frequenz ihrer Wechselspannung geändert, so dass sie ausreichenden Abstand zu den Resonanzfrequenzen des piezoelektrischen Transformators aufweist, um eine Anregung des piezoelektrischen Transformators PT zu vermeiden bzw. eine Aufladung des Zündkondensators C auf die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke FS zu verhindern. Der Lampenbetrieb nach Beendigung der Zündphase wird mittels der Wechselspannungsquelle U2 und des Serienresonanzkreises LRes, CRes durchgeführt.
In 7 ist schematisch die Schaltskizze einer Impulszündvorrichtung und eines Betriebsgerätes für eine Hochdruckentladungslampe gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es unterscheidet sich von dem sechsten Ausführungsbeispiel dadurch, dass auf die zweite Wechselspannungsquelle U2 verzichtet wird und die Zündung sowie der Betrieb der Hochdruckentladungslampe La mit nur einer Wechselspannungsquelle U1 durchgeführt werden. Der Kondensator CK ist optional und dient zur partiellen Kompensation der Induktivität LGes während des Lampenbetriebs nach Beendigung der Zündphase. Die Induktivität LGes bezeichnet die gesamte Induktivität der Spartransformators, wobei LRes nur die Induktivität des ersten Wicklungsabschnitts bezeichnet, der mit der Spannungsquelle U1 und dem Eingang des piezoelektrischen Transformator PT verbunden ist. Außerdem ist der Zündtransformator Tr1 der Impulszündvorrichtung gemäß 7 im Gegensatz zur Ausführung nach 6 als Spartransformator ausgebildet. Zum Zünden der Hochdruckentladungslampe La wird vom Spannungswandler bzw. von der Spannungsquelle U1 eine Wechselspannung erzeugt, deren Frequenz nahe bei einer Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Transformators PT liegt, um den piezoelektrischen Transformator PT anzuregen. Die Anregung kann auch mittels einer im Signal der Spannungsquelle U1 enthaltenen Oberschwingung erfolgen. Der Serienresonanzkreis LRes, CRes wird so dimensioniert, dass an ihm eine ausreichend hohe Spannung erzeugt wird, die zwischen den beide Hauptelektroden der Hochdruckentladungslampe La anliegt und eine Zündung der Entladung über die Zündhilfselektrode ZE ermöglicht bzw. unterstützt. Die Funktion des Kondensators CRes kann gegebenenfalls von der Eingangskapazität des piezoelektrischen Transformators PT übernommen werden. Daher ist das Bauteil CRes in 7 gestrichelt dargestellt. Die auf der Sekundärseite des piezoelektrischen Transformators PT generierte Wechselspannung wird mittels der Dioden D1, D2 gleichgerichtet und verdoppelt, so dass der Zündkondensator C auf die gleichgerichtete, doppelte Ausgangsspannung des piezoelektrischen Transformators PT aufgeladen wird, die größer als die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke FS ist. Dadurch entlädt sich der Zündkondensator C über die Funkenstrecke FS und die Primärwicklung Lp des Zündtransformators Tr1. In der Sekundärwicklung Ls des Zündtransformators Tr1 werden daher Hochspannungsimpulse induziert, mit denen die Zündhilfselektrode ZE der Hochdruckentladungslampe La beaufschlagt wird, um die Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe La zu zünden. Nach erfolgter Zündung der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe La wird die Frequenz der von dem Spannungswandler bzw. der Spannungsquelle U1 generierten Wechselspannung so variiert, dass sie einen ausreichenden Abstand zu den Resonanzfrequenzen des piezoelektrischen Transformators PT besitzt, um diesen nicht anzuregen bzw. eine Aufladung des Zündkondensators C auf die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke FS zu vermeiden. Die Hochdruckentladungslampe La wird nach der Zündphase mittels des Serienresonanzkreises LRes, CRes an der Wechselspannungsquelle U1 betrieben. Die elektrische Leistungsaufnahme der Hochdruckentladungslampe La wird durch Variation der Frequenz der Wechselspannung U1 geregelt. Insbesondere kann die Hochdruckentladungslampe La unmittelbar nach der Zündphase, in der so genannten Anlaufphase, mittels des aus LGes und CK Serienresonanzkreises mit einem Vielfachen ihrer Nennleistung betrieben werden, um ein schnelles Verdampfen des Entladungsmediums, beispielsweise der Metallhalogenide, zu erreichen. Die Induktivität LRes begrenzt außerdem den Lampenstrom und bewerkstelligt damit die Stabilisierung der Entladung.
In 8 ist schematisch die Schaltskizze einer Impulszündvorrichtung und eines Betriebsgerätes für eine Hochdruckentladungslampe gemäß dem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es unterscheidet sich von dem siebten Ausführungsbeispiel dadurch, dass bei dem achten Ausführungsbeispiel die Wechselspannungsquelle U1 als Ein-Transistor-Spannungswandler ausgebildet ist und der Zündtransformator Tr1 nicht als Spartransformator ausgeführt ist. Die Wechselspannung zur Spannungsversorgung des piezoelektrischen Transformators PT und der Hochdruckentladungslampe La wird mit Hilfe des steuerbaren Schaltmittels S, der parallel dazu geschalteten Diode D, dem parallel zum Schaltmittel S geschalteten Kondensator Cs und dem Transformator Tr2 aus der Bordnetzspannung U_B des Kraftfahrzeugs generiert. Das Schaltmittel S und die Diode D sind vorzugsweise als Feldeffekttransistor mit integrierter Body-Diode ausgebildet, wie in 3 dargestellt. Der Schalttakt des Schaltmittels S bestimmt die Frequenz der vom Spannungswandler erzeugten Wechselspannung. Die Sekundärwicklung des Transformators Tr2 versorgt den Serienresonanzkreis LRes, CRes mit Energie. Der Eingang bzw. die Primärseite des piezoelektrischen Transformators PT und die Entladungsstrecke der Hochdruckentladungslampe La sind jeweils parallel zum Resonanzkondensator CRes geschaltet. Zum Zünden der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe La wird die Schaltfrequenz des Schaltmittels S und damit die Frequenz der vom Ein-Transistor-Spannungswandler generierten Wechselspannung auf eine Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Transformators PT abgestimmt. Darüber hinaus wird der aus LRes, CRes und der Eingangskapazität des piezoelektrischen Transformators PT gebildete Serienresonanzkreis angeregt, so dass zwischen den beiden Hauptelektroden der Hochdruckentladungslampe La eine Spitzenspannung von etwa 800 V während der Zündung entsteht. Die Ausgangsspannung des piezoelektrischen Transformators PT wird mittels einer Spannungsverdoppelungsschaltung D1, D2, C gleichgerichtet und verdoppelt, so dass an dem Zündkondensator C der Impulszündvorrichtung C, FS, Tr1 die gleichgerichtete doppelte Ausgangsspannung des piezoelektrischen Transformators PT anliegt, die bei Anregung des piezoelektrischen Transformators PT mit seiner Resonanzfrequenz zum Durchbruch der Funkenstrecke FS ausreicht, so dass sich der Zündkondensator C über die Funkenstrecke FS und die Primärwicklung Lp des Zündtransformators Tr1 entlädt. In der Sekundärwicklung Ls des Zündtransformators Tr1 werden dadurch Hochspannungsimpulse induziert, mit denen die Zündhilfselektrode ZE der Hochdruckentladungslampe La beaufschlagt wird, um die Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe La zu zünden. Nach erfolgter Zündung der Gasentladung wird die Schaltfrequenz des Schaltmittels S geändert, so dass keine Anregung des piezoelektrischen Transformators PT und kein Durchbruch der Funkenstrecke FS mehr erfolgt. Die von der Sekundärwicklung des Transformators Tr2 bereitgestellte Spannung dient dann zur Versorgung des Serienresonanzkreises LRes, CRes und der Hochdruckentladungslampe La. Wie bereits oben beim siebten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, wird die Leistungsaufnahme der Hochdruckentladungslampe La durch Variation der Schaltfrequenz des Schaltmittels S und damit durch Variation der Wechselspannungsfrequenz geregelt. Im stationären Betrieb besitzt die Hochdruckentladungslampe La eine Brennspannung im Bereich von ca. 40 V bis 90 V.

Claims

Zündvorrichtung zum Zünden der Gasentladung in einer Hochdruckentladungslampe (La), wobei die Zündvorrichtung als Impulszündvorrichtung (C, FS, Tr1) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein piezoelektrischer Transformator (PT) zur Spannungsversorgung der Impulszündvorrichtung (C, FS, Tr1) vorgesehen ist.
Zündvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Impulszündvorrichtung ein Schaltmittel (FS), ein Ladungsspeichermittel (C), und einen Zündtransformator (Tr1) zum Erzeugen der zum Zünden der Gasentladung der Hochdruckentladungslampe (La) erforderlichen Zündspannung aufweist.
Zündvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei dem Spannungsausgang des piezoelektrischen Transformators (PT) eine Spannungsverdopplungsschaltung (D1, D2, C) nachgeschaltet ist.
Zündvorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Schaltmittel (FS) ein spannungsabhängiges Schaltmittel ist.
Zündvorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Schaltmittel (FS) eine Schaltschwellenspannung größer 800 V besitzt.
Zündvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Zündvorrichtung mit einer Versorgungsspannung von kleiner 500 V gespeist wird.
Zündvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Zündung der Lampe mittels einer Zündhilfselektrode (ZE) erfolgt.
Zündvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 7, wobei die Eingangskapazität des piezoelektrischen Transformators (PT) Teil eines Schwingkreises ist, der während der Zündung angeregt wird, um eine ausreichend hohe Spannung zwischen den Hauptelektroden der Lampe zu erzeugen.
Zündvorrichtung nach Anspruch 8, wobei ein Kondensator (CK) in Reihe zur Induktivität (LGes) des Schwingkreises, der eine ausreichend hohe Spannung zwischen den Hauptelektroden der Lampe während der Zündung gewährleistet, angeordnet ist und nach der Zündung zu einer partiellen Kompensation der Induktivität (LGes) dient.
Betriebsgerät für eine Hochdruckentladungslampe (La) mit einer Impulszündvorrichtung (C, FS, Tr1) und einem piezoelektrischen Transformator (PT) zur Spannungsversorgung der Impulszündvorrichtung (C, FS, Tr1).
Betriebsgerät nach Anspruch 10, das die Hochdruckentladungslampe mit einem Lampenstrom versorgt, dessen Frequenz größer als 0,1 MHz ist.
Betriebsgerät nach Anspruch 10, wobei die Eingangskapazität des piezoelektrischen Transformators (PT) einen funktionalen Bestandteil des Spannungswandlers, der die Lampe (La) mit Energie versorgt, darstellt.
Betriebsgerät nach Anspruch 12, wobei die Eingangskapazität des piezoelektrischen Transformators (PT) zur Schaltentlastung eines oder mehrerer der verwendeten Halbleiterschalter dient.