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ERFINDUNGSGEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Vorschaltgerät für eine Entladungslampe wie
etwa eine Hochleistungsentladungslampe (High Intensity Discharge
Lampe, HID-Lampe) und insbesondere ein elektronisches Vorschaltgerät mit einem
Gleichspannungswandler, der eine Eingabegleichspannung von einer
Gleichspannungsquelle wie etwa einer Batterie ableitet, um eine
Gleichspannungshochspannung zum Betreiben der Lampe zu liefern,
und auch ein Verfahren zum Betreiben der Lampe unter Verwendung
des Gleichspannungswandlers.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Ein
typisches elektronisches Vorschaltgerät für die HID-Lampe enthält bekanntlich
einen Gleichspannungswandler, der eine erhöhte Gleichspannungsausgabe
liefert, und einen Inverter, der die Gleichspannungsausgabe in eine
Wechselstromleistung zum Ansteuern der Lampe umsetzt. Der Gleichspannungswandler
enthält
ein Schaltelement, das so angesteuert wird, daß es zum Regeln der resultierenden
Gleichspannungsausgabe eine Eingabegleichspannung wiederholt unterbricht.
In dem Vorschaltgerät
ist außerdem
eine Steuervorrichtung enthalten, die die Gleichspannungsausgabe überwacht
und das Tastverhältnis
des Schaltelements des Gleichspannungswandlers auf der Basis der überwachten Gleichspannungsausgabe
variiert, um die Gleichspannungsausgabe auf eine Weise mit Rückkopplung
zu regeln und dadurch eine Vorstartspannung, die zum Zünden der
Lampe erforderlich ist, zusätzlich zu
einer Betriebsspannung zu erzeugen, die erforderlich ist, um die
Lampe nach dem Starten in Betrieb zu halten.
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Zum
Einschalten der Lampe wird der Gleichspannungswandler zunächst so
gesteuert, daß er
die Ausgabegleichspannung auf eine Vorstartspannung erhöht, die
so hoch ist, daß sie
zum Zünden
vorbereitet wird, um die Entladung der Lampe einzuleiten. Zum erfolgreichen
Starten der Lampe muß die
Lampe über
eine gewisse Zeitperiode auf der Vorstartspannung gehalten werden,
bis sie zündet.
Allgemein ist die Vorstartspannung definiert als eine hohe Grenzspannung,
wobei der Gleichspannungswandler so ausgelegt ist, diese hohe Grenzspannung
bis zum Zünden
der Lampe weiter zu erzeugen, d. h. während an dem Wandler keine
Last angeschlossen ist. Die Zeit jedoch, die der Gleichspannungswandler benötigt, um
seine Ausgabegleichspannung von Null auf die Vorstartspannung zu
erhöhen,
hängt von
der von einer Gleichspannungsquelle zur Verfügung stehenden Eingabegleichspannung
ab. In dem Fall, in dem erwartet wird, daß die zur Verfügung stehende Eingabegleichspannung
nicht konstant ist, wird die Vorstartspannung dementsprechend zu
verschiedenen Zeiten erreicht. Das heißt, wenn die zur Verfügung stehende
Eingabegleichspannung sinkt, kann die Vorstartspannung nach einer
längeren
Zeit erreicht werden, wodurch der Start der Entladungslampe entsprechend
verzögert
wird. Da das Absinken der Eingabegleichspannung bei Anwendungen
in der Praxis wahrscheinlich ist, muß eine derartige Verzögerung vermieden
werden, damit der Forderung genügt
wird, daß die
Lampe konstant mit einer gleichförmigen
Antwort gestartet wird und die Variation der Eingabegleichspannung
unmerklich ist.
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Aus
der
EP 1 021 072 A1 ist
ein Vorschaltgerät
für eine
Hochdruckgasentladungslampe in einem Kraftfahrzeug mit einem primär getakteten
Gleichspannungswandler bekannt. Um ein besonders sicheres Zünden der
Hochdruckgasentladungslampe auch bei verringerter Betriebsspannung
zu erzielen, steuert ein Regler die Pulsweite des von einem Pulsweitsimulator
erzeugten Ausgangssignals abhängig von
der Höhe
der Betriebsspannung und zwar derart, daß mit fallender Betriebsspannung
die Leerlaufausgangsspannung des Gleichspannungswandlers ansteigt.
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Aus
der
DE 100 30 484
A1 ist die Lieferung von Spannung an eine Startschaltung
bekannt, um ein Startsignal an eine Entladungslampe für das Starten
der Entladungslampe in einem Entladungslampenlichtstromkreis zu
liefern. Gemäß der Erfindung wird
ein Zyklus ausgeführt,
bei dem der Ladungsübergang
von einem zweiten Kondensator zu einem dritten Kondensator und der
Ladungsübergang
von dem dritten Kondensator zu einem ersten Kondensator wiederholt
werden, wodurch die Anschlußspannung
des ersten Kondensators erhöht
wird, wobei, wenn die Spannung einen Wert erreicht, der ausreicht,
daß das
Schaltelement leitet, ein Zündsignal an
die Ladungslampe über
die zweite Windung des Transformators angelegt wird, so daß die Schaltungskonfiguration
für das
Bereitstellen einer Versorgungsspannung für die Startschaltung vereinfacht werden
kann.
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Aus
der
DE 198 43 643
A1 ist eine Zündschaltung
für eine
Entladungslampe bekannt, mit der eine Verschlechterung der Zündeigenschaft
einer Entladungslampe aufgrund einer Veränderung der Versorgungsspannung
verhindert wird und ein gleichmäßiges Zünden der
Entladungslampe sichergestellt ist. Der Zeitverlauf, mit dem der
Zündimpuls an
einer Entladungslampe angelegt wird, ist genau festgelegt, wobei
die Resonanz der Spule und des Kondensators, die in der Eingangsstufe
der Gleichstromversorgungsschaltung vorgesehen sind, einen starken
Abfall der Eingangsspannung in die Gleichstromversorgungsschaltung
zum Zeitpunkt des Zündens
der Entladungslampe unterdrücken
kann.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Angesichts
des obigen Mangels ist die vorliegende Erfindung erzielt worden,
um ein verbessertes Vorschaltgerät
bereitzustellen, das in der Lage ist, unabhängig von einer möglichen
Variation einer von der Gleichspannungsquelle zur Verfügung stehenden
Eingabegleichspannung einen gleichförmigen Lampenstart zu erzeugen.
Das Vorschaltgerät
(ballast) gemäß der vorliegenden
Erfindung enthält
einen Gleichspannungswandler, der so ausgelegt ist, daß er von
der Gleichspannungsquelle die Eingabegleichspannung erhält. Der
Gleichspannungswandler weist ein Schaltelement auf, das so angesteuert
wird, daß es
die Eingabegleichspannung mit geeigneten Schaltfrequenzen und über eine
geeignete Einschaltperiode wiederholt schaltet, um eine Gleichspannungsausgabe
zu regeln, die zum Ansteuern der Entladungslampe angelegt wird.
Im Vorschaltgerät
ist außerdem
eine Steuervorrichtung enthalten, die die Gleichspannungsausgabe überwacht
und eine Rückkopplungssteuerung
herstellt, die das Tastverhältnis (duty)
des Schaltelements auf der Basis der überwachten Gleichspannungsausgabe
variiert, um die Gleichspannungsausgabe derart zu regeln, daß der Gleichspannungswandler
eine Vorstartspannung, damit die Lampe starten kann, sowie eine
Betriebsspannung zum Aufrechterhalten des Lampenbetriebs liefert.
Das Vorschaltgerät
enthält
weiterhin eine Eingabegleichspannungsüberwachungsvorrichtung, die
die von der Gleichspannungsquelle gelieferte Eingabegleichspannung überwacht.
Das kennzeichnende Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin,
daß die
Steuervorrichtung ein Startbeschleunigungsmittel enthält, das
die Schaltfrequenz und/oder die Einschaltperiode des Schaltelements
auf der Basis der überwachten
Eingabegleichspannung in Richtung des Beschleunigens der Erhöhung der
Ausgabegleichspannung zu der Vorstartspannung variiert, bis die
Ausgabegleichspannung die Startspannung erreicht. Bei diesem Verfahren
ist es möglich,
die Ausgabegleichspannung unabhängig
von einer möglichen
Variation bei der Eingabegleichspannung auf die Vorstartspannung
zu erhöhen,
und zwar in einer beabsichtigten kurzen Zeitperiode, die im wesentlichen
gleich der Zeit ist, die benötigt
wird, wenn sich die Eingabegleichspannung auf einer zur Verfügung stehenden
Höchstspannung
befindet, wodurch ein schneller Lampenstart sichergestellt und gleichzeitig die
verringerte Eingabegleichspannung kompensiert wird.
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Das
Startbeschleunigungsmittel verlängert bevorzugt
die Einschaltperiode und/oder senkt die Schaltfrequenz des Schaltelements,
wenn die Eingabegleichspannung absinkt, um eine gleichförmige Erhöhungsrate
der Ausgabespannung auf die Vorstartspannung unabhängig von
der möglichen
Variation bei der Eingabegleichspannung zu realisieren.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
enthält
das Vorschaltgerät
einen Spannungsverstärker, der
eine von dem Gleichspannungswandler abgeleitete Spannung in eine
verstärkte
Spannung verstärkt. Der
Spannungsverstärker
ist derart, daß er
die Verstärkungsspannung
liefert, die mit einer höheren Rate
als die Schaltfrequenz des Schaltelements zunimmt. Eine Zündvorrichtung
ist mit dem Spannungsverstärker
verbunden, um die verstärkte
Spannung auf eine Zündspannung
anzuheben, die an die Entladungslampe angelegt wird, nachdem die
Ausgabegleichspannung die Vorstartspannung erreicht, um die Lampe
zu zünden.
Das Startbeschleunigungsmittel ist so konfiguriert, daß es die
Schaltfrequenz des Schaltelements als Reaktion darauf erhöht, daß die Ausgabegleichspannung
einen ersten Schwellwert erreicht, der unter der Vorstartspannung
liegt. Somit ist es möglich,
zunächst
die Erhöhung
der Ausgabegleichspannung des Wandlers zu beschleunigen und dann
die Erhöhung
der verstärkten
Spannung auf einen ausreichenden Pegel zu beschleunigen, damit die
Zündvorrichtung
die Lampe zünden
kann, womit man eine optimale Kombination aus Ausgabegleichspannung
und der verstärkten
Spannung zum Beschleunigen des Lampenstarts erhält. Dazu wird der erste Schwellwert
so ausgewählt,
daß die
Ausgabegleichspannung die Vorstartspannung erreicht, bevor die verstärkte Spannung
den Pegel erreicht, der ausreicht, damit die Zündvorrichtung die Lampe zündet.
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Bevorzugt
arbeitet das Startbeschleunigungsmittel so, daß es als Reaktion darauf, daß die Ausgabegleichspannung
den ersten Schwellwert erreicht, die Schaltfrequenz kontinuierlich
oder in Schritten von einer ersten Schaltfrequenz auf eine zweite
Schaltfrequenz erhöht.
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Anstelle
der Verwendung des ersten Schwellwerts kann das Startbeschleunigungsmittel so
konfiguriert sein, daß es
die Schaltfrequenz als Reaktion darauf erhöht, daß die Ausgabegleichspannung
zuerst die Vorstartspannung erreicht.
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Wenn
weiterhin der Gleichspannungswandler ein Tiefpaßfilter zum Glätten der
Ausgabegleichspannung enthält,
ist das Vorschaltgerät
der vorliegenden Erfindung so konfiguriert, daß es eine unerwünschte Resonanz
einschränkt,
die in Resonanz mit einer Eigenfrequenz des Tiefpaßfilters
auftreten würde,
während
der Gleichspannungswandler die Vorstartspannung, die intermittierend
aktiviert und deaktiviert wird, unmittelbar vor dem Start der Lampe weiterhin
erzeugt. Zum Zweck des Einschränkens der
unerwünschten
Resonanz reduziert das Startbeschleunigungsmittel bevorzugt die
Einschaltperiode des Schaltelements als Reaktion darauf, daß die Ausgabegleichspannung
einen unter der Vorstartspannung liegenden zweiten Schwellwert erreicht. Somit
kann unmittelbar davor und danach, wenn der Gleichspannungswandler
die Vorstartspannung liefert, der Wandler veranlaßt werden,
die Ausgabespannung recht allmählich
zu erhöhen,
um eine geringe Energie zum Aufrechterhalten der Vorstartspannung
zu ergänzen,
wodurch die Ausgabespannung weiterhin auf die Vorstartspannung begrenzt werden
kann, ohne daß die
unerwünschte
Resonanz hervorgerufen wird. Deshalb kann verhindert werden, daß das Vorschaltgerät aufgrund
der unbeabsichtigten Resonanz eine übermäßig hohe Spannung erzeugt,
und die Lampe kann sicher und zuverlässig betrieben werden. Dazu
kann das Startbeschleunigungsmittel so konfiguriert sein, daß es die
Einschaltperiode des Schaltelements als Reaktion darauf, daß die Ausgabespannung
den zweiten Schwellwert erreicht, kontinuierlich oder in Schritten
reduziert.
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Anstelle
der Verwendung des zweiten Schwellwerts kam das Startbeschleunigungsmittel
so konfiguriert sein, daß es
die Einschaltperiode als Reaktion darauf, daß die Ausgabegleichspannung
erst die Vorstartspannung erreicht, reduziert.
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Es
ist weiterhin außerdem
vorteilhaft, die Schaltfrequenz des Schaltelements als Reaktion
darauf zu erhöhen,
daß die
Ausgabegleichspannung den zweiten Schwellwert erreicht, zunächst die
Vorstartspannung erreicht oder sogar einen dritten Schwellwert,
der unter der Vorstartspannung liegt und vom zweiten Schwellwert
verschieden ist. Diese Steuerung zum Erhöhen der Schaltfrequenz bei
einem Wert um die Ausgabespannung herum, der die Vorstartspannung
erreicht, kann alleine oder in Kombination mit dem obigen Verfahren
zum Reduzieren der Einschaltperiode die unerwünschte Resonanz effektiv einschränken.
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Anstatt
der Verwendung eines oder mehrerer Schwellwerte kann das Startbeschleunigungsmittel zudem
so konfiguriert sein, daß es
die Schaltfrequenz und/oder die Einschaltperiode als Funktion der überwachten
Ausgabegleichspannung variiert, bis die Ausgabegleichspannung die
Vorstartspannung erreicht, damit der Lampenstart beschleunigt und/oder
die unerwünschte
Resonanz eingeschränkt wird.
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Diese
und noch weitere Aufgaben und vorteilhaften Merkmale der vorliegenden
Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Schaltplan, der ein Vorschaltgerät gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ist
ein Wellenformdiagramm, das einen allgemeinen Betrieb des Vorschaltgeräts veranschaulicht;
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3 ist
ein Diagramm, das die Ausgaben des Vorschaltgeräts zum Starten einer Entladungslampe
veranschaulicht;
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4 ist
ein Diagramm, das den Grundbetrieb des Vorschaltgeräts vor dem
Starten der Lampe veranschaulicht;
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5A und 5B sind
Diagramme, die eine andere Steuerung des Vorschaltgeräts auf der Basis
einer überwachten
Ausgabegleichspannung des Vorschaltgeräts veranschaulichen;
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6 ist
ein Diagramm, das ein Grundmerkmal des Vorschaltgeräts veranschaulicht;
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7 ist
ein Diagramm, das ein weiteres Grundmerkmal des Vorschaltgeräts veranschaulicht; und
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8 ist
ein Diagramm, das ein modifiziertes Merkmal des Vorschaltgeräts veranschaulicht.
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BESTE VERFAHRENSWEISE ZUM
AUSFÜHREN DER
ERFINDUNG
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Ein
Vorschaltgerät
für eine
Entladungslampe der vorliegenden Erfindung eignet sich besonders
für den
Betrieb eines Hochleistungsscheinwerfers eines Kraftfahrzeugs unter
Verwendung einer Fahrzeugbatterie als Eingabegleichspannungsquelle,
obwohl die vorliegende Erfindung nicht notwendigerweise auf diese
besondere Anwendung beschränkt
ist Nunmehr unter Bezugnahme auf 1 wird das
Vorschaltgerät
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Vorschaltgerät besteht
aus einem Gleichspannungswandler 20, der so angeschlossen
ist, daß er
eine Eingabegleichspannung von der Gleichspannungsquelle 10 wie etwa
einer Autobatterie erhält,
um eine geregelte Gleichspannungsausgabe zu liefern, und einem Inverter 40,
der die Gleichspannungsausgabe in einen niederfrequenten Wechselstrom
umwandelt, der an eine Entladungslampe 1 angelegt wird.
Ebenfalls enthalten im Vorschaltgerät sind ein Spannungsverstärker 50,
der Leistung von einem Teil des Gleichspannungswandlers 20 ableitet,
um eine verstärkte
Spannung zu erzeugen, und eine Zündvorrichtung 60,
die aus der verstärkten
Spannung eine Zündspannung erzeugt,
die zum Zünden
der Lampe 1 angelegt wird. Das Vorschaltgerät enthält weiterhin
eine Steuervorrichtung 70, die den Gleichspannungswandler 20 und den
Inverter 40 steuert, um die Lampe zu starten und den Lampenbetrieb
hauptsächlich
auf der Basis einer überwachten
Ausgabegleichstromleistung des Gleichspannungswandlers 20 aufrechtzuerhalten.
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Der
Gleichspannungswandler 20 enthält einen Transformator 30 und
ein Schaltelement 24, das mit einer Primärwicklung 31 des
Transformators 30 in Reihe an die Gleichspannungsquelle 10 angeschlossen
ist. Das Schaltelement 24 wird so gesteuert, daß es mit
variierenden Frequenzen und variierenden Einschaltperioden wiederholt
ein- und ausschaltet, um im Transformator 30 und in einem
Kondensator 34 Energie zu akkumulieren. Wenn das Schaltelement 24 eingeschaltet
ist, fließt
ein Eingabestrom von der Gleichspannungsquelle 10 durch
die Primärwicklung 31,
um die Energie darin zu speichern. Der Kondensator 34 ist
zwischen die Primärwicklung 31 und eine
Sekundärwicklung 32 geschaltet
und in einer Serienbeziehung mit einer Diode 26 an die
Gleichspannungsquelle 10, so daß bei ausgeschaltetem Schaltelement 24 ein
anderer Eingabestrom durch die Primärwicklung 31, den
Kondensator 34, die Sekundärwicklung 32 und die
Diode 26 fließt,
um die Energie in den Wicklungen 31 und 32 sowie
im Kondensator 34 zu akkumulieren. Die Serienkombination aus
Diode 26 und Sekundärwicklung 32 ist
an ein Tiefpaßfilter 36 angeschlossen,
das aus einer Induktionsspule 37 und einem Kondensator 38 besteht,
d. h. einen Ausgang zum Inverter 40, so daß bei abgeschaltetem
Schaltelement 24 die in der Sekundärwicklung 32 akkumulierte
Energie durch die Diode 26 freigesetzt wird, damit eine
Ausgabegleichspannung an den Inverter 40 geliefert wird.
Der Kondensator 34 setzt seine Energie bei eingeschaltetem
Schaltelement 24 frei, um dem Inverter 40 weiterhin
die Ausgabegleichspannung zu liefern. Der dargestellte Wandler 20 ist
nur beispielhaft gezeigt und kann anders konfiguriert sein, vorausgesetzt,
ein gleiches Schaltelement wird zum Regeln der Gleichspannungsausgabe
verwendet. Beispielsweise können gleichermaßen bekannte
Gleichspannungswandler vom Rücklauftyp
oder vom Tief-/Hochsetz-Typ verwendet werden.
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Der
Inverter 40 weist eine Vollbrückenkonfiguration (full-bridge
configuration) mit vier Schaltern 41, 42, 43 und 44 auf,
die von einem Treiber 45 angesteuert werden, so daß sie derart
ein- und ausschalten, daß ein
diagonal gegenüber
angeordnetes Paar von Schaltern 41 und 44 abwechselnd
mit dem anderen diagonal gegenüber
angeordneten Paar von Schaltern 42 und 43 ein-
und ausgeschaltet wird, um eine niederfrequente Wechselspannung
zum Betrieb der Lampe zu erhalten. Der Treiber 45 ist so
angeschlossen, daß er
ein niederfrequentes Steuersignal von der Steuervorrichtung 70 erhält, um die
niederfrequente Inverterausgabe zu erzeugen. Obwohl das Vorschaltgerät der dargestellten
Ausführungsform den
Inverter zum Betreiben der Lampe 1 enthält, sollte die vorliegende
Erfindung nicht notwendigerweise darauf beschränkt sein, und sie erfordert
möglicherweise
nicht den Inverter zum Betreiben eines bestimmten Typs der Entladungslampe.
Die Zündvorrichtung 60 enthält einen
Transformator mit einer Primärwicklung 61 und
einer Sekundärwicklung 62,
die in einem Weg der Zufuhr der Inverterausgabe mit der Lampe 1 in
Serie geschaltet ist. An die Primärwicklung 61 ist eine
Serienkombination aus einem Kondensator 64 und einem Entladungsstreckenschalter 65 angeschlossen,
der für
das Entladen des Kondensators 64 zuständig ist, damit an der Sekundärwicklung 62 eine
hohe Zündspannung
induziert wird, die zum Zünden
der Lampe angelegt wird.
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Der
Kondensator 64 wird von dem Spannungsverstärker 50 geladen,
der eine im Stromkreis des Wandlers 20 erscheinende schwingende
Spannung verwendet, um eine verstärkte Gleichspannung zu liefern,
die zum schnellen Aufladen des Kondensators 64 ausreicht.
Der Spannungsverstärker 50 ist als
ein Cockcroft-Walton-Spannungsvervielfacher konfiguriert, der aus
Dioden, Kondensatoren und Widerständen besteht. Der Eingang des
Spannungsverstärkers 50 ist
an die Diode 26 des Wandlers 20 angeschlossen
und liefert die verstärkte
Gleichspannung, die mit einer höheren
Rate zunimmt, als die Schaltfrequenz des Schaltelements 24 zunimmt.
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Die
Steuervorrichtung 70 ist vorgesehen, um den Ausgabegleichstrom
des Gleichspannungswandlers 20 hauptsächlich durch eine Regelung
zu regeln, d. h. auf eine Weise mit Rückkopplung auf der Basis der
Ausgabe des Wandlers, um eine Vorstartlampenspannung zu liefern, durch
die die Lampe starten kann, sowie eine Betriebsspannung, nachdem
die Lampe gestartet hat. Die Vorstartspannung ist definiert als
eine hohe Grenzspannung, auf die die Ausgabe des Gleichspannungswandlers
begrenzt ist und die geringfügig über einer
tatsächlichen
kleinsten Lampenstartspannung liegt, die den Lampenstart ermöglicht.
Das heißt,
die Vorstartspannung wird durch eine Obergrenze VH von
380 V definiert, während
die tatsächliche
Lampenstartspannung etwa 340 V beträgt, um ein Beispiel zu nennen.
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2 zeigt
typische Kennlinien der Lampenspannung V1a und des Lampenstroms
I1a, die zum Starten und Inbetriebhalten der Lampe geliefert werden.
Wenn der Gleichspannungswandler 20 bei ausgeschalteter
Lampe bestromt wird, d. h. in einem Nichtlastzustand, nimmt die
Steuervorrichtung 70 die Regelung vor, um die Ausgabespannung
des Gleichspannungswandlers 20 von Null auf die Vorstartspannung
von 380 V über
der Lampenstartspannung von 340 V zu erhöhen und die Vorstartspannung über eine
bestimmte Periode bis zum Zünden
der Lampe aufrechtzuerhalten. Bis zu diesem Zeitpunkt liefert der
Spannungsverstärker 50 der
Zündvorrichtung 60 ausreichend
hohe verstärkte
Spannung zum Zünden der
Lampe, wie in 3 gezeigt ist. Das heißt, das Vorschaltgerät ist so
konfiguriert, daß es
die verstärkte
Spannung auf einen Pegel erhöht,
der so hoch ist, daß die
Zündvorrichtung 60 den
Entladungsstreckenschalter 65 aktiviert, kurz nachdem die
Ausgabegleichspannung die Vorstartspannung über der Lampenstartspannung
zum Zeitpunkt TS erreicht. Sobald die Zündvorrichtung 60 die
Lampe zündet,
um das Entladen der Lampe zu starten, was normalerweise innerhalb
von beispielsweise 20 Millisekunden ab der Bestromung des Gleichspannungswandlers 20 erfolgt,
erfährt
die Lampenspannung Via eine abrupte Abnahme. Dies wird dadurch bestätigt, daß die Spannung
bis auf eine Schwellwertspannung VTH von
beispielsweise 220 V absinkt. Sobald das Absenken der Spannung von
der Steuervorrichtung 70 bestätigt ist, kommt die Steuervorrichtung 70 in
eine Startphase P1, in der ein ausreichender Lampenstrom zugeführt wird,
um den Lampenstart zu komplementieren und den Lampenstart erfolgreich
bis zu einer Nennlampenbetriebsphase P4 durch eine Aufwärmehase
P2 und eine Hochlaufphase P3 fortzusetzen.
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Die
vorliegende Erfindung ist dazu bestimmt, einen schnellen Lampenstart
sicherzustellen, und steht deshalb zu einer Vorstartphase P0 vor
dem Zünden
der Lampe in Beziehung. Bevor der Betrieb des Vorschaltgeräts in der
Vorstartphase P0 erörtert wird,
erfolgt hier unter Bezugnahme auf 1 eine kurze
Erläuterung
der Rückkopplungssteuerung
des Vorschaltgeräts.
Die Steuervorrichtung 70 enthält einen Ansteuerimpulsgenerator 80,
der einen Ansteuerimpuls zum Ein- und Ausschalten des Schaltelements 24 zum
Variieren der Einschaltperioden und mit variierenden Frequenzen
zum Regulieren der Gleichspannungsausgabeleistung des Wandlers auf der
Basis der Ausgabeleistung erzeugt. Ebenfalls enthalten in der Steuervorrichtung 70 sind
eine Ausgabespannungsüberwachungsvorrichtung 71, die
die die Lampenspannung Via anzeigende Ausgabegleichspannung überwacht,
eine Ausgabestromüberwachungsvorrichtung 72,
die den den Lampenstrom I1a anzeigenden Ausgabestrom überwacht und
ein Vergleicher 73, der einen durch das Schaltelement 24 fließenden Eingabestrom
sieht. Jedes Mal, wenn an einem Vergleicher 74 erfaßt wird,
daß die Ausgabegleichspannung
die Obergrenze VH übersteigt, d. h. die Vorstartspannung über der
kleinsten Lampenstartspannung ist, gibt der Vergleicher 74 ein Stoppsignal
an den Ansteuerimpulsgenerator 80 aus, der damit reagiert,
daß er
das Schaltelement 24 abschaltet. So erzeugt der Gleichspannungswandler 20 die
Ausgabegleichspannung, die nach der Bestromung des Wandlers bis
zur Vorstartspannung zunimmt und bis nach dem Zünden der Lampe bei der Vorstartspannung
gehalten wird, wie in 2 gezeigt.
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Die
Steuervorrichtung 70 enthält eine Leistungsbefehlstabelle 90,
die einen vorbestimmten Leistungsbefehl speichert, der einen Leistungsbefehl bezeichnet,
auf dessen Basis die Regelung den Ausgabegleichstrom regelt. Der
Leistungsbefehl wird zusammen mit der überwachten Ausgabegleichspannung
einer Strombefehlsvorrichtung 91 zugeführt, die aus der Gleichung
I = P/V (wobei P = Strombefehl, V = überwachte Gleichspannung) einen
Strombefehl I berechnet. Der so erhaltene Strombefehl wird einem Fehlerverstärker 92 zugeführt, wo
er mit dem überwachten
Ausgabestrom I1a verglichen wird, damit man durch einen Proportional- und Integrationsprozeß einen
Zielstrombefehl IP1 erhält. Der Zielstrombefehl IP1 wird verarbeitet, um das Schaltelement 24 anzusteuern,
damit der Ausgabegleichstrom entsprechend dem Zielstrombefehl geregelt
wird. Im Einzelnen enthält
der Ansteuerimpulsgenerator 80 einen PWM-Generator 81,
der einen Zug von Standardimpulsen mit einer vorbestimmten Frequenz
und einer vorbestimmten Einschaltperiode liefert. Die Standardimpulse
werden einem Setzanschluß (S)
eines RS-Flipflop 83 zugeführt, der an einem Ausgabeanschluß (Q) ein
Ansteuersignal liefert, um das Schaltelement 24 an der
ansteigenden Flanke jedes Impulses einzuschalten. Die Ausgabe des
RS-Flipflop 83 wird zum Ansteuern des Schaltelements 24 durch
ein anderes AND-Gatter 84, das ebenfalls den Impuls vom
PWM-Generator 81 erhält,
zugeführt,
so daß das
Schaltelement 24 bei der fallenden Flanke jedes Impulses
vom PWM-Generator 81 abgeschaltet
wird. Weiterhin empfängt
der RS-Flipflop 83 an seinem Rücksetzanschluß (R) die
Ausgaben der Vergleicher 73 und 74 durch ein Logik-OR-Gatter 82,
um das Schaltelement 24 abzuschalten, wenn die Ausgabespannung
die Obergrenze VH übersteigt oder der überwachte
Eingabestrom den Zielstrombefehl IP1 übersteigt,
je nach dem was zuerst kommt. Somit wird das Schaltelement 24 angesteuert,
im Grunde entsprechend dem Standardimpuls vom PWM-Generator 81 ein-
und auszuschalten, und wird mit variierenden Einschaltperioden angesteuert,
um den Ausgabegleichstrom entsprechend dem überwachten Ausgabegleichstrom
zu regeln.
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In
der Steuervorrichtung 70 ist außerdem ein Lampenspannungsdetektor 140 enthalten,
der die Ausgabegleichspannung mit dem Entladungsschwellwert VTH und mit einem Lampenstartschwellwert VST vergleicht, um zu bestimmen, ob die Lampe gestartet
hat oder nicht. Wie in 2 gezeigt, liefert der Detektor 140 ein
Lampenstatussignal, das Hoch ist, wenn die Ausgabegleichspannung
von Null auf den Lampenstartschwellwert VST zunimmt,
und auch nachdem die Ausgabegleichspannung unter den Schwellwert
VTH absinkt, was auf den Start der Lampe
hinweist. Das Lampenstatussignal wird in einem Tastverhältnisregler 200 zum
Modifizieren des Standardimpulszugs verwendet, d. h. zum Variieren
der Schaltfrequenz und der Einschaltperiode des Schaltelements 24 nach
dem Ansteigen der Ausgabegleichspannung bis zum Lampenstartschwellwert
VST und bis zu ihrem Absinken auf den Entladeschwellwert
VTH.
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Der
Zweck des Variierens der Schaltfrequenz und der Einschaltperiode,
nachdem die Ausgabegleichspannung den Lampenstartschwellwert VST erreicht, besteht darin, unerwünschte Resonanz zu
vermeiden, die sich aus der zugeordneten Rückkopplungssteuerung, um die
Vorstartspannung in der unmittelbar nachfolgenden Periode P02 zu
halten, ergeben würde.
Das heißt,
falls der Wandler 20 während
der Periode P02 zum Halten der Vorstartspannung eine relativ große Ausgabeleistung
intermittierend zuführen
sollte, wäre
es möglich,
daß die
Ausgabespannung mit der Eigenfrequenz des Tiefpaßfilters 36 mitschwingt,
wodurch eine übermäßig hohe Resonanzspannung
erzeugt wird, die für
das Vorschaltgerät
und die Lampe schädlich
ist. Zur Vermeidung der Resonanz ist der Tastverhältnisregler 200 so
konfiguriert, daß er
die Schaltfrequenz erhöht
und die Einschaltperiode des Schaltelements 24 sofort nach
dem Anstieg der Ausgabegleichspannung auf den Lampenstartschwellwert
VST zum Zeitpunkt T1 reduziert, wie in 4 gezeigt,
wodurch weniger Ausgangsleistung zugeführt wird, damit die Ausgabespannung
allmählich
auf die Vorstartspannung erhöht
wird und die Ausgabegleichspannung dann im Bereich um die Vorstartspannung
gehalten wird, ohne die unerwünschte
Resonanz zu bewirken. Mit anderen Worten kann die bei jedem Schalten
des Schaltelements 24 zugeführte Energie EP auf
einen derartigen Pegel abgesenkt werden, daß die folgende Ungleichung
erfüllt
ist (1 + EP/EL)× TSW << TLC
wobei
EL die aufgrund interner Stromkreisverluste verbrauchte
Energie, TSW ein Zyklus des Schaltelements
während
der Periode P02 und TLC ein Resonanzzyklus
des Tiefpaßfilters 36 ist.
Dementsprechend wird bewirkt, daß ein Intervall verkürzt wird,
in dem die Ausgabespannung unter oder über der Obergrenze VH liegt, und daß dadurch der Zyklus der um
die Obergrenze VH oszillierenden Vorstartspannung
in einem derartigen Ausmaß gekürzt wird,
daß die
unerwünschte
Resonanz nicht bewirkt wird.
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In
der obigen Erläuterung
ist der Tastverhältnisregler 200 so
konfiguriert, daß er
sowohl die Schaltfrequenz als auch die Einschaltperiode als Reaktion
darauf variiert, daß die
Ausgabespannung den Lampenstartschwellwert VST erreicht.
Jedoch ist es auch möglich,
entweder die Schaltfrequenz oder die Einschaltperiode zu variieren.
Anstatt sich darauf zu verlassen, daß erfaßt wird, daß die Ausgabespannung den Lampenstartschwellwert
VST erreicht, kann weiterhin der Tastverhältnisregler 200 so
konfiguriert sein, daß er
als Reaktion darauf, daß die
Ausgabespannung die Obergrenze VH erreicht,
die Einschaltperiode reduziert und/oder die Schaltfrequenz erhöht. Darüber hinaus
kann der Tastverhältnisregler 200 so
konfiguriert sein, daß er
die Ausgabegleichspannung ständig überwacht
und die Schaltfrequenz und/oder die Einschaltperiode auswählt, die
variieren, und zwar in Abhängigkeit
von der überwachten Ausgabegleichspannung,
wie in den 5A und 5B gezeigt,
um das Schaltelement 24 während der Periode P0, beginnend
mit der Bestromung (Zeitpunkt T0) des Vorschaltgeräts und endend
mit der Lampenentladung (Zeitpunkt T2), zu steuern. Es wird in diesem
Zusammenhang angemerkt, daß als
Reaktion darauf, daß die
Ausgabegleichspannung den Lampenstartschwellwert VST erreicht,
die Einschaltperiode kontinuierlich abnehmen und/oder die Schaltfrequenz
kontinuierlich zunehmen kann.
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Nunmehr
wird unter Bezugnahme auf 6 der bei
der vorliegenden Erfindung realisierte schnelle Lampenstart erörtert. Die
von der Gleichspannungsquelle 10 zur Verfügung stehende
Eingabegleichspannung variiert wahrscheinlich bei Anwendungen in
der Praxis. Angesichts dessen wird das Vorschaltgerät der vorliegenden
Erfindung in Betracht gezogen, um eine mögliche Absenkung der Eingabegleichspannung
zu kompensieren, um einen schnellen Lampenstart unabhängig von
der Eingabegleichspannung sicherzustellen. Das heißt, die
Steuervorrichtung 70 ist so konfiguriert, daß sie die Schaltfrequenz
senkt und/oder die Einschaltperode des Schaltelements 24 bei
Sinken der Eingabegleichspannung verlängert, wie man in der Figur
sehen kann, damit der Wandler 20 eine konstante Ausgabeleistung
liefern kann, die ausreicht, um die Ausgabegleichspannung mit einer
gleichförmigen
Rate bis auf die Lampenstartspannung, d. h. die Vorstartspannung,
zu erhöhen.
Zu diesem Zweck ist das Vorschaltgerät so konfiguriert, daß die Ausgabegleichspannung
die Vorstartspannung in einer vorbestimmten kurzen Zeit erreicht,
wie dies erforderlich ist, um die Ausgabegleichspannung auf die
Vorstartspannung zu erhöhen,
wenn die Eingabegleichspannung auf einer zur Verfügung stehenden
Höchstspannung ist.
Wenn die obige Steuerung fehlt, würde die vom Wandler 20 erzeugte
Ausgabeleistung mit fallender Eingabegleichspannung abnehmen und
damit eine sichere Verzögerung
verursachen, daß die
Ausgabegleichspannung die Vorstartspannung erreicht, und deshalb
eine entsprechende Verzögerung
dabei, daß die
verstärkte
Spannung den zum Zünden
der Lampe ausreichenden Pegel erreicht, wodurch der Lampenstart
aufgeschoben wird. Wie in der Figur gezeigt wird, wird ganz besonders
bevorzugt, sowohl die Schaltfrequenz als auch die Einschaltperiode
zu variieren, um die unterste Grenze E01 der Eingabegleichspannung
auszuweiten, wie durch die durchgezogenen Linien angegeben, innerhalb
deren der beabsichtigte schnelle Lampenstart sichergestellt ist. Es
reicht jedoch möglicherweise
aus, nur die Einschaltperiode, wie durch die gepunkteten Linien
gezeigt, zu variieren, wenn erwartet wird, daß die Eingabegleichspannung über einer
Untergrenze E02 liegt. Wenn das Vorschaltgerät beispielsweise mit einer
Nenneingabegleichspannung von 14 V betrieben wird, wird die Untergrenze
E02 auf etwa 11 V erweitert, und die unterste Grenze E01 auf etwa
9 V. Es ist zudem gleichermaßen
möglich,
in Abhängigkeit
von der Eingabegleichspannung nur die Schaltfrequenz zu variieren.
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Zur
Realisierung des obigen Effekts enthält die Steuervorrichtung 70 eine
Eingabegleichspannungsüberwachungsvorrichtung 130,
die eine überwachte
Eingabegleichspannung dem Tastverhältnisregler 200 zuführt, der
damit reagiert, daß er
das Einschalttastverhältnis
erhöht
und/oder die Schaltfrequenz reduziert, wenn die Eingabegleichspannung absinkt.
Das heißt,
der Tastverhältnisregler 200 modifiziert
die beim PWM-Generator 81 erzeugten Standardimpulse gemäß der Eingabegleichspannung,
um einen zulässigen
Eingabegleichspannungsbereich zu erweitern, in dem die konstante
Ausgangsleistung des Wandlers 20 sichergestellt ist, damit
der schnelle Lampenstart innerhalb von beispielsweise etwa 20 Millisekunden
ermöglicht
wird.
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Nunmehr,
wieder unter Bezugnahme auf 3, wird
darauf hingewiesen, daß die
verstärkte Spannung
vom Spannungsverstärker 50 schnell
auf den Pegel VIG1 erhöht werden kann, der ausreicht, damit
die Zündvorrichtung 60 die
Lampe 1 zündet, nachdem
die Ausgabespannung des Wandlers 20 die Vorstartspannung
erreicht. Angesichts der Charakteristik des Spannungsverstärkers 50,
daß die verstärkte Spannung
mit einer größeren Rate
zunimmt, als die Schaltfrequenz des Schaltelements 24 zunimmt,
wird eine Steuerung vorgenommen, um die Schaltfrequenz zu erhöhen, nachdem
die Ausgabespannung bis in die Nähe
der Vorstartspannung erhöht
worden ist, um einem schnellen Anstieg der Ausgabespannung zu genügen sowie
einen schnellen Anstieg der verstärkten Spannung auf einen Pegel
zu bewirken, der zum Zünden
der Lampe ausreicht. Ein Ansatz besteht darin, die Schaltfrequenz des
Schaltelements 24 als Reaktion darauf zu erhöhen, daß die Ausgabespannung
bis auf die Obergrenze VH ansteigt, wie
durch die gepunkteten Linien in 7 angezeigt
ist. Ein weiterer Ansatz besteht darin, die Schaltfrequenz als Reaktion
darauf zu erhöhen,
daß die
Ausgabespannung bis auf den Lampenstartschwellwert VST ansteigt,
wie in der Figur durch durchgezogene Linien angegeben ist. In beiden
Ansätzen
wird die verstärkte
Spannung mit einer höheren
Rate auf den Pegel VIG1 angehoben als in dem
Fall, daß die
Schaltfrequenz unverändert
gehalten wird, wodurch der schnelle Lampenstart ermöglicht wird.
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Wie
durch die durchgezogenen Linien der 7 angezeigt,
wird bevorzugt, die Schaltfrequenz als Reaktion darauf zu erhöhen, daß die Ausgabespannung
den Lampenstartschwellwert VST erreicht, anstatt
die Obergrenze VH zu erreichen, d. h. die
Vorstartspannung, um die Zeit, die erforderlich ist, um die Lampe
für das
Zünden
bereit zu machen, weiter zu verkürzen.
Wie aus 7 hervorgeht, kann die verstärkte Spannung
mit einer höheren
Rate auf den durch durchgezogene Linien angezeigten Pegel VIG1 zunehmen als in dem Fall, in dem die
Schaltfrequenz als Reaktion darauf zunimmt, daß die Ausgabespannung die durch
gepunktete Linien angezeigte Obergrenze VH erreicht.
Genauer gesagt: Als Reaktion darauf, daß die Ausgabespannung des Wandlers 20 auf
den Lampenstartschwellwert VST zunimmt,
der geringfügig
unter der Obergrenze VH liegt, reagiert der
Tastverhältnisregler 200 damit,
daß er
die Schaltfrequenz kontinuierlich von f1 auf f2 vom Zeitpunkt T1 bis
T13 erhöht,
bis zu dem erwartet wird, daß sich
die Ausgabespannung auf die Vorstartspannung eingestellt hat. Während dieser
Periode erreicht die verstärkte
Spannung den Pegel VIG1 zum Zeitpunkt T12, wodurch
die Zündvorrichtung 60 die
Lampe erfolgreich zünden
kann. Wenn im Gegensatz als Reaktion darauf, daß die Ausgabespannung zum Zeitpunkt T11
auf die Obergrenze VH zunimmt, wie in der
Figur durch gepunktete Linien gezeigt, die Schaltfrequenz von f1
zu einer höheren
verschoben wird, erreicht die verstärkte Spannung den Pegel VIG1 später
zum Zeitpunkt T14. Es wird somit ermöglicht, die Zeit von T14 auf
T12 zu verkürzen,
um das Vorschaltgerät
auf das Zünden
der Lampe vorzubereiten. Selbst wenn es erforderlich ist, die verstärkte Spannung
auf einen höheren
Pegel VIG2 zum Zünden der Lampe zu erhöhen, kann
der Lampenstart gleichermaßen
vom Zeitpunkt T16 auf den Zeitpunkt T15 verkürzt werden, wie in der 7 angezeigt.
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Bei
der obigen Ausführungsform
ist die Schaltfrequenz so eingestellt, daß sie als Reaktion darauf zunimmt,
daß die
Ausgabespannung auf den Lampenstartschwellwert VST zunimmt,
und es ist gleichermaßen
möglich,
einen anderen Schwellwert zu verwenden, der von dem Lampenstartschwellwert verschieden
ist, aber unter der Obergrenze VH liegt, damit
man den optimalen Effekt des schnellen Startens der Lampe unter
gleichzeitiger Verhinderung der Resonanz erhält. Man wird sich von der Erläuterung hinsichtlich
der Verhinderung der Resonanz daran erinnern, daß der Tastverhältnisregler 200 dahingehend
arbeitet, daß er
als Reaktion darauf, daß die Ausgabespannung
den Lampenstartschwellwert VST erreicht,
zusätzlich
dazu, daß er
die Schaltfrequenz erhöht,
auch die Einschaltperiode des Schaltelements reduziert. In diesem
Zusammenhang kann der Tastverhältnisregler 200 so
konfiguriert sein, daß er für die Bestimmung
der Zeitsteuerungen des Erhöhens
der Schaltfrequenz und des Reduzierens der Einschaltperiode jeweils
verschiedene Schwellwerte verwendet. Diese Schwellwerte können auf
geeignete Weise ausgewählt
werden, wobei ein Schwellwert größer ist
als der andere Schwellwert, damit man eine optimale Leistung erhält.
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Anstatt
die Schaltfrequenz kontinuierlich zu erhöhen, ist es zudem gleichermaßen möglich, sie als
Reaktion darauf, daß die
Ausgabespannung den Lampenstartschwellwert VST erreicht,
stufenweise zu erhöhen,
wie in 8 durch durchgezogene Linien dargestellt ist.
In diesem Fall kann außerdem
die Zeit zum Erhöhen
der verstärkten
Spannung auf die Pegel VIG1 und VIG2 weiterhin verkürzt werden, wie durch durchgezogene
Linien dargestellt ist, und zwar in Bezug auf den Fall, daß die Schaltfrequenz
erst dann erhöht
wird, nachdem die Ausgabespannung die Obergrenze VH erreicht,
wie durch gepunktete Linien dargestellt ist. Zum Bestimmen einer
Zeitsteuerung zum Erhöhen
der Schaltfrequenz kann üblicherweise ein
anderer Schwellwert als der Lampenstartschwellwert VST verwendet
werden.
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Obwohl
die obigen Ausführungsformen
und Modifikationen für
die Ausführung
der Erfindung besonders geeignet sind, sollte die vorliegende Erfindung
nicht darauf beschränkt
werden, und sie kann weitere Modifikationen enthalten. Wenn beispielsweise
ein weiterer Spannungsverstärker
verwendet wird, der seine Eingabegleichspannung von einer anderen Stelle
als von innerhalb des Wandlers 20 ableitet und deshalb
nicht auf die obige Charakteristik beschränkt ist, die verstärkte Spannung
mit einer höheren
Rate als die Schaltfrequenz des Schaltelements zu erhöhen, ist
es nicht erforderlich, die Schaltfrequenz als Reaktion darauf zu
variieren, daß die
Ausgabespannung den Schwellwert VST erreicht.
Wenn das Tiefpaßfilter 36 nicht
erforderlich ist, ist es außerdem nicht
notwendig, die Schaltfrequenz und/oder die Einschaltperiode des
Schaltelements zu variieren, nachdem die Ausgabespannung den Schwellwert VST erreicht, um die Resonanz zu vermeiden.
Die Steuervorrichtung kann zudem ein beliebiges Design aufweisen,
vorausgesetzt, sie kann die Schaltfrequenz und/oder die Einschaltperiode
des Schaltelements gemäß den jeweiligen
Ereignissen variieren, die während
der Vorstartphase PO und den darauffolgenden Phasen benötigt werden,
um den Wandler wie oben beschrieben anzusteuern. Es sollte außerdem angemerkt
werden, daß beliebige
individuelle Merkmale, die hier offenbart sind, auf geeignete Weise
kombiniert werden können,
um ein modifiziertes Vorschaltgerät zu realisieren.
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Diese
Anmeldung basiert auf und beansprucht die Priorität der am
12. Januar 2001 in Japan eingereichten japanischen Patentanmeldung
JP 2001-005706 A und
der am 16. Juli 2001 in Japan eingereichten japanischen Patentanmeldung
JP 2001-215721 A , deren
ganzer Inhalt durch Bezugnahme hier ausdrücklich aufgenommen ist.
