DE102010029146A1

DE102010029146A1 - Schaltungsanordnung zum Zünden von Hochdruckentladungslampen

Info

Publication number: DE102010029146A1
Application number: DE102010029146A
Authority: DE
Inventors: Andreas Huber; Peter Niedermeier; Wolfgang Seitz
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2010-05-20
Filing date: 2010-05-20
Publication date: 2011-11-24
Also published as: WO2011144403A1

Abstract

Vorgeschlagen wird eine Schaltungsanordnung zum Zünden einer Hochdruck-Entladungslampe, bei der ein auf die Zündspannung der Lampe (XBO) aufgeladener Hochspannungskondensator (C2) über eine Schaltfunkenstrecke (FS2) direkt an die Elektroden der Lampe (XBO) geschaltet wird. Dies hat den Vorteil, dass nahezu die gesamte im Hochspannungskondensator (C2) gespeicherte Energie für die Zündung der Hochdruck-Entladungslampe (XBO) zur Verfügung steht. Dadurch wird eine zuverlässige Zündung und Bogenübernahme bei reduzierter elektromagnetischer Störstrahlung erreicht.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zum Zünden von Hochdruck-Entladungslampen, insbesondere Edelgas-Entladungslampen wie sie beispielsweise für die Kinoprojektion verwendet werden.
Je nach Hochdruck-Entladungslampentyp sind unterschiedlich hohe Zündspannungen erforderlich, bei Edelgas-Entladungslampen bis zu typisch 40 kV oder mehr. Diese relativ hohen Zündspannungen – für kalte und insbesondere für heiße Edelgas-Entladungslampen – werden durch die Edelgasfüllung, beispielsweise nur Xenon oder Edelgasgemische, verursacht.
Stand der Technik
Bei bisherigen gattungsgemäßen Zündschaltungsanordnungen (vgl. 1) wird ein Kondensator C1 mittels eines Hochspannungsgenerators HV1 aufgeladen und dann über eine Schaltfunkenstrecke FS1 auf eine Anzapfung oder Primärwicklung WP eines Tesla-Transformators TR geschaltet. Der Kondensator C1 entlädt sich daraufhin in dem mit der Primärwicklung WP gebildeten seriellen LC-Schwingkreis. Zwischen den Enden der Sekundärwicklung WS des Transformators TR entsteht dann eine durch das Windungsverhältnis beider Trafowicklungen und den Koppelfaktor übersetzte höhere Sekundärspannung, die die angeschlossene Xenon-Hochdruck-Entladungslampe XBO zündet. Nach der Zündphase übernimmt das eigentliche Betriebsgerät BG den Betrieb der Hochdruck-Entladungslampe XBO. Dabei fließt der Lampenbetriebsstrom durch die Sekundärwicklung WS des Transformators TR. Die Lampenbetriebsspannung ist im Übrigen erheblich geringer als die Lampenzündspannung und beträgt typisch ca. 25–45 V. Je nach Leistungsaufnahme der Lampe, beispielsweise einige hundert bis einige tausend Watt, fließen erhebliche Ströme, typisch im Bereich von ca. 20–200 A.
Dokument EP 0 975 007 B1 offenbart in 2 eine Schaltungsanordnung, die auf diesem Zündschaltungsprinzip beruht.
Nachteilig beim Stand der Technik ist, dass die Zündgeräte relativ aufwändig sind und insbesondere einen Transformator benötigen. Speziell bei Lampen mit hohem Edelgas-Kaltfülldruck ist die Zündung mit Geräten nach dem Stand der Technik unsicher und erfordert in der Regel mehrere Zündimpulse. Diese generelle Zündproblematik wird noch verschärft durch die abnehmende Zündwilligkeit der Lampen mit zunehmender Betriebsdauer.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung vorzuschlagen, die ein verbessertes Zünden von Hochdruck-Entladungslampen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung zum Zünden einer Hochdruck-Entladungslampe, insbesondere Edelgas-Entladungslampe, mit zwei Ausgangspolen zum Anschließen der Hochdruck-Entladungslampe, sowie einem Hochspannungskondensator, der mit einem Hochspannungsgenerator verbunden ist, wobei der eine Anschluss des Hochspannungskondensators über eine Schaltfunkenstrecke mit einem ersten Ausgangspol und der andere Anschluss des Hochspannungskondensators direkt mit dem zweiten Ausgangspol verbunden ist.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung hat den Vorteil, dass nahezu die gesamte im Hochspannungskondensator gespeicherte Energie, nämlich nur abzüglich der Verlustenergie durch die Schaltfunkenstrecke, für die Zündung der Hochdruck-Entladungslampe zur Verfügung steht. Dadurch liefert der Zündimpuls deutlich mehr Energie als bei dem eingangs erläuterten Tesla-Transformator-Konzept gemäß dem Stand der Technik. Die höhere Energieeinkopplung führt zu einer deutlich besseren Übernahme des Entladungsbogens durch das nach der Zündphase für den Betrieb vorgesehenen zusätzlichen Betriebsgerät. Außerdem ist der Zündimpuls breiter als im Stand der Technik, was zum einen eine zuverlässigere Zündung bewirkt – meist ist nur ein Zündimpuls erforderlich – und außerdem weniger elektromagnetische Störstrahlung verursacht, da weniger hochfrequente Anteile beim Zündimpuls beteiligt sind.
Der Ausgang des elektrischen Betriebsgeräts muss zum Betreiben einer Hochdruck-Entladungslampe ebenfalls mit deren Stromzuführungen verbunden werden. Deshalb ist ein erster Ausgangspol des Betriebsgeräts über eine Drossel mit einem Ausgangspol zum Anschließen der Hochdruck-Entladungslampe verbunden. Diese Drossel schützt den Ausgang des Betriebsgeräts während der Zündphase vor dem Hochspannungsimpuls. Die Drossel muss in ihrer Stromtragfähigkeit der Lampe angepasst sein. Der zweite Ausgangspol des Betriebsgeräts ist mit dem zweiten Ausgangspol zum Anschließen der Hochdruck-Entladungslampe verbunden.
Die Drossel besteht vorzugsweise aus einem Stück Stromleiter und mindestens einem Ferritbauteil, durch das der Stromleiter hindurch geführt ist. Dabei ist der Stromleiter zumindest im Bereich des Ferritbauteils ungewickelt, vorzugsweise gerade. Je nach Höhe der benötigten Induktivität der Stromdrossel – typisch sind Werte von 25 bis über 50 μH – können mehrere Ferritbauteile entlang des Stromleiters linear aufgereiht sein. Als Ferritbauteile eignen sich insbesondere auch einfach montierbare Klappferrite.
Die Schaltfunkenstrecke ist vorzugsweise so ausgelegt, dass ihre Durchbruchspannung in etwa der maximalen Ladespannung des Hochspannungskondensators entspricht. Diese Auslegung erfolgt üblicherweise über den Abstand der Elektroden der Funkenstrecken sowie die Art und den Druck des verwendeten Füllgases. Da der Anschluss der Schaltfunkenstrecke, der dem mit dem Hochspannungskondensator verbundenen Anschluss gegenüberliegt, über die Drossel nahe dem Bezugspotential des Hochspannungskondensators liegt, fällt über der ungezündeten Schaltfunkenstrecke nahezu die gesamte Ladespannung des Hochspannungskondensators ab. Dadurch zündet die Schaltfunkenstrecke durch sobald der Hochspannungsgenerator den Hochspannungskondensator vollständig aufgeladen hat. Der Hochspannungskondensator kann im übrigen auch aus zwei oder mehr parallel oder seriell geschalteter Kondensatoren geeigneter Kapazität und Spannungsfestigkeit bestehen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
1 eine Schaltungsanordnung gemäß dem Stand der Technik,
2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
3 ein Ausführungsbeispiel der Stromdrossel für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung,
4 ein Zündimpuls der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung aus 2 (200 ns/Div),
5 ein Zündimpuls der Schaltungsanordnung aus 1, gemäß dem Stand der Technik (80 ns/Div),
6 die Zeitverläufe für Lampenstrom i und Lampenlicht I gemäß der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung aus 2 (20 μs/Div),
7 die Zeitverläufe für Lampenstrom i und Lampenlicht I gemäß der Schaltungsanordnung aus 1, entsprechend dem Stand der Technik (40 μs/Div).
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die 2 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Zünden einer Hochdruck-Entladungslampe X30, deren Stromzuführungen 1, 2 mit den beiden Ausgangspolen A1, A2 der Schaltungsanordnung verbunden sind. Ausgelegt ist dieses Ausführungsbeispiel für eine gleichstrombetriebene 4000 W Xenon-Edelgaslampe vom Typ XBO^® der Firma OSRAM GmbH. Der Gleichstrom(DC)betrieb erfolgt nach der Zündung der Lampe XBO mit Hilfe eines DC-Betriebsgeräts BG. Dessen erster Ausgangspol a1 ist über eine Drossel L mit dem ersten Ausgangspol A1 zum Anschließen der Anode der Hochdruck-Entladungslampe XBO verbunden. Der zweite Ausgangspol a2 des DC-Betriebsgeräts BG ist direkt mit dem zweiten Ausgangspol A2 zum Anschließen der Kathode der Hochdruck-Entladungslampe XBO verbunden. Außerdem sind die beiden Ausgangspole a1, a2 des DC-Betriebsgeräts BG mit dem Eingang eines Hochspannungsgenerators HV2 verbunden. Der Ausgang des Hochspannungsgenerators HV2 ist mit einem Hochspannungskondensators C2 verbunden und lädt diesen in der Zündphase auf ca. 40 kV auf. Der zweite Ausgangspol a2 des DC-Betriebsgeräts BG bildet hier das gemeinsame Bezugspotential für den Hochspannungsgenerator HV2 und den Hochspannungskondensator C2. Der Hochspannungsanschluss des Hochspannungskondensators C2 ist über eine Schaltfunkenstrecke FS2 mit dem ersten Ausgangspol A1 verbunden. Während der Ladephase des Hochspannungskondensators C2 ist der andere Anschluss der Schaltfunkenstrecke FS2 über die Stromdrossel L statisch auf nahe Bezugspotential, so dass nahezu die gesamte Ladespannung des Hochspannungskondensators C2 über der Schaltfunkenstrecke FS2 abfällt. Die Schaltfunkenstrecke FS2 ist auf eine Durchbruchspannung von bis zu 40 kV ausgelegt. Dadurch schaltet die Schaltfunkenstrecke FS2 durch, sobald der Hochspannungskondensator C2 auf 40 kV aufgeladen ist, und legt die Ladespannung des Hochspannungskondensators C2 an den ersten Ausgangspol A1 und damit an die Anode der Hochdruck-Entladungslampe XBO. Dadurch wird nahezu die gesamte Energie des Hochspannungskondensators C2 – nämlich nur abzüglich der Verluste in der Schaltfunkenstrecke FS2 – für die Zündung der Hochdruck-Entladungslampe XBO bereitgestellt. Während der Zündung blockt die Stromdrossel L den Ausgangspol a1 des Betriebsgeräts BG gegen die Hochspannung.
Der Hochspannungsgenerators HV2 ist in einer dem Fachmann an sich bekannten Weise ausgeführt. Dabei wird die Eingangsspannung, die hier zwischen ca. 80 und 150 V schwanken kann, auf ca. 5 kV Hochspannung hoch transformiert. Danach folgt ein achtstufiger Hochspannungsvervielfacher, der letztlich eine Ausgangsspannung von ca. 40 kV bereitstellt.
In der 3 ist die Drossel L in schematischer Form dargestellt. Sie besteht aus einem ca. 20 cm langen, geraden und isolierten Kupferdraht 3, auf dem z. B. fünf quaderförmige Ferritbauteile 4, jeweils etwa 25 mm lang, aufgereiht sind. Durch den linearen Aufbau ergibt sich eine hohe Spannungsfestigkeit. Ein Vergießen dieses Aufbaus, um die Hochspannungsfestigkeit sicher zu stellen, ist nicht erforderlich. Weitere Vorteile sind, dass der stromführende Draht nicht mehr aufwändig gewickelt werden muss und dafür kein Spezialkupferdraht erforderlich ist (z. B. 4 × 8 mm² hochkant gewickelt mit ausreichendem Abstand wegen Spannungsfestigkeit), keine spezielle Ferritform benötigt wird und eine Verwendung für unterschiedliche Lampenleistungen durch Anpassen des Drahtdurchmessers einfach möglich ist. Für eine Lampenleistung von 4000 W beträgt die Drahtquerschnittsfläche ca. 32 mm².
In der 4 ist die an der Schaltung gemäß 2 gemessene Kurve des Zündspannungsimpulses U dargestellt.
Eine Zeiteinheit (DIV) zwischen den langen Strichen der Zeitachse t beträgt 200 ns. Im Vergleich zu der in 5 gezeigten entsprechenden Darstellung für die Schaltung nach dem Stand der Technik ist der Zündspannungsimpuls U mit der erfindungsgemäßen Schaltung gemäß 2 wesentlich breiter und verursacht damit weniger elektromagnetische Störungen. Beim Vergleich der 4 u. 5 ist zu beachten, dass die Zeitachse t der 5 bereits um den Faktor 2,5 gedehnt ist (80 ns/DIV). Wie im Vergleich erkennbar, ist die erste Halbwelle des Zündimpulses mit der erfindungsgemäßen Schaltung ca. zweieinhalb mal länger und hat entsprechend weniger subharmonische Frequenzanteile.
In der 6 sind die mit der Schaltung gemäß 2 gemessenen Zeitverläufe des Lampenstromes i sowie des Lampenlichtes I dargestellt. Im Vergleich zu der in 7 gezeigten entsprechenden Darstellung für die Schaltung nach dem Stand der Technik, stellt sich mit der erfindungsgemäßen Schaltung sehr rasch ein stabiler Betriebsstrom i ein. Dadurch nimmt auch das Lampenlicht unmittelbar nach der Zündung nicht so stark ab wie in 7, d. h. die Gefahr, dass die Lampe nach der Zündung wieder ausgeht bevor das Betriebsgerät den Lampenstrom übernimmt ist deutlich verringert. Dieses verbesserte Zünd- und Übernahmeverhalten wird im wesentlichen darauf zurück geführt, dass mit der erfindungsgemäßen Schaltung während der Zündung mehr Energie in die Lampe eingespeist wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0975007 B1 [0004]

Claims

Schaltungsanordnung zum Zünden einer Hochdruck-Entladungslampe, insbesondere Edelgas-Entladungslampe (XBO), mit zwei Ausgangspolen (A1, A2) zum Anschließen der Hochdruck-Entladungslampe (XBO), sowie einem Hochspannungskondensator (C2), der mit einem Hochspannungsgenerator (HV2) verbunden ist, wobei der eine Anschluss des Hochspannungskondensators (C2) über eine Schaltfunkenstrecke (FS2) mit einem ersten Ausgangspol (A1) und der andere Anschluss des Hochspannungskondensators (C2) direkt mit dem zweiten Ausgangspol (A2) verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 mit einem zusätzlichen Betriebsgerät (BG) zum Betreiben der Hochdruck-Entladungslampe (XBO) nach deren Zünden, wobei ein erster Ausgangspol (a1) des Betriebsgeräts (BG) über eine Drossel (L) mit einem Ausgangspol (A1) zum Anschließen der Hochdruck-Entladungslampe (XBO) verbunden ist und wobei ein zweiter Ausgangspol (a2) des Betriebsgeräts (BG) mit dem zweiten Ausgangspol (A2) zum Anschließen der Hochdruck-Entladungslampe (XBO) verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Drossel (L) aus einem Stromleiter (3) und mindestens einem Ferritbauteil (5) besteht, durch das der Stromleiter (3) hindurch geführt ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, wobei der Stromleiter (3) zumindest im Bereich des Ferritbauteils (5) ungewickelt, vorzugsweise gerade ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, wobei mehreren Ferritbauteile (5) entlang des Stromleiters (3) linear aufgereiht sind.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das bzw. die Ferritbauteile (5) als Klappferrite ausgebildet sind.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Drossel auf eine Induktivität von 25 bis 50 μH ausgelegt ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Hochspannungsgenerator (HV2) und der Hochspannungskondensator (C2) so ausgelegt sind, dass der Hochspannungskondensator (C2) mindestens auf die Zündspannung der zu zündenden Hochdruck-Entladungslampe (XBO) aufgeladen wird.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, wobei die Schaltfunkenstrecke (FS2) so ausgelegt ist, dass ihre Durchbruchspannung in etwa der Ladespannung des Hochspannungskondensator (C2) entspricht.