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Die Erfindung betrifft eine Betriebsvorrichtung zum Betreiben einer Entladungslampe, insbesondere einer Hochdruckentladungslampe. Bei solchen Entladungslampen besteht die Gefahr, dass die Entladungslampe nach dem Zünden nicht stabil leuchtet. Es kann dazu kommen, dass die Entladung stoppt und die Entladungslampe erlischt.
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Das erneute Zünden einer bereits aufgewärmten Entladungslampe ist schwierig und kann nur mit speziell dafür ausgebildeten Geräten durchgeführt werden. Ein derartiges Gerät bzw. Verfahren ist aus
WO 2008/132 646 A1 bekannt. Dort wird zur Zündung einer Entladungslampe vorgeschlagen, die Zündung abhängig davon durchzuführen, ob es sich um eine erste Zündung bei kalten Elektroden der Entladungslampe handelt oder die Elektroden der Entladungslampe bereits aufgewärmt sind und eine erneute Lampenzündung erfolgen soll. Es ist vorgesehen, zunächst mit einer ersten Zündfrequenz eine Brückenschaltung anzusteuern, um eine Zündung bei kalten Elektroden zu versuchen und anschließend, sollte die Entladungslampe nicht zünden, die Zündfrequenz zu ändern und somit ein erneutes Zünden der Entladungslampe bei bereits aufgewärmten Elektroden zu versuchen.
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Aus
EP 1 619 936 A2 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Entladungslampe bekannt, bei dem ausgewertet wird, ob ein symmetrischer Wechselstrom durch die Entladungslampe fließt. Wegen eines Gleichrichtereffektes bestimmter Entladungslampentypen kann es zu unsymmetrischen Strömen kommen.
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Wird ein symmetrischer Wechselstrom durch die Entladungslampe festgestellt, wird die Schaltfrequenz einer Brückenschaltung von einem hochfrequenten Zündbetrieb auf einen niederfrequenten Betrieb umgeschaltet. Ist der Wechselstrom durch die Entladungslampe unsymmetrisch, wird der Zündbetrieb der Entladungslampe beibehalten oder in den Zündbetrieb zurückgeschaltet, bei dem ein hochfrequenter Wechselstrom an die Lampe angelegt wird.
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DE 199 64 552 B4 offenbart eine Schaltungsanordnung zum Betreiben von Gasentladungslampen. Die Schaltungsanordnung weist eine Brückenschaltung mit zwei Brückenzweigen und jeweils zwei in Reihe geschalteten Brückenschaltern auf. Die Knotenpunkte zwischen den Brückenschaltern eines Brückenzweigs sind durch einen Lampenzweig miteinander verbunden. Eine Zündschaltung mit einer Zündinduktivität und einem Zündkondensator ist mit dem Lampenzweig verbunden. Parallel zur Zündinduktivität und zur Entladungslampe ist ein Lampenkondensator geschaltet. Über einen Brückenzweig und die Zündschaltung wird während einer Zündphase eine Zündspannung an die Gasentladungslampe angelegt. Nach Abschluss der Zündphase, wenn die Gasentladungslampe gezündet hat und ein Lampenstrom fließt, wird die Schaltungsanordnung in den Normalbetrieb umgeschaltet. Die Vollbrücke wird dann im sogenannten Discontinuous-Modus betrieben. Im Normalbetrieb wird jeweils eine Brückendiagnose zur Erzielung eines Stromflusses durch die Entladungslampe aktiviert. Dabei ist nur einer der beiden Schalter der Brückendiagonale dauerhaft geöffnet. Über den anderen Schalter wird der Lampenstrom moduliert, so dass ein gewünschter Strommittelwert an der Entladungslampe anliegt. Dabei wird jeweils der Schalter bei Erreichen eines vorgegebenen Lampenstromwertes geöffnet und dann wieder geschlossen, wenn der Lampenstrom seinen Minimalwert erreicht hat.
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Es kann ausgehend von diesem Stand der Technik als Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, eine Betriebsvorrichtung bzw. ein Verfahren zu schaffen, bei dem ein Erlöschen der Entladungslampe nach der Zündung vermieden und ein stabiler Betrieb erreicht werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Betriebsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 11 gelöst.
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Die Betriebsvorrichtung weist eine Gleichspannungsversorgung zur Bereitstellung einer Gleichspannung zwischen zwei Eingangsklemmen auf. An die Gleichspannungsversorgung ist eine Brückenschaltung mit vier ansteuerbaren Brückenschaltern und ein Lampenzweig mit der Entladungslampe angeschlossen. Im Lampenzweig ist eine Zündinduktivität in Reihe zur Entladungslampe geschaltet. Eine Zündschaltung mit einem Zündkondensator ist mit der Zündinduktivität gekoppelt. Die Zündschaltung kann zur Ausführung eines Resonanzzündverfahrens oder eines Impulszündverfahrens eingerichtet sein. Bei einer für das Resonanzzündverfahren eingerichteten Zündschaltung ist die Zündinduktivität über den Zündkondensator mit der Eingangsklemme niedrigeren Potenzials der Gleichspannungsversorgung. Bei einer für das Impulszündverfahren eingerichteten Zündschaltung ist die Zündinduktivität eine Wicklung eines Zündtransformators, dessen andere Wicklung mit dem Zündkondensator in Reihe geschaltet ist. Der Zündkondensator ist dabei induktiv mit der Zündinduktivität gekoppelt. Die Zündschaltung weist dabei insbesondere einen zusätzlichen ansteuerbaren Zündschalter, beispielsweise einen Halbleiterschalter, wie etwa einen IGBT auf.
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Parallel zur Zündinduktivität und zur Entladungslampe ist ein Lampenkondensator geschaltet. Eine Steuereinrichtung steuert die Brückenschaltung bzw. die vier ansteuerbaren Brückenschalter an.
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Erfindungsgemäß wird während der Zündphase beim Resonanzzündverfahren ein erster Brückenschalter und ein zweiter Brückenschalter eines ersten Brückenzweiges, die an einem ersten Knoten miteinander verbunden sind, mit einer Zündfrequenz wechselweise zwischen dem leitenden und dem sperrenden Zustand umgeschaltet. Der erste Knoten und die Reihenschaltung aus Zündinduktivität und Zündkondensator, die mit dem ersten Knoten verbunden ist, wird daher wechselweise auf ein höheres oder niedrigeres Potenzial gelegt, das durch die Gleichspannung bestimmt ist. Dadurch wird eine Zündspannung an die Entladungslampe angelegt und die Entladungslampe wird während der Zündphase gezündet, so dass die Entladung beginnt und ein Lampenstrom fließt. Die Zündphase endet frühestens mit dem Zünden der Entladungslampe und beim bevorzugten Ausführungsbeispiel zeitlich verzögert nach dem Zündzeitpunkt. Beim Impulszündverfahren wird der Zündkondensator während der Zündphase abwechselnd aufgeladen und entladen durch Öffnen und Schließen des Zündschalters. Dabei werden über den Zündtransformator Zündimpulse an die Entladungslampe angelegt.
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Zur Stabilisierung des Betriebs der Entladungslampe wird im Anschluss an die Zündphase nach dem Zünden der Entladungslampe nicht sofort in eine normale Betriebsphase umgeschaltet. Erfindungsgemäß wird im Anschluss an die Zündphase in einer Übergangsphase die Brückenschaltung derart angesteuert, dass nur der erste Brückenschalter oder nur der zweite Brückenschalter des ersten Brückenzweiges mit einer vorgegebenen Frequenz, bei einem Ausführungsbeispiel insbesondere mit der Zündfrequenz, zwischen seinem leitenden und seinem sperrenden Zustand umgeschaltet wird. Demgegenüber wird der jeweils andere Brückenschalter des ersten Brückenzweigs in seinen sperrenden Zustand umgeschaltet und während der gesamten Übergangsphase in diesem sperrenden Zustand gehalten. Dadurch ist die an die Entladungslampe angelegte Zündspannung nicht gleichanteilsfrei. Dies führt dazu, dass der parallel zur Entladungslampe geschaltete Lampenkondensator sich auf eine Kondensatorspannung auflädt. Der Lampenkondensator wird somit anders als in der Zündphase nicht abwechselnd auf eine Spannung aufgeladen, wieder entladen und anschließend auf eine Spannung mit entgegengesetzter Polarität erneut aufgeladen. Vielmehr ist die Kondensatorspannung des Lampenkondensators während der Übergangsphase nicht mehr gleichanteilsfrei. Die Kondensatorspannung hat zumindest am Ende der Übergangsphase einen positiven oder negativen Mittelwert ungleich null.
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Während der Übergangsphase wird somit der Lampenkondensator auf eine Kondensatorspannung aufgeladen, deren Mittelwert ungleich null ist. Beim Beenden Übergangsphase steht diese Kondensatorspannung zur Stabilisierung der Entladung für die Entladungslampe zur Verfügung. Die Gefahr, dass die Entladungslampe beim Beginn der Betriebsphase erlischt, ist deutlich reduziert.
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Nach Abschluss der Übergangsphase beginnt die Betriebsphase, die bei einer vorteilhaften Ausführungsform in mehrere Phasenabschnitte unterteilt werden kann. Während der Betriebsphase wird die Brückenschaltung und insbesondere der dritte Brückenschalter und der vierte Brückenschalter eines zweiten Brückenzweiges angesteuert, um einen Lampenstrom und/oder eine Lampenleistung auf einen vorgegebenen Wert zu steuern oder zu regeln.
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Die Zündfrequenz, mit der der erste und/oder der Zweite Brückenschalter beim Resonanzzündverfahren während der Zündphase und insbesondere auch während der Übergangsphase durch die Steuereinrichtung angesteuert wird bzw. werden, hängt von der Resonanzfrequenz der Reihenschaltung aus Zündinduktivität und Zündkondensator ab. Die Zündfrequenz kann konstant sein. Um ein sicheres Zünden zu erreichen, kann die Zündfrequenz während der Zündphase auch in einem vorgegebenen Frequenzbereich variiert werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist im zweiten Brückenzweig parallel zum dritten Brückenschalter und/oder parallel zum vierten Brückenschalter jeweils eine Schalterdiode angeordnet. Beispielsweise ist es möglich, den dritten Brückenschalter und/oder den vierten Brückenschalter durch einen Feldeffekttransistor mit einer Inversdiode zu realisieren. Die Inversdiode des Feldeffekttransistors kann dabei die jeweilige Schalterdiode bilden. Ein separates Bauelement als Schalterdiode kann bei dieser Ausführungsform entfallen.
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Es ist bei einem Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass zwischen dem zweiten Knoten, an dem der dritte und der vierte Brückenschalter des zweiten Brückenzweiges miteinander verbunden sind, und der Entladungslampe eine Reiheninduktivität geschaltet ist. Diese Reiheninduktivität kann mit dem dritten Brückenschalter oder dem vierten Brückenschalter sowie einer der beiden Schalterdioden und dem Lampenkondensator einen ansteuerbaren Abwärtswandler bilden. Dabei ist einer dieser beiden Brückenschalter des zweiten Brückenzweiges in seinen sperrenden Zustand geschaltet und bleibt in diesem Zustand. Die parallel zu diesem sperrenden Schalter angeordnete Schalterdiode wird in dem Abwärtswandler verwendet. Über diesen Abwärtswandler lässt sich der Lampenstrom und/oder die Lampenleistung beeinflussen. Die Beeinflussung des Lampenstroms und/oder der Lampenleistung kann nach dem Zünden der Entladungslampe während der Zündphase und/oder während der Übergangsphase und/oder während der Betriebsphase durchgeführt werden.
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Alternativ ist es auch möglich einen separaten Abwärtswandler mit einem separaten, ansteuerbaren Wandlerschalter vorzusehen. Der Abwärtswandler kann beispielsweise Bestandteil der Gleichspannungsversorgung sein oder an die erzeugte Gleichspannung der Gleichspannungsversorgung angeschlossen sein.
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Vorzugsweise wird der erste Brückenschalter oder der zweite Brückenschalter während der Betriebsphase in seinen leitenden Zustand geschaltet und bleibt in diesem Zustand. Der jeweils andere Brückenschalter des ersten Brückenzweigs wird in seinen sperrenden Zustand geschaltet und bleibt in diesem sperrenden Zustand. Dadurch wird über einen der beiden Brückenschalter des ersten Brückenzweiges ein Bezugspotenzial für den Lampenzweig bereitgestellt, so dass über den anderen, zweiten Brückenzweig die Steuerung oder Regelung des Lampenstroms bzw. der Lampenleistung erfolgen kann.
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Um die Lampenleistung bzw. den Lampenstrom regeln zu können, kann vorzugsweise wenigstens eine Messgröße erfasst werden, die den Lampenstrom und/oder die Lampenspannung beschreibt. Diese wenigstens eine Messgröße wird der Steuereinrichtung übermittelt. Die Steuereinrichtung kann abhängig von der wenigstens einen Messgröße beispielsweise durch eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung der Brückenschaltung und insbesondere eines der Brückenschalter des zweiten Brückenzweiges die Lampenleistung und/oder den Lampenstrom beeinflussen und beispielsweise auf einen vorgegebenen Sollwert regeln.
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Die Zeitdauer für die Übergangsphase kann bei einem Ausführungsbeispiel fest vorgegeben sein. Die Zeitdauer für die Übergangsphase wird dann so bemessen, dass der Lampenkondensator sich während der Übergangsphase auf eine betragsmäßig ausreichend große Kondensatorspannung aufladen kann. Der dabei erreichte Betrag der Kondensatorspannung hängt von der Dimensionierung der Bauteile ab.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patenansprüchen sowie der Beschreibung. Die Beschreibung beschränkt sich auf wesentliche Merkmale der Erfindung. Die Zeichnung ist ergänzend heranzuziehen. Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Betriebsvorrichtung für eine Hochdruckentladungslampe,
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2 ein Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels nach 1, wobei die gesteuerten Schalter durch Feldeffekttransistoren realisiert sind,
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3 ein vereinfachtes Blockschaltbild für die Brückenschaltung und den Lampenzweig der Betriebsvorrichtung nach 1 während der Betriebsphase der Hochdruckentladungslampe,
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4 einen beispielhaften, schematischen zeitlichen Verlauf der Einhüllenden der Lampenspannung im Leerlaufzustand der Betriebsvorrichtung,
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5 einen Ausschnitt zeitlichen Verlaufs der Lampenspannung aus 4 in vergrößerter Darstellung,
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6 einen beispielhaften, schematischen zeitlichen Verlauf der Einhüllenden der Lampenspannung und des Lampenstroms im Lastzustand der Betriebsvorrichtung,
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7 eine vergrößerte Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Lampenstromes und der Lampenspannung aus 6 und
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8 ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Zündschaltung für die Betriebsvorrichtung nach 1 oder 2.
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In 1 ist ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Betriebsvorrichtung 10 veranschaulicht. Die Betriebsvorrichtung 10 weist eine Gleichspannungsversorgung 11 auf, die zwischen einer ersten Eingangsklemme 12 und einer zweiten Eingangsklemme 13 eine Gleichspannung UG bereitstellt.
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Beim Ausführungsbeispiel gehört zu der Gleichspannungsversorgung 11 ein Gleichrichter 14, ein Wandler 15 und optional ein Filter 16. Der Gleichrichter 14 kann vier Gleichrichterdioden aufweisen und in bekannter Weise aufgebaut sein. Der Gleichrichter 14 dient dazu, eine Wechselspannung einer Wechselspannungsquelle 17, beispielsweise eine Netzspannung, gleichzurichten. Die gleichgerichtete Spannung wird an einem Ausgang des Gleichrichters 14 bereitgestellt und beispielsgemäß durch einen ersten Glättungskondensator 18 geglättet.
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Der Ausgang des Gleichrichters 14 ist mit dem Eingang des Wandlers 15 verbunden, der beispielsgemäß als Aufwärtswandler zur Erzeugung der Gleichspannung UG ausgeführt ist. Der Wandler 15 weist eine Reihenschaltung aus einer Wandlerinduktivität 19 und einer Wandlerdiode 20 auf, wobei die Wandlerdiode 20 mit der ersten Eingangsklemme 12 verbunden ist. Zwischen den beiden Eingangsklemmen 12, 13 ist ein zweiter Glättungskondensator 21 zur Glättung der Gleichspannung UG angeordnet. Eine Reihenschaltung aus einem ansteuerbaren Wandlerschalter 22 und einem Wandlerwiderstand 23 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen der Wandlerinduktivität 19 und der Anode der Wandlerdiode 20 einerseits und der zweiten Ausgangsklemme 13 andererseits verbunden. Eine Steuereinrichtung 25 erzeugt ein Wandlersignal W zur Ansteuerung des Wandlerschalters 22. Durch eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung des Wandlerschalters 22 kann der vorgegebene Gleichspannungswert UG eingestellt werden. Andere Wandlertopologien können ebenfalls alternativ zu dem beschriebenen Ausführungsbeispiel verwendet werden.
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Wie bereits erwähnt, kann ein Filter 16 vorhanden sein, dass zum Herausfiltern von Störungen auf der Wechselspannung der Wechselspannungsquelle 17 dient. Das Filter 16 ist beispielsgemäß zwischen die Wechselspannungsquelle 17 und den Gleichrichter 14 geschaltet.
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Wenn in dieser Anmeldung von einem Widerstand gesprochen wird, handelt es sich um einen Ohmschen Widerstand, soweit nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist.
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Die Betriebsvorrichtung 10 weist eine Brückenschaltung 30 auf, die an die Gleichspannung UG und somit an die Eingangsklemmen 12, 13 angeschlossen ist. Zu der Brückenschaltung 30 gehört ein erster Brückenzweig 31 mit einem ansteuerbaren ersten Brückenschalter 31a und einem ansteuerbaren zweiten Brückenschalter 31b, die in Reihe geschaltet und an einem ersten Knoten 31c miteinander verbunden sind. Zu der Brückenschaltung 30 gehört außerdem ein zweiter Brückenzweig 32 mit einem ansteuerbaren dritten Brückenschalter 32a und einem ansteuerbaren vierten Brückenschalter 32b, die an einem zweiten Knotenpunkt 32c miteinander verbunden sind. Der erste Brückenschalter 31a und der dritten Brückenschalter 32a sind außerdem mit der ersten Eingangsklemme 12 verbunden. Der zweite Brückenschalter 31b und der vierte Brückenschalter 32 sind über einen ersten Widerstand 33 mit der zweiten Eingangsklemme 13 niedrigeren Potenzials verbunden.
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Zwischen die beiden Knoten 31c, 32c ist ein Lampenzweig 36 geschaltet. Mit dem Lampenzweig 36 ist eine Zündschaltung 35 verbunden. Der Lampenzweig 36 weist eine mit dem ersten Knoten 31c verbundene Zündinduktivität 37 auf, die beim Ausführungsbeispiel Bestandteil eines Spartransformators 38 ist. In Reihe zur Zündinduktivität 37 ist ein Zündkondensator 39 und ein zweiter Widerstand 40 geschaltet, wobei der zweite Widerstand 40 mit der zweiten Eingangsklemme 13 verbunden ist. Beispielsgemäß ist der Zündkondensator 39 an eine Anzapfung des Spartransformators 38 angeschlossen. Im Lampenzweig 36 ist außerdem eine Entladungslampe 41 angeordnet, deren einer Anschluss mit der Zündinduktivität 37 und beim Ausführungsbeispiel mit dem Spartransformator 38 verbunden ist, während deren anderer Anschluss über eine Reiheninduktivität 42 mit dem zweiten Knoten 42c im zweiten Brückenzweigs 32 verbunden ist. Zu dem Lampenzweig 36 gehört außerdem ein Lampenkondensator 43, der parallel zur Entladungslampe 41 und der Zündinduktivität 37 bzw. dem Spartransformator 38 geschaltet ist.
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Bei dem in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die die Zündinduktivität 37 und den Zündkondensator 39 aufweisende Zündschaltung 35 zur Durchführung eines Resonanzzündverfahrens vorgesehen. Die Zündschaltung 35 wird über den ersten Brückenzweig 31 während der Zündphase zur Erzeugung einer Zündspannung angesteuert.
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Die Brückenschalter 31a, 31b, 32a, 32b werden von der Steuereinrichtung 25 über ein jeweils zugeordnetes Schaltersignal S1, S2, S3, S4 gesteuert, so dass die Brückenschalter 31a, 31b, 32a, 32b über das betreffende Schaltersignal S1, S2, S3, S4 jeweils zwischen einem leitenden bzw. geschlossenen Zustand und einem sperrenden bzw. geöffneten Zustand umgeschaltet oder in einem vorgegebenen Zustand gehalten werden können.
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Jedem Brückenschalter 31a, 31b, 32a, 32b kann eine Schalterdiode 44 parallel geschaltet sein. Zumindest einem oder beiden Brückenschaltern 32a, 32b des zweiten Brückenzweigs 32 ist jeweils eine Schalterdiode 44 parallel geschaltet, wobei die Anode der dem dritten Brückenschalter 32a zugeordneten Schalterdiode 44 mit dem zweiten Knoten 32c und die Kathode der dem vierten Brückenschalter 32b zugeordneten Schalterdiode 44 mit dem zweiten Knoten 32c verbunden ist.
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Bei dem in 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiel wird die Lampenspannung UL an der Entladungslampe 41 gemessen und der Steuereinrichtung 25 übermittelt. Außerdem wird die am ersten Widerstand 33 anliegende Spannung U1 gemessen, anhand der der Strom I1 durch den ersten Widerstand 33 ermittelt werden kann. Der Strom I1 durch den ersten Widerstand 33 kann zur Bestimmung des Lampenstromes IL durch die Entladungslampe 41 dienen.
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In 2 ist das Ausführungsbeispiel der Betriebsvorrichtung 10 nach 1 veranschaulicht, wobei der Wandlerschalter 22 sowie die Brückenschalter 31a, 31b, 32a, 32b jeweils durch einen Feldeffekttransistor 47 gebildet sind. Jeder Feldeffekttransistor 47 weist zwischen seinem Drain-Anschluss und seinem Source-Anschluss eine Inversdiode 48 auf. Diese Inversdiode 48 bildet bei der Ausführungsvariante nach 2 die Schalterdioden 44, so dass auf separate Bauteile verzichtet werden kann. Ansonsten entspricht die Ausführungsform nach 2 dem Ausführungsbeispiel gemäß 1, so dass auf die vorstehende Beschreibung verwiesen werden kann.
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In 8 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel für die Zündschaltung 35 für ein Impulszündverfahren dargestellt. Die Zündschaltung 35 weist einen Zündtransformator 51 mit zwei Wicklungen auf. Die Primärwicklung 52 ist in Reihe mit dem Zündkondensator 39 und einer ersten Diode 53 zu einem geschlossenen Stromkreis geschaltet. Die Sekundärwicklung ist von der Zündinduktivität 37 gebildet. Parallel zu der ersten Diode 53 ist ein ansteuerbarer Zündschalter 54 geschaltet, der an seinem Steuereingang durch ein Zündschaltsignal Z von der Steuereinrichtung 25 angesteuert wird. Die eine Schalteranschluss des Zündschalters 54 ist mit der Eingangsklemme niedrigeren Potenzials 13 verbunden. der andere Schalteranschluss des Zündschalters 54 ist über eine Parallelschaltung aus einem dritten Widerstand 55 und einer zweite Diode 56 mit der anderen Eingangsklemme 12 verbunden. Ansonsten ist die Betriebsvorrichtung 10 wie in den 1 und 2 beschrieben aufgebaut.
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Die Betriebsvorrichtung 10 bzw. das Verfahren zum Betreiben der Entladungslampe 41 werden nachfolgend anhand der zeitlichen Strom- und Spannungsverläufe der 4 bis 7 erläutert.
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Bei noch nicht gezündeter Entladungslampe 41 wird zunächst eine Zündphase PZ gestartet, während der bei den Ausführungsbeispielen nach 1 und 2 ein Resonanzzündverfahren ausgeführt wird. Während dieser Zündphase PZ wird an die Entladungslampe 41 eine Zündspannung angelegt. Dazu wird der erste Brückenzweig 31 durch die Steuereinrichtung 25 über das erste Schaltersignal S1 und das zweite Schaltersignal S2 angesteuert. Der erste Brückenschalter 31a und der zweite Brückenschalter 31b werden abwechselnd zwischen dem leitenden Zustand und dem sperrenden Zustand umgeschaltet, so dass einer dieser beiden Brückenschalter 31a, 31b leitend und der jeweils andere dieser Brückenschalter 31a, 31b sperrend ist. Die Ansteuerung der beiden Brückenschalter 31a, 31b des ersten Brückenzweiges erfolgt mit einer Zündfrequenz. Die Zündfrequenz hängt von der Resonanzfrequenz ab, die durch die Zündschaltung 35, nämlich die Zündinduktivität 37 und den Zündkondensator 39, bestimmt wird. Die Zündfrequenz kann dieser Resonanzfrequenz entsprechen oder ein ungerader, ganzzahliger Bruchteil der Resonanzfrequenz sein. Es ist auch möglich, die Zündfrequenz während der Zündphase zu variieren, um eine an die Resonanzfrequenz angepasste Zündfrequenz und mithin eine entsprechend große Zündspannung zu erhalten.
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Während der Zündphase PZ wird daher eine Zündspannung mit der Zündfrequenz an die Entladungslampe 41 angelegt. Die Zündphase PZ ist in den 4 bis 7 veranschaulicht. In den 4 und 5 ist der Leerlauffall dargestellt, bei dem keine Entladungslampe 41 vorhanden ist. Die zeitlichen Verläufe der Lampenspannung UL in den 4 und 5 dienen lediglich zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Effekts. Beim Betrieb der Betriebsvorrichtung 10 ist eine Entladungslampe 41 im Lampenzweig 36 vorhanden, so dass sie nach der Zündung der Entladungslampe 41 ein Lampenstrom IL fließt, was in den 6 und 7 dargestellt ist.
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Die Entladungslampe 41 wird während der Zündphase PZ gezündet und die Entladung beginnt. Der Zeitpunkt des Zündens ist in den 6 und 7 nicht veranschaulicht. In dem dort dargestellten Zeitabschnitt der Zündphase PZ hat die Entladungslampe 41 bereits gezündet und ein Lampenstrom IL fließt. In 6 ist schematisch die Einhüllende der Lampenspannung UL bzw. des Lampenstromes IL abhängig von der Zeit t veranschaulicht. 7 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Zeitabschnitts der Lampenspannung UL und des Lampenstromes IL gemäß dem Verlauf nach 6.
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Bei dem in 8 dargestellten alternativen Ausführungsbeispiel für die Zündschaltung 35, wird anstelle des Resonanzzündverfahrens ein Impulszündverfahren durchgeführt. Durch Öffnen und Schließen des Zündschalters 54 mittels des Zündschaltsignals Z wird der Zündkondensator 39 abwechselnd geladen und entladen. Über den Zündtransformator 51 werden Zündimpulse an die Entladungslampe 41 angelegt.
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Erfindungsgemäß schließt sich an die Zündphase PZ eine Übergangsphase PU an. In der Übergangsphase PU wird im ersten Brückenzweig 31 nur noch einer der beiden Brückenschalter 31a, 31b mit der Zündfrequenz – die in der Übergangsphase vorzugsweise konstant ist – zwischen dem leitenden Zustand und dem sperrenden Zustand umgeschaltet, während der jeweils andere Brückenschalter 31b bzw. 31a in den sperrenden Zustand umgeschaltet wird und in diesem Zustand verbleibt.
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Wird in der Übergangsphase PU der erste Brückenschalter 31a über das erste Schaltersignal S1 mit der Zündfrequenz zwischen seinem leitenden und seinem sperrenden Zustand umgeschaltet, wird der Stromfluss durch den Lampenzweig 36 durch zumindest zeitweises Schließen des vierten Brückenschalters 32b im zweiten Lampenzweig 32 ermöglicht. Der vierte Brückenschalter 32b kann während der Übergangsphase PU dauerhaft geschlossen werden oder pulsweitenmoduliert umgeschaltet werden – auf diese Funktion wird später noch genauer eingegangen. Wird alternativ im ersten Brückenzweig 31 der zweite Brückenschalter 31b über das zweite Schaltersignal S2 mit der Zündfrequenz zwischen seinem leitenden Zustand und seinem sperrenden Zustand umgeschaltet, wird der dritte Brückenschalter 32a des zweiten Brückenzweiges zumindest zeitweise pulsweitenmoduliert oder während der Übergangsphase PU ständig in seinem leitenden Zustand gehalten, so dass ein Lampenstrom IL durch den Lampenzweig 36 fließen kann. Der jeweils andere Brückenschalter 32a bzw. 32b des zweiten Lampenzweiges 32 wird während der Übergangsphase PU ständig in seinem sperrenden Zustand gehalten. Somit werden während der Übergangsphase PU nur einer oder maximal zwei der Brückenschalter geschaltet. Zumindest ein Brückenschalter jedes Brückenzweiges 31, 32 bleibt während der Übergangsphase PU in seinem vorgegebenen sperrenden Zustand.
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Diese Ansteuerung der Brückenschaltung 30 während der Übergangsphase PU führt dazu, dass die an den Lampenkondensator 43 bzw. die Entladungslampe 41 angelegte Spannung nicht mehr gleichanteilsfrei ist. Im Leerlauffall, wenn also keine Entladungslampe 41 vorhanden ist, lädt sich der Lampenkondensator 43 daher auf eine Kondensatorspannung UC auf, die der Leerlaufspannung U0 entspricht (4 und 5). In den 6 und 7 ist dieses Verhalten während der Übergangsphase PU im Lastfall bei vorhandener Entladungslampe 41 veranschaulicht. Dadurch, dass während der Übergangsphase PU nur noch ein Brückenschalter im ersten Brückenzweig 31 aktiv ist, während der andere Brückenschalter sperrt, ist die an den Lampenkondensator 43 angelegte Spannung nicht gleichanteilsfrei, so dass die Kondensatorspannung UC einen von null verschiedenen Mittelwert annimmt, der sich ab dem Beginn der Übergangsphase PU betragsmäßig erhöht, bis der Lampenkondensator 43 vollständig aufgeladen ist. Dadurch sind auch die an der Entladungslampe 41 anliegende Lampenspannung UL und der durch die Entladungslampe 41 fließende Lampenstrom IL nicht gleichanteilsfrei und weisen jeweils einen von null verschiedenen Mittelwert auf, was in den 6 und 7 veranschaulicht ist. Dieser Mittelwert kann abhängig davon, welcher Brückenschalter im ersten und zweiten Brückenzweig 31, 32 zumindest zeitweise leitet, positiv oder negativ sein.
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Somit wird während der Übergangsphase PU der Lampenkondensator 43 vollständig geladen. Die Dauer der Übergangsphase PU kann in der Steuereinrichtung 25 fest vorgegeben sein. Sie wird abhängig von der Dimensionierung der verwendeten Bauteile in der Betriebsvorrichtung 10 und insbesondere abhängig von der Kapazität des Lampenkondensators 43 bestimmt. Die Zeitdauer der Übergangphase PU wird ausreichend lang gewählt, so dass der Lampenkondensator 43 am Ende der Übergangsphase PU auf die erforderliche Kondensatorspannung UC geladen ist.
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Nach dem Ende der Übergangsphase PU beginnt eine Betriebsphase PB. Während dieser Betriebsphase PB steuert die Steuereinrichtung 25 die Brückenschaltung 30 und insbesondere den zweiten Brückenzweig 32 an, um den Lampenstrom IL und/oder die Lampenleistung zu steuern oder zu regeln. Beim Ausführungsbeispiel wird der Lampenstrom UL sowie ein den Lampenstrom IL beschreibender Messwert U1 erfasst und der Steuereinrichtung 25 übermittelt, so dass der Lampenstrom IL oder die Lampenleistung geregelt werden können.
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Während der Betriebsphase PB wird über die Brückenschaltung 30 zur Steuerung oder Regelung des Lampenstromes IL oder der Lampenleistung ein Abwärtswandler 50 gebildet. Eine erste Möglichkeit zur Realisierung eines Abwärtswandlers 50 mit Hilfe der Brückenschaltung 30 und dem Lampenzweig 36 ist vereinfacht in 3 dargestellt. Hierfür wird im ersten Brückenzweig 31 der erste Brückenschalter 31a in seinen sperrenden Zustand und der zweite Brückenschalter 31b in seinen leitenden Zustand geschaltet. Im zweiten Brückenzweig 32 wird bei diesem Ausführungsbeispiel der vierte Brückenschalter 32b in seinen sperrenden Zustand geschaltet. Lediglich der dritte Brückenschalter 32a bleibt aktiviert und wird über das dritte Schaltersignal S3 durch die Steuereinrichtung 25 angesteuert und umgeschaltet. der dritte Brückenschalter 32a bildet in diesem Fall den ansteuerbaren Schalter des Abwärtswandlers 50. Gemeinsam mit der Reiheninduktivität 42, der Schalterdiode 44 parallel zum vierten Brückenschalter 32b und dem Lampenkondensator 43 ist der in 3 im Ersatzschaltbild dargestellte Abwärtswandler 50 gebildet, an dem die Entladungslampe 41 anliegt. Durch pulsweitenmodulierte Ansteuerung des dritten Brückenschalters 32a über das dritte Schaltersignal S3 kann der Lampenstrom IL bzw. die Lampenleistung beeinflusst, gesteuert oder geregelt werden.
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In Abwandlung zu dem in 3 veranschaulichten Ausführungsbeispiel könnte auch der erste Brückenschalter 31a in seinen leitenden Zustand und der zweite Brückenschalter 31b sowie der dritte Brückenschalter 32a in ihren jeweiligen sperrenden Zustand geschaltet werden. Als aktiver, ansteuerbarer Schalter für den Abwärtswandler 50 wird dann der vierte Brückenschalter 32b verwendet.
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Die Beeinflussung des Lampenstromes IL bzw. der Lampenleistung über einen der beiden Brückenschalter 32a, 32b des zweiten Lampenzweiges 32 auf Basis der Abwärtswandlerfunktion kann nach dem Zünden der Entladungslampe erfolgen. Zusätzlich zu der Betriebsphase PB kann der Lampenstrom IL bzw. die Lampenleistung auch in der Übergangsphase PU und/oder in der Zündphase PZ beeinflusst werden, insbesondere um den Lampenstrom IL zu begrenzen und die Entladungslampe 41 nicht übermäßig zu belasten. Dazu kann wie in 3 veranschaulicht beispielsweise der dritte Brückenschalter 32a über das dritte Schaltersignal S3 pulsweitenmoduliert angesteuert werden oder alternativ der vierte Brückenschalter 32b über das vierte Schaltersignal S4, wenn dieser vierte Brückenschalter 32b als aktiver Schalter für den Abwärtswandler 50 verwendet wird, wie dies oben erläutert wurde. Diese Abwärtswandlerfunktion ist in der Zündphase PZ und/oder Übergangsphase PU deshalb möglich, weil die Zündfrequenz zur Ansteuerung des ersten Brückenschalters 31a und/oder des zweiten Brückenschalters 31b des ersten Brückenzweiges 31 um eine oder mehrere Größenordnungen größer ist als die Frequenz der pulsweitenmodulierten Ansteuerung des dritten Brückenschalters 32a und/oder des vierten Brückenschalters 32b des zweiten Brückenzweiges 32.
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Die Betriebsphase PB kann in mehrere Phasenabschnitte unterteilt werden. Vorzugsweise wird zu Beginn der Betriebsphase PB in einem ersten Phasenabschnitt der für den Abwärtswandler 50 verwendete Brückenschalter 32a, 32b des zweiten Brückenzweigs 32 mit einem fest vorgegebenen Tastgrad angesteuert. Insbesondere wird der Lampenstrom IL während diesem ersten Phasenabschnitt zur weiteren Aufwärmung und Stabilisierung der Entladungslampe 41 möglichst groß gehalten.
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An diesem ersten Phasenabschnitt können sich ein oder mehrere weitere Phasenabschnitte anschließen, während denen der Tastgrad zur Ansteuerung des im Abwärtswandler 50 verwendeten Brückenschalters 32a, 32b des zweiten Brückenzweigs 32 gesteuert oder geregelt wird. Während dieser weiteren Phasenabschnitte kann jedem Phasenabschnitt ein anderer Stromsollwert oder Leistungssollwert für die Steuerung oder Regelung vorgegeben sein.
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Die Erfindung betrifft eine Betriebsvorrichtung 10 und ein Verfahren zum Betreiben einer Entladungslampe 41, insbesondere einer Hochdruckentladungslampe. Die Entladungslampe 41 wird über eine Brückenschaltung 30 angesteuert. Ein erster Brückenzweig 31 mit zwei Brückenschaltern 31a, 31b wird während einer Zündphase PZ mit einer Zündfrequenz angesteuert, so dass eine Zündspannung an die Entladungslampe 41 angelegt wird. Im Anschluss an diese Zündphase PZ wird während einer Übergangsphase PU einer der beiden Brückenschalter 31a, 31b des ersten Brückenzweiges 31 in seinen sperrenden Zustand umgeschaltet und deaktiviert. Lediglich der jeweils andere Brückenschalter 31b bzw. 31a des ersten Brückenzweiges 31 wird weiterhin mit der Zündfrequenz zwischen dem leitenden und dem sperrenden Zustand umgeschaltet. Dadurch kann sich ein parallel zur Entladungslampe 41 vorhandener Lampenkondensator 43 mit einer Kondensatorspannung UC aufladen, weil die an den Lampenkondensator 43 über den ersten Brückenzweig 31 angelegte Spannung während der Übergangsphase PU im Unterschied zur Zündphase PZ nicht gleichanteilsfrei ist. In einer Betriebsphase PB nach der Übergangsphase PU ist über den aufgeladenen Lampenkondensator 43 ein stabiler Normalbetrieb der Entladungslampe 41 möglich und die Gefahr des Löschens der Entladungslampe 41 ist reduziert.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Betriebsvorrichtung
- 11
- Gleichspannungsversorgung
- 12
- erste Eingangsklemme
- 13
- zweite Eingangsklemme
- 14
- Gleichrichter
- 15
- Wandler
- 16
- Filter
- 17
- Wechselspannungsquelle
- 18
- erster Glättungskondensator
- 19
- Wandlerinduktivität
- 20
- Wandlerdiode
- 21
- zweiter Glättungskondensator
- 22
- Wandlerschalter
- 23
- Wandlerwiderstand
- 25
- Steuereinrichtung
- 30
- Brückenschaltung
- 31
- erste Brückenzweig
- 31a
- erster Brückenschalter
- 31b
- zweiter Brückenschalter
- 31c
- erster Knoten
- 32
- zweiter Brückenzweig
- 32a
- dritter Brückenschalter
- 32b
- vierter Brückenschalter
- 32c
- zweiter Knoten
- 33
- erster Widerstand
- 35
- Zündschaltung
- 36
- Lampenzweig
- 37
- Zündinduktivität
- 38
- Spartransformator
- 39
- Zündkondensator
- 40
- zweiter Widerstand
- 41
- Entladungslampe
- 42
- Reiheninduktivität
- 43
- Lampenkondensator
- 47
- Feldeffekttransistor
- 48
- Inversdiode
- 50
- Abwärtswandler
- 51
- Zündtransformator
- 52
- Primärwicklung
- 53
- erste Diode
- 54
- Zündschalter
- 55
- dritter Widerstand
- 56
- zweite Diode
- I1
- Strom durch den ersten Widerstand
- IL
- Lampenstrom
- S1
- erstes Schaltersignal für den ersten Brückenschalter
- S2
- zweites Schaltersignal für den zweiten Brückenschalter
- S3
- drittes Schaltersignal für den dritten Brückenschalter
- S4
- viertes Schaltersignal für den vierten Brückenschalter
- U1
- Spannung am ersten Widerstand
- UG
- Gleichspannung
- UL
- Lampenspannung
- W
- Wandlersignal
- Z
- Zündschaltsignal
