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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem elektronischen Vorschaltgerät für eine Gasentladungslampe nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1.
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Zum Betrieb von Gasentladungslampen ist ein elektronisches Vorschaltgerät erforderlich, welches die zur Zündung und zum Betrieb notwendigen Spannungen und Ströme bereitstellt. Die Zündung der Gasentladungslampe erfolgt typischerweise mit einer sehr hohen Spannung im Bereich von 20 bis 25kV, um einen Lichtbogen zwischen den Elektroden der Gasentladungslampe zu erzeugen. Unmittelbar nach diesem Zündvorgang, ist es äußerst wichtig, dass der Lichtbogen nicht wieder erlischt. Deshalb muss das Vorschaltgerät unmittelbar nach der Zündung ausreichend Energie zur Verfügung stellen, um den Stromfluss in Form des Lichtbogens aufrechtzuerhalten. Misslingt dies, verlischt der Lichtbogen und der Brenner muss erneut gezündet werden. Diese kritische Phase nach der Zündung wird im Allgemeinen und in der vorliegenden Anmeldung mit Takeover bezeichnet. Die für ein erfolgreiches Takeover benötigte Energie muss nur wenige Mikrosekunden nach der Zündung für einen Zeitraum von etwa 300µs zur Verfügung gestellt werden. Deshalb wird heutzutage in vielen Vorschaltgeräten eine Trickschaltung verwendet, welche aus einem Boost-Kondensator besteht, der über einen Serienwiderstand an der Zwischenkreisspannung angeschlossen ist. Der Boost-Kondensator der Trickschaltung wird während der Vorzündphase über den Serienwiderstand aufgeladen, wodurch der Boost-Kondensator die für das Takeover erforderliche Energie aufnimmt. Nach der Zündung bricht die Spannung durch den Lichtbogen zusammen, wodurch die im Boost-Kondensator gespeicherte Energie über einen Zeitraum von ca. 300µs abgegeben wird.
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In der Gebrauchsmusterschrift
DE 20 2006 006 444 U1 wird ein elektronisches Vorschaltgerät beschrieben, welches mit einer Hochdruck-Entladungslampe und einer Stromquelle elektrisch verbunden ist. Das beschriebene elektronische Vorschaltgerät umfasst eine Stromquellensteuerschaltung, welche mit der Stromquelle elektrisch verbunden ist, um die Stromquelle anzusteuern, das elektronische Vorschaltgerät mit elektrischer Energie zu versorgen, eine DC-DC-Wandlerschaltung, welche mit der Stromquelle elektrisch verbunden ist und einen ersten Transformator und ein Niederspannungsschaltelement aufweist, einen Mikroprozessor, welcher jeweils mit der Stromquellensteuerschaltung und dem Niederspannungsschaltelement in der DC-DC-Wandlerschaltung elektrisch verbunden ist, eine Vollbrückenschaltung, welche jeweils mit der DC-DC-Wandlerschaltung und dem Mikroprozessor elektrisch verbunden ist, und eine Zündschaltung, welche eine mit der Vollbrückenschaltung elektrisch verbundene niederfrequente Spannungsverdopplungs-Gleichrichterschaltung, einen Energiespeicherkondensator, eine Funkenstrecke und einen mit der HID-Lampe elektrisch verbundenen zweiten Transformator aufweist. Hierbei gibt der Mikroprozessor beim Einschalten des Stroms durch die Stromquellensteuerschaltung ein niederfrequentes pulsbreitenmoduliertes Signal an das Niederspannungsschaltelement ab und der erste Transformator der DC-DC-Wandlerschaltung gibt dann eine Gleichspannung von mittlerer Höhe aus. Die Vollbrückenschaltung wandelt die von der DC-DC-Wandlerschaltung gelieferte Gleichspannung mittlerer Höhe in eine niederfrequente Wechselspannung um. Die niederfrequente Spannungsverdopplungs-Gleichrichterschaltung empfängt den von der Vollbrückenschaltung gelieferten niederfrequenten Rechteckimpuls und gibt eine hohe Gleichspannung ab, um den Energiespeicherkondensator zu laden, wobei in dem Fall, dass der Energiespeicherkondensator so aufgeladen wird, dass die Zündspannung der Funkenstrecke überschritten wird, die Funkenstrecke angeschaltet wird und eine resultierende hohe Spannung, welche in der Sekundärwicklung des zweiten Transformators induziert wird, die HID-Lampe zündet.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße elektronische Vorschaltgerät für eine Gasentladungslampe mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass während der Vorzündphase auf die gewünschte hohe Zwischenkreisspannung geregelt wird, so dass das Zusammenbrechen der Zwischenkreisspannung nach der Zündung der Gasentladungslampe automatisch zu einer positiven Reglerreaktion führt. Diese Reglerreaktion führt zu einer Erhöhung der übertragenen Energie nach der Zündung.
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Der Kern der Erfindung besteht in der Eliminierung von Bauelementen und Übernahme der Aufgaben der weggelassenen Bauteile durch bereits vorhandene Bauteile. Die Auswerte- und Steuereinheit zur Umsetzung der Spannungsregelung wird vorzugsweise als digitalen Signalprozessor ausgeführt. Alternativ kann die Auswerte- und Steuereinheit auch als schneller analoger Regler ausgeführt werden. Dadurch kann die Regelgeschwindigkeit in vorteilhafter Weise ausreichend schnell ausgeführt und an die Lampen- und Systemeigenschaften angepasst werden.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen den Entfall oder zumindest eine Reduzierung der Größe des Boost-Kondensators. Des Weiteren ermöglichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Einsparung von Verlustleistung und einen Entfall von Leistungswiderständen. Durch die höhere Effizienz der erfindungsgemäßen Regelung kann die Boost-Kapazität vergleichsweise kleiner als bei den gängigen Verfahren ausfallen. Ein weiterer Vorteil dieser Schaltung besteht darin, dass die Boost-Schaltung zeitweise oder permanent abgeschaltet werden kann, was insbesondere in der Kommutierungsphase vorteilhaft ist.
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Somit sorgt das erfindungsgemäße Reglerverhalten schon vor der eigentlichen Erkennung der Zündung und der gegebenenfalls erforderlichen Umschaltung des Reglerverhaltens für das erwünschte Verhalten unmittelbar nach der Zündung der Gasentladungslampe. Bei Schaltungstopologien, die spontan und selbständig zünden, wenn die Bedingungen erfüllt sind, kann der exakte Zündzeitpunkt nicht vorherbestimmt oder gesteuert werden. Deshalb ist es besonders für diese Topologien wichtig, dass das Regelverhalten im Zündzeitpunkt automatisch zu einer richtigen Reaktion führt. Des Weiteren ist die Regelgeschwindigkeit so groß gewählt, dass eine angemessen schnelle Reaktion auf die Zündung erfolgen kann, auch ohne die Zündung wirklich zu erkennen oder die Regelstrategie zu ändern. Wenn in der Vorzündphase die Zwischenkreisspannung geregelt wird, kann mit einer großen Regelgeschwindigkeit gearbeitet werden. Unmittelbar nach der Zündung sorgt der schnelle Regler durch die zusammenbrechende Zwischenkreisspannung dafür, dass der Regler die Spannung aufrechterhalten will und entsprechend nachregelt. Dieses Verhalten sorgt innerhalb von wenigen Mikrosekunden dafür, dass der Duty-Cycle zunimmt und die notwendige Energie zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens schnell bereitgestellt wird. Die tatsächlich erforderliche Geschwindigkeit und die bereitzustellende Energiemenge werden auf das jeweilige System angepasst.
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Durch die oben beschriebene Regelstrategie und Regelgeschwindigkeit wird Zeit für die Zünderkennung gewonnen. Da der Regler unmittelbar nach der Zündung sich korrekt verhält, hat die Ablaufsteuerung mehr Zeit für die Erkennung der Zündung der Gasentladungslampe. Diese Zeit kann für eine stärker gefilterte Signalerfassung der Ablaufsteuerung genutzt werden. Außerdem ist es möglich, mehrere Signale zu beobachten und zu plausibilisieren, um alle Fälle während der Zündung der Gasentladungslampe sicher zu erkennen. Wurde die Zündung der Gasentladungslampe sicher erkannt, dann kann die Ablaufsteuerung der Auswerte- und Steuereinheit die Regelstrategie oder wichtige Regelparameter auf den geänderten Status anpassen.
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Während der Kommutierung muss der Lampenstrom zwangsläufig durch Null gehen. Damit sich die Stromrichtung tatsächlich umkehrt, muss der Lichtbogen in der Gasentladungslampe erneut aufgebaut werden. Dazu ist, je nach Lebensdauer des Brenners der Gasentladungslampe, der mittleren elektrischen Betriebsleistung der Gasentladungslampe und der äußeren Umstände, wie beispielsweise Vibrationsbelastungen und Veränderung der Brennerlage, schnell eine große Lampenspannung durch den DC-DC-Wandler aufzubauen. In dieser Phase ist es wünschenswert, die kapazitive Belastung des Zwischenkreises möglichst gering zu halten. Durch die Verkleinerung bzw. den vollständigen Entfall der Boost-Kapazität kann diese Anforderung durch Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in idealer Weise erfüllt werden.
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Auch in der Kommutierungssituation ist ein schneller Regler von Vorteil, welcher dafür sorgt, dass die Zwischenkreisspannung schnell wieder aufgebaut wird, um die spontane Wiederzündung des Brenners der Gasentladungslampe nach der Kommutierung zu unterstützen.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen ein elektronisches Vorschaltgerät für eine Gasentladungslampe zur Verfügung, welches eine Auswerteund Steuereinheit, eine DC-DC-Wandlerschaltung, welche elektrisch mit einer Gleichspannungsquelle verbunden ist und einen ersten Transformator und ein erstes Schaltelement aufweist, welches die Auswerte- und Steuereinheit über eine Pulsweitenmodulation ansteuert, und eine Vollbrückenschaltung umfasst, deren Eingänge mit der DC-DC-Wandlerschaltung elektrisch verbunden sind und deren Ausgänge elektrisch mit einer Zündschaltung verbunden sind, welche eine Funkenstrecke zur Erzeugung eines Lichtbogenstroms und einen zweiten Transformator umfasst. Hierbei ist eine Primärspule des zweiten Transformators mit der Funkenstrecke und eine Sekundärspule des zweiten Transformators mit der Gasentladungslampe elektrisch verbunden, wobei die Funkenstrecke bei Erreichen einer Zündspannung zündet und eine Lichtbogenstrom erzeugt, welche in der Sekundärspule des zweiten Transformator einen Hochspannungsimpuls zum Zünden der Gasentladungslampe induziert. Nach der Zündung ist die Gasentladungslampe mit Energie zur Erhaltung des Stromflusses versorgt. Erfindungsgemäß erfasst die Auswerte- und Steuereinheit eine Zwischenkreisspannung an einem ersten Eingang der Vollbrückenschaltung und regelt diese während einer Vorzündphase über die Pulsweitenmodulation des ersten Schaltelements in der DC-DC-Wandlerschaltung auf einen vorgegebenen hohen Wert, welcher zum Zünden der Funkenstrecke und zum Erzeugen der Funkenstrecke ausreicht. Hierbei regelt die Auswerte- und Steuereinheit nach der Zündung der Gasentladungslampe die zusammenbrechende Zwischenkreisspannung am ersten Eingang der Vollbrückenschaltung durch Erhöhen der Einschaltdauer der Pulsweitenmodulation des ersten Schaltelements in der DC-DC-Wandlerschaltung innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne nach und stellt die Energie zur Erhaltung des Stromflusses durch die Gasentladungslampe zur Verfügung. Dadurch kann der in der Gasentladungslampe erzeugte Lichtbogen aufrechterhalten werden.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen elektronischen Vorschaltgeräts für eine Gasentladungslampe möglich.
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Besonders vorteilhaft ist, dass die vorgegebene Zeitspanne zum Nachregeln der Zwischenkreisspannung am ersten Eingang der Vollbrückenschaltung im Bereich von 1 bis 5µs liegt. Dadurch kann ein ausreichend schneller Regelvorgang implementiert werden, um die erforderliche Energie zur Aufrechterhaltung des Stromflusses durch die Gasentladungslampe bzw. des Lichtbogens in der Gasentladungslampe nach der Zündung zur Verfügung zu stellen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Vorschaltgeräts kann eine an einem zweiten Eingang der Vollbrückenschaltung über einem Shunt-Widerstand erfasste Spannung zur Ermittlung des Stromflusses durch die Gasentladungslampe ausgewertet werden. Durch die Bestimmung des Stromflusses kann das Regelverhalten in vorteilhafter Weise verbessert werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Vorschaltgeräts kann ein Analog-Digital-Wandler in der Auswerte- und Steuereinheit die erfassten analogen Werte der Spannungen an den Eingängen der Vollbrückenschaltung innerhalb von 500ns in korrespondierende digitale Werte umwandeln. Durch diese schnelle Analog-Digital-Wandlung kann die gewünschte Regelgeschwindigkeit umgesetzt werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Vorschaltgeräts kann die DC-DC-Wandlerschaltung als zusätzlichen Energiespeicher einen Boost-Kondensator mit einer Zusatzschaltung umfassen, welche einen Teil der Energie zur Erhaltung des Stromflusses durch die Gasentladungslampe zur Verfügung stellt. Bei einer möglichen Ausführungsform kann die Zusatzschaltung ein zweites Schaltelement umfassen, welches die Auswerte- und Steuereinheit ansteuert, um einen in Reihe zum Boost-Kondensator geschalteten Serienwiderstand zu überbrücken. Hierbei schaltet die Auswerte- und Steuereinheit das zweite Schaltelement in der Vorzündphase und in der Nachzündphase der Gasentladungslampe zur Überbrückung des Serienwiderstands leitend und während einer Kommutierungsphase der Gasentladungslampe schaltet die Auswerte- und Steuereinheit das zweite Schaltelement sperrend, um den Boost-Kondensator zu entkoppeln. Dadurch kann während der Vorzündphase und der Nachzündphase der Gasentladungslampe die Verlustleistung reduziert werden, da kein Strom durch den Serienwiderstand fließt. Während der Kommutierungsphase ist der Serienwiderstand wirksam und entkoppelt den Boost-Kondensator, um die kapazitive Belastung des Zwischenkreises zu reduzieren.
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Bei einer alternativen möglichen Ausführungsform kann die Zusatzschaltung ein zweites Schaltelement umfassen, welches die Auswerte- und Steuereinheit ansteuert, um eine Zusatzinduktivität in Reihe zum Boost-Kondensator zu schalten. Hierbei schaltet die Auswerte- und Steuereinheit das zweite Schaltelement in der Nachzündphase über eine vorgegebene Zeitdauer mit einer vorgegebenen Frequenz abwechselnd leitend und sperrend. Die zusätzliche Induktivität ermöglicht, dass die Energie für das Takeover gezielt dann eingesetzt wird, wenn sie benötigt wird. Dies wird dadurch erreicht, dass der Leistungstransistor für eine bestimmte Dauer und mit einer bestimmten Frequenz ein- und ausgeschaltet wird. Die vorgegebene Zeitdauer liegt beispielsweise im Bereich von 1 bis 5ms und die vorgegebene Frequenz liegt beispielsweise im Bereich von 10 bis 100kHz.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Vorschaltgeräts kann die DC-DC-Wandlerschaltung als quasiresonanter Wandler mit einer im Bereich von 250 bis 1000kHz variablen Frequenz betrieben werden. Um einen genauen Wert für die Frequenz der Pulsweitenmodulation zu ermitteln, kann zusätzlich das Ausgangssignal des ersten Schaltelements erfasst und ausgewertet werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen elektronischen Vorschaltgeräts für eine Gasentladungslampe.
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2 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Zündschaltung mit Gasentladungslampe, welche vom erfindungsgemäßen elektronischen Vorschaltgerät aus 1 angesteuert wird.
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3 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels einer Zusatzschaltung für das erfindungsgemäße elektronische Vorschaltgerät aus 1.
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4 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Zusatzschaltung für das erfindungsgemäße elektronische Vorschaltgerät aus 1.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Bei der eingangs erwähnten Trickschaltung, welche aus einem Boost-Kondensator besteht, der über einen Serienwiderstand an der Zwischenkreisspannung angeschlossen ist, wird der Boost-Kondensator während der Vorzündphase über den Serienwiderstand aufgeladen, wodurch der Boost-Kondensator die für den Takeover erforderliche Energie aufnimmt. Nach der Zündung bricht die Spannung durch den Lichtbogen zusammen, wodurch die im Boost-Kondensator gespeicherte Energie über einen Zeitraum von ca. 300µs abgegeben wird. Da die Energie nur für eine begrenzte Zeit zur Verfügung steht, muss sich in dieser Zeit der Regler des DC-DC-Wandlers auf die Lieferung der Energie zum permanenten Betrieb der Gasentladungslampe vorbereiten. Der Serienwiderstand sorgt für eine Entkoppelung des Boost-Kondensators während der Kommutierungsphase, für eine Reduzierung des Takeover-Stromes zum Schutz der Gasentladungslampe und für eine Verlängerung des Zeitraumes, innerhalb dessen Energie zur Verfügung gestellt werden kann.
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Der wesentliche Vorteil der Trickschaltung besteht darin, dass die im Boost-Kondensator gespeicherte Energie ohne Zutun von Intelligenz zum richtigen Zeitpunkt und schnell zur Verfügung gestellt werden kann und, dass es eine relativ lange Reaktionszeit des Reglers auf die Zündung ausreichend ist.
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Die Nachteile der Trickschaltung können darin gesehen werden, dass der Boost-Kondensator typischerweise den Wandler belastet, wodurch die Vorzündphase verlängert wird. Zudem fließt der Aufladestrom für den Boost-Kondensator über den Serienwiderstand, wodurch große Verluste verursacht werden. Des Weiteren setzt die für das Takeover erforderliche Energie einen großen und teuren Kondensator voraus. Außerdem erfolgt die Entladung des Boost-Kondensators in einem verhältnismäßig kurzen Zeitraum von ca. 300µs, wodurch sehr große ungewollte Verluste im Serienwiderstand entstehen, welche bei der Dimensionierung berücksichtigt werden müssen. Des Weiteren verlangsamt der Boost-Kondensator bei kommutierten Gasentladungslampen den Spannungsanstieg während der Kommutierung. Dadurch kann es unter bestimmten Bedingungen zum Verlöschen des Lichtbogens im Brenner der Gasentladungslampe kommen. Zudem wird die Energie des Boost-Kondensators nicht über den Regler erfasst und kann bei ungünstiger Reglerauslegung zu einem inversen Verhalten führen.
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Wie aus 1 bis 4 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektronischen Vorschaltgeräts 1 für eine Gasentladungslampe 24, eine Auswerte- und Steuereinheit 10 mit einer Treiber- und/oder Teilerschaltung 12, eine DC-DC-Wandlerschaltung 5, welche elektrisch mit einer Gleichspannungsquelle 3 verbunden ist und einen ersten Transformator 5.1 und ein erstes Schaltelement T1 aufweist, welches die Auswerte- und Steuereinheit 10 über eine Pulsweitenmodulation ansteuert, und eine Vollbrückenschaltung 30, deren Eingänge mit der DC-DC-Wandlerschaltung 5 elektrisch verbunden sind und deren Ausgänge elektrisch mit einer Zündschaltung 20 verbunden sind. Die Zündschaltung 20 umfasst eine Funkenstrecke 22 zur Erzeugung eines Lichtbogenstroms, eine Gasentladungslampe 24 und einen zweiten Transformator 26. Eine Primärspule 26.1 des zweiten Transformators 26 ist mit der Funkenstrecke 22 und eine Sekundärspule 26.2 des zweiten Transformators 26 ist mit der Gasentladungslampe 24 elektrisch verbunden. Hierbei zündet die Funkenstrecke 22 bei Erreichen einer Zündspannung und erzeugt einen Lichtbogenstrom, welcher in der Sekundärspule 26.2 des zweiten Transformator 26 einen Hochspannungsimpuls zum Zünden der Gasentladungslampe 24 induziert, wobei die Gasentladungslampe 24 nach der Zündung mit Energie zur Erhaltung des Stromflusses bzw. des Lichtbogens versorgt wird.
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Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, ist zwischen der Gleichspannungsquelle 3, welche im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Fahrzeugbatterie repräsentiert, ein Filter 9 gegen elektromagnetische Interferenz eingeschleift, welcher einen Filterinduktivität L1 und eine Filterkapazität C1 umfasst. Der erste Transformator 5.1 des DC-DC-Wandlers umfasste eine Primärwicklung N1 und zwei Sekundärwicklungen N2 und N3, von denen eine erste Sekundärwicklung N2 über eine Gleichrichterschaltung D1 und einen zusätzlichen Energiespeicher 14, 14’ mit der Vollbrückenschaltung 30, und eine zweite Sekundärwicklung N3 mit einer Schaltung 7 zur Erzeugung einer Hilfsspannung ZH verbunden ist. Zur Erzeugung der Hilfsspannung ZH durch Erhöhen der von der zweiten Sekundärwicklung N3 abgegebenen Spannung umfasst die Hilfsschaltung 7 drei Kondensatoren C2, C3 und C4 und zwei Dioden D2, D3, welche auf die dargestellte Art und Weise verschaltet sind. Zur Erzeugung der Zündspannungen Z+ und Z– umfasst die Vollbrückenschaltung 30 vier vorzugsweise als MOSFETs ausgeführte Schalttransistoren T2, T3, T4 und T5.
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Wie aus 2 weiter ersichtlich ist, umfasst die Zündschaltung 20 neben der Funkenstrecke 22 zur Erzeugung des Lichtbogenstroms, dem zweiten Transformator 26 und der Gasentladungslampe 24 einen Energiespeicher C5 in Form eines Kondensators und einen Entladungswiderstand R2, über den der Energiespeicher C5 nach dem Zünden der Gasentladungslampe 24 vollständig entladen werden kann. Der Energiespeicher C5 wird durch die Zündspannung Z+ an einem ersten Ausgang der Vollbrückenschaltung 30 und die von der Hilfsschaltung 7 erzeugte Hilfsspannung ZH auf eine hohe Gleichspannung im Bereich von ca. 700 bis 1000V aufgeladen. Zur Erzeugung der Zündspannung Z+ am ersten Ausgang der Vollbrückenschaltung 30 erfasst die Auswerte- und Steuereinheit 10 die Zwischenkreisspannung Z1 am ersten Eingang der Vollbrückenschaltung 30 und regelt diese während einer Vorzündphase über die Pulsweitenmodulation des ersten Schaltelements T1 in der DC-DC-Wandlerschaltung 5 auf einen vorgegebenen hohen Wert, wobei gleichzeitig der zusätzliche Boost-Kondensator C im zusätzlichen Energiespeicher 14, 14‘ auf die Zwischenkreisspannung Z1 am ersten Eingang der Vollbrückenschaltung 30 aufgeladen wird. Wenn der Energiespeicher C5 in der Zündschaltung 20 so weit aufgeladen ist, dass die Zündspannung der Funkenstrecke 22 überschritten ist, dann zündet die Funkenstrecke 22 und erzeugt einen Lichtbogen mit einem großen Strom, der durch die Primärwicklung 26.1 des zweiten Transformators 26 fließt. Dadurch wird in der Sekundärwicklung 26.2 des zweiten Transformators 26 ein hoher Spannungsimpuls im Bereich von ca. 26kV induziert, welcher Metalle und Gase im Inneren der Gasentladungslampe 24 ionisiert, was dazu führt, dass ein Stromfluss mit sichtbarem Lichtbogen in der Gasentladungslampe 24 erzeugt und Licht nach außen abgegeben wird.
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Erfindungsgemäß erfasst die Auswerte- und Steuereinheit 10 die Zwischenkreisspannung Z1 am ersten Eingang der Vollbrückenschaltung 30 und regelt diese während einer Vorzündphase über die Pulsweitenmodulation des ersten Schaltelements T1 in der DC-DC-Wandlerschaltung 5 auf einen vorgegebenen hohen Wert, welcher zum Zünden der Funkenstrecke 22 und zum Erzeugen des Lichtbogenstroms ausreicht. Nach der Zündung der Gasentladungslampe 24 regelt die Auswerte- und Steuereinheit 10 die zusammenbrechende Zwischenkreisspannung Z1 am ersten Eingang der Vollbrückenschaltung 30 durch Erhöhen der Einschaltdauer der Pulsweitenmodulation des ersten Schaltelements T1 in der DC-DC-Wandlerschaltung 5 innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne nach und stellt dadurch die Energie zur Erhaltung des Stromflusses durch die Gasentladungslampe 24 zur Verfügung. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Auswerte- und Steuereinheit 10 zur Umsetzung der Spannungsregelung als digitaler Signalprozessor ausgeführt, welcher so gewählt ist, dass die vorgegebene Zeitspanne zum Nachregeln der Zwischenkreisspannung Z1 am ersten Eingang der Vollbrückenschaltung 30 bevorzugt im Bereich von 1 bis 5µs liegt.
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Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, erfasst die Auswerte- und Steuereinheit 10 an einem zweiten Eingang der Vollbrückenschaltung 30 über einem Shunt-Widerstand R1 eine weitere Spannung Z2 und wertet diese zur Ermittlung des Stromflusses durch die Gasentladungslampe 24 aus. Ein in der Auswerte- und Steuereinheit 10 integrierter nicht dargestellter Analog-Digital-Wandler ist so ausgeführt, dass die analogen Werte der an den Eingängen der Vollbrückenschaltung 30 erfassten Spannungen Z1, Z2 innerhalb von 500ns in korrespondierende digitale Werte umgewandelt werden können.
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Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, umfasst die DC-DC-Wandlerschaltung 5 im dargestellten Ausführungsbeispiel als zusätzlichen Energiespeicher 14, 14‘ den Boost-Kondensator C mit der Zusatzschaltung 14.1, 14.1‘. Der zusätzliche Energiespeicher 14, 14‘ stellt einen Teil der Energie zur Erhaltung des Stromflusses durch die Gasentladungslampe 24 direkt nach dem Zündvorgang zur Verfügung.
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Wie aus 1 und 3 weiter ersichtlich ist, umfasst die Zusatzschaltung 14.1 in einem ersten Ausführungsbeispiel ein als MOSFET ausgeführtes zweites Schaltelement T, welches die Auswerte- und Steuereinheit 10 ansteuert, um einen in Reihe zum Boost-Kondensator C geschalteten Serienwiderstand R zu überbrücken. Die Auswerte- und Steuereinheit 10 schaltet das zweite Schaltelement T in der Vorzündphase und in der Nachzündphase der Gasentladungslampe 24 zur Überbrückung des Serienwiderstands R leitend, um die Verlustleistung zu reduzieren. Während einer Kommutierungsphase der Gasentladungslampe 24 schaltet die Auswerte- und Steuereinheit 10 das zweite Schaltelement sperrend, um den Boost-Kondensator C von der Zwischenkreisspannung Z1 am Eingang der Vollbrückenschaltung 30 zu entkoppeln.
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Wie aus 1 und 4 weiter ersichtlich ist, umfasst die Zusatzschaltung 14.1‘ in einem zweiten Ausführungsbeispiel ebenfalls ein als MOSFET ausgeführtes zweites Schaltelement T‘, welches die Auswerte- und Steuereinheit 10 ansteuert, um eine Zusatzinduktivität L in Reihe zum Boost-Kondensator C zu schalten. Die Auswerte- und Steuereinheit 10 schaltet das zweite Schaltelement T‘ in der Nachzündphase über eine vorgegebenen Zeitdauer mit einer vorgegebenen Frequenz abwechselnd leitend und sperrend, um nach der Zündphase zusätzliche Energie zur Aufrechterhaltung des Stromflusses durch die Gasentladungslampe 24 zur Verfügung zu stellen. Hierbei liegt die vorgegebene Zeitdauer bevorzugt im Bereich von 1 bis 5ms, und die vorgegebene Frequenz liegt bevorzugt im Bereich von 400 bis 600kHz.
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Zur weiteren Verbesserung des Regelverhaltens, kann die DC-DC-Wandlerschaltung 5 in Verbindung mit der Auswerte- und Steuereinheit 10 als quasiresonanter Wandler mit einer im Bereich von 250 bis 1000kHz variablen Frequenz betrieben werden. Zur Implementierung als quasiresonanter Wandler erfasst die Auswerte- und Steuereinheit 10 zusätzlich ein Ausgangssignal des ersten Schaltelements T1, um einen genauen Wert für die Frequenz der Pulsweitenmodulation zu ermitteln und die richtigen Triggerpunkte für die Schaltvorgänge zu ermitteln.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen ein elektronisches Vorschaltgerät für eine Gasentladungslampe zur Verfügung, durch welches die Verlustleistung reduziert werden kann. Zudem kann durch die höhere Effizienz des erfindungsgemäßen elektronischen Vorschaltgeräts die Boost-Kapazität vergleichsweise kleiner ausfallen als bei bekannten elektronischen Vorschaltgeräten, oder sogar ganz entfallen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202006006444 U1 [0003]
