DE102008023602A1

DE102008023602A1 - Vorschaltgerät für Hochdruckgasentladungslampen in Kraftfahrzeugen mit einem Gegentakt-Wechselrichter umfassend einen Transformator

Info

Publication number: DE102008023602A1
Application number: DE200810023602
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Daub
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2008-05-14
Filing date: 2008-05-14
Publication date: 2009-11-19

Abstract

Vorschaltgerät für Hochdruckgasentladungslampen in Kraftfahrzeugen zum Betrieb an einer Gleichspannung an einem Eingang und zum Bereitstellen einer Wechselspannung an einem Ausgang, - wobei das Vorschaltgerät einen Gegentakt-Wechselrichter aufweist, - wobei der Gegentakt-Wechselrichter einen Transformator (Tr1) umfasst und der Transformator (Tr1) eine Primärspule (W_prim_1, W_prim_2) und eine Sekundärspule (W_sek) hat, - wobei die Primärspule (W_prim_1, W_prim_2) eine Mittelanzapfung (10) und zwei äußere Anzapfungen (11, 12) aufweist und die Mittelanzapfung (10) die Primärspule (W_prim_1, W_prim_2) in eine erste Hälfte (W_prim_1) und eine zweite Hälfte (W_prim_2) teilt, - wobei die Mittelanzapfung (10) zum Verbinden mit einem ersten Anschluss des Eingangs verbunden ist, - wobei die äußeren Anzapfungen (11, 12) mit einem ersten Anschluss wenigstens je eines steuerbaren Schaltelements (T1, T2) verbunden sind, - wobei jeweils ein zweiter Anschluss der steuerbaren Schaltelemente (T1, T2) mit einem zweiten Anschluss des Eingangs verbunden ist, - wobei zwischen einer ersten Anzapfung der Sekundärspule (W_sek) und einem ersten Anschluss des Ausgangs des Vorschaltgeräts eine Reihenschaltung aus einem ersten Kondensator (C1) und einer Drossel (L1) geschaltet ist, - wobei parallel zum Ausgang ein zweiter Kondensator (C2) geschaltet ist, - wobei die Hälften (W_prim_1, W_prim_2) der Primärspule (W_prim_1, W_prim_2) aus einem oder mehreren Bereichen von Leitungen ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Vorschaltgerät für Hochdruckgasentladungslampen in Kraftfahrzeugen zum Betrieb an einer Gleichspannung, insbesondere an einer Batteriespannung, an einem Eingang des Vorschaltgeräts. Das Vorschaltgerät stellt eine Wechselspannung an einem Ausgang bereit.
Ein gattungsgemäßes Vorschaltgerät weist einen Gegentaktwechselrichter auf. Die Gegentaktwechselrichter umfassen einen Transformator der eine Primärspule und eine Sekundärspule hat. Die Primärspule weist eine Mittelanzapfung und zwei äußere Anzapfungen auf. Die Mittelanzapfung teilt die Primärspule in eine erste Hälfte und in eine zweite Hälfte.
Die Mittelanzapfung der Primärspule des Transformators ist mit einem ersten Anschluss des Eingangs des Vorschaltgeräts verbunden. Die äußeren Anzapfungen der Primärspule sind mit einem ersten Anschluss wenigstens je eines steuerbaren Schaltelements verbunden. Die zweiten Anschlüsse der steuerbaren Schaltelemente sind mit einem zweiten Anschluss des Eingangs verbunden.
Zwischen einer ersten Anzapfung der Sekundärspule und einem ersten Anschluss des Ausgangs des Vorschaltgeräts ist eine Reihenschaltung aus einem ersten Kondensator und einer Drossel angeordnet. Parallel zum Ausgang des Vorschaltgeräts ist ein zweiter Kondensator angeordnet.
Derartige Vorschaltgeräte sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie wurden und werden in Kraftfahrzeugen zur Beschaltung von Gasentladungslampen benutzt. Eine Offenbarung von solchen Vorschaltgeräten findet sich beispielsweise in den europäischen Patentanmeldungen mit den Veröffentlichungsnummern EP 0 294 605 A3 und EP 0 294 604 B1 sowie in der deutschen Patentschrift DE 37 15 162 C2 .
Vorschaltgeräte in der vorgenannten Art können wirtschaftlich nur bei kleinen oder mittleren Frequenzen der Wechselspannung betrieben werden. Sollen mit dem Gegentaktwechselrichter der Vorschaltgeräte Wechselspannungen mit hohen Frequenzen erzeugt werden, ist dies unwirtschaftlich, da die Schaltungsverluste aufgrund von Streuinduktivitäten in dem Transformator zunehmen. Außerdem kann eine unsymmetrische Gestaltung der ersten Hälfte der Primärspule und der zweiten Hälfte der Primärspule zu einer Vormagnetisierung des Transformators führen und die magnetische Aussteuerbarkeit des Transformators einschränken.
Der Frequenzbereich, in dem ein Gegentakt-Wechselrichter eines Vorschaltgeräts bekannter Art arbeitet, liegt im Betrieb unterhalb von 10 kHz und während der Zündung unterhalb von 100 kHz. Dieses führt außerdem zu dem Nachteil, dass die Gegentaktwechselrichter verhältnismäßig großvolumig und teuer sind. Bei höheren Frequenzen des Gegentakt-Wechselrichters ließen sich die Baugröße und somit auch die Kosten zwar reduzieren. Dieses ginge jedoch auf Kosten der relativ größeren Streuinduktivitäten der Primärspulen und führte damit zu größeren Verlustleistungen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Vorschaltgerät mit einem Transformator vorzuschlagen, der mit geringeren Verlustleistungen, insbesondere bei höheren Frequenzen betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Hälften der Primärspule aus einem oder mehreren Bereichen von Leitungen gebildet sind, die jeweils in oder auf einer Lage einer Leiterplatte angeordnet sind und dass die Sekundärspule eine Drahtwicklung oder Litzenwicklung ist. Für die Primärspule und die Sekundärspule wird erfindungsgemäß ein unterschiedlicher technologischer Aufbau gewählt. Die Sekundärspule wird durch eine Wicklung von Draht oder Litze gebildet. Dagegen sind die Windungen der Primärspule in oder auf Lagen einer Leiterplatte vorgesehen. Die erste Hälfte und die zweite Hälfte der Primärspule können dazu in mehrere Bereiche unterteilt sein. Jeder dieser Bereiche kann in einer eigenen Lage der Leiterplatte angeord net sein. Die Windungen können beispielsweise als Leiterbahnen in den Lagen eingebracht sein.
Jedem Bereich der ersten Hälfte der Primärspule kann ein entsprechender Bereich der zweiten Hälfte zugeordnet sein. Die einander entsprechenden Bereiche der ersten Hälfte und der zweiten Hälfte der Primärspule sind möglichst identisch oder symmetrisch ausgebildet. Die einander entsprechenden Bereiche sind vorteilhaft insbesondere in Bezug auf ihre elektrischen Kenndaten identisch ausgebildet. Sie weisen beispielsweise eine gleiche Induktivität, einen gleichen elektrischen Widerstand und eine gleiche Kapazität auf. Ebenso ist es möglich, dass die einander entsprechenden Bereiche in Bezug auf ihre geometrischen Eigenschaften identisch oder symmetrisch ausgebildet sind.
Die Bereiche der Hälften der Primärspule können jeweils eine oder mehrere Windungen der Primärspule bilden. In jeder Lage der Leiterplatte können daher eine oder mehrere Windungen der Primärspule enthalten sein. Sind mehrere Windungen vorgesehen, können die Windungen nach Art einer Spirale angeordnet sein.
Jede Hälfte der Primärspule kann mehr als einen Bereich in jeweils einer Lage der Leiterplatte aufweisen. Die Lagen der Leiterplatte, in denen die Bereiche der ersten Hälfte der Primärspule angeordnet sind, und die Lagen der Leiterplatte, in denen die Bereiche der zweiten Hälfte der Primärspule angeordnet sind, können abwechselnd übereinander angeordnet sein.
In einer solchen Anordnung der Bereiche der Hälften der Primärspule können die Bereiche einer Hälfte über Durchkontaktierungen durch die benachbarte Lage mit einem Bereich der anderen Hälfte der Primärspule miteinander verbunden sein. Vorzugsweise sind zwei Bereiche über zwei oder mehr elektrisch parallele Durchkontaktierungen miteinander verbunden. Da jede Durchkontaktierung eine Induktivität hat, kann durch die Parallelschaltung von mehreren Durchkontaktierungen die gesamte Induktivität der Durchkontaktierungen herabgesetzt werden.
Die Anzapfungen der Primärspule können durch mehrere, elektrisch parallele Kontaktierungen gebildet sein. Der Sinn in den elektrisch parallelen Kontaktierungen liegt ebenfalls in der Herabsetzung der Induktivität, in diesem Fall der Induktivität der Anzapfungen.
Vorzugsweise sind die Bereiche einer Hälfte der Primärspule in Reihe geschaltet.
Gemäß der Erfindung kann die Leiterplatte mit den Windungen der Primärspule näher an dem Schaltungsträger des Vorschaltgeräts angeordnet sein als die Sekundärspule. Auf dem Schaltungsträger können beispielsweise die gesteuerten Schaltelemente angeordnet sein, die den Strom durch die Hälften der Primärspule schalten.
Ebenso ist es sinnvoll, wenn die Kontaktierungen für die Anzapfungen der Primärspule an Rand der Leiterplatte mit den Windungen der Primärspule vorgesehen sind und der Rand benachbart zu dem Schaltungsträger mit der Spannungsversorgung des Transformators liegt. Sinn und Zweck dieser Anordnung ist es, die von den Stromkreisen über die Hälften der Primärspule eingeschlossenen Flächen möglichst zu reduzieren.
Gemäß der Erfindung kann die Leiterplatte mit den Windungen der Primärspule weitere Bauelemente des Vorschaltgeräts tragen. Dabei kann es sich insbesondere um die gesteuerten Schaltelemente des Gegentakt-Wechselrichters handeln.
Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert.
Dabei zeigt:
1 ein Schaltbild eines Vorschaltgeräts mit Gegentakt-Wechselrichter,
2 eine Seitenansicht eines Transformators eines erfindungsgemäßen Vorschaltgeräts in schematischer Darstellung und
3 eine Ansicht des Transformators von unten in schematischer Darstellung.
Das in 1 dargestellte Vorschaltgerät weist einen Eingang auf, von dem ein Anschluss mit einer Gleichspannungsquelle UB und ein weiterer Anschluss mit dem Massepotential verbunden ist. Bei der Gleichspannungsquelle UB kann es sich beispielsweise um einen Generator oder eine Kraftfahrzeugbatterie in einem Kraftfahrzeugbordnetz handeln. An einem Ausgang des Vorschaltgeräts ist eine Gasentladungslampe GDL angeschlossen. Ein Anschluss des Ausgangs liegt auf Massepotential.
Das Vorschaltgerät weist einen Gegentaktwechselrichter auf, der eine Steuerung S, zwei gesteuerte Schaltelemente T1, T2 und einen Transformator Tr1 aufweist. Die Primärspule W_prim_1, W_prim_2 des Transformators Tr1 hat eine Mittelanzapfung, die im mit dem positiven Potential der Gleichspannungsquelle verbunden ist. Die beiden äußeren Anzapfungen der Primärspule W_prim_1, W_prim_2 sind jeweils über eines der gesteuerten Schaltelemente T1, T2 zum Masseanschluss des Eingangs geführt. Steuerelektroden der gesteuerten Schaltelemente T1, T2 sind mit der Steuerung S verbunden. Der Gegentaktwechselrichter ist insoweit auf herkömmliche Art und Weise ausgebildet.
Eine erste Anzapfung der Sekundärspule W_sek ist mit einem Masseanschluss des Ausgangs verbunden, während eine zweite Anzapfung der Sekundärspule W_sek über eine Reihenschaltung aus einem ersten Kondensator C1 und einer Drossel L1 mit dem anderen Anschluss des Ausgangs verbunden ist. Parallel zum Ausgang ist ein zweiter Kondensator C2 geschaltet. Einem Ausgang ist die Gasentladungslampe GDL angeschlossen. Auch insoweit ist das Vorschaltgerät auf herkömmliche Art und Weise ausgebildet. Das Besondere des erfindungsgemäßen Vorschaltgeräts liegt in dem Aufbau des Transformators Tr1.
Die Primärspule W_prim_1, W_prim_2 und die Sekundärspule W_sek des Transformators Tr1 eines erfindungsgemäßen Vorschaltgeräts sind auf völlig unterschiedliche, technologische Art und Weise hergestellt. Während es sich bei der Sekundärspule W_sek um eine Drahtwicklung oder eine Litzenwicklung handelt, ist die Wicklung der Primärspule W_prim_1, W_prim_2 in mehreren Lagen einer Leiterplatte eingebracht.
Der in 2 dargestellte erfindungsgemäße Transformator Tr1 weist eine Primärspule W_prim_1, W_prim_2 auf, die eine Mittelanzapfung 10 und zwei äußere Anzapfungen 11, 12 aufweist. Die Primärspule W_prim_1, W_prim_2 ist in zwei Hälften W_prim_1, W_prim_2 geteilt, wobei eine erste Hälfte W_prim_1 über die Mittelanzapfung und eine erste äußere der beiden Anzapfungen 11, 12 elektrisch kontaktierbar ist. Die beiden Spulenhälften W_prim_1, W_prim_2 sind elektrisch identisch ausgebildet. Sie haben eine gleiche Länge und bestehen aus gleichem Material haben einen gleichen Durchmesser und haben daher den gleichen elektrischen Widerstand. Außerdem haben die Hälften W_prim_1, W_prim_2 eine gleiche Kapazität und eine gleiche Induktivität.
Die Windungen der Primärspule W_prim_1, W_prim_2 sind in Lagen L einer Leiterplatte eingebracht. Die Lagen L sind übereinander geschichtet. Insgesamt sind in dem dargestellten Beispiel vier Lagen L vorgesehen. Jeder Hälfte W_prim_1, W_prim_2 der Primärspule W_prim_1, W_prim_2 sind zwei Lagen L zugeordnet. Die Hälften W_prim_1, W_prim_2 der Primärspule W_prim_1, W_prim_2 teilen sich auf jeweils zwei Lagen L der Leiterplatte auf. In den Lagen ist somit je ein Bereich einer Hälfte W_prim_1, W_prim_2 der Primärspule W_prim_1, W_prim_2 vorgesehen. Die Bereiche sind so auf die Lagen L verteilt, dass abwechselnd eine Lage L mit einem Bereich der ersten Hälfte W_prim_1 der Primärspule W_prim_1, W_prim_2 auf einen Bereich der zweiten Hälfte W_prim_2 der Primärspule W_prim_1, W_prim_2 folgt.
Jedem Bereich der ersten Hälfte W_prim_1 der Primärspule W_prim_1, W_prim_2 ist ein Bereich der zweiten Hälfte W_prim_2 der Primärspule W_prim_1, W_prim_2 zugeordnet und umgekehrt. Die einander entsprechenden Bereiche sind identisch oder symmetrisch ausgebildet. Durch die möglichst große Identität der beiden Spulenhälften W_prim_1, W_prim_2 wird eine unterschiedliche Magnetisierung der Spulenhälften W_prim_1, W_prim_2 vermieden.
Die Bereiche einer Spulenhälfte W_prim_1, W_prim_2 sind über Durchkontaktierungen durch die dazwischenliegenden Lagen der anderen Spulenhälfte W_prim_1, W_prim_2 miteinander elektrisch leitend verbunden. Diese Durchkontaktierungen sind nicht dargestellt.
Die Anzapfungen 10, 11, 12 der Primärspule weisen mehrere Anschlüsse auf, die elektrisch parallel zueinander liegen. Da jeder Anschluss eine Streuinduktivität hat, kann durch die Parallelschaltung der Anschlüsse eine insgesamt kleinere Streuinduktivität erreicht werden.
Der Transformator Tr1 weist einen Kern K auf, der auf herkömmliche Art und Weise ausgebildet ist. Auf den Kern sind die Primärspule W_prim_1, W_prim_2 und die Sekundärspule aufgesetzt.

UB: Gleichspannung/Bordnetzspannung
S: Steuerung des Gegentakt-Wechselrichters
T1: erster Transistor
T2: zweiter Transistor
Tr1: Transformator
C1: erster Kondensator
L1: erste Drossel
C2: zweiter Kondensator
GDL: Gasentladungslampe
W_prim_1: erste Hälfte der Primärspule
W_prim_2: zweite Hälfte der Primärspule
10: Mittelanzapfung der Primärspule
11, 12: äußere Anzapfungen der Primärspule
W_sek: Sekundärspule
21, 22: Anzapfungen der Sekundärspule
K: Kern
L: Lagen der Leiterplatte

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.
Zitierte Patentliteratur

- EP 0294605 A3 [0005]
- EP 0294604 B1 [0005]
- DE 3715162 C2 [0005]

Claims

Vorschaltgerät für Hochdruckgasentladungslampen in Kraftfahrzeugen zum Betrieb an einer Gleichspannung an einem Eingang und zum Bereitstellen einer Wechselspannung an einem Ausgang, – wobei das Vorschaltgerät einen Gegentakt-Wechselrichter aufweist, – wobei der Gegentakt-Wechselrichter einen Transformator (Tr1) umfasst und der Transformator (Tr1) eine Primärspule (W_prim_1, W_prim_2) und eine Sekundärspule (W_sek) hat, – wobei die Primärspule (W_prim_1, W_prim_2) eine Mittelanzapfung (10) und zwei äußere Anzapfungen (11, 12) aufweist und die Mittelanzapfung (10) die Primärspule (W_prim_1, W_prim_2) in eine erste Hälfte (W_prim_1) und eine zweite Hälfte (W_prim_2) teilt, – wobei die Mittelanzapfung (10) zum Verbinden mit einem ersten Anschluss des Eingangs verbunden ist, – wobei die äußeren Anzapfungen (11, 12) mit einem ersten Anschluss wenigstens je eines steuerbaren Schaltelements (T1, T2) verbunden sind, – wobei jeweils ein zweiter Anschluss der steuerbaren Schaltelemente (T1, T2) mit einem zweiten Anschluss des Eingangs verbunden ist, – wobei zwischen einer ersten Anzapfung der Sekundärspule (W_prim_1, W_prim_2) und einem ersten Anschluss des Ausgangs des Vorschaltgeräts eine Reihenschaltung aus einem ersten Kondensator (C1) und einer Drossel (L1) geschaltet ist, – wobei parallel zum Ausgang ein zweiter Kondensator (C2) geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, – dass die Hälften (W_prim_1, W_prim_2) der Primärspule (W_prim_1, W_prim_2) aus einem oder mehreren Bereichen von Leitungen gebil det sind, die jeweils in oder auf einer Lage (L) einer Leiterplatte angeordnet sind und – dass die Sekundärspule (W_sek) eine Drahtwicklung oder Litzenwicklung ist.
Vorschaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Bereich der ersten Hälfte (W_prim_1) der Primärspule (W_prim_1, W_prim_2) ein Bereich der zweiten Hälfte (W_prim_1) entspricht.
Vorschaltgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche eine oder mehrere Windungen der Hälften (W_prim_1, W_prim_2) der Primärspule (W_prim_1, W_prim_2) bilden.
Vorschaltgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede Hälfte der Primärspule (W_prim_1, W_prim_2) mehr als einen Bereich in oder auf jeweils einer Lage (L) der Leiterplatte aufweist.
Vorschaltgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen der Leiterplatte, in denen die Bereiche der ersten Hälfte (W_prim_1) angeordnet sind, und die Lagen (L) der Leiterplatte, in denen die Bereiche der zweiten Hälfte (W_prim_1) angeordnet sind, abwechselnd übereinander angeordnet sind.
Vorschaltgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Bereiche einer Hälfte (W_prim_1, W_prim_2) über Durchkontaktierungen durch eine Lage (L) mit einem Bereich der anderen Hälfte (W_prim_2, W_prim_1) miteinander verbunden sind.
Vorschaltgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Bereiche über zwei elektrisch parallele Durchkontaktierungen miteinander verbunden sind.
Vorschaltgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Anzapfungen der Primärspule (W_prim_1, W_prim_2) durch mehrere, elektrisch parallele Kontaktierungen gebildet sind.
Vorschaltgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche einer Hälfte (W_prim_1, W_prim_2) in Reihe geschaltet sind.
Vorschaltgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte mit den Windungen der Primärspule (W_prim_1, W_prim_2) näher an einem Schaltungsträger des Vorschaltgeräts angeordnet ist als die Sekundärspule (W_sek).
Vorschaltgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungen an einem Rand der Leiterplatte mit den Windungen der Primärspule (W_prim_1, W_prim_2) vorgesehen sind und dieser Rand benachbart zu einem Schaltungsträger angeordnet ist.
Vorschaltgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte mit den Windungen der Primärspule (W_prim_1, W_prim_2) weitere Bauelemente des Vorschaltgeräts trägt.