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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum
Erzeugen einer Lampenspannung für den stabilisierten Betrieb
einer Hochdruckentladungslampe. Solche Hochdruckentladungslampen
werden beispielsweise in Frontscheinwerfern für Kraftfahrzeuge
eingesetzt.
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Stand der Technik
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Gasentladungslampen
werden in jüngerer Zeit aufgrund ihrer hohen Effizienz
vermehrt anstelle von Glühlampen eingesetzt. Dabei sind
Hochdruckentladungslampen, im folgenden auch ,Lampe' genannt, bezüglich
ihrer Betriebsweise schwieriger zu handhaben als Niederdruck-Entladungslampen,
und die elektronischen Betriebsgeräte für diese
Lampen sind daher aufwendiger.
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Üblicherweise
werden Hochdruck-Entladungslampen mit einem bipolaren rechteckförmigen Versorgungsstrom
betrieben, was auch ,wackelnder Gleichstrombetrieb' genannt wird.
Dabei wird eine im wesentlichen rechteckförmige Spannung
mit einer Frequenz von üblicherweise 100 Hz bis zu einigen kHz
an die Lampe angelegt, die den rechteckförmigen Stromfluß zur
Folge hat. Bei jedem Umschwingen zwischen positiver und negativer
Spannung kommutiert die Lampe, da sich auch die Stromrichtung umkehrt
und der Strom dabei kurzzeitig zu null wird. Dieser Betrieb stellt
sicher, dass die Elektroden der Lampe trotz eines Quasi-Gleichstrombetriebs gleichmäßig
belastet werden.
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Die
Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer
Lampenspannung nach der Gattung des Hauptanspruchs, wie sie in 4 dargestellt ist.
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Die
in 4a, b dargestellte Schaltungsanordnung nach dem
Stand der Technik weist einen Gleichspannungswandler 20 auf,
der seine Ausgangsspannung an einen Zwischenkreiskondensator C1
abgibt. Diese am Zwischenkreiskondensator C1 anliegende Zwischenkreisspannung
U1 wiederum fungiert als Eingangsspannung Ubr für einen
Wechselrichter 22. Der Gleichspannungswandler 20 und der
Wechselrichter 22 werden beide von einer Steuerschaltung 24 gesteuert.
Der Wechselrichter 22 beinhaltet zwei Brückenschaltungen 221, 223,
deren Mittelpunkte über eine Serienschaltung einer Hochdruckentladungslampe 5 und
einer Induktivität L verbunden sind. Die Induktivität
L ist die Sekundärinduktivität eines Zündtransformators.
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Sind
nun die beiden Schalter Q1 und Q4 leitend, wie in 4a gezeigt,
so fließt der Strom vom Zwischenkreiskondensator C1 über
den Schalter Q1 und die Induktivität L zur Hochdruckentladungslampe 5,
und von dort aus wieder über den Schalter Q4 zurück
in den Zwischenkreiskondensator C1. Während der Kommutierung
gibt es einen kurzen Zeitraum, in dem alle Brückenschalter
offen sind, wie in 4b gezeigt. Die in der Induktivität
L gespeicherte Energie fließt dann über die den
Schaltern parallel geschalteten Freilaufdioden in den Zwischenkreiskondensator C1,
wie durch die Pfeile angedeutet. Dadurch wird der Kondensator weiter
aufgeladen und die Spannung am Kondensator erhöht sich.
Da aber der Zwischenkreiskondensator C1 eine große Kapazität
aufweist, erhöht sich die Spannung am Kondensator nur minimal.
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Der
Bogenansatz ist beim Betrieb einer Gasentladungslampe mit Wechselstrom
grundsätzlich problematisch. Beim Betrieb mit Wechselstrom
wird während einer Kommutierung der Betriebsspannung eine
Kathode zur Anode und umgekehrt eine Anode zur Kathode. Der Übergang
Kathode-Anode ist prinzipbedingt unproblematisch, da die Temperatur
der Elektrode keinen Einfluss auf ihren anodischen Betrieb hat.
Beim Übergang Anode-Kathode hängt die Fähigkeit
der Elektrode, einen ausreichend hohen Strom liefern zu können,
von deren Temperatur ab. Ist diese zu niedrig, wechselt der Lichtbogen
während der Kommutierung, meistens nach dem Nulldurchgang,
von einer punktförmigen Bogenansatzbetriebsweise (spot
mode) in eine diffuse Bogenansatzbetriebsweise (diffuse mode), wobei
sich eine deutliche Wiederzündspitze im Spannungsverlauf ausbildet.
Kann dass Betriebsgerät zu dieser Zeit keine ausreichende
Spannung liefern, kommt es zum Abriss des Bogens, was als Flackern
wahrgenommen werden kann. In 6 sind einige
relevante Signale eines Lampenbetriebs an einem Betriebsgerät nach
dem Stand der Technik dargestellt. Das Signal 80 zeigt
die Ausgangsspannung U1 des Gleichspannungswandlers 20,
das Signal 82 stellt die Brückenspannung Ubr des
Wechselrichters 22 dar. Das Signal 84 ist die
Lampenbrennspannung Ula, d. h. die Spannung über der Lampe 5,
das Signal 88 der Lampenstrom und das Signal 86 stellt
die Lampenleistung dar. Deutlich zu sehen ist die Wiederzündspitze 841 im
Lampenspannungssignal 84 direkt nach der Kommutierung,
was auf eine schlechte Kommutierung hindeutet. 7 zeigt
die in 6 dargestellten Signale für den Fall
bei dem die Elektroden zu kalt sind, so dass die Lampe daher schwieriger
zu betreiben ist. Die Bezeichnung der verschiedenen Signale ist wie
in 6.
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Deutlich
zu sehen ist hier der lange Einbruch 861 der Lampenleistung 86 und
der auf Null zurückgehende Lampenstrom kurz nach der Kommutierung.
Dies deutet auf einen Bogenabriß hin, bei dem die in die
Lampe eingetragene Leistung komplett zum Erliegen kommt. Die Lampenbrennspannung
steigt aufgrund dieses Ereignisses nach der Kommutierung stark an.
Um solche Lampen noch betreiben zu können, ist im Stand
der Technik der sogenannte Kommutierungspuls bekannt. Die Signale
eines Betriebsregimes mit Kommutierungspuls sind in 8 dargestellt.
Aus dem Signal 82, der Brückenspannung des Wechselrichters 22,
ist ersichtlich dass kurz vor, während und nach der Kommutierung
die Ausgangsspannung U1 des Gleichspannungswandlers 20 angehoben
wird, um die Kommutierung zu verbessern. Trotz dieser Maßnahme
ist die Spannung an der Lampe nicht hoch genug, um eine saubere
Kommutierung zu gewährleisten, da im Signalverlauf 84 der Lampenbrennspannung
Ula eine deutliche Wiederzündspitze 841 sichtbar
ist.
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Sinnvollerweise
wird die Lampe also in punktförmiger Bogenansatzbetriebsweise
betrieben, da der Bogenansatz hier sehr klein und damit sehr heiß ist.
Das hat zur Folge, dass aufgrund der höheren Temperatur
am kleinen Ansatzpunkt weniger Spannung benötigt wird,
um ausreichend Strom liefern zu können.
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Als
Kommutierung wird im Folgenden der Vorgang betrachtet, bei dem die
Polarität der Spannung wechselt, und bei dem daher eine
starke Strom- oder Spannungsänderung auftritt. Hierbei
ist zu bemerken, dass die Spannungskommutierung üblicherweise
immer schneller abläuft als die Stromkommutierung. Während
dieser Zeit gibt es einen Zeitraum, in dem alle Brückenschalter
ausgeschaltet sind. Diese kurze sogenannte Totzeit ist notwendig,
um einen sich wiederholenden Kurzschluß der Brücke
zu vermeiden.
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Aus
,The
boundary layers of Ac-arcs at HID-electrodes: phase resolved electrical
measurements and optical observations', O. Langenscheidt et al.,
J. Phys D 40 (2007), S. 415–431 ist bekannt, dass bei
einer kalten Elektrode und diffusem Bogenansatz die Spannung nach
der Kommutierung zunächst ansteigt, da die zu kalte Elektrode
den benötigten Strom nur durch eine höhere Spannung
liefern kann. Kann die Vorrichtung zum Betrieb der Gasentladungslampe
diese Spannung nicht liefern, so kann das o. g. Flackern, das auf
einen Bogenabriss hindeutet, auftreten. Zur Vermeidung dieses Flackerns
während der Kommutierung gibt es im Stand der Technik verschiedene
Lösungsansätze. Bekannt ist z. B. die Verwendung
eines Kommutierungspulses, wie er z. B. in der
EP 1 176 855 A2 beschrieben
ist. Hier wird die Elektrode vor der Kommutierung durch einen erhöhten
Strom aufgeheizt, und sofort nach der Kommutierung wird ein Strompuls
an die Lampe gegeben, um die Elektrode weiter zu heizen und dadurch
den Bogenansatz zu stabilisieren. Bei der
DE 100 21 537 A1 und der
EP 1 438 878 B1 wird
ein Kommutierungspuls zur gezielten Formung der Elektrodenspitze
bei Hochdruckentladungslampen verwendet, der zu einer räumlichen
Stabilisierung des Bogenansatzpunktes führt. Zur Vermeidung
eines Bogenansatzes in punktförmiger Bogenansatzbetriebsweise,
d. h. zum Betrieb einer Entladungslampe ausschließlich
im diffusen Bogenansatz, wird in der
EP 456 907 A2 die Elektrodengeometrie angepasst.
Aus der
US 2005/0264237
A1 ist eine Schaltungsanordnung bekannt, die die Ausgangsspannung
des Gleichspannungswandlers kurz vor oder während der Kommutierung
anhebt, wie dies schon anhand der
8 dargestellt
wurde. Da diese Ausgangsspannung (auch Zwischenkreisspannung genannt)
unmittelbar an dem Wechselrichter anliegt, steht so kurz vor oder während
der Kommutierung eine höhere Spannung zur Verfügung.
Nachteil dieses Verfahrens ist, dass in der Praxis der Gleichspannungswandler
nur eine endliche Dynamik aufweist, und es so immer zu einem starken
Leistungseintrag, d. h zu einer signifikanten Überlast
während der Kommutierung kommt. Dies kann dann zu einer übermäßigen
Erwärmung des Brennflecks verbunden mit einem verstärkten Aufschmelzen
der Elektrodenspitze und damit zu Elektrodenrückbrand führen.
Ein weiterer großer Nachteil dieses Verfahrens ist, dass
die durch diesen übermäßigen Leistungseintrag
entstehenden Stromimpulse zum Bordnetz eines Kraftfahrzeugs geblockt
werden müssen und somit zu erhöhtem Schaltungstechnischen
Aufwand führen. Des Weiteren belasten die starken Leistungspulse
den Zwischenkreis, den Konverter sowie das Eingangsfilter sehr stark
und führen außerdem zu einer Modulation des Lichtstromes.
Diese Modulation kann im Straßenverkehr zu unerwünschten
Effekten wie Schwebungen und Stroboskopeffekten führen.
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Das
Problem des wechselnden Bogenansatzmodus betrifft vor allem Gasentladungslampen, die
gegenüber ähnlichen Lampen gleicher Nennleistung
vergleichsweise große Elektroden besitzen. Typischerweise
werden Lampen dann mit Überlast betrieben, wenn „Sofortlicht” gefordert
ist, wie beispielsweise bei Xenon-Entladungslampen im Kfz-Bereich, bei
denen aufgrund der gesetzlichen Bestimmungen 80% der Lichtabgabe
nach 4 Sekunden erreicht sein müssen. Diese Lampen werden
mit einem Schnellstart bei überhöhter Leistung
angefahren, um den geltenden Automobilnormen gerecht zu werden.
Daher ist die Elektrode auf die überhöhte Startleistung dimensioniert,
ist aber bezogen auf den normalen Betriebszustand zu groß,
und wird daher im Normalbetrieb immer zu kalt betrieben, so dass
sich das Problem der schlechten Kommutierung ergibt.
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Um
diesen Missstand zu mildern, ist aus der
DE 195 31 966 A1 bekannt,
zwischen den Gleichspannungswandler mit Zwischenkreiskondensator und
den Wechselrichter mit den beiden Brücken einen Resonanzkreis
einzufügen. Dieser Resonanzkreis besteht aus einer Induktivität,
die in die positive Stromführende Leitung zwischen dem
Zwischenkreiskondensator und dem Wechselrichter eingefügt ist,
sowie einem weiteren Kondensator, der nach der Induktivität
auf der dem Wechselrichter zugeordneten Seite zwischen die Eingangsklemmen
des Wechselrichter geschaltet ist. Der Resonanzkreis verursacht
eine Spannungsüberhöhung, um die oben genannten
Probleme zu lindern. Nachteil dieser Schaltungsanordnung ist die
zusätzliche Induktivität, die einerseits Kosten
verursacht und andererseits die Regelung der gesamten Anordnung
erschwert.
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Aufgabe
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen
einer Lampenspannung mit einem Gleichspannungswandler und einem Wechselrichter,
der eine Kapazität und eine Induktivität beinhaltet
anzugeben, der die oben genannten Probleme nicht mehr aufweist.
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Es
ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Erzeugen
einer Lampenspannung anzugeben, das eine verbesserte Kommutierung
bei Lampen mit kalten Elektroden aufweist.
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Darstellung der Erfindung
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Die
Lösung der Aufgabe bezüglich der Schaltungsanordnung
erfolgt erfindungsgemäß mit einer Schaltungsanordnung
zum Erzeugen einer Lampenspannung für den stabilisierten
Betrieb einer Hochdruckentladungslampe, wobei die Schaltungsanordnung
einen Wechselrichter und einen ersten Energiespeicher mit einer
ersten Kapazität aufweist, und ein Entkopplungsbauteil
und ein zweiter Energiespeicher mit einer zweiten Kapazität
vorgesehen sind, wobei
- – die zweite
Kapazität kleiner ist als die erste Kapazität,
- – das Entkopplungsbauteil zwischen den ersten Energiespeicher
und den Wechselrichter geschaltet ist und ausgebildet ist, einen
Potentialunterschied zwischen diesen zu erzeugen, und
- – der zweite Energiespeicher mit dem Wechselrichter
derart verschaltet ist, dass eine über dem zweiten Energiespeicher
abfallende Kommutierungsspannung während einer Kommutierungsphase
der Hochdruckentladungslampe eine Erhöhung der Lampenspannung
bewirkt. Durch die unterschiedlich großen Kapazitäten
der Energiespeicher ergibt sich eine deutliche Erhöhung
des Potentials des zweiten Energiespeichers, was eine wesentlich
verbesserte Kommutierung der Lampe bewirkt. Die Potentialtrennung
wird durch das Entkopplungsbauteil bewirkt, das in einigen Ausführungsformen eine
Diode ist, die im wesentlichen lediglich eine Entkopplung in Rückwärtsrichtung
bewirkt.
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Die
Lösung der Aufgabe bezüglich des Verfahrens erfolgt
mit einem Verfahren zum Erzeugen einer Lampenspannung für
den stabilisierten Betrieb einer Hochdruckentladungslampe, mit folgenden Schritten:
- – Aufladen eines ersten Energiespeichers
mit einer ersten Kapazität und eines zweiten Energiespeichers
mit einer zweiten Kapazität, wobei die zweite Kapazität
kleiner ist als die erste Kapazität,
- – weiteres Aufladen des zweiten Energiespeichers zur
Bereitstellung einer Kommutierungsspannung und zum Erzeugen eines
Potentialunterschiedes zwischen dem ersten Energiespeicher und einem
Wechselrichter,
- – Erhöhung der Lampenspannung durch die Kommutierungsspannung
während einer Kommutierungsphase der Hochdruckentladungslampe.
Die Vorteile der Schaltungsanordnung ergeben sich sinngemäß auch
für das Verfahren.
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In
einer ersten Variante ist der zweite Energiespeicher mit beiden
Eingangsanschlüssen des Wechselrichters verbunden. Dadurch
erhöht sich während der Kommutierungsphase nicht
nur die Lampenspannung sondern auch die Eingangsspannung des Wechselrichters.
In einer zweiten Variante ist der zweite Energiespeicher zwischen
beide Eingangsanschlüsse des Wechselrichters geschaltet, was
die gleichen Vorteile wie die erste Variante hat.
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In
einer dritten Variante ist der zweite Energiespeicher mit beiden
Ausgangsanschlüssen des Wechselrichters verbunden. Dadurch
ist eine enge Kopplung an die Lampenspannung gegeben, die die Effizienz
der erfindungs gemäßen Schaltungsanordnung erhöht.
Diese Variante bietet den weiteren Vorteil, das an dieser Stelle
oftmals sowieso ein Energiespeicher vorgesehen ist, und somit ein
Bauteil eingespart werden kann. Dies gilt auch für eine ähnliche Konstellation,
bei der der zweite Energiespeicher parallel zu einer Serienschaltung
aus einer Induktivität und der Hochdruckentladungslampe
geschaltet ist.
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In
einer einfachen Ausführungsform der Schaltungsanordnung
ist das Entkopplungsbauteil ein Widerstand. Dies ist für
leistungsschwache Anwendungen eine kostengünstige Variante.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Entkopplungsbauteil
eine Diode. Damit reduziert sich die Verlustleistung und die erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung kann auch in leistungsstärkeren Applikationen Anwendung
finden. Wenn statt der Diode eine Zener- oder unipolare TVS-Diode
verwendet wird, kann der Wechselrichter vor einer unzulässigen Überspannung
geschützt werden. Das Entkopplungsbauteil kann aber auch
ein Transistor sein, was weitere Verlustleistungsreduzierungen ermöglicht.
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In
einer weiteren Ausführungsform besteht das Entkopplungsbauteil
aus einer Diode, wobei mit einem zusätzlichen Transistor
eine einfache Ladungspumpe aufgebaut wird. In dieser Variante wird nicht
in erster Linie die in der Lampenkreisinduktivität gespeicherte
Energie zur Spannungsüberhöhung verwendet, sondern
die in einem Kondensator gespeicherte Energie, der während
der normalen Betriebsphase geladen wurde. Die Spannung dieses Kondensators
wird der Konverterspannung aufaddiert. Diese Schaltungsanordnung
kann insbesondere Anwendung finden, wenn im Lampenkreis keine oder
nur eine sehr kleine Induktivität vorhanden ist, so dass
eine Spannungsüberhö hung mittels der in der Induktivität
gespeicherten Energie nicht ausreichend ist.
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Mit
diesem Betriebsverfahren, das die Schaltungsanordnung ausführt,
wird die Kommutierung der Hochdruckentladungslampe verbessert, ohne
die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers wesentlich zu erhöhen
und ohne den Leistungseintrag in die Lampe wesentlich zu erhöhen.
Dies stellt eine gute Regelbarkeit der Lampe und eine Schonung der
Lampenelektroden sicher.
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Um
auch sehr schwierige Lampen sicher betreiben zu können,
kann es sinnvoll sein, dass die Schaltungsanordnung zusätzlich
noch eine Impulsschaltung zur Generierung von Vor- und/oder Nachkommutierungsimpulsen
nach dem Stand der Technik aufweist. Hierbei besteht nun die Möglichkeit
die Spannungs- und Leistungsüberhöhung in einem
weiten Bereich getrennt voneinander einzustellen.
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Weitere
vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung zum stabilisierten Betrieb einer Hochdruckentladungslampe
ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen
und aus der folgenden Beschreibung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung(en)
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigen:
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1 das
Schaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung mit einem Widerstand als Entkopplungsbauteil und
einem zweiten Kondensator als Energiespeicher.
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2 das
Schaltbild einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung mit einer Diode als Entkopplungsbauteil unter
Nutzung eines Brückenmittelpunktkondensators als spannungserhöhender
Energiespeicher.
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3a das
Schaltbild einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung mit einer Diode als Entkopplungsbauteil sowie
einem Transistor und einem zweiten Kondensator als Energiespeicher.
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3b einige
relevante Signale der Schaltungsanordnung nach der dritten Ausführungsform, die
zeigen, wie ein Ladungspumpentransistor angesteuert werden muss,
um eine möglichst große Spannungsüberhöhung
zu erzielen.
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4a,
b das Schaltbild und die funktionsweise einer Schaltungsanordnung
nach dem Stand der Technik.
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5a,
b das Schaltbild und die Funktionsweise einer vierten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
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6 einige
relevante Signale des Betriebsregimes einer Lampe an einer Schaltungsanordnung nach
dem Stand der Technik.
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7 einige
relevante Signale des Betriebsregimes einer Lampe mit zu kalten
Elektroden an einer Schaltungsanordnung nach dem Stand der Technik.
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8 einige
relevante Signale des Betriebsregimes einer Lampe mit zu kalten
Elektroden an einer Schaltungsanordnung mit Kommutierungspulsen nach
dem Stand der Technik.
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9 die
gleichen Signale des Betriebsregimes einer Lampe mit zu kalten Elektroden
an der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
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Bevorzugte Ausführung
der Erfindung
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1 zeigt
das Schaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung mit einem Widerstand als Entkopplungsbauteil 10 und
einem zweiten Kondensator C2 als zweiten Energiespeicher, wobei
die an ihm abfallende Kommutierungsspannung U2 für die
Spannungserhöhung während der Kommutierungsphase
sorgt. Dabei ist ein erster Kondensator C1 als erster Energiespeicher
an die Ausgangsklemmen des Gleichspannungswandlers 20 angeschlossen.
Parallel zum ersten Kondensator C1 liegt eine Serienschaltung des
Entkopplungswiderstandes 10 und des zweiten Energiespeichers
in Form des zweiten Kondensators C2. Am Knotenpunkt zwischen dem
Entkopplungswiderstand 10 und dem zweiten Kondensator C2
ist der erste Eingang des Wechselrichters 22 angeschlossen,
dessen anderer Eingang an den anderen Anschluss des zweiten Kondensators
C2 angeschlossen ist.
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Der
zweite Kondensator C2 besitzt dabei eine deutlich kleinere Kapazität
als der erste Kondensator C1. Während des normalen Betriebes
ist nun der erste Kondensator auf die Ausgangsspannung U1 des Gleichspannungswandlers
aufgeladen. Über den Entkopplungswiderstand R1 fällt
eine Spannung U4 ab. Der zweite Kondensator wird somit auf eine Spannung
U2 = U1 – U4 aufgeladen. Diese Spannung ist damit die Eingangsspannung
des Wechselrichters 22. So ergibt sich vorteilhaft ein
hoher Spannungshub bei der Kommutierung, ohne dass der Gleichspannungswandler 20 für
solch eine hohe Dynamik ausgelegt sein müsste. Dies wiederum
ergibt eine signifikante Verbesserung des Betriebsregimes, ohne
die Herstellkosten der Schaltung wesentlich zu erhöhen.
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2 zeigt
das Schaltbild einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung mit einer Diode D1 als Entkopplungsbauteil 10 und
einem dritten Kondensator C3 als zweiten Energiespeicher für
die Spannungserhöhung während der Kommutierung.
Dabei ist ein erster Kondensator C1 als erster Energiespeicher an
die Ausgangsklemmen des Gleichspannungswandlers 20 angeschlossen.
Der Wechselrichter 22 ist über die Entkopplungsdiode
D1 an den ersten Kondensator C1 angeschlossen. Der andere Eingang
des Wechselrichters ist an den anderen Anschluss des ersten Kondensators
C1 angeschlossen. Der dritte Kondensator C3 ist zwischen die Mittelpunkte
der beiden Brückenschaltungen geschaltet. Er liegt parallel
zur Serienschaltung aus einer Lampe 5 und einer Zündinduktivität
L. Während der Kommutierung, d. h. wenn alle Brückenschalter
des Wechselrichters geöffnet sind, fließt ein
Strom aus der Drossel L in den Kondensator C3, wie die Pfeile in
der Fig. andeuten. Dadurch wird der Kondensator C3 aufgeladen, und
die Spannung über der Lampe zum Kommutierungszeitpunkt
erhöht. Vorteil dieser Schaltung ist, dass sich der Bauteileaufwand
gegenüber der herkömmlichen Schaltung nach dem
Stand der Technik nur auf eine zusätzliche Diode beschränkt,
da der Kondensator C3 in den meisten herkömmlichen Schaltungen
nach dem Stand der Technik bereits enthalten ist.
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3a zeigt
das Schaltbild einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung mit einer Entkopplungsdiode D1 als Bauteil 10,
einem Schalter S sowie einem zweiten Kondensator C2 als zweiten
Energiespeicher für die Spannungserhöhung während
der Kommutierung. Der Schalter S ist üblicherweise als
Schalttransistor ausgeführt. Dabei ist ein erster Kondensator
C1 als erster Energiespeicher an die Ausgangsklemmen des Gleichspannungswandlers 20 angeschlossen.
Parallel zum ersten Kondensator C1 liegt eine Serienschaltung der
Diode D1, des zweiten Energiespeichers in Form des zweiten Kondensators
C2 und eines Widerstands R2. Parallel zur Serienschaltung aus der
Diode D1 und dem zweiten Kondensator C2 ist der Schalter S angeordnet,
welcher mit dem Kondensator C2 als Ladungspumpe arbeitet. Am Knotenpunkt
zwischen der Entkopplungsdiode D1 und dem zweiten Kondensator C2 ist
der Wechselrichter 22 angeschlossen, dessen anderer Eingang
an den Knotenpunkt zwischen dem Widerstand R2 und dem ersten Kondensators
C1 angeschlossen ist. Diese Schaltungsanordnung ist insbesondere
vorteilhaft, wenn im Lampenkreis keine oder nur eine sehr kleine Induktivität
vorhanden ist, so dass eine Spannungsüberhöhung
mittels der in der Induktivität gespeicherten Energie wie
in 2 bewerkstelligt, nicht in genügender
Höhe möglich ist. Auch bei einer Schaltungsanordnung,
die aufgrund einer Zündhilfselektrode keine Zündinduktivität
enthält, ist diese Schaltungsvariante vorteilhaft einzusetzen.
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In
der 3b sind einige relevante Signale der Schaltungsanordnung
nach 3a aufgetragen. Die Verläufe 31 und 32 veranschaulichen
die Schaltzustände der jeweiligen Brückentransistoren
Q1/Q4 beziehungsweise Q2/Q3. Die Signale 34 und 35 zeigen
die Schaltzustände des Schalters S, der die Ladungspumpe
betreibt. Das Signal 34 zeigt den frühesten möglichen
Schaltpunkt mit einer dadurch längeren Einschaltdauer,
das Signal 35 zeigt den spätesten möglichen
Zeitpunkt mit einer entsprechend kürzeren Einschaltdauer.
Im Prinzip sollte der Ladungspumpenschalter während der
Kommutierung, also in der Zeit, in der alle Brückentransistoren
ausgeschaltet sind, eingeschaltet werden, und eine gewisse Zeitspanne
nach der Kommutierung wieder ausgeschaltet werden. Das Signal 36 schließlich zeigt
die resultierende Brückenspannung für den Fall des
Signals 34, also dem frühesten möglichen
Einschaltzeitpunkt des Ladungspumpenschalters. Die Brückenspannung 36 ist
während der Kommutierung also doppelt so hoch wie die Lampenspannung
UL während des restlichen Betriebes,
was eine saubere und störungsfreie Kommutierung gewährleistet.
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5a,
b zeigt das Schaltbild einer vierten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einer
Diode D1 als Entkopplungsbauteil 10 und einem zweiten Kondensator
C2 als zweiten Energiespeicher für die Spannungserhöhung
während der Kommutierung. Dabei ist ein erster Kondensator
C1 als erster Energiespeicher an die Ausgangsklemmen des Gleichspannungswandlers 20 angeschlossen.
Parallel zum ersten Kondensator C1 liegt eine Serienschaltung der
Entkopplungsdiode D1 als Entkopplungsbauteil 10 und des
zweiten Energiespeichers in Form des zweiten Kondensators C2. Am
Knotenpunkt zwischen der Entkopplungsdiode D1 und dem zweiten Kondensator
C2 ist der Wechselrichter 22 angeschlossen, dessen anderer Eingang
an den anderen Anschluss des zweiten Kondensators C2 angeschlossen
ist. Der Wechselrichter 22 und der Gleichspannungswandler 20 werden
beide von einer Steuerschaltung 24 gesteuert. Der Wechselrichter 22 beinhaltet
zwei Halbbrückenschaltungen 221, 223,
deren Mittelpunkte über eine Serienschaltung einer Hochdruckentladungslampe 5 und einer
Induktivität L verbunden sind. Die Induktivität
L ist die Sekundärinduktivität eines Zündtransformators.
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Sind
nun die beiden Schalter Q1 und Q4 leitend, wie in 5a gezeigt,
so fließt der Strom vom zweiten Kondensator C2 über
den Schalter Q1 und die Induktivität L zur Hochdruckentladungslampe 5, und
von dort aus wieder über den Schalter Q4 zurück in
den zweiten Kondensator C2. Die am ersten Kondensator C1 anliegende
Spannung des Gleichspannungswandlers 20 wird über
die Diode D1 auf den zweiten Kondensator C2 geführt. Die
Spannung über der Di ode ist die Spannung U4. Die Spannung
am zweiten Kondensator C2, die gleich der Brückenspannung
Ubr ist, kann bestimmt werden zu U2 = U1 – U4. Da die Flussspannung
der Diode D1 aber verglichen zur Zwischenkreisspannung U1 sehr klein
ist, ist die Spannung U2 im wesentlichen gleich groß wie die
Zwischenkreisspannung U1. Während der Kommutierung gibt
es einen kurzen Zeitraum, in dem alle Brückenschalter offen
sind, wie in 5b gezeigt. Die in der Induktivität
L gespeicherte Energie fließt dann über die den
Schaltern parallel geschalteten Freilaufdioden in den zweiten Kondensator
C2, wie durch die Pfeile angedeutet. Dadurch wird der Kondensator
C2 weiter aufgeladen und die Spannung am Kondensator erhöht
sich. Da der zweite Kondensator C2 eine sehr kleine Kapazität
aufweist, erhöht sich die Spannung am Kondensator beträchtlich.
Schließen sich die Brückenschalter daraufhin wieder,
so steht der Lampe eine deutlich erhöhte Spannung zur Verfügung,
die eine Aufrechterhaltung beziehungsweise Wiederetablierung der
Gasentladung unterstützt. Durch die höhere anliegende
Spannung ist die Kathode in der Lage, den benötigten Strom
zu liefern, so dass es nicht zu einem (länger anhaltenden) Stromabriss
kommt. Durch die geringe Kapazität des Kondensators C2
wird trotzdem wenig zusätzliche Energie in die Lampe eingebracht,
wodurch die im Stand der Technik beschriebenen Probleme einer überhöhten
Leistung während der Kommutierung nicht auftreten. Die überhöhte
Spannung aus dem Kondensator baut sich aufgrund seiner geringen
Größe schnell wieder ab und wirkt dadurch lediglich
für eine sehr kurze Zeit (ca. 20 μs) nach der
Kommutierung. Durch den Freilauf der mit der Lampe in Reihe liegenden
Zündinduktivität L gegen eine nun höhere Eingangsspannung
des Wechselrichters, verkürzt sich die Freilaufzeit dieser
Induktivität bei der Kommutierung, dadurch kann die Kommutierung
schneller stattfinden, was einer zu starken Abkühlung der Lampenelektroden
entgegenwirkt. Durch die schnellere Kommutierung verkürzt
sich auch die Zeit, während der die überhöhte
Spannung anliegen sollte, und somit verringert sich auch im weiteren
die Leistungsüberhöhung bei der Kommutierung mit
einer weiteren Verringerung der bekannten negativen Folgen.
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In 9 sind
einige relevante Signale eines Lampenbetriebs an einer erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung dargestellt. Das Signal 80 zeigt die Ausgangsspannung
U1 des Gleichspannungswandlers 20, das Signal 82 stellt
die Brückenspannung Ubr des Wechselrichters 22 dar.
Das Signal 84 ist die Lampenbrennspannung Ula, das Signal 88 der
Lampenstrom und das Signal 86 stellt die Lampenleistung dar.
Deutlich zu sehen ist der kurze starke Anstieg der Brückenspannung 82,
also der Spannung U2, während der Kommutierung in Form
eines Nadelimpulses. Aus dem Signal 80 ist ersichtlich
das die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 20, also
der Spannung U1, hingegen im Wesentlichen gleich bleibt. Obwohl
im Gleichspannungswandler 20 also keine Maßnahme
getroffen wurde um die Kommutierung zu verbessern, ist diese wesentlich
sauberer als bei einem Betriebsgerät nach dem Stand der Technik
(siehe 6). Da der Spannungsanstieg der Brückenspannung
Ubr im Signal 82 so groß und schmal ist, ist er
lediglich kurz nach der Kommutierung wirksam und hat keine negativen
Auswirkungen auf den nachfolgenden normalen Rechteckbetrieb. Gegenüber
der Betriebsweise nach dem Stand der Technik ist die Lampenleistung 86 mit
der Be triebsweise nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
erstaunlich konstant und die Lichtabgabe dadurch viel gleichmäßiger.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 1176855
A2 [0011]
- - DE 10021537 A1 [0011]
- - EP 1438878 B1 [0011]
- - EP 456907 A2 [0011]
- - US 2005/0264237 A1 [0011]
- - DE 19531966 A1 [0013]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - ,The boundary
layers of Ac-arcs at HID-electrodes: phase resolved electrical measurements
and optical observations', O. Langenscheidt et al., J. Phys D 40
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