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Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung
zum Speisen einer Hochdrucklichtbogenlampe sowie Verfahren zum Betreiben
einer Hochdrucklichtbogenlampe mit einer solchen elektronischen
Schaltung.
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Hochdrucklichtbogenlampen werden
beispielsweise in modernen Daten- und Videoprojektoren eingesetzt.
Sie sind sehr leistungsfähig
und zeichnen sich durch einen besonders kurzen Lichtbogen aus. Aufgrund
der optischen Gesetze ist es möglich,
mit solchen Lampen Projektoren mit kleinen optischen Systemen herzustellen,
die dennoch eine hohe Lichtausbeute aufweisen, d.h. eine helles
Bild produzieren. Dies hat zu einer erheblichen Verkleinerung und
auch zu einer Verbilligung der Projektoren geführt.
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Gleichzeitig sind dadurch aber auch
neue Anforderungen an die Größen und
die Kosten der elektronischen Komponenten in einem solchen Projektor
erwachsen. Eine wesentliche elektronische Komponente ist dabei die
auch als Ballast bezeichnete elektronische Speiseschaltung für die Hochdrucklichtbogenlampe.
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Die Speiseschaltung hat zunächst die
Aufgabe, für
das Zünden
der Lampe kurzzeitig eine Spannung im Bereich von mehreren Kilovolt
zu erzeugen, die benötigt
wird, um die Lichtbogenentladung in Gang zu setzen. Im weiteren
Betrieb kommt der Speiseschaltung die Aufgabe zu, den Strom in der
Lampe so zu regeln, dass sich in der Lampe eine konstante mittlere
Leistung einstellt. Ein Besonderheit hierbei ist, dass Hochdrucklichtbogenlampen
im allgemeinen eine negative Strom-Spannungskennlinie aufweisen,
die eine Speiseschaltung erfordert, welche einen eingeprägten Strom
liefern kann. Bei spannungseinprägenden
Schaltungen ließe
sich der Strom in der Lampe nur mit erheblichen Schwierigkeiten
stabil halten. Ferner ist es üblich,
Hochdrucklichtbogenlampen mit einem niederfrequenten Wechselstrom
mit rechteckförmigem
Stromverlauf zu betreiben. Dies erlaubt eine gleichmäßigere Belastung der
Lampenelektroden als eine Gleichstromspeisung sowie eine konstante,
flimmerfreie Lampenhelligkeit.
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Aus dem Stand der Technik sind diverse elektronische
Schaltungen zum Speisen einer Hochdrucklichtbogenlampe bekannt.
Diese Schaltungen weisen in der Regel eine Wechselrichterbrückenschaltung
auf, an die eine konstante Gleichspannung gelegt wird und die an
ihrem Ausgang einen niederfrequenter Wechselstrom zur Verfügung stellt.
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Eine Speiseschaltungen, die mit einer
besonders geringen Anzahl an Leistungsbauelementen auskommt, wird
in der Druckschrift
US 6,020,691 beschrieben.
Die geringe Anzahl an Leistungsbauelementen wird dabei dadurch erzielt,
dass die Schaltung einen Wechselrichter in Halbbrückenschaltung einsetzt.
Die Schaltung ist zur Veranschaulichung in
9 dargestellt.
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Die Schaltung umfasst eine Halbbrücke, die in
jedem ihrer zwei Brückenzweige
einen Transistor Q1, Q2 aufweist. Zur Ansteuerung der Transistoren Q1,
Q2 ist eine Steuereinrichtung 91 vorgesehen. Die Halbbrücke ist
für die
Spannungsversorgung der Schaltung einerseits über einen Anschluss Vbus 92 mit
einer Gleichspannungsquelle verbunden und andererseits mit einem
Bezugspotential 0. Die Steuereinrichtung 91 steuert die
Transistoren Q1, Q2 so an, dass an dem Ausgang der Halbbrücke, d.h.
zwischen den beiden Transistoren Q1, Q2, ein Wechselstrom zur Verfügung gestellt
wird. Jedem der Transistoren Q1, Q2 ist eine Diode D1, D2 parallel
geschaltet, deren Durchlassrichtung vom Bezugspotential zur Versorgungsspannung
ausgerichtet ist. Parallel zu der gesamten Halbbrücke sind
zwei in Reihe angeordnete Kondensatoren Ca, Cb ebenfalls zwischen
Versorgungsspannung und Bezugspotential geschaltet. Diese Kondensatoren
Ca, Cb ersetzten bei dem sonst häufig
vorgesehenen Wechselrichter in Vollbrückenschaltung die zweite Halbbrücke.
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Zwischen den Ausgang der Halbbrücke und die
Verbindung zwischen den beiden Kondensatoren Ca, Cb ist ein zweistufiges
Tiefpassfilter geschaltet. Die erste Filterstufe des zweistufigen
Tiefpassfilters soll während
des normalen Betriebs Hochfrequenz störungen verringern, wogegen
hauptsächlich
die zweite Filterstufe dazu dienen soll, eine hochfrequente Zündungsspannung
zu generieren. Die erste Filterstufe besteht hierzu aus einer ersten
Spule L1 und einem dritten Kondensator C1 und die zweite Filterstufe
aus einer zweiten Spule L2 und einem vierten Kondensator C2. Der
erste Anschluss der Spule L1 ist dabei mit dem Ausgang der Halbbrücke verbunden.
Der zweite Anschluss der Spule L1 ist über den Kondensator C1 mit
der Verbindung zwischen den beiden Kondensatoren Ca, Cb verbunden.
Des Weiteren ist der zweite Anschluss der Spule L1 mit dem ersten
Anschluss der Spule L2 verbunden. Der zweite Anschluss der Spule
L2 ist einerseits über
den Kondensator C2 und andererseits über eine Serienschaltung aus
einer Hochdrucklichtbogenlampe LMP und einem Widerstand Rs ebenfalls
mit der Verbindung zwischen den beiden Kondensatoren Ca, Cb verbunden.
Die zweite Filterstufe aus der Spule L2 und dem Kondensator C2 weist
vorzugsweise eine höhere
Resonanzfrequenz auf als die erste Filterstufe aus der Spule L1
und dem Kondensator C1. Die beiden Kondensatoren Ca, Cb müssen ausreichend groß dimensioniert
sein, damit sie den Niederfrequenzanteil des Lampenstromes ohne
zu hohe Spannungsschwankungen aufnehmen können.
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Ein Stromsensor 93 erfasst
den Strom zwischen der Lampe LMP und dem Widerstand Rs und führt ihn
als Parameter der Steuereinrichtung 91 zu.
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Um die für die Zündung der Lampe erforderliche
hohe Spannung zu erhalten, wird der aus der zweiten Spule L2 und
dem zweiten Kondensator C2 gebildete Resonanzkreis durch eine entsprechende Ansteuerung
der Schaltung durch die Steuereinrichtung 91 angeregt.
Dabei entstehen in der Schaltung extrem hohe Ströme, die größenordnungsmäßig das Zehnfache
des normalen Lampenstromes erreichen können, wenn eine Zündspannung
im Kilovoltbereich erzeugt werden soll. Das bedeutet, dass die Spule
L2 so ausgelegt sein muss, dass sie bei diesen Strömen nicht
sättigt.
Wenn die zweite Filterstufe L2, C2 eine höhere Resonanzfrequenz aufweist
als die erste Filterstufe L1, C1, steht außerdem zur Anregung der Resonanz
nur die bereits stark abgeschwächte Wechselspannung
der Halbbrücke
Q1, Q2 zur Verfügung.
Diese abgeschwächte
Wechselspannung verlangt einen besonders hohen Gütefaktor des Schwingkreises
L2, C2, der mit einem entsprechend hohem Aufwand für die Bereitstellung
der Bauelemente einher geht. Ferner treten durch die gleichzeitige
Forderung nach hoher Spannung und niedrigem Wechselstromanteil in
der Lampe bei Normalbetrieb verhältnismäßig hohe
Ströme
in der Schaltung auf. Schließlich
kann die beschriebene Anordnung von Spulen und Kondensatoren zumindest
in der Zündphase
zu hohen Hochfrequenzstörpegeln
führen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die
elektronische Schaltung zum Speisen einer Hochdrucklichtbogenlampe
aus 9 so weiterzubilden,
dass die beschriebenen Nachteile ohne Verzicht auf die bestehenden
Vorteile vermieden werden können.
Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine möglichst
kleine und kostengünstige elektronische
Schaltung zum Speisen einer Hochdrucklichtbogenlampe zur Verfügung zu
stellen, bei der hohe Hochfrequenzstörpegel und hohe Ströme in der
Schaltung vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch
eine elektronische Schaltung gemäß Anspruch
1.
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Die Erfindung zeichnet sich dadurch
aus, dass die erste Filterstufe des zweistufigen Filters anstelle
einer Spule mit zwei Anschlüssen
eine Spule mit drei Anzapfungen aufweist. Die Spule der zweiten Filterstufe
ist dabei an die Mittelanzapfung der Spule mit den drei Anzapfungen
angeschlossen, während die äußeren Anschlüsse der
Spule weiterhin einerseits mit dem Ausgang der Halbbrücke und
andererseits über
einen Kondensator mit dem Bezugspotential der Schaltung verbunden
sind. Mit einer solchen Ausführung
lassen sich verschiedene Funktionen der Spule für verschiedene Betriebsmodi
der Schaltung bereitstellen.
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Im Prinzip stellt die Kombination
aus der Spule mit drei Anzapfungen und dem mit dieser Spule verbundenen
Kondensator einen Serienschwingkreis dar. Wenn ein solcher Schwingkreis
oberhalb seiner Resonanzfrequenz betrieben wird, ist der Spannungsverlauf
am Kondensator gegenphasig zum Spannungsverlauf am Eingang des Schwingkreises.
Die angezapfte Spule kann nun als eine Art induktiver Spannungsteiler
ange sehen werden, an dessen Mittelanzapfung eine Überlagerung
der Spannungen an den beiden Enden abgegriffen werden kann. Wenn
die beiden Spannungen gegenphasig sind, wird durch die richtige
Wahl des Verhältnisses
der beiden Teilwicklungen erreicht, dass sich die beiden Spannungen
gegenseitig aufheben. Die Anordnung aus der Spule mit drei Anzapfungen
und dem mit dieser Spule verbundenen Kondensator bekommt dadurch
die Funktion eines Sperrfilters für eine bestimmte, genau festgelegte
Sperrfrequenz.
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Es ist somit ein Vorteil der Erfindung,
dass für eine
wählbare
Sperrfrequenz jeglicher Hochfrequenzanteil in der Lampe unterdrückt werden
kann.
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Gleichzeitig wirkt die Spule mit
drei Anzapfungen für
sämtliche
anderen Frequenzen lediglich als Spannungsteiler ohne Sperrwirkung.
Ist die eingesetzte Frequenz darüber
hinaus deutlich höher
als die Sperrfrequenz, so ergibt sich keine starke Dämpfung des
Ausgangssignals der Halbbrücke
durch die Filterwirkung der ersten Filterstufe. Dadurch kann der Gütefaktor
des Schwingkreises der zweiten Filterstufe geringer gewählt werden,
als bei der bekannten Halbbrückenschaltung,
ohne die für
die Zündung
erforderliche Spannungsverstärkung
zu verlieren.
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Da die Kombination aus Spule mit
drei Anzapfungen und angeschlossenem Kondensator eine Sperrfilterwirkung
hat, kann der Kondensator der ersten Filterstufe deutlich kleiner
dimensioniert werden als in einer herkömmlichen Schaltung, wenn gleichzeitig
die Schaltfrequenz der Halbbrücke
identisch ist mit der Sperrfrequenz des Filters.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Eine besondere Bedeutung kommt dabei
der Dimensionierung der Mittelanzapfung der Spule mit drei Anzapfungen
und der mit dieser Spule verbundenen Kondensator zu. Die beiden
Bauteile werden vorzugsweise so dimensioniert, dass der im Normalbetrieb
der Lampe dominierende Frequenzanteil am Ausgang der Halbbrücke an der
Mittelanzapfung der Spule mit drei Anzapfungen ausgelöscht wird.
Zwar enthält
die Spannung am Ausgang der Halbbrücke auch Vielfache dieser dominierenden
Frequenz, die nicht unterdrückt
werden. Für
diese existiert aber mit der weiteren Spule ein wirksames Filter,
da die störenden
Frequenz auch um ganze Vielfache höher sind. Somit ist es möglich, die
besonders aufwendige Filterung der Grundfrequenz des Schaltnetzteils
mit besonders kleinen Bauelementen zu erzielen.
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Die zweite Filterstufe wird dagegen
vorzugsweise so dimensioniert, dass ihre Resonanzfrequenz deutlich über der
Sperrfrequenz der ersten Filterstufe liegt. Dadurch wird beim Betreiben
der Schaltung mit dieser Frequenz eine Zündung der Lampe ermöglicht,
ohne dass das Anregungssignal stark gedämpft wird und ohne dass sich
ein extrem hoher Strom durch die Filterbauelemente ergibt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten
und Vorteile der Erfindung lassen sich auch der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
der erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung
entnehmen. Dabei zeigt:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen elektronischen
Schaltung,
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2 eine
Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels
der Steuerschaltung der Schaltung aus 1,
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3 exemplarisch
Strom- und Spannungsverläufe
in der Schaltung aus 1 während einer Zündphase,
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4 exemplarisch
Spannungsverläufe
in der Schaltung aus 1 während einer
Aufheizphase,
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5 exemplarisch
Stromverläufe
in der Schaltung aus 1 während des
Normalbetriebs,
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6 ein
zweites Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen elektronischen
Schaltung,
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7 ein
drittes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen elektronischen
Schaltung,
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8 ein
viertes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen elektronischen
Schaltung, und
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9 eine
aus dem Stand der Technik bekannte elektronischen Schaltung zur
Speisung von Hochdrucklichtbogenlampen.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen elektronischen
Schaltung.
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Sie umfasst zwei Leistungstransistoren
T1 und T2, die nach
Art einer Halbbrücke
mit einer Versorgungsspannung U+ und dem
Bezugspotential 10 der Schaltung verbunden sind. Parallel
zu der gesamten Halbbrücke
ist eine Serienschaltung aus zwei Elektrolytkondensatoren CDC2, CDC1 zwischen die
Versorgungsspannung U+ und das Bezugspotential 10 der
Schaltung geschaltet. An den Ausgang 11 der Halbbrücke ist
eine Spule Trfilt mit drei Anzapfungen mit
ihrem ersten Anschluss angeschlossen. Die mittlere Anzapfung der
Spule Trfilt ist mit dem ersten Anschluss
einer zweiten Spule Lign verbunden. Die verbleibende
dritte, äußere Anzapfung
der Spule Trfilt ist über einen Kondensator Cfilt unmittelbar mit dem Bezugspotential 10 der
Schaltung verbunden ist. Die Spule Trfilt und
der Kondensator Cfilt sind dabei so dimensioniert,
dass der im Normalbetrieb der Schaltung dominierende Frequenzanteil
am Ausgang 11 der Halbbrücke an der mittleren Anzapfung
der Spule Trfilt ausgelöscht wird, also eine Sperrfrequenz
bildet.
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Der zweite Anschluss der Spule Lign ist zum einen über einen weiteren Kondensator
Cign mit dem Bezugspotential 10 der
Schaltung verbunden. Zum anderen ist der zweite Anschluss der Spule
Lign mit einem ersten Anschluss für eine Hochdrucklichtbogenlampe 12 verbunden.
Der zweite Anschluss für
die Hochdrucklichtbogenlampe 12 ist mit der Verbindung zwischen
den beiden Kondensatoren CDC1 und CDC2 verbunden. Die Spule Lign und
der Kondensator Cign sind so dimensioniert,
dass sie als Serienschwingkreis eine Resonanzfrequenz aufweisen,
die über
der oben erwähnten
Sperrfrequenz liegt.
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Zwischen dem Ausgang 11 der
Halbbrücke und
dem ersten Anschluss der Spule Trfilt ist
ferner ein Stromsensor 13 angebracht, der den Strom i1 durch die Spule Trfilt erfasst.
Der Messwert des Stromsensors 13 wird einer Steuerschaltung 14 zugeführt, die
die Transistoren T1 und T2 der
Halbbrücke
in Abhängigkeit
von dem erhaltenen Wert abwechselnd so ein- und ausschaltet, dass
sich in der Lampe 12 ein gewünschter Stromverlauf ergibt.
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2 zeigt
eine mögliche
Ausführungsform einer
geeigneten Steuerschaltung 14 für die Ansteuerung der Transistoren
T1, T2 der Halbbrücke aus 1.
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Die Steuerschaltung umfasst zunächst für die Zündung der
Lampe einen ersten Frequenzgenerator 211, der ein Hochfrequenzsignal
einer Frequenz F1 erzeugt und über
zwei komplementäre Ausgänge 212, 213 an
einen Multiplexer 201 liefert. Die Frequenz F1 entspricht
dabei in etwa der Resonanzfrequenz des Zündkreises aus der Spule Lign und dem Kondensator Cign der
Schaltung aus 1.
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Für
den Normalbetrieb der Lampe umfasst die Steuerschaltung außerdem einen
zweiten Frequenzgenerator 221, der Impulse mit einer Frequenz F2
erzeugt, die jeweils ein Flipflop 222 setzen. Die Frequenz
F2 bildet im Normalbetrieb der Schaltung den dominierenden Frequenzanteil
am Ausgang der Halbbrücke.
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Der von dem Stromsensor 13 aus 1 gelieferte Messwert des
Stroms i1 wird zudem einem Komparator 223 zugeführt, wobei
der zweite Eingang des Komparators 223 von einem niederfrequenten Kurvenformgenerator 224 gespeist
wird. Das Signal von dem Kurvenformgenerator 224 repräsentiert
dabei den gewünschten
Lampenstromverlauf. Der Ausgang des Komparators 223 und
ein weiteres Signal des Kurvenformgenerators 224, das als
Polaritätssignal
die aktuell gewünschte
Stromrichtung in der Lampe 12 anzeigt, werden einem Exklusiv-Oder-Glied 225 zugeführt. Ein
gewünschter
positiver Lampenstrom führt
jeweils zur Ausgabe eines hochpegeligen Polaritätssignal von "1" durch den Kurvenformgenerator 224 und
somit zu einer Invertierung des Komparatorausgangs durch das Exklusiv-Oder-Glied 225.
Der Ausgang des Exklusiv-Oder-Glieds
225 ist mit einem
Rücksetz-Eingang des
Flipflops 222 verbunden. Ein hochpegeliges Ausgangssignal
von "1" des Exklusiv-Oder-Glieds 225 bewirkt jeweils ein
Rücksetzen
des Flipflops 222.
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Das Flipflop 222 liefert
zwei komplementäre Ausgangssignale
Q und /Q. Die beiden Ausgangssignale werden über ein jeweiliges Exklusiv-Oder-Glied 226, 227 ebenfalls
dem Multiplexer 201 zugeführt. Das zweite Eingangssignal
der beiden Exklusiv-Oder-Glieder 226, 227 ist
wiederum das Polaritätssignal
des Kurvenformgenerators 224. Eine Ablaufsteuerung 202 schaltet
den Multiplexer 201 in Abhängigkeit von dem gemessenen
Strom i1 wahlweise auf die komplementären Ausgänge des
zweiten Frequenzgenerators 211 oder auf die komplementären Ausgänge der
Exklusiv-Oder-Glieder 226, 227.
Das jeweils ausgewählte
Signalpaar wird dann von dem Multiplexer 201 über eine
jeweilige Verzögerungsstufe 203, 204 den
Steueranschlüssen
der Leistungstransistoren T1 und T2 zugeführt.
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Im Folgenden wird nun die Speisung
einer Hochdrucklichtbogenlampe 12 mit der in den 1 und 2 dargestellten Schaltung beschrieben.
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Im nicht gezündeten Zustand ist die Hochdrucklichtbogenlampe 12 wie
eine Unterbrechung zu betrachten. Das bedeutet, dass der Strom in
der Spule Lign nur durch den Kondensator
Cign abfließen kann. Dadurch wird die
Spule Lign durch den Kondensator Cign zu einem Serienresonanzkreis ergänzt. Wird
nun die Halbbrücke
mit der Resonanzfrequenz dieses Serienresonanzkreises betrieben,
so baut sich am Resonanzkreis Lign, Cign eine hohe Spannung auf. Ist die Resonanzfrequenz
des Resonanzkreises Lign, Cign ungleich
der Sperrfrequenz des Filters aus der Spule Trfilt und
dem Kondensator Cfilt ist, so kann eine
Anregung des Resonanzkreises Lign, Cign auch stattfinden, da der durch die Spule
Trfilt gebildete induktive Spannungsteiler
nicht abgeglichen ist. Wenn die Resonanzfrequenz des Resonanzkreises
Lign, Cign deutlich höher ist,
als die Sperrfrequenz, dann kann die Spannung am Kondensator Cfilt als näherungsweise konstant angesehen
werden. Die Restspannung an der Mittelanzapfung der Spule Trfilt entspricht in diesem Fall dem Windungszahlenverhältnis der
Spule Trfilt. Dadurch lassen sich nun beliebig
hohe Frequenzen zur Anregung des Zündkreises Lign,
Cign nutzen, ohne dass das Anregungssignal
durch die Filterwirkung der ersten Filterstufe Trfilt,
Cfilt zu stark gedämpft wird.
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Wenn die Ablaufsteuerung 202 aufgrund
der von dem Stromsensor 13 erhaltenen Messwerte des Stromes
i1 erkennt, dass durch die Spule Trfilt zur Zeit kein Niederfrequenzstrom fließt, so deutet
dies darauf hin, dass die Lampe 12 nicht in Betrieb ist.
Die Ablaufsteuerung 202 schaltet daraufhin zur Zündung der
Lampe 12 die komplementären
Ausgänge 212, 213 des
ersten Frequenzgenerators 211 unmittelbar auf die Verzögerungsstufen 203, 204.
Dadurch wird in der Schaltung die Resonanzfrequenz des Zündkreises
Lign, Cign angeregt,
was wiederum eine zum Zünden
der Lampe 12 ausreichend hohe Spannung in der Größenordnung
von mehreren Kilovolt erzeugt. Gleichzeitig bleibt der Ausgangsstrom
i2 der Halbbrücke aufgrund der Transformationsfunktion der
Spule Trfilt relativ niedrig. Die Spule
Lign hat bei der eingestellten, hohen Resonanzfrequenz
des Zündkreises
Lign, Cign einen
begrenzenden Effekt auf den Lampenstrom ilamp.
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Eine besonders vorteilhafte Situation
entsteht, wenn die Resonanzfrequenz des Zündkreises Lign,
Cign genau das Dreifache der Sperrfrequenz
der ersten Filterstufe Trfilt, Cfilt beträgt.
Dann ist es möglich,
den Zündkreises
Lign, Cign mit der
dritten Oberschwingung des rechteckförmigen Verlaufs der Spannung
U1 am Ausgang 11 der Halbbrücke anzuregen.
Dadurch ergeben sich in den Bauelementen der Schaltung keine größeren Stromamplituden
i1 als im Normalbetrieb, wenn die Schaltung
auf Einhaltung üblicher
Stromwelligkeiten beim Normalbetrieb mit möglichst kleinen Bauelementen
optimiert wird. In 3 ist
zur Verdeutlichung ein entsprechender rechteckförmiger Verlauf der Spannung
U1 am Ausgang der Halbbrücke in Volt, ein entsprechende
Verlauf der Spannung Ulamp über der
Lampe mit der dreifachen Frequenz in Volt und ein entsprechende
Verlauf des Ausgangsstroms i1 der Halbbrücke in Milliampere über der
Zeit aufgetragen.
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Der Zündbetrieb sollte mindestens
eine Sekunde, vorzugsweise aber mindestens zwei Sekunden lang aufrecht
erhalten bleiben, um sicherzustellen, dass die Lampe 12 zuverlässig zündet.
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Unmittelbar nach dem Zünden benötigen Hochdrucklichtbogenlampe
kurzzeitig eine hohe Betriebsspannung von über 250 V, bis sich die Lampenelektroden
ausreichend aufgeheizt haben, um in den Bogenbetrieb zu gehen. Im
Normalfall kann die beschrieben Schaltung aber eine Lampenspannung von
höchstens
der halben Betriebsspannung U+ erzeugen,
also typischerweise 200 V bei einer Betriebsspannung von höchstens
400 V.
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Für
die künstliche
Erhöhung
der Betriebsspannung kann aber wiederum ein Resonanzeffekt genutzt
werden. Hierzu kommt der Resonanzkreis aus der Spule Lign und
dem Kondensator Cign nicht in Frage, da
bei sinnvoller Dimensionierung dessen Belastbarkeit nicht hoch genug
ist. Aber auch die Anordnung aus der Spule Trfilt und
dem Kondensator Cfilt stellt einen Resonanzkreis
dar, der normalerweise oberhalb seiner Resonanzfrequenz betrieben
wird.
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Die Ablaufsteuerung 202 bewirkt
für die Übergangsphase
zunächst,
dass der Multiplexer 201 die Ausgangssignale der Exklusiv-Oder-Glieder 226, 227 anstelle
der komplementären
Ausgangssignale des ersten Frequenzgenerators 211 als Eingangssignale
verwendet. Zusätzlich
wird die Frequenz F2 des zweiten Frequenzgenerators 221 von
der Ablaufsteuerung 202 in Richtung auf die Resonanzfrequenz
des Resonanzkreises Trfilt, Cfilt abgesenkt.
Der Ablauf der Ansteuerung der Transistoren T1,
T2 entspricht dabei der weiter unten beschriebenen
Ansteuerung im Normalbetrieb. Die reduzierte Frequenz F2 resultiert
in einer Spannungsüberhöhung mit
mittlerer Frequenz, die genügend
Strom in der Lampe 12 erzeugt, um die Elektroden aufzuheizen.
Gleichzeitig wird durch die Frequenz und durch die Induktivität der Spule
Trfilt ein starker Anstieg des Lampenstroms
verhindert. Der Verlauf der Lampenspannung Ulamp und
der Verlauf der Ausgangsspannung der Halbbrücke U1 während einer
solchen Aufheizphase sind in 4 in
Volt über der
Zeit aufgetragen.
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Nachdem die Lampe 12 gezündet ist
und sich ihre Elektroden ausreichend aufgeheizt haben, kann die
elektronische Schaltung aus 1 nun
den Normalbetrieb aufnehmen. Hierfür wird die Frequenz F2 des
Frequenzgenerators 221 wieder auf den ursprünglichen
Wert zurückgesetzt.
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Im Normalfall kann zunächst davon
ausgegangen werden, dass sich die beiden Kondensatoren CDC1 und CDC2 so aufgeladen
haben, dass die Spannung an ihrem Verbindungspunkt etwa der halben Betriebsspannung
U+ der Schaltung entspricht. Nun soll in
der Lampe 12 durch eine entsprechende Ansteuerung der Transistoren
T1, T2 ein niederfrequenter
Wechselstrom erzeugt werden, häufig
mit einem rechteckförmigen
Verlauf.
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Eine Erläuterung dieser Ansteuerung
durch die Steuerschaltung 14 erfolgt zunächst am
Beispiel der positiven Halbwelle des Lampenstromes Ilamp.
Als Ausgangszustand wird davon ausgegangen, dass der Strom ilamp und die Spannung in der Lampe positiv sind,
und dass der Strom i1 in der Spule Trfilt ebenfalls positiv ist. Die Spannung
am Kondensator Cfilt beträgt in etwa
die Summe aus der halben Betriebsspannung U+ und
der positiven Lampenspannung. Das Flipflop 222 ist nicht
gesetzt. Da das Polaritätssignal
des Kurvenformgenerators 224 anzeigt, dass der Lampenstrom
zur Zeit positiv sein soll, bewirken die Exklusiv-Oder-Glieder 226, 227 eine
Invertierung der komplementären
Ausgänge
Q, /Q des Flipflops 222. Folglich ist der Transistor T1 eingeschaltet und der Transistor T2 ausgeschaltet.
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Nun wird das Flipflop 222 durch
einen Impuls des zweiten Frequenzgenerators 221 gesetzt.
Dadurch wird am Q-Ausgang des Flipflops 222 eine "1" erzeugt,
die nach der Invertierung durch das zugeordnete Exklusiv-Oder-Glied 226 den
Transistor T, ohne weitere Verzögerung
abschaltet. Am /Q-Ausgang des Flipflops 222 wird eine "0"
erzeugt die nach der Invertierung und dem Ablauf einer Verzögerungszeit
DT den Transistor T2 einschaltet. Die Verzögerungszeit
DT dient dazu, auszuschließen,
dass beide Transistoren T1, T2 der
Halbbrücke
gleichzeitig eingeschaltet sein können.
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Der Spannung am Ausgang 11 der
Halbbrücke
beträgt
nun 0 V. Das bedeutet, dass der positive Strom i1 in
der Spule Trfilt schnell kleiner wird, da
der rechte Anschluss auf einem hohen Potential liegt. Wie oben erwähnt beträgt dieses
hohe Potential etwa die Summe aus der Hälfte der Betriebsspannung U+ und aus der Lampenspannung. Wenn am Komparator 223 der
vom Kurvenformgenerator 224 gelieferte Referenzwert durch
den Messwert des Stroms i1 unterschritten
wird, erzeugt der Komparator 223 an seinem Ausgang ein
niedrigpegeliges Signal "0". Dieses Signal wird durch das Exklusiv-Oder-Glied 225 aufgrund
des weiterhin hochpegeligen Polaritätssignals von dem Kurvenformgenerator 224 invertiert
und setzt das Flipflop 222 wieder zurück. Dadurch wird der Transistor
T2 wieder ausgeschaltet und der Transistor
T1 nach einer Verzögerungszeit DT wieder eingeschaltet.
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Daraufhin liegt am Ausgang der Halbbrücke 11 wieder
die Betriebsspannung U+ an, die größer ist als
die Spannung am Kondensator Cfilt, so dass
der Strom i1 in der Spule Trfilt wieder
anwächst.
Dieser Zustand wird bis zum nächsten
Impuls des Frequenzgenerators 221 beibehalten. Da durch
den Kondensator Cfilt keine niederfrequente
Stromkomponente fließen kann,
gelangt der Niederfrequenzanteil über die Spule Lign durch
die Lampe 12 in die Kondensatoren CDC1 und
CDC2. Der Kondensator Cign hat
einen so kleinen Wert, dass er für
den Strom ilamp in der Lampe keine Bedeutung
hat, wenn die Lampe 12 gezündet ist.
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5 zeigt
einen Ausschnitt des Stroms i1 durch die
Spule Trfilt und des Lampenstroms ilamp in Ampere über zwei Perioden des Signals
F2 des Frequenzgenerators 221 während der positiven Halbwelle
des Lampenstromes. Als gestrichelte Linie ist zusätzlich ein
Referenzstrom iref eingezeichnet, der den
Referenzwert des Kurvenformgenerators 224 für die positive
Halbwelle des Lampenstroms wiedergibt.
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Es ist offensichtlich, dass durch
ein Anheben des Referenzwerts des Kurvenformgenerators 224 der
ganze Stromverlauf parallel mit verschoben wird, also auch der Mittelwert
des Lampenstromes ilamp in genau dem gleichen
Maße ansteigt.
Damit ist eine einfache Möglichkeit
gegeben, den Wert des Lampenstromes ilamp einzustellen.
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5 zeigt
auch, dass der Strom i1 in der Spule Trfilt trotz überlagerter Gleichstromkomponente auch
bei positivem Lampenstrom ilamp das Vorzeichen wechselt.
Das erlaubt es, im Normalbetrieb ebenso wie im Übergangsbetrieb das sogenannte
spannungslose Schalten anzuwenden.
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Da der dominierende Frequenzanteil
am Ausgang der Halbbrücke
die der Sperrfrequenz entsprechende Frequenz F2 ist, wird diese
Frequenzkomponente an der mittleren Anzapfung der Spule Trfilt ausgelöscht. Die Spannung am Kondensator
Cfilt ist jetzt auch nicht mehr als konstant
zu betrachten, sondern sie ist wesentlichen Schwankungen unterworfen.
Diese Schwankungen spiegeln sich in 5 in
der Abweichung des Stromverlaufes ilamp von
einem konstanten Verlauf wieder.
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Während
der negativen Halbwelle ist der Lampenstrom ilamp und
die Lampenspannung negativ. Die Spannung am Kondensator Cfilt ist nun die Summe aus der halben Betriebsspannung
U+ und aus dem negativen Wert der Lampenspannung.
Der Kurvenformgenerator 224 liefert jetzt entsprechend
dem vorgesehenen Lampenstromverlauf ein Polaritätssignal von "0". Das bedeutet,
dass die Exklusiv-Oder-Glieder 225, 226, 227 keine
Wirkung haben, sondern das jeweils außer dem Polaritätssignal anliegende
Signal an ihrem Ausgang wieder ausgeben. Zunächst sei angenommen, dass der
Strom i1 in der Spule Trfilt negativ
ist. Der Impuls des Frequenzgenerators 221 setzt wiederum
das Flipflop 222, allerdings wird dadurch nun der Transistor
T1 ein- und der Transistor T2 nach
einer Verzögerungszeit
DT ausgeschaltet. Am Ausgang 11 der Halbbrücke liegt daraufhin
die Betriebsspannung U+ der Schaltung an. Diese
ist wesentlich höher
als die Spannung am Kondensator Cfilt, wodurch
der Strom i1 in der Spule Trfilt schnell
ansteigt. Wenn der vom Kurvenformgenerator 224 gelieferte
Referenzwert überschritten
wird, erzeugt der Komparator 223 am Ausgang eine "1 ", wodurch
das Flipflop 222 wieder zurückgesetzt wird. Dadurch wird
der Transistor T1 ausgeschaltet und der Transistor
T2 nach einer Verzögerungszeit DT wieder eingeschaltet.
Die Spannung am Ausgang 11 der Halbbrücke beträgt daraufhin 0 V. Da die Spannung am
Kondensator Cfilt größer als Null ist, baut sich
der Strom i1 in der Spule Trfilt wieder
auf.
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Die 6 bis 8 zeigen mögliche Abwandlungen
der Schaltung aus 1,
wobei die abgewandelten Schaltungen aber sinngemäß die gleichen Funktionen aufweisen
wie die Schaltung aus 1.
Der grundlegende Aufbau ist jeweils der Gleiche wie in 1 und die entsprechenden
Bauteile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so dass im
Folgenden nur die jeweiligen Unterschiede beschrieben werden brauchen.
Auch die in den 6 bis 8 nicht gezeigte Steuerschaltung
kann der Steuerschaltung des ersten Ausführungsbeispiels entsprechen.
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In der ersten Abwandlung gemäß 6 ist der dritte, äußere Anschluss
der Spule Trfilt zusätzlich über einen Kondensator Cfilt mit der Betriebsspannung U+ der
Schaltung verbunden. Der in 1 mit Cfilt bezeichnete Kondensator wird in 6 zur besseren Unterscheidbarkeit
mit Cfilt bezeichnet. Ebenso ist der zweite
Anschluss der Spule Lign zusätzlich über einen
Kondensator Cignb mit der Betriebsspannung
U+ der Schaltung verbunden. Der in 1 mit Cign bezeichnete
Kondensator wird in 6 mit
Cigna bezeichnet.
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In der zweiten Abwandlung gemäß 7 sind die Kondensatoren
Cfilt und Cign nicht
direkt mit dem Bezugspotential der Schaltung verbunden, sondern
mit der Verbindung zwischen den Kondensatoren CDC1,
CDC2. Hieraus wird deutlich, dass die Spulen über den
jeweils zur Bildung eines Resonanzkreises zugeordneten Kondensator
auch indirekt mit dem Bezugspotential der Schaltung verbunden sein
können.
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In der dritten Abwandlung gemäß 8 ist jedem der Transistoren
T1 bzw. T2 ein zusätzlicher Kondensator
Cdvdtb bzw. Cdvdta parallelgeschalt.
Die Kondensatoren Cdvdtb, Cdvdta dienen
dabei der Begrenzung der Spannungsanstiegesgeschwindigkeit beim Umschalten
der Transistoren T1, T2 der
Halbbrücke. Alternativ
könnte
auch nur einer der zusätzlichen Kondensatoren
eingesetzt werden. Die spannungsanstiegsbegrenzenden Kondensatoren
in der Ausführung
gemäß 8 führen bei dem mit Bezug auf 5 erwähnten spannungslosen Schalten
zu besonders geringen Schaltverlusten.
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Die Erläuterung der Funktionsweise
der Schaltung aus 1 gilt
entsprechend für
diese und für
andere Abwandlungen der Schaltung aus 1, bei
denen die Kondensatoren hochfrequenzmäßig äquivalent in Bezug auf den
Ausgangsstrom der Halbbrücke
und den Lampenstrom angeordnet sind. Ebenso können einige der Bauteile z.B.
in Reihe mit zusätzlichen
Widerständen
geschaltet werden.
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Die beschriebenen Ausführungsformen
stellt nur einige Beispiele von verschiedenen möglichen Ausgestaltungen der
Erfindung dar.