DE102007010898A1 - Hochspannungspulsgenerator und Hochdruckentladungslampe mit derartigem Generator - Google Patents
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Abstract
Zur Zündung einer Hochdruckentladungslampe wird ein Hochspannungspulsgenerator verwendet, der als Transformator wirkt.
Description
- Technisches Gebiet
- Die Erfindung geht aus von einem Hochspannungspulsgenerator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Generatoren lassen sich insbesondere für die Zündung von Hochdruckentladungslampen für Allgemeinbeleuchtung oder für fotooptische Zwecke oder für Kfz einsetzen. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Hochdruckentladungslampe mit einem derartigen Generator.
- Stand der Technik
- Das Problem der Zündung von Hochdruckentladungslampen wird derzeit dadurch gelöst, dass das Zündgerät in das Vorschaltgerät integriert ist. Nachteilig daran ist, dass die Zuleitungen hochspannungsfest ausgelegt sein müssen.
- In der Vergangenheit hat es immer wieder Versuche gegeben, die Zündeinheit in die Lampe zu integrieren. Dabei wurde versucht, sie in den Sockel zu integrieren. Eine besonders effektive und hohe Pulse versprechende Zündung gelingt mittels sog. Spiral-Puls-Generatoren, siehe
US-A 3 289 015 . Vor längerer Zeit wurden derartige Geräte bei verschiedenen Hochdruckentladungslampen wie Metallhalogenidlampen oder Natriumhochdrucklampen vorgeschlagen, siehe beispielsweiseUS-A 4 325 004 ,US-A 4 353 012 . Sie konnten sich jedoch nicht durchsetzen, weil sie zum einen zu teuer sind. Zum andern ist der Vorteil, sie in den Sockel einzubauen, nicht ausreichend, da das Problem des Zuführens der Hochspannung in den Kolben bleibt. Daher steigt die Wahrscheinlichkeit für Schädigungen der Lampe, seien es Isolationsprobleme oder ein Durchbruch im Sockel, stark an. Bisher übliche Zündgeräte konnten im allgemeinen nicht über 100°C erwärmt werden. Die erzeugte Spannung musste dann der Lampe zugeführt werden, was Leitungen und Lampenfassungen mit entsprechender Hochspannungsfestigkeit erfordert, typisch etwa 5 kV. - Zur Erzeugung besonders hoher Spannungen kann ein Doppel-Generator verwendet werden, siehe
US-A 4 608 521 . - Darstellung der Erfindung
- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Spiralpulsgenerator anzugeben, der als hochtemperaturfester Transformator genutzt werden kann.
- Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
- Eine weitere Aufgabe ist es, eine Hochdruckentladungslampe bereitzustellen, deren Zündverhalten gegenüber bisherigen Lampen deutlich verbessert ist und bei der keine Schädigung infolge der Hochspannung zu befürchten ist. Dies gilt insbesondere für Metallhalogenidlampen, wobei das Material des Entladungsgefäßes entweder Quarzglas oder Keramik sein kann.
- Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 10.
- Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
- Aus der
DE-Az 10 2005 061 832.4 und10 2005 061 831.6 ist ein kompakter Hochspannungspulsgenerator bekannt, der hohe Spannungen über 15 kV erzeugen kann. Dabei bestehen die Spiralpulsgeneratoren im allgemeinen aus zwei etwa gleich langen als Spirale aufgewickelten Leitern, siehe1 . Das bedeutet, dass jeder Leiter in etwa gleich viele Windungen besitzt. Ein solcher Aufbau ist erforderlich um das Vektorinversionsprinzip zu nutzen. - Aus der
DE-Az 10 2006 026 750.8 ist bekannt, einen Spiralpulsgenerator zu verwenden, der von einem ferritischen Material mit einer relativen Permeabilität von μr = 1 bis 5000 umgeben ist. Auf diese drei Schriften wird ausdrücklich bezug genommen. Dabei wird immer das Prinzip ausgenutzt, dass ein infolge des Kurzschlusses in der ersten Windung fließender Strom in den restlichen Windungen einen Hochspannungspuls induziert. - Erfindungsgemäß wird jetzt eine deutlich unterschiedliche Länge der beiden aufgewickelten Leiter verwendet. Dabei weist der zweite Leiter nur wenige Windungen auf, während der erste Leiter die übliche Zahl von Windungen wie beispielsweise 20 bis 100 aufweist. In diesem Fall wirkt der Spiralpulsgenerator als hochtemperaturfester Transformator. Dieser Transformator funktioniert ähnlich einem integrierten Spar-Transformator, indem der zweite Leiter als Kondensator wirkt und damit als Ladekondensator für den Transformator wirkt. Durch die Verkürzung der zweiten Leiterahn kann entweder die Bauform verkleinert werden oder der Transformator kann bei gleichem Volumen mit mehr Windungen ausgeführt werden, was zu einem höheren Hochspannungspuls führt.
- Bei Verwendung eines separaten üblichen Ladekondensators kann der Generator auch mit nur einer Leiterwicklung mit drei Kontakten als echter Spar-Transformator ausgeführt werden.
- Der jetzt verwendete Spiral-Puls-Generator ist insbesondere ein sog. LTCC-Bauteil oder auch HTCC-Bauteil. Diese Material ist eine spezielle Keramik, die bis 600°C Temperaturfest gemacht werden kann. Zwar wurde LTCC schon in Zusammenhang mit Lampen verwendet, siehe
US 2003/0001519 US-B 6 853 151 . Jedoch wurde es für ganz andere Zwecke bei praktisch kaum temperaturbelasteten Lampen, mit typischen Temperaturen unter 100°C, eingesetzt. Der besondere Wert der hohen Temperaturstabilität von LTCC in Zusammenhang mit der Zündung von Hochdruckentladungslampen, vor allem von Metallhalogenidlampen mit Zündproblemen, zu erkennen. - Der Spiral-Puls-Generator ist in seiner Basisausführung ein Bauteil, das Eigenschaften eines Kondensators mit denen eines Wellenleiters zur Erzeugung von Zündpulsen mit einer Spannung von mindestens 1,5 kV vereint, Für die Herstellung werden zwei keramische "Grün-Folien" mit metallischer Leitpaste bedruckt und anschließend versetzt zu einer Spirale aufgewickelt und schließlich isostatisch zu einem Formkörper gepresst. Die folgende Co-Sinterung von Metallpaste und keramischer Folie erfolgt an Luft im Temperaturbereich zwischen 800 und 900°C. Diese Verarbeitung erlaubt einen Einsatzbereich des Spiral-Puls-Generators bis 700°C Temperaturbelastung. Dadurch kann der Spiral-Puls-Generator in direkter Nähe des Entladungsgefäßes im Außenkolben, aber auch im Sockel oder in unmittelbarer Nahe der Lampe untergebracht werden.
- Unabhängig davon kann ein derartiger Spiral-Puls-Generator auch für andere Anwendungen eingesetzt werden, weil er nicht nur hochtemperaturstabil ist, sondern auch äußerst kompakt. Dafür ist wesentlich, dass der Spiral-Puls-Generator als LTCC-Bauteil ausgeführt ist, bestehend aus Keramikfolien und metallischer Leitpaste. Um ausreichend Ausgangspannung zu liefern, sollte die Spirale mindestens 5 Windungen umfassen.
- Zudem lässt sich auf Basis dieses Hochspannungspulsgenerators eine Zündeinheit angeben, die weiterhin zumindest einen Ladewiderstand und einen Schalter umfasst. Der Schalter kann eine Funkenstrecke oder auch ein Diac in SiC-Technologie sein.
- Bevorzugt ist im Falle einer Anwendung für Lampen die Unterbringung im Außenkolben. Denn dadurch entfällt die Notwendigkeit einer hochspannungsfesten Spannungszuleitung.
- Zudem lässt sich ein Spiral-Puls-Generator so dimensionieren, dass der Hochspannungspuls sogar eine Heißwiederzündung der Lampe ermöglicht. Das Dielektrikum aus Keramik zeichnet sich durch eine außergewöhnlich hohe Dielektrizitätskonstante ε von ε > 10 aus, wobei je nach Material und Bauweise ein ε von typisch 70, bis zu ε = 100 erreicht werden kann. Das schafft eine sehr hohe Kapazität des Spiral-Puls-Generators und ermöglicht eine vergleichsweise große zeitliche Breite der erzeugten Impulse. Dadurch wird eine sehr kompakte Bauweise des Spiral-Puls-Generators möglich, so dass ein Einbau in handelsübliche Außenkolben von Hochdruckentladungslampen gelingt. Des weiteren stellt der erzeugte Hochspannungspuls eine vergleichsweise große Energie zur Verfügung, was nach erfolgreichem Durchschlag den Übergang zur selbstständigen Entladung erleichtert.
- Die große Pulsbreite erleichtert zudem den Durchschlag im Entladungsvolumen.
- Als Material des Außenkolbens einer Lampe kann jedes übliche Glas verwendet werden, also insbesondere Hartglas, Vycor oder Quarzglas. Auch die Wahl der Füllung unterliegt keiner besonderen Einschränkung.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
- Im Folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
-
1 den prinzipiellen Aufbau eines Spiral-Puls-Generators wie bereits bekannt; -
2 den prinzipiellen Aufbau eines Spiral-Puls-Generators mit ferritischer Umhüllung; -
3 den prinzipiellen Aufbau eines Spiral-Puls-Generators mit verkürztem zweiten Leiter; -
4 den prinzipiellen Aufbau eines Spiral-Puls-Generators mit nur einem metallischen Leiter; -
5 den Prinzipaufbau einer Metallhalogenidlampe mit Spiral-Puls-Generator im Außenkolben. -
6 eine Metallhalogenidlampe mit Spiral-Puls-Generator im Außenkolben; -
7 eine Metallhalogenidlampe mit Spiral-Puls-Generator im Sockel. - Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
-
1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Spiral-Puls-Generators1 in Draufsicht. Er besteht aus einem keramischen Zylinder2 , in den zwei verschiedene metallische Leiter3 und4 als Folienband spiralförmig eingewickelt sind. Der Zylinder2 ist innen hohl und besitzt einen gegebenen Innendurchmesser ID. Die beiden inneren Kontakte6 und7 der beiden Leiter3 und4 liegen möglichst nahe nebeneinander und sind über eine Funkenstrecke5 miteinander verbunden. - Nur der äußere der beiden Leiter besitzt am äußeren Rand des Zylinders einen weiteren Kontakt
8 . Der andere Leiter endet offen. Die beiden Leiter bilden dadurch zusammen einen Wellenleiter in einem dielektrischen Medium, der Keramik. - Der Spiral-Puls-Generator wird entweder aus zwei mit Metallpaste beschichteten keramischen Folien gewickelt oder aus zwei Metallfolien und zwei keramischen Folien aufgebaut. Eine wichtige Kenngröße ist dabei die Zahl n der Windungen, die bevorzugt in der Größenordnung 5 bis 100 liegen soll. Diese Wickelanordnung wird dann laminiert und anschließend gesintert, wodurch ein LTCC-Bauteil entsteht. Die so geschaffenen Spiral-Puls-Generatoren mit Kondensatoreigenschaft werden dann mit einer Funkenstrecke sowie einem Ladewiderstand beschaltet.
- Die Funkenstrecke kann sich an den inneren oder den äußeren Anschlüssen oder auch innerhalb der Wicklung des Ge nerators befinden. Als Hochspannungsschalter, der den Puls initiiert, kann bevorzugt eine Funkenstrecke verwendet werden, die temperaturstabil ist. Es kann auch ein Halbleiterschaltelement, bevorzugt in SiC-Technologie verwendet werden. Dieses ist für Temperaturen oberhalb 350°C geeignet.
- In einem konkreten Ausführungsbeispiel wird ein Keramikmaterial mit ε = 60 bis 70 verwendet. Dabei wird bevorzugt als Dielektrikum eine Keramikfolie, insbesondere ein Keramikband wie Heratape CT 707 oder bevorzugt CT 765 oder auch eine Mischung beider, jeweils von Heraeus verwendet. Es hat eine Dicke der grünen Folie von typisch 50 bis 150 μm. Als Leiter wird insbesondere Ag-Leitpaste wie "Cofirable Silver," ebenfalls von Heraeus, verwendet. Ein konkretes Beispiel ist TC 7303 von Heraeus. Gute Ergebnisse liefert auch die Metallpaste 6145 von DuPont. Diese Teile lassen sich gut laminieren und danach ausheizen ("binder burnout") und zusammen sintern ("co-firing").
- In einem Ausführungsbeispiel ist der Innendurchmesser ID des Spiral-Puls-Generator 10 mm. Die Breite der einzelnen Streifen ist ebenfalls 10 mm. Die Foliendicke ist 50 μm und auch die Dicke der beiden Leiter ist jeweils 50 μm. Die Ladespannung beträgt 300 V. Unter diesen Voraussetzungen erreicht der Spiral-Puls-Generator ein Optimum seiner Eigenschaften bei einer Windungszahl von n = 20 bis 70.
- Der Generator wird von einem ferritischen E–I Kern mit einer Permeabilität von μ = 50 ... 5000 umfasst, wie in Abb. gezeigt. Dadurch wird er als Transformator betrieben und nicht nach dem Prinzip der Vektorinversion.
- Vorteilhaft ist der Generator
1 ganz oder teilweise mit einem ferritischen Material50 mit einer Permeabilität von μ = 50 bis 5000 umgeben. In2 ist ein Ferrit50 in E-Kern-Gestalt gezeigt, dessen Mittelbalken51 durch den inneren Hohlraum des Generators1 hindurchgeht. - In
3 ist ein erfindungsgemäßer Spiralpulsgenerator10 gezeigt, bei dem der zweite metallische Leiter14 deutlich kürzer ist als der erste Leiter3 . Der zweite Leiter14 sollte insbesondere mindestens 5 Windungen oder mindestens 10% der Anzahl der Windungen kürzer sein als der erste Leiter3 , dessen Windungszahl bevorzugt in der Größenordnung von n = 20 bis 100 liegt. Die Kontakte der Funkenstrecke5 können dabei einander gegenüberliegen oder möglichst nah beieinander liegen. -
4 zeigt einen Spiralpulsgenerator20 , der überhaupt nur einen einzigen metallischen Leiter3 besitzt. Er weist jetzt einen separaten handelsüblichen Ladekondensator10 auf, der mit der Funkenstrecke5 in Serie geschaltet ist. Diese Schaltung wirkt als Spar-Transformator. -
5 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Metallhalogenidlampe25 mit integriertem Spiral-Puls-Generator21 , wobei keine Zünd-Elektrode außen am Entladungsgefäß22 , das aus Quarzglas oder Keramik gefertigt sein kann, angebracht ist. Der Spiral-Puls-Generator21 ist mit der Funkenstrecke23 und dem Ladewiderstand24 im Außenkolben36 untergebracht. -
6 zeigt eine Metallhalogenidlampe25 mit einem Entladungsgefäß22 , das von zwei Zuleitungen26 ,27 in einem Außenkolben gehaltert wird. Die erste Zuleitung26 ist ein kurz abgewinkelter Draht. Die zweite27 ist im we sentlichen ein Stab, der zur sockelfernen Durchführung28 führt. Zwischen der Zuleitung29 aus dem Sockel30 und dem Stab27 ist eine Zündeinheit31 angeordnet, die den Spiral-Puls-Generator, die Funkenstrecke und den Ladewiderstand enthält, wie in5 angedeutet. -
7 zeigt eine Metallhalogenidlampe25 ähnlich wie5 mit einem Entladungsgefäß22 , das von zwei Zuleitungen26 ,27 in einem Außenkolben36 gehaltert wird. Die erste Zuleitung26 ist ein kurz abgewinkelter Draht. Die zweite27 ist im wesentlichen ein Stab, der zur sockelfernen Durchführung28 führt. Hier ist die Zündeinheit im Sockel30 angeordnet, und zwar sowohl der Spiral-Puls-Generator21 , als auch die Funkenstrecke23 und der Ladewiderstand24 . - Diese Technik kann auch für elektrodenlose Lampen angewendet werden, wobei der Spiral-Puls-Generator als Zündhilfe dienen kann.
- Weitere Anwendungen dieses kompakten Hochspannungspulsgenerators liegen in der Zündung anderer Geräte. Die Anwendung ist vor allem bei sog. magischen Kugeln, bei der Erzeugung von Röntgenpulsen und der Erzeugung von Elektronenstrahl-Pulsen vorteilhaft. Auch ein Einsatz in Kfz als Ersatz für die üblichen Zündspulen ist möglich.
- Dabei werden Windungszahlen von n bis 500 verwendet, so dass die Ausgangsspannung bis in die Größenordnung von 100 kV erreicht. Denn die Ausgangsspannung UA ist als Funktion der Ladespannung UL gegeben durch UA = 2 × n × UL × n, wobei die Effizienz n durch n = (AD – ID)/AD gegeben ist.
- Die Erfindung entfaltet besondere Vorteile im Zusammenwirken mit Hochdruckentladungslampen für Autoscheinwerfer, die mit Xenon unter hohem Druck von bevorzugt mindestens 3 bar und Metallhalogeniden gefüllt sind. Diese sind besonders schwer zu zünden, da wegen des hohen Xenondrucks die Zündspannung mehr als 10 kV beträgt. Derzeit wird versucht, die Komponenten der Zündeinheit im Sockel unterzubringen. Ein Spiral-Puls-Generator mit integriertem Ladewiderstand kann in den Sockel der Kfz-Lampe untergebracht werden.
- Die Erfindung entfaltet ganz besondere Vorteile im Zusammenwirken mit Hochdruckentladungslampen, die kein Quecksilber enthalten. Derartige Lampen sind aus Umweltschutzgründen besonders erstrebenswert. Sei enthalten eine geeignete Metallhalogenid-Füllung und insbesondere ein Edelgas wie Xenon unter hohem Druck. Wegen des fehlenden Quecksilbers ist die Zündspannung besonders hoch. Sie beträgt mehr als 20 kV. Derzeit wird versucht, die Komponenten der Zündeinheit im Sockel unterzubringen. Ein Spiral-Puls-Generator mit integriertem Ladewiderstand kann entweder in den Sockel der Quecksilberfreien Lampe oder in einen Außenkolben der Lampe untergebracht sein.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Claims (18)
- Kompakter Hochspannungspulsgenerator auf der Basis eines Spiral-Puls-Generators, wobei der Spiral-Puls-Generator als LTCC-Bauteil oder HTCC-Bauteil ausgeführt ist aus einer spiralig aufgewickelten Keramikfolie und darauf streifenartig aufgebrachter metallischer Leitpaste, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiralpulsgenerator als Transformator wirkt, indem ein erster metallischer Leiter zu einer Spirale mit n Windungen aufgerollt ist, wobei n mindestens 5 beträgt, während außerdem ein Schalter und ein Ladekondensator mit dem Anfang des ersten metallischen Leiters verbunden sind.
- Hochspannungspulsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spirale mindestens n = 5 Windungen und bevorzugt höchstens n = 500 Windungen umfasst.
- Hochspannungspulsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator ganz oder teilweise mit einem ferritischen Material mit einer Permeabilität von μ = 50 ... 5000 umgeben ist.
- Hochspannungspulsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter eine Funkenstrecke ist.
- Hochspannungspulsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladekondensator ein konventioneller Kondensator ist.
- Hochspannungspulsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladekondensator dadurch gebildet ist, dass ein zweiter metallischer Leiter auf einer zweiten spiralig aufgewickelten Keramikfolie zusammen mit der ersten Keramikfolie aufgewickelt wird, wobei jedoch die aufgewickelte Länge der zweiten Keramikfolie um mindestens zwei Wicklungen kürzer als die aufgewickelte Länge der ersten Keramikfolie ist.
- Hochspannungspulsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Wicklungen des zweiten metallischen Leiters mindestens eine Wicklung und höchstens 20% der Anzahl der Wicklungen des ersten metallischen Leiters beträgt.
- Zündvorrichtung auf Basis eines Spiralpulsgenerators nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündvorrichtung weiterhin zumindest einen Ladewiderstand und einen Schalter umfasst.
- Hochdruckentladungslampe mit einem Entladungsgefäß, das in einem Außenkolben untergebracht ist, wobei eine Zündvorrichtung in der Lampe integriert ist, die Hochspannungspulse in der Lampe von mindestens 15 kV erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündvorrichtung im Außenkolben untergebracht ist und einen Hochspannungspulsgenerator gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7 umfasst.
- Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündvorrichtung im Außenkolben durch ein Gestell gehaltert ist.
- Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Spiral-Puls-Generator vermittelte Hochspannung direkt auf zwei Elektroden im Entladungsgefäß wirkt.
- Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Spiral-Puls-Generator vermittelte Spannung auf eine außen am Entladungsgefäß angebrachte Zündhilfs-Elektrode wirkt.
- Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiral-Puls-Generator aus mehreren Schichten aufgebaut ist, wobei die Anzahl n der Schichten mindestens n = 5 beträgt.
- Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl n der Schichten höchstens n = 500, bevorzugt höchstens n = 100, beträgt.
- Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiral-Puls-Generator in etwa hohlzylindrische Gestalt hat, mit einem Innendurchmesser von mindestens 10 mm.
- Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dielektrizitätskonstante ε des Spiral-Puls-Generators bei mindestens ε = 10 liegt.
- Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Außenkolben außerdem ein Vor widerstand untergebracht ist, der den Ladestrom des Spiral-Puls-Generators begrenzt.
- Hochdruckentladungslampe mit einem Entladungsgefäß und einem Sockel, wobei eine Zündvorrichtung in der Lampe integriert ist, die Hochspannungspulse in der Lampe von mindestens 15 kV erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündvorrichtung im Sockel der Lampe untergebracht ist und einen Hochspannungspulsgenerator gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7 umfasst.
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