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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft eine integrierte Gasentladungslampe und einen
Zündtransformator für eine integrierte Gasentladungslampe
zum Erzeugen einer Zündspannung, mit einem Ferritkern und
mindestens einer Primärwicklung sowie mindestens einer
Sekundärwicklung, wobei die mindestens eine Sekundärwicklung
von einem isolierten Metallband gebildet wird, das derart auf dem
Ferritkern angeordnet ist, dass das Hochspannung führende
Ende der mindestens einen Sekundärwicklung innen liegend
angeordnet ist.
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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer integrierten Gasentladungslampe und
einem Zündtransformator für eine integrierte Gasentladungslampe
nach der Gattung des Hauptanspruchs.
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Aus
der
DE 199 13 942
C1 ist eine integrierte Gasentladungslampe bekannt, die
ein integriertes Zündgerät mit einem Ringkerntransformator
aufweist. Der Ringkerntransformator wird mit einer Sekundärwicklung,
und dann mit einer Primärwicklung bewickelt. Da die Primärwicklung,
um eine gute Kopplung des Transformators zu erreichen, einen großen
Bereich der Sekundärwicklung überdeckt, muss die
Isolation des Primärwicklungsdrahtes so ausgelegt sein,
dass sie die gesamte von der Sekundärwicklung erzeugte
Zündspannung isolieren kann. Dies ist aber aufwändig
und teuer, da keine baulichen Maßnahmen vorgesehen sind,
um die Spannung zu isolieren, sondern die Isolation des Drahtes
selbst dies bewerkstelligen muss.
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Aus
der
DE 10 2004
044 368 A1 ist ein verbesserter Zündtransformator
bekannt, dessen Ferrit eine Topfkernform aufweist, und die Sekundärwicklung
aus einem Metallband besteht. Dieser Transformator ist aber aufwändig
zu produzieren, da die Sekundärwicklung nicht auf den Ferrit
gewickelt werden kann, sondern auf einem Dorn gewickelt werden muss
und erst als fertiger Wickel in den Topfkernförmigen Ferrit
eingelegt werden kann. Aufgrund der Fertigungstoleranzen wird hier
der zur Verfügung stehende Wickelraum nicht gut genutzt
und auch die Kopplung ist nicht optimal.
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Aufgabe
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Zündtransformator
für eine integrierte Gasentladungslampe zum Erzeugen einer
Zündspannung anzugeben, der einen Ferritkern und mindestens eine
Primärwicklung sowie mindestens einer Sekundärwicklung
aufweist, wobei die mindestens eine Sekundärwicklung von
einem isolierten Metallband gebildet wird, das derart auf dem Ferritkern
angeordnet ist, dass das Hochspannung führende Ende der
mindestens einen Sekundärwicklung innen liegend angeordnet
ist.
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Darstellung der Erfindung
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Die
Lösung der Aufgabe bezüglich des Zündtransformators
erfolgt erfindungsgemäß mit einem Zündtransformator
zum Erzeugen einer Zündspannung für eine Gasentladungs lampe,
mit einem Ferritkern und mindestens einer Primärwicklung
sowie mindestens einer Sekundärwicklung, wobei die mindestens
eine Sekundärwicklung von einem isolierten Metallband gebildet
wird, das derart auf dem Ferritkern angeordnet ist, dass das Hochspannung
führende Ende der mindestens einen Sekundärwicklung
innen liegend angeordnet ist, wobei der Ferritkern die Form einer
Filmspule aufweist, und die Sekundärwicklung wie ein Film
auf den Ferritkern aufgewickelt ist. Dies stellt eine einfache und
kostengünstige Fertigung des Zündtransformators
sicher.
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Die
Lösung der Aufgabe bezüglich der integrierten
Gasentladungslampe erfolgt erfindungsgemäß mit
einer integrierten Gasentladungslampe, die einen erfindungsgemäßen
Zündtransformator enthält.
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Wenn
der Ferritkern zwei im wesentlichen parallele Seitenwände
und einen Mittelkern aufweist, wobei die Außenkontur der
Seitenwände rund oder im Wesentlichen quadratisch ist,
kann die Sekundärwicklung direkt auf den Ferritkern aufgewickelt
werden.
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Der
Ferritkern besteht dabei bevorzugt aus zwei Ferritkernhälften,
die zusammengesetzt die Form einer Filmspule ergeben, wobei der
Mittelkern des Ferritkerns eine hohlzylindrische Form aufweist und
aus zwei Hälften besteht, und eine Ferritkernhälfte
je eine Seitenwand und eine Mittelkernhälfte aufweist.
Mit dieser Anordnung kann das innenliegende Ende der Sekundärwicklung
zwischen den Mittelkernhälften beklemmt werden, was das
Wickeln der Sekundärwicklung vereinfacht. Der Ferritkern
kann aber auch drei Teile aufweisen, die zentrisch übereinander
gelegt die Form einer Filmspule ergeben, wobei zwei der drei Teile
im wesentlichen identisch sind und die beiden Seitenwände
der Filmspule bilden und der dritte Teil eine hohlzylindrische Form
aufweist, die den Mittelkern der Filmspule bildet, wobei der hohlzylindrische
dritte Teil einen Schlitz in Längsrichtung aufweist. Dadurch
ist die Sekundärwicklung enger vom Ferritkern umschlossen,
was eine bessere Kopplung des Zündtransformators ergibt.
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Weist
der Zündtransformator einen Kontaktkörper auf,
der sich im Inneren des hohlzylindrischen Bereichs des Ferritkerns
befindet, so kann der Anfang des Metallbandes der Sekundärwicklung
zwischen den beiden Kernhälften oder durch den Schlitz im
hohlzylindrischen dritten Teil nach innen geführt werden
und dort elektrisch mit dem Kontaktkörper verbunden werden.
Der Kontaktkörper wiederum ist elektrisch mit einer Stromzuführung
des Hochdruckentladungslampenbrenners verbindbar. Dies stellt eine
effiziente und kurze Anbindung des Zündtransformators an
den Gasentladungslampenbrenner sicher.
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Der
Kontaktkörper besteht dabei bevorzugt aus einem gebogenen
Blechteil, wobei das gebogene Blechteil aus einer im wesentlichen
Rechteckigen Fläche besteht, die zylinderförmig
zusammengebogen ist und zwei lateral abstehende Laschen aufweist,
die sich im gebogenen Zustand gegenüberstehen und wie zwei
Dachflächen gegeneinander geneigt sind, und an dem Ende,
an dem sich die beiden Dachflächen berühren so
ausgeformt sind, dass ein Stromzuführungsdraht der Hochdruckentladungslampenelektrode
zentriert geklemmt wird. Dies macht die Kontaktie rung des Stromzuführungsdrahtes
des Gasentladungslampenbrenners besonders einfach.
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Weist
der Zündtransformator eine Primärwicklung mit
mindestens einer Windung auf, die als bandförmiges, federndes
Stanzbiegeteil so ausgeführt ist, dass die Sekundärwicklung
durch die Federkraft der Primärwicklung gesichert wird,
und das äußere Ende der Sekundärwicklung
elektrisch mit der Primärwicklung verbunden ist, so kann
der Zündtransformator einfacher produziert werden und ist leichter
handelbar.
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Ist
das Stanzbiegeteil der Primärwicklung rund oder eckig ausgeformt,
wobei im Fall der eckigen Ausformung an den Ecken das Stanzbiegeteil zylinderförmige,
nach innen weisende Rundungen aufweist, in die Rückschlussferrite
eingeklemmt sind, so ist der Zündtransformator besonders
kompakt und kann im Falle einer eckigen Ausformung mit einem geschlossenen
magnetischen Rückschluss versehen werden.
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Besonders
bevorzugt weist das Stanzbiegeteil der Primärwicklung dabei
mindestens zwei spiralförmig übereinander liegende
Windungen auf. Das verbessert den Stromfluss im Primärkreis
im Augenblick der Zündung.
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Wenn
das Stanzbiegeteil der Primärwicklung lateral angeformte
erste Laschen aufweist, die der mechanischen Befestigung des Zündtransformators dienen,
so kann der Zündtransformator einfach und sicher auf einer
Leiterplatte oder dergleichen befestigt werden. Weist das Stanzbiegeteil
der Primärwicklung an beiden Enden nach außen
weisende Rundungen zur mechanischen Entlastung von am jeweiligen
Ende lateral angeformten zweiten Laschen auf, die wiederum der elektrischen
Kontaktierung mit einer Zündelektronik dienen, so wird
die Lötstelle der elektrischen Kontaktierung geschont.
Die Lötstelle kann dann insbesondere bei grossen Temperaturschwankungen
nicht mehr brechen.
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Der
Zündtransformator wird vorzugsweise mit einem geeigneten
Mittel, insbesondere mit einem Tränklack, getränkt
ist, oder mit Vergussmasse vergossen, um die mechanische Stabilität
und die elektrische Isolationsfestigkeit zu erhöhen.
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Wenn
die Seitenwände des Zündtransformators auf der
der Wicklung zugewandten Seite von außen nach innen verlaufende
längliche Vertiefungen aufweisen, wird das Tränken
oder das Vergießen deutlich erleichtert. Ein verbessertes
Eindringen des Tränklacks oder der Vergußmasse
ist die Folge.
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Das
Verhältnis aus Durchmesser zu Höhe des Ferritkerns
ist dabei bevorzugter weise größer als 1 und kleiner
als 9, insbesondere größer als 1,5 und kleiner
als 5. Damit bleibt der Zündtransformator kompakt und erreicht
eine hohe elektrische Effizienz.
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Weitere
vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
integrierten Gasentladungslampe und des erfindungsgemäßen
Zündtransformators ergeben sich aus weiteren abhängigen
Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung(en)
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand
der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche
Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
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1 eine
Schnittansicht einer erfindungsgemäßen integrierten
Gasentladungslampe in einer ersten Ausführungsform,
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2 eine
Explosionsansicht der mechanischen Bauteile der integrierten Gasentladungslampe in
der ersten Ausführungsform,
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3 eine
Schnittansicht einer erfindungsgemäßen integrierten
Gasentladungslampe in einer zweiten Ausführungsform,
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4 eine
perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen
integrierten Gasentladungslampe in einer zweiten Ausführungsform,
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5 eine
Ansicht der Schnittstelle Scheinwerfer/Gasentladungslampe,
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6 eine
Detailansicht der elektrischen Kontaktierung,
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7 eine
Detailansicht der mechanischen Kontaktierung,
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8 eine
Schnittansicht einer dritten Ausführungsform der integrierten
Gasentladungslampe,
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9 eine
perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen
integrierten Gasentladungslampe in einer vierten Ausführungsform,
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10 eine
perspektivische Ansicht eines Zündtransformators der integrierten
Gasentladungslampe,
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11 eine
perspektivische Ansicht des oberen Teils des Zündtransformators,
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12 eine perspektivische Ansicht des unteren Teils
des Zündtransformators,
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13 eine perspektivische Ansicht des unteren Teils
des Zündtransformators mit sichtbarer Sekundärwicklung,
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14 eine Explosionsansicht des Zündtransformators
in einer zweiten runden Ausführungsform,
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15 eine Schnittansicht des Zündtransformators
in einer zweiten runden Ausführungsform,
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16 eine Explosionsansicht des Zündtransformators
in einer dritten runden Ausführungsform mit zweiwindiger
Primärwicklung,
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17 eine Schnittansicht des Zündtransformators
in einer dritten runden Ausführungsform mit zweiwindiger
Primärwicklung,
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18a ein schematisches Schaltbild einer unsymmetrischen
Impulszündung nach dem Stand der Technik,
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18b ein schematisches Schaltbild eines symmetrischen
Impulszündgerätes nach dem Stand der Technik,
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19 ein schematisches Schaltbild eines asymmetrischen
Impulszündgerätes,
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20 ein schematisches Schaltbild einer erweiterten
Schaltung der integrierten Gasentladungslampe,
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21 eine Schnittansicht des Gasentladungslampenbrenners
der integrierten Gasentladungslampe mit der Sockelkonstruktion,
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22 ein Diagramm der Betriebsfrequenz des Gasentladungslampenbrenners über
seiner Brenndauer,
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23 eine Schaltungstopologie für eine Betriebsweise
mit begradigtem Entladungsbogen in einer ersten Ausführungsform,
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24 eine Schaltungstopologie für eine Betriebsweise
mit begradigtem Entladungsbogen in einer zweiten Ausführungsform,
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25 eine Schaltungstopologie für eine Betriebsweise
mit begradigtem Entladungsbogen in einer dritten Ausführungsform,
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26 eine Schaltungstopologie für eine vereinfachte
Betriebsweise eines Gleichspannungswandlers,
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27 eine Graphik, die den funktionalen Zusammenhang
zwischen der normierten Sollbrennleistung und der kumulierten gewichteten
Brenndauer des Gasentladungslampenbrenners darstellt,
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28 eine graphische Darstellung der Gewichtsfunktion γ,
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29 eine graphische Darstellung der Funktion α,
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30 eine graphische Darstellung des normierten
Solllichtstromes in Abhängigkeit von der normierten kumulierten
Brenndauer des Gasentladungslampenbrenners.
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Bevorzugte Ausführung
der Erfindung
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Mechanische Integration
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1 zeigt
eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform der integrierten
Gasentladungslampe 5. Ein Lampenbrenner 50 wird
von einer Metallklammer 52 gehaltert, die an 4 Halteblechen 53 angebracht
ist. Die Haltebleche 53 sind in einen Lampensockel 70 eingegossen
beziehungsweise eingespritzt. Der Lampensockel 70 besteht
vorzugsweise aus Kunststoff, und wird über ein Spritzgussverfahren
oder über ein Gießverfahren hergestellt. Um die elektrische
Abschirmung zu verbessern, kann der Kunststoff des Lampensockels 70 elektrisch
leitfähig oder metallisiert sein. Besonders vorteilhaft
ist eine Metallisierung des Lampensockels auf der Außenseite,
folglich auf dem der Zünd- und Betriebselektronik 910, 920 abgewandten
Seite. Neben einer Metallisierung ist auch das Umspritzen von metallischen
Leitern oder eines metallischen Geflechts möglich, so dass
eine in der Wand des Lampensockels 70 befindliche elektrisch
leitende Haut entsteht. Wird kein leitfähiger oder metallisierter Kunststoff
verwendet, so ist der Kunststoffsockel mit einem elektrisch leitfähigen
Gehäuse 72 aus einem leitfähigen Material
wie z. B. Metall umschlossen. Das Metall kann z. B. ein korrosionsgeschütztes
Eisenblech oder aber auch ein Buntmetall wie Aluminium, Magnesium
oder Messing sein. Am brennerseitigen Abschluss des elektrisch leitfähigen
Gehäuses 72 sitzt ein Dichtring 71, in-
und wieder auch als O-Ring bezeichnet, der eine Abdichtung zum Reflektor
hin bewerkstelligt. Durch diese Maßnahme kann ein dichtes
Scheinwerfersystem aufgebaut werden, ohne die Lampe komplett in
einen abgedichteten Scheinwerfer einbauen zu müssen. Dadurch,
dass die Lampe außen am Scheinwerfer sitzt, ist die Kühlung
einer im Sockel befindlichen Zünd- und Betriebselektronik 910, 920 bedeutend besser
und einfacher als mit einem herkömmlichen Aufbau, bei dem
die Gasentladungslampe 5 in einen dichten Scheinwerfer
eingebaut wird, bei dem nur eine schwach ausgeprägte kühlende
Konvektion stattfinden kann. Die näherungsweise stehende
Luft innerhalb des beschriebenen, dichten Scheinwerfers bedingt
einen sogenannten Wärmestau, der zu deutlich höheren
Temperaturen der Betriebselektronik führt, als in der vorgeschlagenen
Ausführung, bei der die Lampe auf der von der Lichtaustrittsfläche
abgewandten Seite ins Freie, beispielsweise in den Motorraum, steht.
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Der
Sockel 70 wird auf der dem Lampenbrenner 50 abgewandten
Seite von einer Sockelplatte 74 abgeschlossen. Die Sockelplatte 74 besteht vorzugsweise
aus einem thermisch wie elektrisch gut leitfähigem Material
wie z. B. Aluminium oder Magnesium. Um eine mechanische Verbindung
mit dem Sockel 70 sowie eine elektrische Verbin dung mit
dem elektrisch leitfähigen Gehäuse 72 herzustellen,
weist dieses an der dem Lampenbrenner 50 abgewandten Seite
mehrere Laschen 722 auf, die beim Zusammenbau der integrierten
Gasentladungslampe 5 auf die Sockelplatte 74 umgebördelt
werden, und so die benötigten Verbindungen herstellen.
Unter anderem durch diese Art der Verbindungstechnik werden Lampenbrenner 50,
Zündelektronik 910 und Betriebselektronik 920 untrennbar
mit einander verbunden. Dies hat für den Kraftfahrzeug-Hersteller
den Vorteil, dass die gesamte integrierte Gasentladungslampe 5 von
Seiten der Logistik als auch bei der Montage als ein Teil betrachtet
werden kann, die geringere Komplexität führt zu
reduzierten Kosten und eine Verwechslungsgefahr zwischen Komponenten
mit gleicher Funktion aber unterschiedlicher Ausgestaltung, wie
etwa unterschiedlichen Produktversionen, ist eliminiert. Für
den Endkunden, beispielsweise den Fahrzeugeigentümer, ergibt
sich hieraus der Vorteil, dass die reduzierte Komplexität
den Austausch einer defekten integrierten Gasentladungslampe gegenüber
dem Stand der Technik deutlich vereinfacht und beschleunigt, die
Fehlersuche erleichtert und geringere Kenntnisse und Fähigkeiten
für die Durchführung eines Lampenwechsels erforderlich
sind. Der Wegfall der Kabel sowie Steckverbinder zwischen den Komponenten
reduziert zudem die Kosten, erhöht die Zuverlässigkeit
und reduziert das Gewicht.
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Die
Sockelplatte ist bevorzugt aus Aluminiumdruckguss oder aus Magnesiumdruckguss
ausgeführt. Dies ist eine ebenso kostengünstige
wie mechanisch sowie elektrisch hochwertige Variante. Eine elektrisch
gut leitfähige Verbindung zwischen dem zumindest oberflächlich
elekt risch leitfähigen Lampensockel 70 oder dem
elektrisch leitfähigen Gehäuse 72 und
der ebenfalls elektrisch leitfähigen Sockelplatte 74 ist
insbesondere für eine gute elektromagnetische Abschirmung
erforderlich. Diese Abschirmung verhindert die Störung
benachbarter elektrischer oder elektronischer Baugruppen. Darüber
hinaus gewährleistet die Abschirmung, dass die Baugruppen
keinen negativen Einfluss auf die Funktion der Zünd- und
Betriebselektronik 910, 920 haben. Zwischen die
Sockelplatte 74 und den Sockel 70 ist ein Dichtungsring 73 angeordnet,
der eine wasser- und luftdichte Verbindung zwischen dem Sockel 70 und
der Sockelplatte 74 gewährleistet.
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In
einer alternativen Ausführungsform ist der Sockel 70 sowie
die Sockelplatte 74 derart ausgebildet, dass beide Teile
ineinander einrastbar sind und in Rastlage gleichzeitig ein oder
mehrere Kontaktpunkte zwischen dem elektrisch leitfähigem
Gehäuse 72 und der Sockelplatte 74 bestehen,
um eine gute Anbindung für die elektrische Abschirmung
zu generieren. Auch hier ist wieder zwischen Sockel und Sockelplatte
ein Dichtungsring angeordnet, der die Dichtheit des Sockels auf
der dem Gasentladungslampenbrenner 50 abgewandten Seite
gewährleistet.
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Im
Inneren des Sockels 70 sind zwei Ebenen vorgesehen, die
die Zünd- und Betriebselektronik aufnehmen. Eine erste
kleinere Ebene, die dem Lampenbrenner 50 am nächsten
liegt, nimmt die Zündelektronik 910 mit dem Zündtransformator 80 auf.
Auf die Konstruktion des Zündtransformators 80 wird später
noch eingegangen werden. Eine zweite größere Ebene
nimmt die für den Betrieb des Entladungslampenbrenners 50 notwendige
Betriebselektronik 920 auf. Die Zünd- sowie die
Betriebselektronik kann auf jeder geeigneten Art von Leiterplatte,
auch Platine genannt, angesiedelt sein. In Frage kommen konventionelle
Leiterplatten, Metallkernleiterplatten, Leiterplatten in LTCC-Technologie,
oxidierte oder beschichtete Metallplatten mit Leiterbahnen in Dickschichttechnik,
Kunststoffleiterplatten in MID oder MID Heißprägetechnik
oder geeignete andere mögliche Technologien zur Herstellung
von temperaturfesten Leiterplatten. Die elektronischen Komponenten und
Bauelemente welche die Zünd- und Betriebselektronik bilden,
können sich dabei jeweils auf der Ober- und Unterseite
sowie im Inneren der beiden Leiterplatten befinden. In der 1 sind
der Einfachheit halber außer dem Transformator 80 keine
weiteren elektronischen Komponenten oder Bauelemente, auf der Leiterplatte
dargestellt. Sofern die Leiterplatte für die Zündelektronik 910 und
die Leiterplatte für die Betriebselektronik 920 aus
demselben Material bestehen, können sie vorteilhafter weise
auf demselben Nutzen gefertigt werden. Dabei können zwischen den
Platinen Brücken bestückt werden, die beim Vereinzeln
und Einbringen in den Lampensockel 70 als elektrische Verbindungen
zwischen den Platinen dienen. Als Brücken können
beispielsweise Einzeldrähte, Flachbandleitungen oder starr-flexible
Leiterplatten dienen. Die elektrische Verbindung der beiden Leiterplatten
wird dabei so ausgeführt, dass sie eine Abstandsänderung
zwischen den beiden Leiterplatten der Zünd- und Betriebselektronik
durch thermische Ausdehnung, insbesondere durch eine thermische
Zyklenbeanspruchung, unbeschadet übersteht. Hierzu sind
beispielsweise die Drähte mit ausreichender Länge
und entsprechender Verlegung innerhalb des Gehäuses zu
versehen. Alternativ können beispielsweise eine oder mehrere
Stift- und Buch senleisten verwendet werden, die so bemessen und angeordnet
sind, dass sie eine thermische Ausdehnung in Richtung der Längsachse
des Gasentladungslampenbrenners der beiden Leiterplatten zulassen
und dennoch in allen Fällen eine elektrische Verbindung
gewährleisten. Hierzu sind beispielsweise die Stifte der
Stiftleiste senkrecht zur jeweiligen Leiterplattenoberfläche
angeordnet und die Einführlänge der Buchsen so
bemessen, dass sie mehr Weg für die Stifte zur Verfügung
stellen, als diese bedingt durch die thermische Ausdehnung innerhalb
der Buchsen benötigen.
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Die
Leiterplatte für die Zündelektronik 910 weist
auf der der Betriebselektronik zugewandten Seite eine elektrisch
leitende Abschirmfläche auf, um Störungen, die
durch die Hochspannung in der Zündelektronik zustande kommen,
möglichst von der Betriebselektronik fernzuhalten. Bei
einer metallischen oder Metallkernplatine ist diese Fläche
inhärent vorhanden, bei anderen Platinenmaterialien wird
vorzugsweise eine Kupferfläche oder Ähnliches
auf dieser Seite aufgebracht. Wird eine Metallkernplatine verwendet,
so kann mit dieser auch der Zündtransformator 80 gekühlt
werden, der aufgrund der Nähe zum Gasentladungslampenbrenner 50 einer
besonders hohen thermischen Belastung ausgesetzt ist. Eine elektrisch
leitende Abschirmfläche zwischen der Zündelektronik 910 und
der Betriebselektronik 920 kann alternativ auch durch ein
metallisches Blech erfolgen, das zwischen den beiden Leiterplatten
eingebracht ist und vorteilhafter Weise elektrisch leitend mit dem elektrisch
leitfähigen Gehäuse 72 verbunden ist.
Soll diese Abschirmfläche auch zur Kühlung des
Zündtransformators 80 dienen, so ist es von Vorteil,
wenn das metallische Blech auch eine gute thermische Anbindung beispielsweise
durch eine Wärmeleitfolie oder Wärmeleitpaste
an das elektrisch leitfähige Gehäuse 72 aufweist.
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Die
Leiterplatte für die Betriebselektronik 920 ist
zwischen dem Sockel 70 und der Sockelplatte 74 eingeklemmt.
Die Leiterplatte für die Betriebselektronik 920 weist
an Ihrem Umfang jeweils auf der Ober- und Unterseite eine umlaufende
Masseleiterbahn, so genannte Masseringe auf, die aufgrund von Durchkontaktierungen
elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Diese Durchkontaktierungen
werden üblicherweise als Vias bezeichnet, und sind elektrische
Kontaktierungen, die durch die Leiterplatte verlaufen. Diese Masseringe
stellen durch die Einklemmung zwischen dem Sockel 70 und
der Sockelplatte 74 einen elektrischen Kontakt zur Sockelplatte 74 her,
wodurch die Masseanbindung der Betriebselektronik 920 zum
elektrisch leitfähigem Gehäuse 72 über
die umgebördelten Laschen 722 gewährleistet ist.
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2 zeigt
eine Explosionsansicht der mechanischen Bauteile der integrierten
Gasentladungslampe 5 in der ersten Ausführungsform.
Hier ist der Sockel quadratisch, im Prinzip kann er aber auch viele
andere geeignete Formen aufweisen. Besonders günstige weitere
Ausführungsformen wären rund, sechseckig, achteckig
oder rechteckig. Zur Bestimmung der Außenkontur der Ausführungsform
wird in Gedanken ein Schnitt senkrecht zur Längsachse des Gasentladungslampenbrenners 50 durch
das die Elektronik beinhaltende Gehäuseteil durchgeführt, und
die sich ergebende Außenkontur betrachtet, wobei Rundungen
an den Gehäusekanten zu vernachlässigen sind.
Im Fall der in 1 und 2 dargestellten
ersten Ausführungsform ergeben sich abhängig davon
ob sich die gewählte Schnittfläche näher bei
der Zündelektronik 910 oder näher bei
der der Betriebselektronik 920 befindet, zwei Quadrate.
Bei der ersten Ausführungsform handelt es sich deshalb
um eine quadratische Ausführungsform. Die erste sich ergebende
Außenkontur in der Nähe der Zündelektronik 910 ist
kleiner als die zweite, was im Wesentlichen dadurch bedingt ist,
dass die Leiterplatte der Zündelektronik 920 geringere
Abmessungen besitzt als die der Betriebelektronik 910.
Dies muss jedoch nicht zwingend der Fall sein und eine Ausführungsform
in der beiden Außenkonturen die gleiche Größe besitzen
und es folglich nur eine Einzige Außenkontur gibt, ist
möglich. Auch müssen die beiden Geometrien der
Außenkonturen in den verschiedenen Bereichen nicht identisch
sein. Insbesondere eine im Bereich der Zündelektronik kleine,
runde und eine im Bereich der Betriebselektronik größere,
sechseckige Außenkontur erscheint als eine besonders vorteilhafte
Ausführungsform.
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Die
Platine für die Betriebselektronik 920 ist dabei,
wie oben schon dargelegt, zwischen den Sockel 70 und die
Sockelplatte 74 eingeklemmt. Der Dichtungsring 73 kommt
wie die Leiterplatte für die Betriebselektronik 920 zwischen
dem Sockel 70 und der Sockelplatte 74 zu liegen,
und ist außerhalb der Leiterplatte für die Betriebselektronik 920 angeordnet.
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3 zeigt
eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform der integrierten
Gasentladungslampe 5. Die zweite Ausführungsform
ist ähnlich zur ersten Ausführungsform, es werden
daher lediglich die Unterschiede zur ersten Ausführungsform
beschrieben. In der zweiten Ausführungsform sind die Zündelektronik 910 und
die Betriebselektronik 920 in einer gemeinsamen Ebene auf
einer Leiterplatte als Gesamtbetriebselektronik 930 angeordnet.
Durch diese Maßnahme kann der Sockel der erfindungsgemäßen
Gasentladungslampe 5 flacher Ausfallen, wodurch auch ein
Scheinwerfer, der diese Gasentladungslampe 5 verwendet
ebenfalls weniger Tiefe zeigt. Der Zündtransformator 80 sitzt
dabei mittig unter dem Gasentladungslampenbrenner 50. Dabei liegt
der Mittelpunkt des Zündtransformators 80 bevorzugt
in der Längsachse des Gasentladungslampenbrenners 50.
Die Stromzuführung für die sockelnahe Gasentladungslampenbrennerelektrode
ragt dabei in den mittleren Teil des Zündtransformators
hinein. Der Zündtransformator ist nicht auf der Leiterplatte
montiert, sondern sitzt mit seinem gasentladungslampenbrennerfernen
Ende in etwa auf gleicher Höhe wie die gasentladungslampenbrennerabgewandte
Seite der Leiterplatte. Die Leiterplatte der Gesamtbetriebselektronik 930 ist
dazu an dieser Stelle ausgespart, so dass der Zündtransformator 80 in
die Leiterplatte der Gesamtbetriebselektronik 930 eingesetzt
ist. Zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit
kann das Gehäuse, beispielsweise durch Stege aus Aluminiumblech
oder Mu-Metall, mit Wänden und Kammern versehen sein und hierdurch
eine elektrische, magnetische und elektromagnetische Schirmung von
unterschiedlichen Schaltungsteilen gegeneinander sowie gegen die Umgebung
erfolgen. Die Schirmung kann auch durch andere Maßnahmen
erzielt werden, insbesondere ist die Ausbildung von Kavitäten
in der Sockelplatte 74 sowie im Lampensockel 70 im
Rahmen des Spritzgussverfahrens leicht realisierbar.
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Die
verbleibenden Hohlräume innerhalb des Gehäuses
der integrierten Gasentladungslampe 5, insbesondere um
den Zündtransformator 80 und auf beiden Seiten
der Gesamtbetriebselektronik 930, sind mit Vergussmasse
ausgefüllt. Dies hat mehrere Vorteile, so werden beispielsweise
elektrische Überschläge, insbesondere durch die
vom Zündtransformator erzeugte Hochspannung, sicher verhindert, eine
gute Entwärmung der Elektronik gewährleistet, sowie
eine mechanisch sehr robuste Einheit geschaffen, die insbesondere
Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit und hohen Beschleunigungen
sehr gut widersteht. Insbesondere zur Reduktion des Gewichts kann
jedoch auch nur ein teilweiser Verguss, beispielsweise im Bereich
des Zündtransformators 80, realisiert werden.
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8 zeigt
eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
integrierten Gasentladungslampe 5. Die dritte Ausführungsform
ist ähnlich zur ersten Ausführungsform, daher
werden nur die Unterschiede zur ersten Ausführungsform
beschrieben. In der dritten Ausführungsform ist die Sockelplatte 74 auf
ihrer Außenseite mit Kühlrippen versehen. Es ist auch
denkbar, dass auch der Lampensockel 70 und das elektrisch
leitfähige Gehäuse 72 jeweils mit Kühlrippen
versehen werden. Zudem wird die Funktion der Leiterplatte der Betriebselektronik 920 ebenfalls durch
die Sockelplatte erfüllt, da diese auf ihrer Innenseite
elektrisch nicht leitende Bereiche aufweist, beispielsweise Bereiche
aus anodisch oxidiertem Aluminium, die mit leitenden Strukturen
versehen sind, beispielsweise Leiterbahnen in Dickschichttechnik,
und die mit den Bauelementen der Gesamtbetriebselektronik elektrisch
leitend, beispielsweise durch Löten, verbunden sind. Durch
diese Maßnahme wird die Betriebselektronik 920 besonders
gut gekühlt, da sie direkt auf einem Kühlkörper
aufgebracht ist. Die Kühlrippen sind vorzugsweise so ausgestaltet,
dass eine natürliche Konvektion in Einbaulage der integrierten
Gasentladungslampe 5 begünstigt wird. Soll die
integrierte Gasentladungslampe 5 in verschiedenen Einbaulagen
betrieben werden können, so kann die Kühlende
Oberfläche auch dementsprechend ausgestaltet sein und z.
B. aus runden, Hexagonalen, quadratischen oder rechteckigen Fingern
bestehen, so dass eine natürliche Konvektion in mehreren
Raumrichtungen stattfinden kann. Die Zündelektronik 910 findet
wie bei der ersten Ausführungsform auf einer darüber
liegenden Leiterplatte Platz, und ist mit der Betriebselektronik 920 durch
geeignete Maßnahmen elektrisch verbunden. Dies kann durch
Federkontakte oder Steckkontakte bewerkstelligt werden, aber auch
durch in dem Sockel verlaufende Leiterbahnen oder auf der Innenseite des
Sockels aufgeprägte Leiterbahnen, die mit der Zündelektronik 910 und
der Betriebselektronik 920 verbunden werden.
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9 zeigt
eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
integrierten Gasentladungslampe 5. Die vierte Ausführungsform
ist ähnlich zur zweiten Ausführungsform, daher
werden nur die Unterschiede zur zweiten Ausführungsform
beschrieben. In der vierten Ausführungsform wird die Sockelplatte 74 durch
eine auf der Innenseite, und damit wie im vorherigen Ausführungsbeispiel
ebenfalls einseitig, bestückte Metallkernplatine realisiert.
Die Sockelplatte 74 ist jedoch, wie auf der 4 gut
zu erkennen ist, keine Platte mehr sondern ein Sockelbecher mit hochgezogenen
Seitenwänden. Im Folgenden wird die Sockelplatte daher
aus Gründen der Übersichtlichkeit als Sockelbecher
bezeichnet. Der Sockelbecher kann ebenfalls aus einem thermisch
gut leitfähigem Material bestehen. Besonders gut geeignet
sind Metalllegierungen, die gut, z. B. durch Tiefziehen, umgeformt
werden können. Ebenfalls gut geeignet ist ein thermisch
gut leitender Kunststoff, der durch Spritzgießen in Form
gebracht werden kann. Der Sockel 70 mit dem Referenzring 702 und
den Referenznoppen 703 besteht in dieser Ausführungsform
im wesentlichen aus einer hexagonalen Platte, auf der der Brenner
gegenüber dem Referenzring justiert befestigt ist. Der
Sockelbecher beherbergt die Gesamtbetriebselektronik 930,
die auf einer eigenen Leiterplatte oder am Innenboden des Sockelbechers
Platz findet. An den Stromzuführungen 56, 57 des
Gasentladungslampenbrenners 50 sind Steckkontakte angebracht,
die beim Zusammenbau des Sockelbechers und des Sockels 70 in
entsprechende Gegenkontakte des Sockelbechers eingreifen und einen
zuverlässigen Kontakt herstellen.
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Sind
der Sockelbecher und der Sockel 70 aus Metall, so können
die beiden Teile durch Umbördeln wie bei einer Kaffeedose
oder Konservendose verbunden werden. ES können aber auch,
wie in der 9 gezeigt, lediglich mehrere
Laschen des Sockelbechers auf den Sockel aufgebördelt werden,
um eine mechanisch wie elektrisch gute Verbindung zu erzeugen. Zur
Herstellung der Verbindung können aber auch die bekannten
Löt- und Schweißverfahren verwendet werden.
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Sind
der Sockelbecher und der Sockel 70 aus Kunststoff, so kann
die Verbindung bevorzugt durch Ultraschallschweißen erfolgen.
Dies hat eine zuverlässige und feste Verbindung zur Folge,
die im Falle eines leitfähigen Kunststoffes auch eine leitfähige
Verbindung nach sich zieht. Die Verbindung kann aber ebenso durch
entsprechende Verrastungen erfolgen, dazu sind dann am Sockelbecher
beziehungsweise dem Sockel 70 entsprechende Rastnasen bzw
Vertiefungen vorzusehen.
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Im
Folgenden soll der Durchmesser (DIA) und die Höhe (HIG)
der integrierten Gasentladungslampe 5 weitgehend unabhängig
von der Geometrie definiert werden, um in Folgenden eine einfachere Beschreibung
vornehmem zu können. Unter der Höhe (HIG) der
integrierten Gasentladungslampe wird der maximale Abstand der Referenzebene,
auf die weiter unten näher eingegangen wird, zur brennerabgewandten
Außenseite der Sockelplatte (74) verstanden. Unter
dem Durchmesser (DIA) wird die längste Strecke innerhalb
der integrierten Gasentladungslampe verstanden, wobei die Stecke
innerhalb einer beliebigen Ebene liegt, wobei diese Ebene parallel
zur Referenzebene verläuft.
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Wie
in 4 gut zu sehen ist, weist der Lampensockel der
integrierten Gasentladungslampe 5 gemäß der
zweiten und der vierten Ausführungsform eine hexagonale
Form auf, die mehrere Vorteile mit sich bringt. Einerseits ist die
integrierte Gasentladungslampe 5 so gut zu greifen, um
sie an ihrem Bestimmungsort einzusetzen. Andererseits kann der Nutzen
der Leiterplatte der integrierten Gesamtbetriebselektronik 930 so
gestaltet werden, dass ein nur geringer Verschnitt auftritt und
so eine gute Kosteneffizienz möglich wird. Durch die flache
Ausgestaltung des Sockels kann ein sehr kurz bauender Scheinwerfer
gestaltet werden, was insbesondere bei modernen Kraftfahrzeugen
von Vorteil ist. Die punktsym metrische hexagonale Form genießt
alle Vorteile einer runden Form, ohne aber deren Nachteile aufzuweisen.
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Wie
in 3 und 4 dargestellt, ragen an einer
Seite des Sockels 70 der Lampe Kontakte 210, 220 radial
zur Längsachse des Gasentladungslampenbrenners 50 aus
dem Sockel heraus. Sie dienen der elektrischen Kontaktierung der
integrierten Gasentladungslampe 5 mit einem Scheinwerfer.
Diese Kontakte werden bei der Herstellung des Lampensockels 70 in
Rahmen eines Kunststoff-Spritzguss-Verfahrens umspritzt. Dies hat
den Vorteil, dass kein besonders Steckersystem erforderlich ist,
aber dennoch die Wasser- und luftdichte Kapselung, wie sie bereits
weiter oben beschrieben wurde, gewährleistet werden kann.
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Scheinwerferschnittstelle
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Das
Zusammenspiel zwischen integrierter Gasentladungslampe 5 und
Scheinwerfer 3 ist in 5 gezeigt.
Die Gasentladungslampe 5 in der zweiten Ausführungsform
besitzt eine spezielle elektrische Schnittstelle, über
die sie mit elektrischer Leistung versorgt wird. Die elektrische
Schnittstelle ist derart ausgebildet, dass beim Einsetzen der Gasentladungslampe 5 in
einen Scheinwerfer 3 diese nicht nur mechanisch mit dem
Scheinwerfer 3 verbunden wird, sondern auch gleichzeitig
elektrisch. Eine ähnlich aufgebaute Schnittstelle wird
auch in modernen Halogenglühlampen für Automobilscheinwerfer
verwendet und z. B. von der Fa. Osram unter dem Namen „Snap
Lite” vertrieben. Wird die integrierte Gasentladungslampe 5 also
in einen Reflektor oder Scheinwerfer eingesetzt, so werden beim
Vorgang des Einsetzens alle für den ordnungsgemäßen Betrieb
benötigten mechanischen und elektrischen Kontakte mit ihren
im Scheinwerfer 3 vorhandenen entsprechenden Gegenkontakten
verbunden. Der Sockel 70 weist an seiner Schnittstelle
zum Scheinwerfer 3 aus einem Referenzring 702 heraustretende Noppen 703 auf,
die eine Referenzebene definieren. Eine Detaildarstellung ist in 7 gezeigt.
Diese drei Noppen liegen beim Einsetzen der integrierten Gasentladungslampe 5 am
entsprechenden Gegenstück des Scheinwerfers 3 an.
Die Elektroden beziehungsweise der Entladungsbogen des Gasentladungslampenbrenners 50 werden
im Fertigungsprozess der integrierten Gasentladungslampe 5 gegenüber
der Referenzebene justiert. Dadurch nimmt der Lichtbogen der integrierten
Gasentladungslampe 5 im Reflektor bei ihrem Einsetzen in
den Scheinwerfer eine definierte Position ein, die eine präzise
optische Abbildung ermöglicht. Das Einsetzen in den Scheinwerfer erfolgt
in der zweiten Ausführungsform nach 3 & 4 durch
ein Hindurchstecken der vom Referenzring lateral abstehenden Laschen 704 durch
den Reflektorboden eines Reflektors 33 des Scheinwerfers 3.
Danach erfolgt eine Drehung der integrierte Gasentladungslampe 5 relativ
zum Reflektor 33, woraufhin die Noppen 703, die
an der sockelseitigen Fläche der Laschen 704 angebracht
sind, die integrierte Gasentladungslampe nach innen ziehen und am Ende
der Drehung in dafür vorgesehene Referenzflächen
am Reflektorgrund einrasten. Der Dichtungsring 71 wird
dabei zusammengepresst und hält das System so auf Spannung,
dass die Noppen 703 gegen die im Reflektorgrund befindlichen
Referenzflächen gedrückt werden. Damit ist die
Lage der integrierten Gasentladungslampe 5 und damit des
Entladungsbogens des Gasentladungslampenbrenners 50 gegenüber
dem Reflektor 33 präzise justiert und fixiert.
Die hohe Wiederholgenauigkeit der mechanischen Positionierung von
typischerweise besser als 0,1 mm in allen drei Raumrichtungen der
beschriebenen Scheinwerferschnittstelle ermöglicht die
Realisierung eines optisch hervorragenden Scheinwerfersystems. Ein
solches Scheinwerfersystem kann insbesondere in einem Kraftfahrzeug
Anwendung finden, nachdem es sich in der entsprechenden Ausgestaltung
durch eine ausgeprägte und wohl definierte Hell-Dunkel-Grenze
auszeichnet.
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Ein
geeigneter Scheinwerfer 3 weist hierzu ein Lichtlenkmittel
in Form eines Reflektors 33, eine Aufnahme für
die integrierte Gasentladungslampe 5, und ein Trägerteil 35 auf,
wobei auf dem Trägerteil ein mit Gegenkontakten für
die elektrischen Kontakte 210, 220, 230, 240 der
integrierten Gasentladungslampe 5 versehenes Anschlusselement
angeordnet ist. Die elektrischen Kontakte 210, 220, 230, 240 der integrierten
Gasentladungslampe 5 ragen radial zur Längsachse
des Gasentladungslampenbrenners 50 aus dem Lampensockel 70 heraus.
Sie dienen der Versorgung der Gesamtbetriebselektronik 930 mit elektrischer
Energie. Nach der Montage der integrierten Gasentladungslampe 5 im
Scheinwerfer durch einen Montagevorgang, der im Wesentlichen auf
einer Steckbewegung gefolgt von einer Rechts-Drehbewegung beruht,
sind ihre Kontakte 210, 220, 230, 240 in den
Schlitzen 351, 352 des Anschlusselements 35 angeordnet,
wie in der Detailzeichnung in 6 zu sehen
ist. Bei diesen Schlitzen 351, 352 handelt es sich
um die Schlitze für die elektrischen Gegenkontakte 350 zu
den Kontakten 210, 220, 230, 240 der
integrierten Gasentladungslampe 5. Dadurch entfallen die
mit Anschlusskabeln versehenen Stecker zur Kontaktierung der integrierten
Gasentladungslampe 5 im Scheinwerfer gemäß dem
Stand der Technik. Insbesondere werden die elektrischen Kontakte
der integrierten Gasentladungslampe 5 beim Einsetzen in
den Scheinwerfer unmittelbar mit ihren Gegenkontakten 350 des
Anschlusselements auf dem Trägerteil 35 kontaktiert.
Dadurch wird die mechanische Belastung der elektrischen Anschlüsse
durch frei schwingende Kabel reduziert. Ferner wird die Anzahl der
benötigten Anschlusskabel pro Scheinwerfer verringert und
damit auch die Verwechslungsgefahr während der Fertigung
reduziert. Zusätzlich ermöglicht diese Maßnahme
auch einen höheren Automatisierungsgrad bei der Fertigung
des Scheinwerfers, da weniger Kabel von Hand montiert werden müssen.
Anstatt wie bisher gemäß dem Stand der Technik
alle Lichtquellen im Scheinwerfer mittels einem auf den Lampensockel
aufgesteckten und einem Anschlusskabel versehenen Stecker mit Energie
zu versorgen, genügt es, beim erfindungsgemäßen
Scheinwerfer, vorhandene elektrische Versorgungskontakte des Scheinwerfers
an die Bordnetzspannung anzuschließen, um die integrierte
Gasentladungslampe 5 mit Energie zu versorgen. Die Versorgung
der im Scheinwerfer vorhandenen Lampen durch die Versorgungskontakte
des Scheinwerfers ist durch eine feste Verdrahtung im Scheinwerfer
gegeben. Dadurch wird die Verkabelung des Scheinwerfers 3 bzw. der
integrierten Gasentladungslampe 5 erheblich vereinfacht.
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Eine
andere Variante der mechanischen Justierung zeigt die erste Ausführungsform
der Lampe in den 1 & 2. Hier
sind die Noppen 703 an der dem Gasentladungslampenbrenner 50 zugewandten Seite
des Referenzringes 702 angeordnet. In dieser Variante kommen
die Noppen 703 auf entsprechenden Gegenflächen
an der Rückseite des Reflek tors zu liegen, um dadurch die
Lage der integrierten Gasentladungslampe 5 gegenüber
dem Reflektor 33 zu definieren. Die integrierte Gasentladungslampe 5 wird
dabei von hinten an die Referenzflächen des Reflektors 33 gepresst.
Diese Variante birgt den Nachteil, dass die Lage zwischen der optisch
wirksamen Reflektorinnenseite und den Referenzflächen an
der Rückseite des Reflektors sehr genau toleriert sein muss,
um eine präzise optische Abbildung zu erreichen.
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Das
System der Scheinwerferschnittstelle der zweiten Ausführungsform
ist ebenfalls geeignet, in modernen Bus-Systemen eine weiter vereinfachte Verkabelung
zu realisieren. So besitzt die integrierte Gasentladungslampe 5 neben
den beiden elektrischen Kontakten 210, 220 weitere
Kontakte 230, 240, über die eine Kommunikation
mit der Bordelektronik des Kraftfahrzeugs erfolgt. Das Anschlusselement 35 besitzt
zwei Schlitze 351, 352 mit entsprechend je 2 Gegenkontakten.
In einem weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel
sind nur drei elektrische Kontakte an der Lampe vorhanden, zwei
die im Wesentlichen zur Zuführung der elektrischen Lampenleistung
dienen, und ein Logik-Eingang, auch als Remote-Enable-Pin bezeichnet,
mit dessen Hilfe die Lampe durch die Bordelektronik des Kraftfahrzeugs
nahezu leistungslos ein- und ausgeschaltet werden kann.
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Diese „Snap
Lite”-Schnittstelle weist neben dem Vorteil dass ein vertauschen
von elektrischen Anschlüssen ausgeschlossen ist noch einen
weiteren Vorteil auf: Dadurch, dass die Lampe erst dann mit Leistung
versorgt wird wenn sie sich an ihrem bestimmungsgemäßen
Platz im Scheinwerfer befindet, kann die dem Sockel abgewandte Stromzuführung 57 des
Gasentladungslampenbrenners 50 nur dann berührt
werden, wenn die integrierte Gasentladungslampe 5 sicher
außer Betrieb ist. Die Sicherheit im Umgang mit solch einer
Hochdruckentladungslampe wird dadurch drastisch erhöht.
Durch die einfache Installation der integrierten Gasentladungslampe 5 im Scheinwerfer 3 wird
der Endkunde in die Lage versetzt, eine solche Lampe zu ersetzen.
Dadurch ist die integrierte Gasentladungslampe 5 für
den Endkunden kostengünstiger, da zum Lampenwechsel keine Werkstatt
aufgesucht werden muss.
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Durch
das Einsetzen der integrierten Gasentladungslampe 5 in
den Reflektor 33 wird zudem die Masseanbindung der Lampe
mit dem Scheinwerfergehäuse realisiert. Dies kann beispielsweise
durch am Reflektor 33 befestigte und mit dem Massepotenzial
des Fahrzeugs verbundene Federblechstreifen realisiert werden. Beim
Einsetzen der Lampe in den Schweinwerfer berühren die Federblechstreifen
die elektrisch leitende Gehäuseoberfläche der
integrierten Gasentladungslampe 5 und stellen eine elektrische
Verbindung zwischen der Fahrzeugmasse und der internen Masse bzw.
dem Masseschirm der integrierten Gasentladungslampe her. Diese Kontaktierung
kann beispielsweise an der Seitenwand oder an der Stirnseite des
Gehäuses 72 erfolgen. Im vorliegenden Falle erfolgt
die Masseanbindung mittels des Dichtringes 71, der leitfähig
ist. Ist die Gehäuseoberfläche nicht oder nicht
vollständig elektrisch leitfähig, erfolgt die
Kontaktierung der Federblechstreifen an einer Kontaktfläche
auf der Gehäuseoberfläche der integrierten Gasentladungslampe.
Diese Kontaktfläche oder diese Kontaktflächen
weisen eine elektrisch leitende Verbindung zur internen Masse bzw.
dem Masseschirm der integrierten Gasentladungslampe auf.
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Zündtransformator
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Im
Folgenden wird nun die Konstruktion des Zündtransformators 80 der
integrierten Gasentladungslampe 5 erklärt. 10 zeigt
eine perspektivische Ansicht des Zündtransformators 80 in
einer ersten Ausführungsform, in der der Zündtransformator 80 eine
quadratische flache Form hat. Es sind jedoch auch andere Ausführungsformen
denkbar, in denen der Zündtransformator 80 eine
runde, sechseckige, achteckige oder eine andere geeignete Form haben kann.
Weitere Ausführungsformen werden weiter unten beschrieben.
Unter der Form wird hierbei die Form der Grundfläche der
im Wesentlichen prismatischen Außenabmessungen des Zündtransformators verstanden,
wobei die Rundungen an den Körperkanten vernachlässigt
werden. In der hier dargestellten besonders vorteilhaften Ausführungsform
besitzt das Prisma eine geringe Höhe, insbesondere eine Höhe
die kleiner als 1/3 der Diagonalen bzw. dem Durchmesser der die
Grundfläche bildenden Geometrie ist.
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Der
Zündtransformator 80 weist einen Ferritkern 81 auf,
der aus einer ersten Ferritkernhälfte 811 und
einer identischen zweiten Ferritkernhälfte 812 zusammengesetzt
ist. Der Zündtransformator 80 weist an den Seiten
mehrere nach außen weisende Laschen 868, 869 auf,
die der mechanischen Befestigung des Zündtransformators 80 dienen.
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11 zeigt
eine perspektivische Ansicht des oberen Teils des Zündtransformators,
bei der die Primärwicklung und die zweite Ferritkernhälfte 812 nicht
sicht bar sind. Die erste Ferritkernhälfte 811 ist aus
einer quadratischen Seitenwand 8112 aufgebaut, aus der
mittig nach innen ein halber Hohlzylinder 8110 herausragt.
Die Innenseite der quadratischen Seitenwand 8112 weist
von außen nach innen verlaufende längliche Vertiefungen 81121 auf
der der Wicklung zugewandten Seite auf. Durch diese Vertiefungen
kann ein Tränklack oder eine Vergussmasse, in den oder
die der Zündtransformator 80 nach Komplettierung
zur Hochspannungsisolierung eingebracht wird, von außen
nach innen in den Zündtransformator 80 eindringen,
um alle Windungen des Zündtransformators 80 gleichmäßig
zu benetzen.
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Am äußeren
Rand zwischen den beiden Ferritkernhälften 811, 812 sitzt
eine Primärwicklung 86, die aus einem aus Blech
geformten Stanzbiegeteil besteht. Das Blech ist vorzugsweise aus
einem Buntmetall wie Kupfer, Bronze oder Messing gefertigt. Das
Blech ist dabei bevorzugt elastisch verformbar und federnd. Die
Primärwicklung 86 ist im Wesentlichen ein langes
Band, das außen zwischen beiden Ferritkernhälften 811 und 812 verläuft.
Die Primärwicklung 86 geht in einer ersten Variante
mit nur einer Windung über 3 Ecken des Zündtransformators 80, die
vierte Ecke ist offen. Das Blechband der Primärwicklung 86 ist
also eine dreiviertel Windung um die Außenkontur des Zündtransformators
herumgelegt und endet jeweils ein Stückchen vor der vierten
Ecke. Das Blechband der Primärwicklung 86 weist
die oben schon erwähnten Laschen 866, 867, 868 und 869 auf,
die in lateraler Richtung des Blechbandes angebracht sind. Die vier
Laschen dienen der mechanischen Befestigung des Zündtransformators 80,
dazu können sie z. B. auf eine Platine der Zündelektronik 910 als
flache SMD-Lasche oder Lötfahne aufgelötet werden.
Die Laschen können aber auch eine weitere 90°-Biegung
aufweisen, wobei die Laschen dann durch die Platine der Zündelektronik 910 hindurch gesteckt
werden, und auf der anderen Seite verclincht, verdreht oder verlötet
werden, wie dies in 12 gezeigt ist. Die beiden
Enden des Blechbandes der Primärwicklung 86 sind
mit einem Radius um etwa 180° nach Außen umgebogen,
so dass die Enden wieder von der vierten Ecke weg weisen. In 12 sind die beiden Enden um ca. 90° nach
Außen gebogen und die Radien mit 8620 beziehungsweise 8640 gekennzeichnet.
Am äußeren Ende des Blechbandes ist je eine lateral
abstehende Lasche 862, 864 angebracht, die der
elektrischen Kontaktierung dient. In 12 ist
eine alternative Ausführungsform der beiden Laschen 862, 864 gezeigt. Durch
die weiche Anbindung mittels des 180° Radius der beiden
Radien 8620 beziehungsweise 8640 werden Spannungen
in der Verbindung zwischen Primärwicklung und Platine,
die durch Temperaturschwankungen entstehen können, aufgefangen.
Die Laschen werden bevorzugt wie ein SMD-Bauelement auf die Platine
der Zündelektronik 910 aufgelötet. Durch
die zuvor beschriebene 180° Biegung des Blechbandes wird
die Lötstelle nicht mit den beschriebenen mechanischen
Spannungen belastet, und die Bruch- und Ermüdungsgefahr
der Lötstelle ist sehr stark vermindert. Die alternative
Ausführungsform der Laschen 862, 864 hat
einen weiteren 270° Radius in der Lasche selbst, der die
mechanischen Spannungen im zusammengebauten Zustand weiter vermindert.
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In
der Mitte des hohlzylindrischen inneren Teils des Ferritkerns ist
ein Kontaktkörper 85 eingebracht, der den elektrischen
Kontakt zwischen dem Gasentladungslampenbrenner 50 und
dem inneren Ende der Sekundärwicklung 87 (nicht
gezeigt) herstellt. Der Kontaktkörper 85 besteht
aus einem gebogenen Blechteil, welches mit der sockelnahen Stromzuführung 56 des
Gasentladungslampenbrenners 50 verbunden ist. Der Kontaktkörper 85 weist
an seinem brennerfernen Ende zwei Dachflächen zum Kontaktieren
der Hochdruckentladungslampenelektrode auf. Bevorzugt weist der
Kontaktkörper 85 an zwei gegenüberliegenden
Seiten des brennerfernen Endes zwei Dachflächen 851 und 852 auf,
die satteldachförmig gegeneinander geneigt sind, und an
den Enden, an denen sich die beiden Dachflächen berühren
so ausgeformt sind, dass ein Stromzuführungsdraht 56 des
Hochdruckgasentladungslampenbrenners 50 zentriert geklemmt
wird. Dazu sind die beiden Dachflächen 851 und 852 an
den Enden, an denen sich die beiden Dachflächen 851, 852 berühren, mit
einer V-förmigen Kontur versehen. Die Kontur kann aber
ebenso rund oder in einer anderen geeigneten Weise ausgearbeitet
sein. Zur Montage wird der Stromzuführungsdraht 56 durch
den Kontaktkörper 85 hindurch gesteckt, auf einen
vorbestimmten Überstand abgelängt, und dann bevorzugterweise mittels
Laser mit dem Kontaktkörper 85 verschweißt.
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12 zeigt eine perspektivische Ansicht des unteren
Teils des Zündtransformators. Die Figur zeigt unter anderem
die zweite Ferritkernhälfte 812, die identisch
zur ersten Ferritkernhälfte 811 geformt ist. Auch
sie ist aus einer quadratischen Seitenwand 8122 aufgebaut,
aus der mittig nach innen ein halber Hohlzylinder 8120 herausragt.
Die Innenseite der quadratischen Seitenwand 8122 weist
von außen nach innen verlaufende längli che Vertiefungen 81221 auf.
In der Figur ist die brennernahe Seite des Kontaktkörpers 85,
mit seiner hexagonalen offenen Form, und dem hindurchlaufenden Stromzuführungsdraht 56 sichtbar.
Werden die beiden Hälften zusammengesetzt, entsteht innen
ein Hohlzylinder, in den der Kontaktkörper eingebracht
ist. Der Ferritkern 81 besitzt nach dem Zusammensetzen
die Form einer Tonband- oder Filmspule, nur dass die Außenkontur nicht
rund ist, sondern quadratisch mit abgerundeten Ecken.
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An
der ersten Ecke weist der Zündtransformator einen ersten
Rückschlussferrit 814 auf. Die zweite sowie dritte
Ecke ist ebenfalls mit einem zweiten Rückschlussferrit 815 sowie
dritten Rückschlussferrit 816 versehen. Die drei
Rückschlussferrite werden von der Primärwicklung 86 gehalten.
Dazu weist das Blechband der Primärwicklung 86 an
den drei Ecken zylinderförmige, nach innen weisende Rundungen 861, 863 und 865 auf,
in die die Rückschlussferrite 814–816 eingeklemmt
sind. Durch das federnd elastisch verformbare Material bleiben die
drei Rückschlussferrite 814–816 während
der Produktion sicher an ihrem Platz. Die Rückschlussferrite
stellen den magnetischen Rückschluss des Zündtransformators 80 dar,
durch den die magnetischen Feldlinien im Magnetmaterial gehalten
werden, und somit keine Störungen außerhalb des
Zündtransformators verursachen können. Dies erhöht
zudem die Effizienz des Zündtransformators, insbesondere
auch die Höhe der erreichbaren Zündspannung, deutlich.
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13 zeigt eine perspektivische Ansicht des unteren
Teils des Zündtransformators 80 mit sichtbarer
Sekundärwicklung 87, wie sie in die zweite Ferritkernhälfte 812 des
Zündtransformators 80 eingelegt ist. Die Sekun därwicklung
besteht aus einem isolierten Metallband, das wie ein Film mit einer
vorbestimmten Windungszahl auf den filmspulenförmigen Ferritkern
aufgewickelt wird, wobei das hochspannungsführende Ende
innen zu liegen kommt, durch den Mittelkern des filmspulenförmigen
Ferritkerns hindurchgeführt ist und elektrisch leitend
mit dem Kontaktkörper 85 verbunden wird. Die Isolation kann
allseitig auf das Metallband aufgebracht sein, sie kann aber auch
aus einer isolierenden Folie bestehen, die mit dem Metallband zusammen
aufgewickelt wird. Die isolierende Folie ist dabei vorzugsweise
breiter als das Metallband, um einen ausreichenden Isolationsabstand
zu gewährleisten. Die Metallfolie ist dabei so mit der
isolierenden Folie aufgewickelt, dass sie in der Mitte der isolierenden
Folie zum liegen kommt. Dadurch entsteht im Wickelkörper
ein spiralförmiger Spalt, der nach dem Tränken
beziehungsweise Vergießen mit dem Tränklack beziehungsweise
der Vergussmasse gefüllt ist und so eine exzellente Isolierung
der Sekundärwicklung 87 bewirkt.
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Die
Sekundärwicklung 87 ist an ihrem inneren hochspannungsführenden
Ende 871 mit dem Kontaktkörper 85 verbunden.
Das äußere niederspannungsführende Ende 872 der
Sekundärwicklung 87 ist mit der Primärwicklung 86 verbunden.
Die Verbindungen können durch Löten, Schweißen
oder eine andere geeignete Verbindungsart hergestellt werden. In
der vorliegenden Ausführungsform werden die Verbindungen
lasergeschweißt. Dazu werden pro Ende vorzugsweise zwei
Schweißpunkte appliziert, die die beiden Teile sicher und
elektrisch leitend miteinander verbinden. Das innere Ende 871 der
Sekundärwicklung 87 geht dabei durch die beiden
Hohlzylinderhälften 8110, 8120 des Ferritkerns 81 hindurch,
und wird von ihnen beklemmt. Das äußere Ende 872 der
Sekundärwicklung 87 ist dabei so mit dem Ende
der Primärwicklung 86 verbunden, dass der Wickelsinn
der Sekundärwicklung 87 dem Wickelsinn der Primärwicklung 86 entgegen
gerichtet ist. Je nach Anforderung kann das äußere
Ende der Sekundärwicklung 87 aber auch mit dem
anderen Ende der Primärwicklung 86 verbunden werden,
so dass der Wickelsinn der Primär- und der Sekundärwicklung
gleich ist.
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Im
Folgenden soll der Durchmesser und die Höhe des Zündtransformators 80 welcher
in der der integrierten Gasentladungslampe 5 untergebracht ist,
weitgehend unabhängig von seiner Geometrie und basierend
auf den Abmessungen des Ferritkerns definiert werden, um in Folgenden
eine einfachere Beschreibung vornehmem zu können. Unter
der Höhe des Zündtransformators wird der Abstand
zwischen den beiden jeweils wicklungsfernen Außenflächen
der beiden Seitenwände verstanden, was näherungsweise
der Summe der doppelten Dicke einer Seitenwand sowie der Wicklungsbreite
entspricht. Unter dem Durchmesser des Zündtransformators 80 wird
im Folgenden unabhängig von der Form der Seitenwände
die längste Strecke innerhalb einer der beiden Seitenwände
verstanden, wobei die Stecke innerhalb einer beliebigen Ebene liegt,
wobei diese Ebene parallel zur Außenfläche der
jeweiligen Seitenwand verläuft.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführung besitzt der Ferritkern
des Zündtransformators eine Höhe von 8 mm und
einen Durchmesser von 26 mm. Dabei besitzen die Seitenwände
mit einem Durchmesser von 26 mm und eine Dicke von 2 mm und der Mittelkern
einen Durchmesser von 11,5 mm bei einer Höhe von 6 mm.
Die Sekundärwicklung besteht aus einer Kaptonfolie mit
55 μm Dicke auf die eine 35 μm Dicke Kupferschicht
aufgebracht wurde. In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführung
wird die Sekundärwicklung aus zwei getrennten, über
einander gelegten Folien gewickelte, wobei eine 55 μm dicke
Kupferfolie und eine 35 μm dicke Kaptonfolie verwendet
wird.
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14 zeigt eine Explosionsansicht des Zündtransformators 80 in
einer zweiten Ausführungsform. Da die zweite Ausführungsform ähnlich
zur ersten Ausführungsform des Zündtransformators 80 ist, werden
im Folgenden lediglich die Unterschiede zur ersten Ausführungsform
beschrieben. Der Zündtransformator 80 in der zweiten
Ausführungsform hat eine runde Form, ähnlich wie
bei einer Filmspule. Durch die runde Form entfallen die Rückschlussferrite 814–816,
und die Primärwicklung 86 weist eine einfachere
Form auf. Die Lateral abstehenden Laschen für die mechanische
Befestigung des Transformators sind hier als SMD-Laschen ausgeführt,
die eine 270°-Biegung aufweisen, um die Lötstellen
vor zu großen mechanischen Spannungen zu schützen. Die
beiden Laschen 862, 864 zur elektrischen Kontaktierung
sind in gleicher Weise ausgeführt und radial am Umfang
des Zündtransformators 80 angeordnet. Der Ferritkern 82 der
zweiten Ausführungsform ist dreiteilig ausgeführt,
er weist einen hohlzylinderförmigen Mittelkern 821 auf,
der an seinen beiden Enden von runden Platten 822 abgeschlossen
wird. Die runden Platten 822 kommen zentrisch auf dem Hohlzylinder 821 zu
liegen, somit ergibt sich die oben beschriebene Filmspulenform.
Der Hohlzylinder weist einen Schlitz 823 auf (in der Fig.
nicht zu sehen), um das Innere Ende der Sekun därwicklung 87 ins
Innere des Hohlzylinders hindurchführen zu können.
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15 zeigt eine Schnittansicht der zweiten Ausführungsform
des Zündtransformators 80. Hier ist der Aufbau
des Ferritkerns 81 gut nachzuvollziehen. In dieser Ansicht
ist auch der Schlitz 823 zu erkennen, durch den das innere
Ende der Sekundärwicklung 87 hindurchgeführt
wird.
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16 zeigt eine Explosionsansicht des Zündtransformators
in einer dritten runden Ausführungsform mit zweiwindiger
Primärwicklung. Da die dritte Ausführungsform
sehr ähnlich zur zweiten Ausführungsform des Zündtransformators 80 ist,
werden im Folgenden lediglich die Unterschiede zur zweiten Ausführungsform
beschrieben. In der dritten Ausführungsform weist der Zündtransformator 80 eine
Primärwicklung mit zwei Windungen auf. Das Metallband der
Primärwicklung 86 geht also knapp zwei mal um
den Zündtransformator herum. An den beiden Enden sind wiederum
Laschen zur elektrischen Kontaktierung des Zündtransformators 80 angebracht,
die als SMD-Variante ausgeführt sind. Die Laschen zur mechanischen
Befestigung des Zündtransformators 80 fehlen in
dieser Ausführungsform, der Zündtransformator 80 muss
also anderweitig mechanisch fixiert werden. Dies kann zum Beispiel durch
eine Einklemmung des Zündtransformators 80 bewerkstelligt
werden, wie dies in 3 angedeutet ist. Der Zündtransformator 80 ist
hier zwischen den Sockel 70 und die – sockelplatte 74 geklemmt.
Die Sockelplatte 74 weist hierzu einen Sockelplattendom 741 auf,
eine Erhöhung auf der Sockelplatte, die den Zündtransformator 80 im
eingebauten Zustand beklemmt. Der Vorteil dieser Bauweise ist die
gute Entwärmung des Zündtransformators 80.
Dieser kann im Betrieb sehr heiß werden, da er sehr nahe
am Gasentladungslampenbrenner 50 der integrierten Gasentladungslampe 5 sitzt.
Durch die thermisch gut leitfähige Sockelplatte 74 kann
ein Teil der Wärme, die vom Gasentladungslampenbrenner 50 in
den Zündtransformator 80 eingebracht wird, wieder
abgeführt werden und der Zündtransformator 80 wirksam
gekühlt werden.
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17 zeigt eine Schnittansicht des Zündtransformators 80 in
einer dritten runden Ausführungsform mit zweiwindiger Primärwicklung.
Diese Schnittansicht zeigt wiederum sehr gut den Kernaufbau des
Ferritkerns 82. Der Ferritkern 82 ist wie in der
zweiten Ausführungsform aus drei Teilen aufgebaut, aus
einem Mittelkern 824 und zwei Platten 825, 826.
Der Mittelkern 824 ist ebenfalls Hohlzylindrisch und weist
an einem Ende einen Absatz 827 auf, der in einen runden
Ausschnitt der ersten Platte 825 eingreift und diese auf
dem Mittelkern 824 fixiert. Eine zweite Platte 826 weist
ebenfalls einen runden Ausschnitt auf, dessen Innenradius dem Außenradius des
Mittelkerns 824 entspricht. Diese Platte wird nach der
Montage der Sekundär- und der Primärwicklung auf
dem Mittelkern aufgesteckt und dadurch fixiert. Die Platte wird
soweit aufgesteckt, bis sie auf der Sekundärwicklung zu
liegen kommt, um einen möglichst guten magnetischen Fluss
im Zündtransformator 80 zu erreichen.
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Asymmetrischer Zündpuls
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Im
Folgenden wird die Arbeitsweise des Zündgerätes
der integrierten Gasentladungslampe 5 erklärt.
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18a zeigt das schematische Schaltbild eines unsymmetrischen
Impulszündgerätes nach dem Stand der Technik.
Beim unsymmetrischen Zündgerät ist der Zündtransformator
TIP in eine der Zuleitungen des Gasentladungslampenbrenners 50, der
hier als Ersatzschaltbild dargestellt ist, geschaltet. Dies hat
einen Zündpuls zur Folge, der vom Massebezugspotential,
das meistens mit der anderen Zuleitung des Gasentladungslampenbrenners
verbunden ist, nur in eine „Richtung” eine Spannung
erzeugt; es wird also entweder ein gegenüber dem Massebezugspotential
positiver Spannungspuls oder ein gegenüber dem Massebezugspotential
negativer Spannungspuls erzeugt. Die Funktionsweise eines unsymmetrischen
Impulszündgerätes ist weithin bekannt und soll
hier nicht weiter erläutert werden. Die unsymmetrische
Spannung ist für einseitig gesockelte Lampen gut geeignet,
da die Zündspannung lediglich an einer der beiden Gasentladungslampenbrennerelektroden
anliegt. Hierfür wird regelmäßig die
sockelnahe Elektrode gewählt, da sie nicht berührbar
ist und somit bei einer unsachgemäßen Nutzung
kein Gefährdungspotential für den Menschen darstellt. Am üblicherweise
offen geführten Rückleiter liegt keine für
den Menschen gefährliche Spannung an, somit gewährleistet
eine mit einem unsymmetrischen Zündgerät betriebene
Lampe eine gewisse Sicherheit. Das unsymmetrische Zündgerät
weist jedoch den Nachteil auf, die komplette Zündspannung
an eine Gasentladungslampenelektrode anzulegen. Damit steigen die
Verluste durch Koronaentladungen und andere durch die Hochspannung
bedingten Effekte. Dies bedeutet, dass nur ein Teil der erzeugten Zündspannung
wirklich am Gasentladungslampenbrenner 50 anliegt. Es muss
somit eine höhere Zündspannung erzeugt werden
als notwendig, was aufwendig und teuer ist.
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18b zeigt das schematische Schaltbild eines symmetrischen
Impulszündgerätes nach dem Stand der Technik.
Das symmetrische Impulszündgerät weist einen Zündtransformator
TIP auf, der zwei Sekundärwicklungen
besitzt, die zusammen mit der Primärwicklung magnetisch
gekoppelt sind. Die beiden Sekundärwicklungen sind so orientiert,
dass sich die erzeugte Spannung beider Sekundärwicklungen an
der Lampe aufaddiert. Damit ist die Spannung in etwa hälftig
auf die beiden Gasentladungslampenelektroden verteilt.
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Wie
oben schon erwähnt, verringern sich damit die Verluste
durch Koronaentladungen und andere parasitäre Effekte.
Die Ursache für die i. A. höhere Zündspannung
bei der symmetrischen Impulszündung wird erst bei einer
näheren Betrachtung der parasitären Kapazitäten
ersichtlich. Dazu wird das Lampenersatzschaltbild des Gasentladungslampenbrenners 50 in 18b betrachtet. Ein großer, wenn nicht sogar
der größte Anteil der parasitären Lampenkapazität
CLa wird nicht durch die Lampe selbst, sondern durch
die Verbindung zwischen Lampe und Zündeinheit verursacht,
beispielsweise durch die Lampenleitungen. Diese besitzen jedoch
nicht nur parasitäre Kapazitäten von Leiter zu
Leiter, sondern auch zwischen Leiter und Umgebung. Geht man vereinfachend
von einer Beschreibung mit konzentrierten Energiespeichern aus,
lassen sich die parasitären Kapazitäten zwischen
den beiden Leitern bzw. den beiden Gasentladungslampenelektrode
zu CLa,2 zusammenfassen, wie in 18b gezeigt. Die jeweils zwischen Leiter und Umgebung
vorhandenen parasitären Kapazitäten werden durch
CLa,1 bzw. CLa,3 modelliert.
Im Folgenden wird das Potential der Umgebung, beispielsweise des
Gehäuses, als räumlich konstant angesehen und
durch das Erdungssymbol dargestellt, auch wenn dies nicht mit dem
PE bzw. PEN im Sinne eines Niederspannungsnetzes übereinstimmen
muss. Darüber hinaus soll von einem symmetrischen Aufbau
und damit von CLa,1 = CLa,3 ausgegangen
werden. Die parasitäre Lampenkapazität ergibt sich
nach dem erweiterten Ersatzschaltbild zu CLa,2 + 1/2
CLa,1.
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Der
Unterschied zwischen der unsymmetrischen Impulszündung
und der symmetrischen Impulszündung wird deutlich, wenn
man berücksichtigt, dass auch der Wandler sowie die Zündeinheit
parasitäre Kapazitäten gegenüber der
Umgebung aufweisen. Diese werden teilweise absichtlich erhöht
(z. B. Netzfilter) und sind im Allgemeinen wesentlich größer als
die oben betrachteten parasitären Kapazitäten der
Lampe gegenüber der Umgebung, und daher kann vereinfachend
für die Betrachtung der Zündung von einer auf
Umgebungspotential befindlichen Elektronik ausgegangen werden. Unter
Vernachlässigung der Spannung UW sind damit im Fall der
unsymmetrischen Zündung CLa,1 und
CLa,2 auf die Zündspannung aufzuladen,
wohingegen bei der symmetrischen Zündung CLa,2 auf
die Zündspannung und CLa,1 sowie
CLa,3 jeweils auf die halbe Zündspannung
aufzuladen sind. Unter der Annahme eines symmetrischen Aufbaus,
d. h. CLa,1 = CLa,3,
ist damit für die Aufladung der parasitären Kapazitäten
bei der symmetrischen Impulszündung weniger Energie erforderlich als
für die unsymmetrische Variante. Im Extremfall CLa,1 = CLa,3 >> CLa,2 hat die
Zündeinheit nach 18a,
verglichen mit der nach 18b,
nahezu die doppelte Energie bereit zu stellen.
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Ein
weiterer Vorteil der symmetrischen Zündung liegt in der
geringeren erforderlichen Isolationsfestigkeit gegenüber
der Umgebung, da die auftretenden Spannungen UIsol,1 und
UIsol,2 nur den halben Wert im Vergleich
zur Spannung UIsol im Fall der unsymmetrischen
Zündung aufweisen. Dies zeigt zugleich den Nachteil der
symmetrischen Impulszündung und den Grund dafür,
weshalb sie häufig nicht eingesetzt werden kann: Im Fall
der symmetrischen Zündung führen beide Lampenanschlüsse
Hochspannung, was oftmals aus Sicherheitsgründen unzulässig
ist, da bei vielen Lampen- bzw. Sockelkonstruktionen einer der beiden
Lampenanschlüsse, üblicherweise der Lampenferne,
der dann als „Lampenrückleiter” bezeichnet
wird, berührt werden kann.
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Dies
zeigt, dass das symmetrische Zündverfahren optimal für
zweiseitig gesockelte Gasentladungslampen geeignet ist, die schon
vom mechanischen Aufbau her symmetrisch ausgelegt sind. Bei einer
einseitig gesockelten Gasentladungslampe besteht, wie vorher schon
erwähnt, das Problem der Zündspannung, die an
der offenen, vom Benutzer erreichbaren sockelfernen Gasentladungslampenelektrode
anliegt. Ein weiteres Problem ist die an der sockelfernen Gasentladungslampenelektrode
anliegende Spannung bezüglich des Potentials des Reflektors.
Der Reflektor, in den die Gasentladungslampe eingebaut ist, ist üblicherweise
geerdet. Somit liegt im Zündmoment eine hohe Spannung zwischen dem
Rückleiter der sockelfernen Elektrode und dem Reflektor
an. Dies kann zu Überschlägen auf den Reflektor
führen, die Fehlfunktionen zur Folge haben. Aus diesen
Gründen ist eine symmetrische Zündung für
einseitig gesockelte Gasentladungslampen ungeeignet.
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Darüber
hinaus ist anzumerken, dass der Isolationsaufwand nichtlinear mit
der zu isolierenden Spannung ansteigt. Bedingt durch nichtlineare
Effekte in Isolierstoffen muss typischerweise bei einer Verdoppelung
der Spannung der Abstand zwischen zwei Leitern mehr verdoppelt werden
um keinen Überschlag/Durchschlag zu erhalten.
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Neben
dem oben betrachteten, rein kapazitiven Verhalten der Umgebung bzw.
der beteiligten Isolierstoffe, kann, ab einer bestimmten Spannung bzw.
den sich ergebenden Feldstärken in den Isolierstoffen sowie
an deren Grenzflächen, eine Wirkleistungsumsetzung in den
Isolierstoffen z. B. durch Koronaentladungen, Teilentladungen etc.
nicht mehr vernachlässigt werden. In den obigen Ersatzschaltbildern
sind parallel zu den Kapazitäten zusätzliche nichtlineare
Widerstände zu ergänzen. Auch unter diesem Aspekt
ist die symmetrische Impulszündung der unsymmetrischen
vorzuziehen.
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Abschließend
sei die Beobachtung angeführt, dass ab einer bestimmten
Spannungsbelastung des Isolierstoffes dieser erheblich schneller
altert und daher im Fall einer geringfügigen Spannungsreduktion
bereits mit einer deutlich erhöhten Lebensdauer gerechnet
werden kann.
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Einen
guten Kompromiss, der die Vorteile beider Zündverfahren
in sich vereint, stellt die asymmetrische Impulszündung
dar, wie sie in 19 in schematischer Darstellung
zu sehen ist. Sie besitzt einen ähnlichen Aufbau wie eine
symmetrische Zündung, allerdings besitzen die beiden Sekundärwicklungen
unterschiedlich große Windungszahlen. Der Nachteil des
symmetrischen Zündverfahrens ist ja vor allem, dass ein
versehentliches Berüh ren des Rückleiters während
der Zündung und damit die Berührung eines hochspannungsführenden
Metallteils durch den Anwender nicht ausgeschlossen werden kann.
Bei der integrierten Gasentladungslampe 5, die die oben
beschriebene Scheinwerferschnittstelle nach 5 aufweist,
kann dies ausgeschlossen werden, da die Spannungsversorgung der
Elektronik erst mit dem Einsetzen in den Scheinwerfer erfolgt. Somit ist
es unmöglich, bei intaktem Scheinwerfer den Rückleiter
der sockelfernen Elektrode zu berühren, wenn er Spannung
führt. Wie oben schon erwähnt, ist eine symmetrische
Zündung auch hier nicht möglich, da Überschläge
auf den üblicherweise geerdeten Reflektor befürchtet
werden müssen. Es wird daher eine asymmetrische Zündung
vorgeschlagen, die z. B. ¾ der Zündspannung auf
die sockelnahe Elektrode gibt, und z. B. ¾ der Zündspannung
auf die sockelferne Elektrode. Das genaue Spannungsverhältnis
zwischen den Elektroden des Gasentladungslampenbrenners 50,
also der der sockelnahen ersten Lampenelektrode und der sockelfernen
zweiten Lampenelektrode hängt dabei von vielen Faktoren,
der Lampengröße und der Sockelkonstruktion ab.
Das Spannungsverhältnis zwischen der sockelnahen ersten Lampenelektrode
und der sockelfernen zweiten Lampenelektrode kann dabei von 22:1
bis zu 5:4 reichen. Über der Rückleiter-Sekundärwicklung
IPSR des Zündtransformators TIP werden
bevorzugt Spannungen von 2..8 kV erzeugt, und über der
Hinleiter-Sekundärwicklung IPSR des Zündtransformators
TIP werden bevorzugt Spannungen von 23..17
kV erzeugt. Damit ergeben sich bevorzugte Übersetzungsverhältnisse
zwischen den beiden Sekundärwicklungen ungleich 1, nämlich
nIPSR:nIPSH = 2:23...8:17.
Dies kann auch als Gleichung nIPSR = 0,04..0,8·nIPSH ausgedrückt werden. Damit ist
der Aufbau zwar dem eines symmetrischen Zünders ähnlich,
allerdings sind die Sekundärwicklungen nicht gleichmäßig
verteilt.
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Die
Zahl der Primärwindungen np des
Zündtransformators TIP liegt dabei
bevorzugt zwischen 1 und 4, die Summe der Windungszahlen beider
Sekundärwicklungen IPSH und IPSR liegt bevorzugt zwischen
40 und 380.
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Die
Impulszündeinheit Z in 19 ist
aus dem Stand der Technik weithin bekannt und wird hier somit nicht
näher erläutert. Sie besteht dabei aus mindestens
einem Kondensator, welcher über ein Schaltelement an die
Primärwicklung des Zündtransformators geschaltet
wird. Dabei wird bevorzugt ein Schaltelement mit einer Nenn-Auslösespannung
zwischen 350 V und 1300 V verwendet. Dies kann eine Schaltfunkenstrecke
oder ein Thyristor mit entsprechender Ansteuerschaltung sein. In
der vorliegenden ersten Ausführungsform besitzt der Zündtransformator
TIP ein Übersetzungsverhältnis
nIPP:nIPSR:nIPSH von 1:50:150 Windungen, der mit einer
Zündeinheit Z basierend auf einer 400 V Funkenstrecke,
das heißt mit einer Funkenstrecke mit einer nominellen
Auslösespannung von 400 V, betrieben wird. Der Zündtransformator
TIP liefert an der sockelfernen Elektrode
des Gasentladungslampenbrenners 50 eine Spitzenspannung
von +5 kV gegen Erde und an der sockelnahen Elektrode des Gasentladungslampenbrenners 50 eine
Spitzenspannung von –15 kV gegen Erde.
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In
einer weiteren zweiten Ausführungsform ist der Zündtransformator
mit einem Übersetzungsverhältnis von 3:50:100
Windungen ausgeführt, und wird mit einer Zündeinheit
Z basierend auf einer 800 V Funkenstrecke betrieben. Dieser liefert
an der sockelfernen Elektrode des Gasentladungslampenbrenners 50 eine
Spitzenspannung von – 8 kV gegen Erde und an der sockelnahen
Elektrode des Gasentladungslampenbrenners 50 eine Spitzenspannung von
+16 kV gegen Erde.
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20 zeigt das schematische Schaltbild einer erweiterten
Schaltung der integrierten Gasentladungslampe 5. Hier sind
eine oder zwei nichtsättigende Drosseln LNS1 und
LNS2 jeweils zwischen das hochspannungsführende
Ende jeweils einer Sekundärwicklung und dem jeweiligen
Brenneranschluss geschaltet, um Störimpulse mit hohen Spannungsspitzen
(sogenannte Glitches) zu verhindern. Dabei werden Induktivitätswerte
von 0,5 uH bis 25 uH, vorzugsweise von 1 uH bis 8 uH verwendet.
Darüber hinaus kann direkt parallel zum Gasentladungslampenbrenner
und somit zwischen den Gasentladungslampenbrenner und die nichtsättigenden
Drosseln ein hochspannungsfester Kondensator CB (ein
sogenannter „Brenner-Kondensator”) geschaltet
werden. Dieser besitzt üblicherweise eine Kapazität
kleiner 22 pF um den Zündimpuls nicht zu stark zu bedämpfen.
Vorzugsweise weist er eine Kapazität zwischen 3 pF und 15
pF auf. Der Kondensator kann konstruktiv durch eine entsprechende
Anordnung und Ausgestaltung der umspritzen Lampenstromzuführungen
beispielsweise in Form von Platten realisiert werden. Der Kondensator
hat zwei positive Einflüsse: Zum einen ist er für
das EMV-Verhalten der Lampe von Vorteil, da hochfrequente Störungen
die durch die Lampe erzeugt werden direkt am Ort der Entstehung
kurzgeschlossen werden, zum anderen gewährleistet er einen
niederohmigeren Durchbruch des Brenners, was insbesondere eine Übernahme
durch die Betriebsschaltung 20 erleichtert.
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Mittels
eines Rückschluss-Kondensators CRS,
mit einem Kapazitätswert, der vorzugsweise zwischen 68
pF und 22 nF liegt, wird für die durch den Zündtransformator
TIP erzeugten sehr schnellen Pulse ein Abschluss
des Impulszünders gegenüber dem EVG erreicht,
der eine sehr niedrige Impedanz aufweist. Dadurch liegen die erzeugten
Hochspannungszündimpulse in sehr guter Näherung
vollständig am Brenner an. Der Rückschluss-Kondensator CRS bildet zusammen mit einer Rückleiterdrossel
LR einen Tiefpass. Dieser wirkt elektromagnetischen Störungen
entgegen und schützt den EVG-Ausgang vor unzulässig
hohen Spannungen. Die erweiterte Schaltung weist ebenfalls eine
stromkompensierte Drossel LSK auf, die ebenfalls
elektromagnetischen Störungen entgegen wirkt. Eine Suppressordiode DTr, auch Klemmdiode genannt, begrenzt die
aufgrund des Zündvorgangs an der Betriebsschaltung 20 entstehende
Spannung und schützt somit den Ausgang der Betriebsschaltung 20.
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Der
Gasentladungslampenbrenner 50 der integrierten Gasentladungslampe 5 wird
mittels einer Metallklammer 52 und vier Halteblechen 53 am
Sockel 70 befestigt. Wie in 20 schon
angedeutet, wird nun diese Metallklammer 52 geerdet, d.
h. bei einer integrierten Gasentladungslampe für Automobile z.
B. auf Karosseriemasse gelegt. Durch die Erdung der Metallklammer
wird ein Überschlag von der Metallklammer zum Scheinwerfer
sicher unterbunden, da sich beide Teile auch während der
Zündung auf demselben Potenzial befinden. Weiterhin wird
durch die Erdung der Metallklammer eine besonders gute kapazitive
Kopplung zu einer auf dem Gasentladungslampenbrennergefäß befindlichen
Zündhilfsbeschichtung hergestellt. Solche Zündhilfsbeschichtungen
werden bei Hochdruckentladungslampenbren nern oftmals aufgebracht,
um die hohen Zündspannungen einiger Modelle zu senken.
Diese Maßnahme erhöht die zündspannungssenkende
Eigenschaft der auf dem Gasentladungslampenbrennergefäß befindlichen
Zündhilfsbeschichtung. Besonders Vorteilhaft ist es, wenn
der kapazitive Einfluss der Metallklammer auf den Gasentladungslampenbrenner
(gegebenenfalls inklusive seiner Zündhilfsbeschichtung)
erhöht wird. Hierzu werden weitere elektrisch leitende
Teile galvanisch oder kapazitiv an der Metallklammer angekoppelt.
Dadurch ergibt sich eine Art „dritte Elektrode”,
welche aus mehreren „miteinander gekoppelten Einzelelektroden” besteht
und einseitig geerdet ist. Beispielsweise kann diese dritte Elektrode
neben der Metallklammer zusätzlich eine metallische Beschichtung 54 auf
dem Außenkolben umfassen, wie dies in 21 angedeutet ist. Die Beschichtung kann dabei
auf der Außenseite und/oder auf der Innenseite des Außenkolbens
aufgebracht sein. Die Beschichtung besteht aus elektrisch leitfähigem
beispielsweise metallischem Material und ist vorzugsweise in einem
Streifen parallel zum Rückleiter angebracht. Dadurch tritt
die metallische Beschichtung 54 optisch nicht in Erscheinung
und zudem ergibt sich ein minimaler Abstand und damit eine maximale
Koppelkapazität zur Zündhilfsbeschichtung auf
dem Brennergefäß. Die Beschichtung auf dem Außenkolben
kann kapazitiv oder galvanisch an die Metallklammer angekoppelt
sein. Für eine galvanische Kopplung ist es besonders vorteilhaft
wenn die elektrische Kontaktierung der äußeren
Beschichtung mit dem Metallklammer durch das Fixieren des Brenners
in der Metallklammer erfolgt, was ohne zusätzliche Mehraufwand
durch eine gängige Montagetechnik nach dem Stand der Technik
realisiert werden kann. Die Beschich tung erstreckt sich vorzugsweise über
1% bis 20% des Außenkolbenumfangs.
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Die
positive Wirkung der geerdeten Metallklammer auf die Zündspannung
einer Gasentladungslampe entsteht durch folgenden physikalischen Zusammenhang:
Dadurch dass bei einem geerdeten Metallklammer und einer asymmetrischen
Impulszündung zwischen der Metallklammer und beiden Gasentladungslampenelektroden
eine hohe Spannung anliegt, wird in der Nähe beider Gasentladungslampenelektroden
eine dielektrisch behinderte Entladung im Außenkolben begünstigt.
Die dielektrisch behinderte Entladung im Außenkolben begünstigt
einen Durchschlag im Brennergefäß. Dieser wird
durch das UV-Licht begünstigt, welches bei der dielektrisch behinderten
Entladung entsteht und durch das Brennergefäß kaum
absorbiert wird, und an den Elektroden sowie im Entladungsraum die
Erzeugung freier Ladungsträger begünstigt und
somit die Zündspannung reduziert.
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Die
Metallklammer und die Referenzebene zum Reflektor der integrierten
Gasentladungslampe 5 können aus einem Metallteil
bestehen, welches entsprechende Anker besitzt, die durch Kunststoff umspritzt
werden und eine gute mechanische Verbindung zum Sockel 70 sicherstellen.
Die Erdung der Metallklammer erfolgt dann automatisch durch das Einsetzen
der Lampe in den Reflektor respektive in den Scheinwerfer. Dies
macht die Referenzebene nun robuster gegenüber mechanischer
Abnutzung, was bedingt durch das erhöhte Gewicht einer
integrierten Gasentladungslampe 5, vorteilhaft ist. Die Ausbildung
nach dem Stand der Technik sieht nur ein Kunststoff-Spritzgussteil
als Referenzebene vor.
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In
einer bevorzugten Ausbildung der integrierten Gasentladungslampe 5 besteht
der Sockel aus 2 Teilen. Einem ersten Teil mit einem bereits justiertem
Gasentladungslampenbrenner 50, der mittels der Metallklammer 52,
und den Halteblechen 53 in einen Sockel aus Kunststoff
eingebettet ist, der wie oben beschrieben eine metallverstärkte
Referenzebene aufweist. Dieses erste Teil wird mit einem zweiten
Teil verbunden, das die Zünd- und Betriebselektronik enthält.
Die Verbindungen für die Lampe sowie die Stromzuführungen
können durch Schweißen, Löten, oder durch
eine mechanische Verbindung wie einem Steckkontakt oder einen Schneidklemmkontakt bewerkstelligt
werden.
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21 zeigt einen Gasentladungslampenbrenner 50,
der im Folgenden beschrieben wird. Der Gasentladungslampenbrenner 50 ist
bevorzugt ein quecksilberfreier Gasentladungslampenbrenner, es kann
jedoch ebenfalls ein quecksilberhaltiger Gasentladungslampenbrenner
verwendet werden. Der Gasentladungslampenbrenner 50 beherbergt
ein gasdicht verschlossenes Entladungsgefäß 502,
in dem Elektroden 504 und eine ionisierbare Füllung zwecks
Erzeugung einer Gasentladung eingeschlossen sind, wobei die ionisierbare
Füllung vorzugsweise als quecksilberfreie Füllung
ausgebildet ist, die Xenon und Halogenide der Metalle Natrium, Scandium,
Zink und Indium umfasst, und das Gewichtsverhältnis der
Halogenide von Zink und Indium im Bereich von 20 bis 100, vorzugsweise
bei 50, liegt und wobei der Kaltfülldruck des Xenongases
im Bereich von 1,3 Megapascal bis 1,8 Megapascal liegt. Es hat sich
gezeigt, dass dadurch die Abnahme des Lichtstroms mit der Betriebsdauer
des Gasentladungslampenbren ners 50 und die Zunahme der
Brennspannung des Gasentladungslampenbrenners 50 mit ihrer
Betriebsdauer verringert werden können. Das heißt,
der Gasentladungslampenbrenner 50 besitzt im Vergleich
zu einem Gasentladungslampenbrenner gemäß dem
Stand der Technik eine verbesserte Lichtstrom-Maintenance und lässt,
aufgrund des geringeren Brennspannungsanstiegs über die
Betriebsdauer, eine längere Lebensdauer erwarten. Außerdem
zeigt der Gasentladungslampenbrenner 50 über seine
Betriebsdauer nur eine geringe Verschiebung des Farbortes des von
ihm emittierten Lichts. Insbesondere wandert der Farbort nur innerhalb
der gemäß der ECE Regel 99 erlaubten
Grenzen. Sowohl der vergleichsweise hohe Kaltfülldruck
des Xenons als auch der vergleichsweise hohe Gewichtsanteil der
Halogenide des Zinks tragen wesentlich zur Einstellung der Brennspannung
des Gasentladungslampenbrenners 50, das heißt
der Spannung, die sich nach Beendigung der Zündphase, im
quasistationären Betriebszustand über der Entladungsstrecke
des Gasentladungslampenbrenners 50 einstellt, bei. Die Halogenide
des Indiums sind in einem so geringen Gewichtsanteil vertreten,
dass sie zwar zur Einstellung des Farbortes des von dem Gasentladungslampenbrenner
emittierten Lichts beitragen, aber keinen nennenswerten Beitrag
zur Einstellung der Brennspannung des Gasentladungslampenbrenners 50 leisten.
Die Halogenide des Indiums dienen bei dem Gasentladungslampenbrenner 50,
ebenso wie die Halogenide von Natrium und Scandium, hauptsächlich
der Lichtemission.
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Vorteilhafterweise
liegt der Gewichtsanteil der Halogenide von Zink im Bereich von
0,88 Mikrogramm bis 2,67 Mikrogramm pro 1 mm3 Entladungsgefäßvolumen
und der Gewichtsanteil der Halogenide von Indium im Bereich von
0,026 Mikrogramm bis 0,089 Mikrogramm pro 1 mm3 Entladungsgefäßvolumen.
Als Halogenide können Jodide, Bromide oder Chloride verwendet
werden.
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Der
Gewichtsanteil der Halogenide von Natrium liegt vorteilhafterweise
im Bereich von 6,6 Mikrogramm bis 13,3 Mikrogramm pro 1 mm3 des Entladungsgefäßvolumens
und der Gewichtsanteil der Halogenide von Scandium im Bereich von
4,4 Mikrogramm bis 11,1 Mikrogramm pro 1 mm3 des
Entladungsgefäßvolumen, um zu gewährleisten,
dass der Gasentladungslampenbrenner 50 weißes
Licht mit einer Farbtemperatur von ca. 4000 Kelvin erzeugt und der
Farbort während der Lebensdauer des Gasentladungslampenbrenners 50 im
Bereich des weißen Lichts, vorzugsweise in engen Grenzen
bleibt. Bei einem geringeren Gewichtsanteil können die
Verluste an Natrium (bedingt durch Diffusion durch die Gefäßwand
des Entladungsgefäßes) und Scandium (bedingt durch
chemische Reaktion mit dem Quarzglas des Entladungsgefäßes)
nicht mehr ausgeglichen werden und bei einem höheren Gewichtsanteil werden
der Farbort und die Farbtemperatur verändert.
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Das
Volumen des Entladungsgefäßes ist vorteilhafterweise
kleiner als 23 mm3, um dem Ideal einer Punktlichtquelle
möglichst nahe zu kommen. Für die Verwendung als
Lichtquelle in einem Fahrzeugscheinwerfer oder einem anderen optischen System,
sollte der lichtemittierende Teil des Entladungsgefäßes 502,
das heißt, der Entladungsraum mit den darin eingeschlossenen
Elektroden, möglichst geringe Abmessungen besitzen. Idealerweise sollte
die Lichtquelle punktförmig sein, um sie im Brennpunkt
eines optischen Abbildungssystems anordnen zu können. Die
erfindungsgemä ße Hochdruckentladungslampe 5 kommt
diesem Ideal näher als eine Hochdruckentladungslampe gemäß dem
Stand der Technik, da sie vorzugsweise ein Entladungsgefäß 502 mit
einem kleineren Volumen aufweist. Das Volumen des Entladungsgefäßes 502 der
Hochdruckentladungslampe 5 liegt daher vorteilhafterweise im
Bereich von größer gleich 10 mm3 bis
kleiner als 26 mm3.
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Der
Abstand zwischen den Elektroden 504 des Gasentladungslampenbrenners
ist vorzugsweise kleiner als 5 Millimeter, um dem Ideal einer Punktlichtquelle
möglichst nahe zu kommen. Für die Verwendung als
Lichtquelle in einem Kraftfahrzeugscheinwerfer beträgt
der Elektrodenabstand vorzugsweise 3,5 Millimeter. Dadurch ist der
Gasentladungslampenbrenner 50 optimal an die Abbildungsverhältnisse
im Fahrzeugscheinwerfer angepasst.
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Die
Dicke beziehungsweise der Durchmesser der Elektroden 502 des
Gasentladungslampenbrenners liegt vorteilhafterweise im Bereich
von 0,20 Millimeter bis 0,36 Millimeter. Elektroden mit einer Dicke
in diesem Wertebereich lassen sich noch hinreichend sicher im Quarzglas
des Entladungsgefäßes einbetten und besitzen zugleich
eine ausreichende Stromtragfähigkeit, die insbesondere
während der sogenannten Anlaufphase der Hochdruckentladungslampe
bedeutsam ist, während der sie mit dem 3 bis 5-fachen ihrer
Nennleistung und ihres Nennstroms betrieben wird. Im Fall von dünneren
Elektroden wäre bei der vorliegenden Ausführungsform
mit quecksilberfreier Füllung keine ausreichende Stromtragfähigkeit
mehr gewährleistet und im Fall von dickeren Elektroden 504 bestünde
die Gefahr von Rissbildungen im Entladungsgefäß,
bedingt durch das Auftreten von mechanischen Spannungen aufgrund
der deutlich unter schiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
von dem Entladungsgefäßmaterial, bei dem es sich
um Quarzglas handelt, und dem Elektrodenmaterial, bei dem es sich
um Wolfram oder mit Thorium bzw. Thoriumoxid dotiertem Wolfram handelt.
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Die
Elektroden sind jeweils mit einer im Material des Entladungsgefäßes
eingebetteten Molybdänfolie 506 verbunden, die
eine gasdichte Stromdurchführung ermöglichen.
und der geringste Abstand der jeweiligen Molybdänfolie 506 zu
dem in den Innenraum des Entladungsgefäßes 502 hineinragenden
Ende der mit ihr verbundenen Elektrode beträgt vorteilhafterweise
mindestens 4,5 mm, um einen möglichst großen Abstand
zwischen der jeweiligen Molybdänfolie 506 und
der an den in das Entladungsgefäß 502 hineinragenden
Elektrodenspitzen ansetzenden Gasentladung zu gewährleisten.
Dieser dadurch bedingte, vergleichsweise große Mindestabstand
zwischen den Molybdänfolien 506 und der Gasentladung
hat den Vorteil, dass die Molybdänfolien 506 einer
geringeren thermischen Belastung und einer geringeren Korrosionsgefahr
durch die Halogene in den Halogenverbindungen der ionisierbaren Füllung
ausgesetzt sind.
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Frequenzanpassung
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Im
Folgenden wird ein Verfahren zum Vermeiden von Flicker- oder Flackererscheinungen
beschrieben, das die Betriebselektronik der integrierten Gasentladungslampe 5 ausführt.
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Die
hier betrachteten Gasentladungslampen müssen mit Wechselstrom
betrieben werden, der primär von der Betriebselektronik 920 erzeugt
wird. Dieser Wechselstrom kann ein hochfrequenter Wechselstrom,
insbesondere mit einer Frequenz oberhalb der in Gasentladungslampen
auftreten akustischen Resonanzen sein, was bei den hier betrachteten
Lampen einer Frequenz des Lampenstromes oberhalb von etwa 1 MHz
entspricht. Üblicherweise verwendet man jedoch den niederfrequenten
Rechteckbetrieb, der in Folgenden betrachtet wird.
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Gasentladungslampen,
insbesondere Hochdruckentladungslampen neigen bei falscher Betriebsweise
grundsätzlich zu Abrissen des Lichtbogens beim Richtungswechsel
des Lampenstroms, der so genannten Kommutierung, was auf eine zu niedrige
Temperatur der Elektroden zurückzuführen ist. Üblicherweise
werden Hochdruck-Entladungslampen mit einem niederfrequenten Rechteckstrom betrieben,
was auch „wackelnder Gleichstrombetrieb” genannt
wird. Dabei wird ein im Wesentlichen rechteckförmiger Strom
mit einer Frequenz von üblicherweise 100 Hz bis zu einigen
kHz an die Lampe angelegt. Bei jedem Umschalten zwischen positiver und
negativer treibender Spannung, die im Wesentlichen durch die Betriebelektronik
bereitgestellt wird, kommutiert der Lampenstrom, was ein kurzzeitiges zu
Null werden des Lampenstromes mit sich bringt. Dieser Betrieb stellt
sicher, dass die Elektroden der Lampe trotz eines Quasi-Gleichstrombetriebs
gleichmäßig belastet werden.
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Der
Bogenansatz, das heißt der Ansatz des Lichtbogens auf der
Elektrode, ist beim Betrieb einer Gasentladungslampe mit Wechselstrom
grundsätzlich problematisch. Beim Betrieb mit Wechselstrom wird
während einer Kommutierung die Kathode zur Anode und umgekehrt
eine Anode zur Kathode. Der Übergang Kathode-Anode ist
prinzipbedingt relativ unproblematisch, da die Temperatur der Elektrode näherungsweise
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 in eine diffuse Bogenansatzbetriebsweise.
Dieser Wechsel geht mit einem oft sichtbaren Einbruch der Lichtemission
einher, was als Flackern wahrgenommen werden kann.
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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 hier 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. Bei einer
im Wesentlichen symmetrischen Betriebsweise der Lampe befindet sich
bei der Mitte der Kommutierungszeit der Spannungs- oder Stromnulldurchgang.
Hierbei ist zu bemerken, dass die Spannungskommutierung üblicherweise
immer schneller abläuft als die Stromkommutierung.
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Aus „The
boundary layers of ac-ares 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 tritt das o. g. Flackern auf.
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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
während einem sogenannten „Schnellstarts”,
auch als Anlaufphase bezeichnet, mit dem mehrfachen ihrer Nennleistung
betrieben, um den geltenden Automobilnormen bzw. Bestimmungen gerecht
zu werden. Daher ist die Elektrode auf die hohe Startleistung dimensioniert,
ist aber bezogen auf den normalen Betriebszustand zu groß.
Da nun die Elektrode hauptsächlich durch den durch sie
hindurch fließenden Lampenstrom geheizt wird, tritt das
Problem des Flackerns vor allem bei gealterten Gasentladungslampen
auf, deren Brennspannung am Lebensdauerende erhöht ist.
Durch die erhöhte Brennspannung fließt ein kleinerer
Lampenstrom, da die Betriebselektronik während das stationären
Lampenbetriebs mittels Regelung die Lampenleistung konstant hält,
weswegen die Elektroden der Gasentladungslampe am Lebensdauerende
nicht mehr genügend geheizt werden.
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Bei
einer integrierten Gasentladungslampe besteht nun ein Vorteil darin,
dass die Betriebselektronik un trennbar mit dem Gasentladungslampenbrenner
verbunden ist, so dass die bisherige Brenndauer, auch als kumulierte
Brenndauer tk bezeichnet, die sich durch
Summation aller Zeitdauern in denen der Gasentladungslampenbrenner
betrieben wurde, ungeachtet der dazwischen liegenden Zeitdauern
in denen der Gasentladungslampenbrenner nicht betrieben wurde, ergibt,
von der Betriebselektronik auf einfache Weise erfasst werden kann.
Diese Erfassung kann beispielsweise durch ein Zeitmessgerät mit
nichtflüchtigem Speicher erfolgen, das immer dann die Zeit
misst, wenn der Gasentladungslampenbrenner 50 betrieben
wird, folglich ein Lichtbogen zwischen den Elektroden brennt. Da
das Problem des Flackerns vornehmlich bei älteren Lampen
auftritt, wird nun ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem die Betriebsfrequenz,
mit der der Gasentladungslampenbrenner betrieben wird, derart an
die Brenndauer des Gasentladungslampenbrenners angepasst wird, dass
mit zunehmender Brenndauer auch die Betriebsfrequenz erhöht
wird. Dies bietet folgende Vorteile: Der Wechsel von anodischer
und kathodischer Betriebsphase, welcher mit einer Temperaturmodulation
der Elektrodenspitzen einhergeht, erfolgt bei höherer Frequenz
schneller. Folglich ist bei höherer Frequenz der Temperaturhub
der Elektrodenspitzen aufgrund ihrer thermischen Trägheit
geringer. Erstaunlicherweise hat sich gezeigt, dass bei einer Elektrodentemperatur,
die über einer „kritischen Minimaltemperatur” der
Lampenelektroden, liegt, ein Flackern unterbleibt.
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Die
Frequenz darf allerdings nicht beliebig erhöht werden,
da es sonst zu einer Anregung von akustischen Resonanzen in der
Lampe, die mit einer Deformation des Bogens sowie ebenfalls Flackern eingehen
können, kommen kann. Dieser Effekt ist bereits ab Frequenzen
von 1 kHz möglich, weshalb man üblicherweise für
den Normalbetrieb, d. h. nach der Zündungs- und Anlaufphase
im der stationären Betriebsphase, eine Frequenz von 400
Hz bzw. 500 Hz wählt. Diese Frequenz wird im Folgenden
als untere Grenzfrequenz bezeichnet.
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22 zeigt das Diagramm einer ersten Ausführungsform
des Verfahrens, bei dem die Betriebsfrequenz des Gasentladungslampenbrenners über
seiner Brenndauer aufgetragen ist. Es ist gut zu erkennen, dass
die Betriebsfrequenz bis zu einer Brenndauer von 500 h konstant
bei 400 Hz bleibt, dann während der Brenndauer von 500
h bis 1500 h sukzessive um 0,5 Hz/h bis auf 900 Hz erhöht
wird, um ab dann bei 900 Hz zu bleiben.
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Die
Frequenzerhöhung im Bereich 500 h bis 1500 h muss jedoch
nicht kontinuierlich erfolgen, sondern kann auch in Stufen erfolgen.
So wird in einer zweiten Variante der ersten Ausführungsform
des Verfahrens ab einer kumulierten Brenndauer von 2097152 s, was
etwa 583 h entspricht, immer nach Ablauf von 32768 s, was etwa 9,1
h entspricht, die Frequenz um 4 Hz erhöht. Es wird so lange
die Frequenz erhöht, bis 128 Erhöhungen durchgeführt
wurden. Dann hat die Frequenz – ausgehend vom ursprünglichen
Startwert von 400 Hz – den Wert 912 Hz erreicht. Die zweite
Variante der ersten Ausführungsform des Verfahrens ist
insbesondere für die Realisierung mittels digitaler Logik,
beispielsweise durch einen Mikrocontroller oder eine Digitalschaltung
in einem ASIC, geeignet da sie nur diskrete Zeit- und Frequenzschritte
erfordert.
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In
der dritten Variante der ersten Ausführungsform wird eine
besonders einfache Realisierung angewandt. Hier wird nach einer
Zeit von 1048576 s, was etwa 291 h entspricht, die Frequenz in einem
Schritt von 400 Hz auf 800 Hz verdoppelt. Anschließend
wird die Lampe immer mit der hohen Frequenz betrieben. Im Gegensatz
zur zweiten Variante der ersten Ausführungsform erfolgt
lediglich ein einziger Frequenzschritt.
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In
einer zweiten Ausführungsform wird das obige Verfahren
mit einer Schaltungsanordnung zum Detektieren von Flackern (nicht
gezeigt) kombiniert, um eine bedarfsgerechte Anpassung der Frequenz an
die Erfordernisse des Lampenbrenners vornehmen zu können.
Die Schaltungsanordnung zum Detektieren von Flackern basiert dabei
auf einer Detektionsschaltung, die zur Detektion die Lampenspannung
und/oder den Lampenstrom heranzieht. Alternativ können
auch geeignete korrelierende Größen vor dem Wechselrichter
zur Detektion herangezogen werden. Ein elektronisches Betriebs-
oder Vorschaltgerät wie es üblicherweise im Kraftfahrzeug
zur Anwendung kommt und als Betriebselektronik 920 in der
integrierten Gasentladungslampe 5 enthalten sein kann,
besitzt einen zweistufigen Aufbau bestehend aus Gleichspannungswandler
und Wechselrichter die über einen Gleichspannungszwischenkreis
miteinander gekoppelt sind, wobei die zeitliche Spannungsänderung
des Gleichspannungszwischenkreis und/oder die zeitliche Stromänderung
des in den Wechselrichter aus den Zwischenkreis hinein fließenden
Stromes als Maß für das Flackern der Lampe betrachtet
werden können.
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Die
Schaltungsanordnung zum Detektieren von Flackern detektiert nun,
ob ein Flackern bei der Lampe auftritt.
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Ist
dies der Fall und die bisherige Brenndauer der Lampe größer
als 500 h, so wird ein Flacker-Kartierungsverfahren in Gang gesetzt.
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Das
Verfahren umfasst folgende Schritte:
- – Erhöhung
des Zählerstands der Flacker-Minimum-Suche um eins
- – Schrittweise Erhöhung der Betriebsfrequenz des
Gasentladungslampenbrenners ausgehend von der unteren Grenzfrequenz,
- – Messung der Flackerintensität bei der gewählten
Betriebsfrequenz.
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Dabei
wird jeweils mindestens die Flackerintensität bei der gewählten
Betriebsfrequenz abgespeichert. Erforderlichenfalls werden weitere,
bei der Betriebsfrequenz gemessene Parameter abgespeichert. Die
Messung der Flackerintensität muss dabei über
einen vergleichsweise großen Zeitraum erfolgen, um statistische
Schwankungen, die während des Betriebes auftreten können,
auszugleichen. In der zweiten Ausführungsform ist z. B.
eine Messzeit von 20–30 Minuten vorgesehen. Die Frequenz
wird dabei um je 100 Hz erhöht, und dann die Flackerintensität
gemessen. In einer ersten Stufe wird die Frequenz bis zu einer ersten
oberen Grenzfrequenz von 900 Hz erhöht. Sobald das Flackern
verschwindet bzw. die Flackerintensität unter einen zulässigen Schwellwert
absinkt wird mit der Erhöhung der Frequenz nicht weiter
fortgefahren, die aktuelle Frequenz auch für den zukünftigen
Betrieb in einem nicht-flüchtigen Speicher gesichert, so
dass beim nächsten Wiedereinschalten der integrierten Lampe gleich
mit der zuletzt betriebenen Frequenz gestartet wird.
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Konnte
das Flackern trotz einer Erhöhung bis zur ersten Obergrenze
nicht beseitigt werden bzw. die Flackerintensität nicht
unter einen zulässigen Schwellwert gesenkt werden, so wird
der Zählerstands der Flacker-Minimum-Suche um eins erhöht und
die Frequenz weiter erhöht, bis der dreifache Wert der
ersten oberen Grenzfrequenz, in diesem Fall also 2700 Hz, der sogenannten
zweiten oberen Grenzfrequenz erreicht ist. Danach wird gezielt die Frequenz
aus dem gesamten gemessenen Bereich zwischen der unteren Grenzfrequenz
und der zweiten oberen Grenzfrequenz ausgewählt, bei der
sich das geringste Flackern gezeigt hat. Der zum geringsten Flackern
gehörige Flackerintensität wird mit einem Faktor
größer 1 multipliziert und als neuen zulässigen
Schwellwert die sogenannte aktuelle Flackergrenze abgespeichert.
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Im
Folgenden bleibt die Überwachung und Messung des Flackerns
aktiviert und es wird periodisch überprüft ob
die aktuelle Flackerintensität oberhalb der aktuellen Flackergrenze
liegt. Sollte des der Fall sein, wird zur der Frequenz gesprungen,
die die zweitniedrigsten Flackerintensitäten bei der zuvor beschriebenen
Untersuchung der Lampe im Rahmen dieses Verfahrens gezeigt hat.
Bei dieser Frequenz wird dann die Lampe betrieben wobei auch weiterhin die Überwachung
und Messung des Flackerns aktiviert bleibt. Sollte nun abermals
die aktuelle Flackerintensität oberhalb der aktuellen Flackergrenze
liegen wird zu der Frequenz mit der drittniedrigsten Flackerintensität
gewechselt. Sollte im nachfolgenden Betrieb auch hier die die aktuelle
Flackerintensität oberhalb der aktuellen Flackergrenze
liegen, so wird der Zählerstand der Flacker-Minimum-Suche
erneut um eins erhöht und mit einem neuen Durchlauf der Minimumssuche
begonnen, wobei der gesamte Frequenzbereich zwischen der unteren
Grenzfrequenz und der zweiten oberen Grenzfrequenz untersucht wird.
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Der
Zählerstand wie oft Flacker-Minimum-Suche bereits aktiviert
wurde sowie die aktuelle Flackergrenze werden im dem nichtflüchtigen
Speicher der Betriebselektronik (920, 930) abgelegt.
Diese beiden Werte sind über die Kommunikationsschnittstelle
der integrierten Gasentladungslampe beispielsweise über
einen LIN-Bus auslesbar. Im Rahmen der Wartung des Kraftfahrzeugs,
beispielsweise im Rahmen der Inspektion nach Ablauf eines Service-Intervalls,
oder weil sich das Kraftfahrzeug wegen eines Defekts in der Werkstatt
befindet, werden die beiden Werte ausgelesen und mit Grenzwerten
verglichen, welche die noch zu tolerierende Werte repräsentieren.
Die Grenzwerte können ebenfalls in der integrierten Gasentladungslampe
gespeichert sein und über den Kommunikationsbus ausgelesen werden,
sind jedoch der Einfachheit halber in der bevorzugten Ausführung
im Diagnosegerät der Werkstatt abgelegt. Liegt einer der
ausgelesenen Werte oberhalb des zugehörigen Grenzwerts
ist die integrierte Gasentladungslampe (5) gegen eine neue
integrierte Gasentladungslampe auszutauschen. Dieses Vorgehen erhöht
die Verfügbarkeit des Beleuchtungssystems erheblich, ohne
dabei nennenswerte Kosten zu verursachen, da die Lampe nicht unnötig frühzeitig
ausgewechselt wird und während der Wartung kein nennenswerter
zeitlicher Mehraufwand entsteht, da das Fahrzeug ohnehin an das
Diagnosegerät angeschlossen wird.
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Die
Grenzwerte mit denen die Daten aus dem nichtflüchtigen
Speicher der Betriebselektronik verglichen werden, können
abhängig von der ebenfalls aus dem nichtflüchtigen
Speicher ausgelesenen kumulierten Brenndauer (tk)
oder der kumulierten gewichteten Brenndauer (tkg)
verändert werden, so dass beispielsweise die Flackergrenze
einer alten Lampe höher liegen darf als einer neuen Lampe
ohne dass die Lampe ausgetauscht werden müsste. Die Abhängigkeiten
der Grenzwerte abhängig von der Brenndauer der Lampe werden
durch den Lampenhersteller dem Kraftfahrzeughersteller zur Verfügung
gestellt, so dass dieser die Daten beispielsweise in Form einer
Tabelle oder Datenmatrix in sein Diagnosegerät einpflegen
kann.
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In
einer dritten Ausführungsform wird analog zur zweiten Ausführungsform
vorgegangen, allerdings wird, insbesondere um Speicherplatz im Mikrocontroller
zu sparen, bei der oben beschriebenen Suche nur der Wert der bisher
minimal aufgetretenen Flackerintensität und die zugehörige
Betriebsfrequenz abgespeichert. Das heißt anstelle einer
echten Kartierung wird nur eine Minimumssuche bzgl. der Flackerintensität
durchgeführt. Sollte beim ersten Suchvorgang bis zur ersten
oberen Grenzfrequenz keine oben ausgeführter Abbruch der
Suche erfolgt sein, wird wie im zweiten Ausführungsform
auch bis zur zweiten oberen Grenzfrequenz weitergesucht. Anschließend
kann direkt an die im Minimumspeicher abgelegten Frequenz gesprungen
werden. Anschließend wird die Lampe für mindestends
30 min bei dieser Frequenz betrieben und während dieser Zeit
die Flackerintensität über diesen Zeitraum bestimmt.
Ist diese um mehr als einen zulässigen Faktor beispielsweise
20% gegenüber dem ursprünglich erhöht
wird eine neue Suche nach der bestmöglichen Betriebsfrequenz
gestartet und so verfahren wie oben beschrieben.
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Durch
die Erhöhung der Betriebsfrequenz des Gasentladungslampenbrenners über
seiner Brenndauer kann eine Flackerneigung des Brenners deutlich
reduziert werden, ohne dass kostenintensive Maßnahmen an
der Schaltungsanordnung selbst notwendig wären. Dadurch,
dass die Betriebselektronik der integrierten Gasentladungslampe 5 einen
Mikrocontroller enthält, kann das gesamte Verfahren in der
Software des Mikrocontrollers implementiert werden, und verursacht
somit keine zusätzlichen Kosten. Auch die Schaltungsanordnung
zum Detektieren von Flackern der zweiten Ausführungsform
kann bei geschickter Auslegung rein in Software ausgeführt
werden. Dadurch, dass die zur Detektion von Flackern notwendigen
Messgrößen aus anderen Gründen schon
am Mikrocontroller anliegen, kann durch geeignete Auswertung dieser
Größen eine Detektionseinheit in Software ausgeführt
werden. Die in Hardware notwendigen Schaltungsteile sind dabei schon aus
anderen Gründen vorhanden und verursachen so keine zusätzlichen
Kosten.
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Kommunikationsschnittstelle
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Wie
bereits oben ausgeführt, kann die integrierte Gasentladungslampen 5 über
Kommunikationsmittel bzw. mindestens eine Kommunikationsschnittstelle
verfügen, die insbesondere eine Kommunikation mit der Bordelektronik
des Kraftfahrzeugs ermöglicht. Besonders vorteilhaft erscheint
ein LIN-Bus, aber auch die Anbindung der integrierten Gasentladungslampe
mittels eines CAN-Bus and die Bordelektronik ist möglich.
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Durch
die Kommunikationsschnittstelle kann die Lampe in vorteilhafter
Weise mit dem übergeordneten Steuersystem, z. B. einem
Lichtmodul in einem Kfz kommunizieren. Dabei können über
die Kommunikationsschnittstelle vielfältige Informationen über die
integrierte Gasentladungslampe 5 an das übergeordnete
Steuersystem übermittelt werden. Diese Informationen sind
in einem nichtflüchtigen Speicher in der Lampe abgelegt.
Bei der Produktion der integrierten Gasentladungslampe 5 fallen
vielfältige Informationen an, die von der Produktionsanlage
gesammelt werden können und gegen Ende der Produktion der Lampe
in den nichtflüchtigen Speicher der Lampe programmiert
werden. Die Informationen können aber auch direkt in den
nichtflüchtigen Speicher der Betriebselektronik der integrierten
Gasentladungslampe 5 geschrieben werden, daher ist eine
hierfür eine Kommunikationsschnittstelle nicht unbedingt notwendig.
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Bei
der Produktion wird z. B. der Gasentladungslampenbrenner 50 exakt
vermessen und beim Sockeln auf den Sockel 70 gegenüber
einer Referenzebene des Sockels in einer exakt definierten Lage am
Sockel befestigt. Dies stellt eine hohe Güte des optischen
Systems aus integrierte Gasentladungslampe 5 und Scheinwerfer 3 sicher,
da der zwischen den Gasentladungslampenelektroden 504 brennende
Lichtbogen eine exakte Raumlage gegenüber der Referenzebene,
die die Schnittstelle zum Scheinwerfer darstellt, einnimmt. Der
Produktionsmaschine ist dadurch z. B. der Abstand und die Lage der
Elektroden bekannt. Der Elektroden abstand kann aber für die
Betriebselektronik eine wichtige Größe darstellen,
da der Elektrodenabstand des Gasentladungslampenbrenners 50 mit
der Brennspannung korreliert. Weiterhin kann eine einmalige Seriennummer oder
alternativ eine Produktionschargennummer im nichtflüchtigen
Speicher der Lampe abgelegt werden, um eine Rückverfolgbarkeit
zu gewährleisten. Über die Seriennummer können über
eine vom Hersteller gepflegte Datenbank die in der integrierte Gasentladungslampe 5 verbauten
Teile mit allen verfügbaren Daten abgefragt werden, um
bei Produktionsfehlern einzelner Teile die betroffenen Lampen ausfindig
machen zu können.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der integrierten Gasentladungslampe 5 können
weitere im Lampenbetrieb gemessene und im nichtflüchtigen Speicher
der integrierten Gasentladungslampe 5 abgespeicherte Parameter über
die Bordelektronik mittels der Kommunikationsschnittstelle abgefragt
und auch eingespeichert werden. Es kann zum Beispiel sinnvoll sein,
die Daten des optischen Systems, aus dem der Scheinwerfer besteht,
in der integrierten Gasentladungslampe 5 abzuspeichern,
da diese damit die Leistung des Gasentladungslampenbrenners 50 so
steuern kann, dass eine gleichmäßig hohe Lichtabgabe
des Scheinwerfersystems erreicht wird.
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Als
Kommunikationsparameter kommen insbesondere folgende Kommunikationsparameter
in Frage:
- – Die kumulierte Brenndauer
des Gasentladungslampenbrenners 50,
- – die Anzahl der aufgetretenen Flicker-Effekte,
- – die aktuelle Lampenleistung,
- – die aktuelle Frequenz des Wechselrichters,
- – der Sollwert der Lampenleistung (= Lampenzielsollleistung),
- – der Istwert der Lampenleistung,
- – die Temperatur der Elektronik,
- – die Seriennummer beziehungsweise die Chargennummer,
- – die Anzahl der Lampenverlöscher insgesamt
sowie die Anzahl der Lampenverlöscher innerhalb einer zurückliegenden
Zeitspannung z. B. 200 h,
- – die Anzahl der Nicht-Zündungen.
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Die
Kommunikationsschnittstelle ist dabei bevorzugt ein LIN-Bus oder
alternativ ein CAN-Bus. Beide Schnittstellenprotokolle sind im Automobilsektor
weit verbreitet und eingeführt. Wird die integrierte integrierte
Gasentladungslampe 5 nicht in einem Automobil verwendet,
so kann die Kommunikationsschnittstelle der integrierten Gasentladungslampe 5 auch
ein in der Allgemeinbeleuchtung verbreitetes Protokoll wie DALI
oder EIB/Instabus aufweisen.
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Aufgrund
dieser Daten (vor allem der kumulierten Brenndauer) kann das im
Kfz vorhandene übergeordnete Steuersystem z. B. den voraussichtlichen
Austauschzeitpunkt der integrierten Gasentladungslampe 5 berechnen.
Bei einem Inspektionstermin des Kfz kann dann entschieden werden,
ob die integrierte Gasentladungslampe 5 noch bis zum nächsten
Inspektionstermin hält, oder ob sie ausgetauscht werden
muss.
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Lumenkonstanz
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Die
im nichtflüchtigen Speicher der integrierten Gasentladungslampe 5 abgelegten
Informationen können aber auch dazu benutzt werden, die Lichtabgabe
der integrierten Gasentladungslampe 5 über ihrer
Lebensdauer konstant zu halten. Die Lichtabgabe bei Nennleistung
von Gasentladungslampen ändert sich über deren
Lebensdauer. Mit zunehmender Brenndauer sinkt der Wirkungsgrad der Lampe
durch Schwärzung und Entglasung des Entladungsgefäßes,
durch den Rückbrand der Elektroden und die dadurch bedingte
Veränderung des Entladungsbogens. Der Wirkungsgrad des
gesamten optischen Systems wird dadurch weiter verschlechtert, da
diese Systeme üblicherweise auf eine Punktlichtquelle dimensioniert
sind, und bei einer Verlängerung des Entladungsbogens mehr
Licht im optischen System verloren geht. Auch das optische System
selbst verliert während seiner Betriebsdauer an Effizienz, sei
es durch Linsentrübungen oder durch Defokussierung aufgrund
von Temperaturzyklen oder den bei einem Automobilscheinwerfer auftretenden
permanenten Vibrationen. Im folgenden wird von einer Lampenbrenndauer
tk, und von einer kumuliert gewichteten
Brenndauer tkg gesprochen, wobei die kumuliert
gewichtete Brenndauer tkg mit einer weiter
unten erläuterten Gewichtsfunktion γ gewichtet
wird.
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Da
die Betriebselektronik der integrierten Gasentladungslampe 5 die
relevanten Parameter des Gasentladungslampenbrenners 50 im
nichtflüchtigen Speicher abgelegt hat, kann sie die am
Gasentladungslampenbrenner 50 anliegende Betriebsleistung
PLA an seine kumulierte Brenndauer anpassen. Da
der Alterungsprozess nicht linear verläuft, ist in der
Betriebselektronik in einer einfachen Ausführungsform eine
Kompensationsfunktion β abgespeichert, wie sie in 27 dargestellt ist. Hier ist die kumuliert gewichtete
Brenndauer tkg der Lampe über dem
Quotienten aus der Lampenleistung PLA zur Nennleistung
PN des Gasentladungslampenbrenners 50 aufgetragen.
Im unteren Bereich unter 10 h Brenndauer ist die Leistung leicht
erhöht. Dies soll helfen, denn Gasentladungslampenbrenner 50 zu
konditionieren. Man spricht hier auch gerne vom „Einbrennen” der
integrierten Gasentladungslampe 5. Ist die Lampe eingebrannt,
wird sie mit leicht verminderter Leistung betrieben (etwa 85% der
Nennleistung), da der Wirkungsgrad der Lampe wie auch der Optik noch
sehr gut ist. Ab einer kumuliert gewichteten Brenndauer tkg von etwa 100 h steigt die Leistung wieder
an, um bei Erreichen des spezifizierten Lebensdauerendes von 3000
h eine Lampenleistung PLa zu erreichen,
die etwa 10% über der spezifizierten nominalen Lampenbrennernennleistung
liegt. Damit ist die Lichtabgabe der Gasentladungslampenbrenners über
seine Brenndauer im Wesentlichen konstant. Die in der Betriebselektronik
abgespeicherte Funktion kann von im nichtflüchtigen Speicher
bei der Produktion abgelegten Brennerparametern, wie z. B. dem Elektrodenabstand
beeinflusst werden.
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Bei
einem fortgeschrittenem System mit einer Steuerung der integrierten
Gasentladungslampe
5 durch ein übergeordnetes
Steuersystem können weitere Lichtfunktionen, wie z. B.
die geschwindigkeitsabhängige Steuerung der abgegebenen
Lichtmenge realisiert werden. In solch einer fortgeschrittenen Ausführungsform
ist die Betriebselektronik so ausgelegt, dass sie den Gasentladungslampenbrenner
50 mit
einer Unter- oder Überleistung betreiben kann. Wird der
Gasentladungslampenbrenner
50 aber nicht mit Nennleistung
betrieben, so altert er schneller. Dies muss in der Berechnung der
kumulierten Brenndauer berücksichtigt werden. Dazu ist
in der Betriebselektronik eine Gewichtsfunktion γ abgespeichert,
die einen von der Über- oder Unterleistung abhängigen
Faktor darstellt.
28 zeigt die Gewichtsfunktion γ für
eine für den Einsatz im Frontscheinwerfer eines Kraftfahrzeugs
ausgelegte integrierte Gasentladungslampe
5. Wird der Gasentladungslampenbrenner
50 mit Überleistung
betrieben, so altert er schneller, da die Elektroden zu heiß werden
und Elektrodenmaterial abdampft. Wird der Gasentladungslampenbrenner
50 mit
Unterleistung betrieben, so altert er ebenfalls schneller, da die
Elektroden zu kalt sind und in Folge Elektrodenmaterial absputtert,
folglich Elektrodenmaterial durch Sputtern abgetragen wird, was
unerwünscht ist da dies die Lebensdauer der Lampe sowie
die Lichtausbeute reduziert. Daher muss die Betriebselektronik der
integrierten Gasentladungslampe
5 diese Alterung in die kumuliert
gewichtete Brenndauer t
kg mit einrechnen. Dies
kann z. B. durch folgende Formel bewerkstelligt werden:
die Funktion f(τ)
steht dabei lediglich für die Brennfunktion, d. h. sobald
der Gasentladungslampenbrenner
50 in Betrieb ist, ist f(τ)
= 1, ist der Gasentladungslampenbrenner
50 nicht in Betrieb,
ist f(τ) = 0. Wird die integrierte Gasentladungslampe
5 also
mit Über- oder Unterleistung betrieben, so altert sie um einen
Faktor, der den Wert 10 erreichen kann schneller.
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Bei
einem fortgeschrittenen Steuerungssystem, das den Gasentladungslampenbrenner
50 mit Über-
oder Unterleistung betreiben kann, kann auch eine fortgeschrittene
Kommunikation mit dem übergeordneten Steuergerät
implementiert werden. Dies kann sich dahingehend äußern,
dass das übergeordnete Steuergerät nicht mehr
eine bestimmte Leistung von der integrierten Gasentladungslampe
5 anfordert,
sondern eine vorbestimmte Lichtmenge. Um dies bewerkstelligen zu
können, ist in der Betriebselektronik der integrierten
Gasentladungslampe
5 eine Dimmkurve abgespeichert.
29 zeigt eine solche Dimmkurve α am Beispiel
einer integrierten Gasentladungslampe
5 für die
Automobiltechnik. Die Dimmkurve zeigt die Abhängigkeit
des von dem Gasentladungslampenbrenner
50 abgegebenen Lichtstroms ϕ
Soll, beziehungsweise wie in
29 dargestellt den auf den Nennlichtstrom ϕ
N normierten Lichtstrom
von der elektrischen Brennerleistung
P
La,S, beziehungsweise wie in
29 dargestellt die auf die elektrische Nennbrennernennleistung
P
N normierte elektrische Brennerleistung
In der
29 ist dies bei einer kumuliert gewichteten Brenndauer
t
kg des Gasentladungslampenbrenners
50 von
100 h aufgetragen. Für eine andere kumuliert gewichtete
Brenndauer t
kg des Gasentladungslampenbrenners
50 ergeben
sich andere Kurvenverläufe. Im Idealfall ist in der Betriebselektronik
der integrierten Gasentladungslampe
5 also ein dreidimensionales
Kennfeld abgespeichert, das das Alter des Gasentladungslampenbrenners
50 mit
berücksichtigt. Die
29 ist
somit lediglich ein Schnitt durch das Kennfeld für eine
kumuliert gewichtete Brenndauer t
kg des
Gasentladungslampenbrenners von 100 h. Die Dimmkurve muss natürlich
nicht als Kennfeld in der Betriebselektronik der integrierten Gasentladungslampe
5 abgespeichert
sein, sie kann auch als Funktion abgelegt werden, so dass sie von
einem in der Betriebselektronik integrierten Mikrocontroller ausgerechnet
werden kann. Um die Brenndauer des Gasentladungslampenbrenners
50 in
die Rechnung einzubeziehen, genügt näherungsweise
auch ein Quotient, der in die Berechnung eingeht. Somit kann die
erforderliche Brennerleistung P
La für
eine bestimmte Lichtmenge beispielhaft durch folgende Formel dargestellt
werden:
der Faktor β berücksichtigt
hier die Alterung des Gasentladungslampenbrenners
50. Die
Funktion β kann auch die Alterung des optischen Systems
beinhalten, wobei diese Daten vorzugsweise über den Kommunikationsschnittstelle
der integrierten Gasentladungslampe mitgeteilt werden, so dass diese
Einflüssen ebenfalls in der Berechung von der Betriebselelektronik
der integrierten Gasentladungslampe berücksichtigt werden
kann. Die vom Steuergerät vorgegebene Lichtmenge kann dabei
z. B. von der Geschwindigkeit eines Kraftfahrzeugs abhängen,
in dem die integrierte Gasentladungslampe
5 betrieben wird.
Bei langsamer Fahrt wird die Lampe z. B. gedimmt betrieben, wohingegen
sie bei schneller Fahrt etwa auf der Autobahn etwas über
der Nennleistung betrieben wird, um eine weite Sicht und eine gute
Ausleuchtung der Fahrbahn zu gewährleisten.
-
Bei
einer fortgeschrittenen Betriebselektronik der integrierten Gasentladungslampe
5 kann auch
die bisherige Brenndauer des Gasentladungslampenbrenners
50 beim
Betrieb berücksichtigt werden. Wenn die kumuliert gewichtete
Brenndauer t
kg sich dem spezifiziertem Lebensdauerende
des Gasentladungslampenbrenners nähert, kann die Betriebselektronik
den Brenner mit einer Leistung betreiben, die ihn am wenigsten schadet
und so seine Lebensdauer verlängern.
30 zeigt eine solche beispielhafte Brennerschonkurve,
in der der Lichtstromquotient
über der kumulierten
spezifizierten Lebensdauer
aufgetragen ist. Bis zu 3%
seiner Nennlebensdauer wird der Gasentladungslampenbrenner
50 mit
dem 1,2 fachen seiner Nennleistung betrieben, um den Gasentladungslampenbrenner
50 zu
Konditionieren und Einzubrennen. Danach wird der Gasentladungslampenbrenner
50 für
geraume Zeit mit Nennleistung betrieben. Erreicht der Gasentladungslampenbrenner
50 80%
seiner Lebensdauer, wird die Leistung sukzessive auf etwa das 0,8
fache der Nennleistung heruntergefahren. Die Gewichtsfunktion in
28 offenbart bei näherer Betrachtung,
dass die Lampe beim Betrieb mit in etwa dem 0,8 fachen ihrer Nennleistung
am meisten geschont wird. Daher wird die integrierte Gasentladungslampe
5 gegen
Ende ihrer Lebensdauer mit dieser Leistung betrieben, um eine möglichst
lange Restlebensdauer zu gewährleisten und einen plötzlichen
Lampenausfall, der gerade im Automobilbereich fatale Folgen haben
kann zu vermeiden. Die integrierte Gasentladungslampe
5 kann aufgrund
der oben genannten Daten und Berechnungen die voraussichtliche Restlebensdauer
ihres Gasentladungslampenbrenners berechnen und in einem nichtflüchtigen
Speicher der Betriebselektronik
220,
230 ablegen.
Ist das Kraftfahrzeug bei einer Inspektion in der Werkstatt, so
können für die Inspektion interessante Lampendaten,
insbesondere die gespeicherte Restlebensdauer ausgelesen werden.
Anhand der ausgelesenen Restlebensdauer kann dann darüber
entschieden werden, ob die integrierte Gasentladungslampe
5 ausgetauscht
werden muss. Es ist auch denkbar, dass in der integrierte Gasentladungslampe
5 die
Seriennummer der integrierte Gasentladungslampe und/oder die Seriennummer
des Gasentladungslampenbrenners
50 abgespeichert ist.
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Anhand
der Seriennummer kann der Mechaniker in der Werkstatt über
eine Herstellerdatenbank abfragen, ob die Lampe in Ordnung ist oder
evtl. aufgrund von Mängeln der verbauten Komponenten ausgetauscht
werden muss.
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Bogenbegradigung
-
Im
Folgenden wird nun ein Verfahren zur Begradigung des Entladungsbogens
des Gasentladungslampenbrenners beschrieben, welches in einer Ausführungsform
der integrierten Gasentladungslampe 5 implementiert ist.
Für eine erste Ausführungsform wird eine Betriebselektronik 920 zugrunde gelegt,
die eine Topologie nach 23 aufweist.
Dabei weist die Betriebselektronik 920 einen Gleichspannungswandler 9210 auf,
der von der Batteriespannung eines Automobils versorgt wird. Dem Gleichspannungswandler 9210 ist über
einen Zwischenkreiskondensator CZW ein Wechselrichter 9220 nachgeschaltet,
der über einen Lampenkreis einen Gasentladungslampenbrenner 50 mit
einer Wechselspannung versorgt. Der Lampenkreis besteht aus einem
Ausgangskondensator CA und der Zündelektronik 910,
mit der Primärwicklung des Zündtransformators
im Lampenkreis, sowie dem Gasentladungslampenbrenner 50.
Mittels dieser Topologie, die aus dem Stand der Technik weithin
bekannt ist, kann bei geschickter Auslegung der Komponenten eine
Begradigung des Entladungsbogens erreicht werden.
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Ein
begradigter Entladungsbogen bietet viele Vorteile. Ein erster bedeutender
Vorteil ist der bessere thermische Haushalt des Gasentladungslampenbrenners 50,
gewonnen durch eine gleichmäßigere thermische
Wandbelastung des Brennergefäßes. Dies führt
zu einer besseren thermischen Ausnutzung und damit längeren
Lebensdauer des Brennergefäßes. Ein zweiter bedeutender
Vorteil ist ein kontrahierter Lichtbogen, der eine verringerte Diffusität besitzt.
Mit solch einem „schmaleren” Bogen kann z. B.
die Optik eines Scheinwerfers präziser ausfallen und die
Lichtausbeute des Scheinwerfers deutlich erhöht werden.
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Da
bei der integrierte Gasentladungslampe 5 die Zünd-
und Betriebselektronik 910, 920 beziehungsweise
die Gesamtbetriebselektronik 930 (im Folgenden ebenfalls
Betriebselektronik genannt) untrennbar mit dem Gasentladungslampenbrenner 50 verbunden
ist, kann sich die Betriebselektronik auf den Gasentladungslampenbrenner 50 kalibrieren
um einen stabil brennenden geraden Bogen zu erzeugen. Da aufgrund
der Untrennbarkeit von Betriebselektronik 920, 930 und
Gasentladungslampenbrenner 50 der Betriebselektronik 920, 930 auch
die Brenndauer des Gasentladungslampenbrenners 50 bekannt
ist, können Alterungseffekte des Gasentladungslampenbrenners 50 die
Betriebsweise des Gasentladungslampenbrenners 50 beeinflussen.
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Die
grundsätzliche Vorgehensweise zur Begradigung des Bogens
der integrierten Gasentladungslampe 5 ist folgende: Die
Betriebselektronik 920, 930 vermisst beim ersten
Einschalten den Gasentladungslampenbrenner 50 bezüglich
akustischer Resonanzen und detektiert die zur Bogenbegradigung geeigneten
Frequenzen. Dies geschieht mittels einem durchscannen der Frequenzbereiche
zwischen einer Minimalfrequenz und einer Maximalfrequenz. Die Frequenzen
werden auf die Betriebsfrequenz des integrierten Gasentladungslampenbrenners
aufmoduliert. Während des Scannens wird die Impedanz des
Gasentladungslampenbren ners vermessen und jeweils die niedrigste
Impedanz mit der dazugehörigen Frequenz abgespeichert.
Diese Frequenz mit der niedrigsten Impedanz kennzeichnet die maximal
erreichbare Bogenbegradigung. Je nach Lampentyp kann die Minimalfrequenz
bis auf eine Frequenz von 80 kHz sinken, die Maximalfrequenz eine
Frequenz von etwa 300 kHz erreichen. Bei einer typischen Hochdruckentladungslampe
für die Automobiltechnik liegt die Minimalfrequenz bei
etwa 110 kHz und die Maximalfrequenz bei etwa 160 kHz. Das Vermessen
ist zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen des Gasentladungslampenbrenners 50 notwendig.
Die typische Alterung bezüglich der Resonanzfrequenzen
der Lampe ist in einem Mikrocontroller (nicht gezeigt) der Betriebselektronik 920, 930 z.
B. in einer Tabelle abgelegt. Die Werte in der Tabelle können
gegebenenfalls abhängig von der Betriebsweise des Gasentladungslampenbrenners
(Zyklenform, Anlauf- oder gedimmter Betrieb) abgelegt sein. Zusätzlich
kann der gesteuerte Betrieb in einer weiteren Ausführungsform
um einen geregelten Modulationsbetrieb mit einer Modulationsfrequenz
in einem schmalen Bereich um die errechnete Frequenz (gemäß des
gesteuerten Betriebs) erweitert werden. Die errechnete Frequenz
wird mit einer Modulationsfrequenz von z. B. 1 kHz moduliert, um
eventuellen Flackererscheinungen durch Anregung akustischer Resonanzen
im Gasentladungslampenbrenner 50 vorzubeugen. Ein Vorteil
im Vergleich zu bisherigen Betriebsgeräten nach dem Stand
der Technik ist, dass nun der Frequenzbereich (innerhalb dessen
die Frequenz variiert werden darf) sehr klein ist, und die Probleme
bezüglich verlöschender Lampen oder instabilem
Reglerverhalten kleiner sind. Nichtsdestotrotz kann es bei bestimmten
Lampentypen sinnvoll sein, die Frequenzbereiche um die eigentliche
Modulationsfrequenz bezüglich ihres Flackerverhaltens zu vermessen,
um einen stabilen Lampenbetrieb gewährleisten zu können.
Dazu wird in einer Ausführungsform die Schaltungsanordnung
zum Detektieren von Flackern verwendet, und nahe an der Modulationsfrequenz
liegenden Frequenzen auf ihr Flackerverhalten hin vermessen.
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In
einer ersten Ausführungsform nach 23 wird
die Frequenz des Gleichspannungswandlers 9210 nun gleich
der Modulationsfrequenz gewählt. Durch entsprechende Auslegung
des Zwischenkreiskondensators CZW bleibt
ein Hochfrequenzrippel als aufmodulierte hochfrequente Wechselspannung
auf der vorn Gleichspannungswandler 9210 ausgegebenen Gleichspannung.
Die Gleichspannung mit der aufmodulierten hochfrequenten Wechselspannung
dient als Eingangsspannung für den Wechselrichter 9220.
Der Wechselrichter 9220 ist hier als Vollbrücke
ausgebildet, die die Gleichspannung in eine rechteckförmige
Wechselspannung umwandelt. Die Amplitude des Modulationssignals, also
der aufmodulierten hochfrequenten Wechselspannung, ist durch die
Dimensionierung des Ausgangsfilters der Vollbrücke (Ausgangskondensator CA) sowie durch die Induktivität
der Sekundärwicklung (IPSH, IPSR) des Impulszündtransformators festgelegt.
Dadurch, dass bei der integrierten Gasentladungslampe 5 diese
Komponenten untrennbar miteinander verbunden sind, ist eine gute
Abstimmung der Komponenten auf die gewünschte Betriebsweise
möglich. Durch die überlagerte hochfrequente Spannung
tritt die gewünschte Begradigung des Entladungsbogens ein.
Der Nachteil dieser Ausführungsform ist die festfrequente
Betriebsweise des Gleichspannungswandlers, die keine effektive Schaltentlastung
ermöglicht, so dass die Verluste des Systems steigen.
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In
einer zweiten Ausführungsform nach 24 wird
die überlagerte hochfrequente Spannung durch einen Signalgenerator 9230 erzeugt.
Dieser koppelt die hochfrequente Spannung im Lampenkreis zwischen
einer Drossel LK und der Primärwicklung
des Zündtransformators der Zündelektronik 910 ein.
Die Einkopplung vor dem Zündtrafo ist wichtig, da der Signalgenerator 9230 sonst
hochspannungsfest ausgeführt sein müsste. Die
Drossel dient dazu, den Zwischenkreiskondensator CZK zu
entkoppeln, da er sonst die eingekoppelte hochfrequente Spannung
zu sehr bedämpfen würde. Aus diesem Grund sollte
auch die Induktivität des Zündtransformators der
Zündelektronik 910 möglichst klein sein.
Der Signalgenerator kann dabei so ausgelegt sein, dass die Frequenz
der eingekoppelten hochfrequenten Spannung wiederum moduliert wird,
um einen sichereren und flackerfreien Betrieb des Gasentladungslampenbrenners 50 zu
erreichen.
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In
einer dritten Ausführungsform, die in 25 gezeigt ist, ist der Signalgenerator in die
Zündelektronik 910 integriert. Hier wird der Gasentladungslampenbrenner 50 durch
eine Resonanzzündung gestartet. Die Zündelektronik
weist einen für hochfrequenten Betrieb ausgelegten Zündtransformator
TIR auf, der von einem Signalgenerator,
der als Klasse-E Wandler ausgeführt ist, angesteuert wird. Der
Zündtransformator TIR ist so zu
dimensionieren, dass der zumindest die Grundschwingung der auftretenden
Hochfrequenz und die identisch mit der Schaltfrequenz des Klasse-E-Wandler
ist noch hinreichend gut übertragen kann, insbesondere
sein Wirkungsgrad bei dieser Frequenz besser als 10% ist. Die Schaltfrequenz
des Klasse-E-Wandlers während der Zündung beträgt
einen Wert zwischen 80 kHz und 10 MHz. Vorzugsweise wählt
man die Frequenz jedoch oberhalb von 300 kHz da hier eine kleine
Bauform möglich ist und unterhalb von 4 MHz da hier die
erreichbaren Wirkungsgrade besonders hoch sind. Die Ansteuerung
des Zündtransformators erfolgt über eine galvanisch
getrennte Primärwicklung. Die Sekundärwicklung
ist auf zwei galvanisch getrennte Wicklungen aufgeteilt, die jeweils
zwischen eine Lampenelektrode und den Wechselrichter 9220 geschaltet
sind. Der Signalgenerator erzeugt hier einen hochfrequenten Strom
durch die Primärwicklung des Zündtransformators
TIR, der auf der Sekundärseite
eine Resonanz in einem Resonanzkreis anregt, die den Gasentladungslampenbrenner 50 durchbrechen lässt.
Der Resonanzkreis besteht dabei aus der Sekundärinduktivität
des Zündtransformators TIR und
einer über der Lampe liegenden Kapazität CR2. Da die Kapazität CR2 sehr
klein ist, muss sie nicht unbedingt als Bauteil in die Zündelektronik 910 integriert
sein, sondern kann durch bauliche Maßnahmen erzeugt werden.
-
Sobald
der Gasentladungslampenbrenner 50 gezündet hat,
wird die Betriebsweise des Signalgenerators umgestellt, so dass
er nun ein hochfrequentes Signal über den Zündtransformator
TIR einkoppelt, dass zur Bogenbegradigung
auf die Lampenspannung aufmoduliert wird. Dies birgt den Vorteil,
dass die Frequenz und die Amplitude der aufmodulierten Spannung
relativ frei einstellbar ist, ohne dass auf eine optimierte Betriebsweise
des Gleichspannungswandlers 9210 oder des Wechselrichters 9220 verzichtet
werden muss. Durch diese Schaltungstopologie kann von der Zündelektronik 910 auch
eine über den Resonanzkreis erzeugte erhöhte Übernahmespannung
für den Gasentladungslampenbrenner 50 zur Verfügung
gestellt werden, so dass diese nicht vom Gleichspannungswandler 9210 erzeugt
werden muss. Mit dieser Maßnahme kann die Betriebsweise
des Gleichspannungswandlers 9210 weiter optimiert werden,
da der notwendige Ausgangsspannungsbereich des Gleichspannungswandlers 9210 kleiner
wird. Auch muss der Wechselrichter 9220 weniger Leistung
umsetzen, da ein Teil der Lampenleistung über die aufmodulierte
Lampenspannung eingekoppelt wird. Diese Ausführungsform bietet
somit die größte Freiheit bei der Umsetzung der
Betriebsparameter, so dass ein optimierter und zuverlässiger
Betrieb des Gasentladungslampenbrenners 50 bei begradigtem
Entladungsbogen möglich wird.
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26 zeigt eine gegenüber dem Stand der Technik
vereinfachte Ausführungsform eines Gleichspannungswandlers 9210.
Die im Stand der Technik üblichen Gleichspannungswandler
für Vorschaltgeräte, die an einem Bordnetz eines
Automobils betreibbar sind, weisen eine Sperrwandlertopologie, die auch
als Flyback bezeichnet wird, auf, da die Bordspannung von 12 V auf
eine größere Spannung hochgesetzt werden muss.
Dadurch, dass bei der integrierten Gasentladungslampe 5 die
elektrische Kontaktierung erst beim Einsetzen der Lampe in den Scheinwerfer 3 erfolgt,
kann ein vereinfachter Wandler in Form eines Hochsetzstellers, auch
als Boost-Wandler bezeichnet, mit einem Spartransformator TFB verwendet werden. Dies ist möglich,
da bei der verwendeten elektromechanischen Schnittstelle eine versehentliche
Kontaktierung des Wandlerausgangs mit Fahrzeugmasse, die eine Zerstörung des Boost-Wandlers
zur Folge hätte, ausgeschlossen werden kann. Die bisher
im Stand der Technik eingesetzten Gleichspannungswandler in Sperrwandlertopologie
erlauben eine Unterbrechung des Energieflusses trotz ausgangsseitigem
Kurzschluss. Dies ist im vorliegenden Wandlerkonzept nach 26 nicht der Fall, da hier keine galvanische Trennung
im Leistungspfad des Wandlers vorhanden ist, der den Energiefluss
vom Eingang, also dem 12 V Bordnetz, zum Ausgang, also zur Stromzuführung
des Gasentladungslampenbrenner 50 die versehentlich mit
der Fahrzeugmasse verbunden wurde, unterbrechen könnte.
Ansonsten ist der Gleichspannungswandler in üblicher Weise
aufgebaut. Er besteht aus einem eingangsseitigem EMI-Filter, einem
Eingangskondensator C1, einem Wandlerschalter Q, einer als Spartransformator
ausgeführten Induktivität TFB,
die über eine Diode D auf den Zwischenkreiskondensator
CZW arbeitet. Dieser Wandler ist gegenüber
den im Stand der Technik verwendeten Sperrwandlern erheblich kostengünstiger,
somit ist die integrierte Gasentladungslampe 5 gegenüber
einem Lampensystem nach dem Stand der Technik, mit einer Gasentladungslampe
und einem externen elektronischen Betriebsgerät in der
Systembetrachtung erheblich kostengünstiger.
-
- 20
- elektronisches
Betriebsgerät
- 210
- elektrischer
Kontakt
- 220
- elektrischer
Kontakt
- 230
- elektrischer
Kontakt
- 240
- elektrischer
Kontakt
- 3
- Scheinwerfer
- 33
- Reflektor
des Scheinwerfers
- 35
- Trägerteil
mit Gegenkontakten
- 350
- Gegenkontakte
- 351,
352
- Schlitze
- 5
- Integrierte
Gasentladungslampe
- 50
- Gasentladungslampenbrenner
- 502
- Entladungsgefäß
- 504
- Elektroden
- 506
- Molybdänfolie
- 52
- Metallklammer
zum Halten des Gasentladungslampenbrenners
- 53
- Halteblech
für Metallklammer
- 54
- metallische
Beschichtung des Außenkolbens
- 56
- sockelnahe
Stromzuführung des Gasentladungslampenbrenners
- 57
- sockelferne
Stromzuführung
- 70
- Lampensockel
- 702
- Referenzring
- 703
- aus
dem Referenzring heraustretende Noppen
- 71
- Dichtring
zum Reflektor
- 72
- elektrisch
leitfähiges Gehäuse
- 73
- Dichtungsring
zwischen Sockelplatte und Sockel
- 74
- Sockelplatte
- 741
- Sockelplattendom
- 80
- Zündtransformator
- 81
- Ferritkern
- 811
- erste
Ferritkernhälfte
- 8110
- erste
Hälfte des inneren Teils des Ferritkerns
- 8112
- Seitenwand
der ersten Ferritkernhälfte
- 81121
- längliche
Vertiefungen
- 812
- zweite
Ferritkernhälfte
- 814–816
- Rückschlussferrite
- 8120
- zweite
Hälfte des inneren Teils des Ferritkerns
- 8122
- Seitenwand
der zweiten Ferritkernhälfte
- 81221
- längliche
Vertiefungen
- 821
- Hohlzylinder
- 822
- runde
Platten
- 823
- Schlitz
- 824
- hohlzylindrischer
Mittelkern
- 825
- erste
Platte
- 826
- zweite
Platte
- 827
- Absatz
- 85
- Kontaktkörper
- 851
- erste
Dachfläche
- 852
- zweite
Dachfläche
- 86
- Primärwicklung
- 861,
863, 865
- Zylinderförmige
nach innen weisende Rundungen
- 862,
864
- Laschen
zur el. Kontaktierung
- 8620,8640
- Radien
bzw. Rundungen am Enden des Blechbandes der Primärwicklung
- 866–869
- Befestigungslaschen
zur mech. Befestigung
- 87
- Sekundärwicklung
- 871
- inneres
Ende der Sekundärwicklung
- 872
- äußeres
Ende der Sekundärwicklung
- 910
- Zündelektronik
- 920
- Betriebselektronik
- 930
- Gesamtbetriebselektronik
- 9210
- Gleichspannungswandler
- 9220
- Wechselrichter
- 9230
- Signalgenerator
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 19913942
C1 [0003]
- - DE 102004044368 A1 [0004]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - ECE Regel
99 [0111]
- - „The boundary layers of ac-ares at HID-electrodes:
Phase resolved electrical measurements and optical observations”,
O. Langenscheidt et al., J. Phys D 40 (2007), S. 415–431 [0124]