DE10306755A1

DE10306755A1 - Piezoelektrische Xenon-Scheinwerfersteuerung

Info

Publication number: DE10306755A1
Application number: DE10306755A
Authority: DE
Original assignee: Universitaet Paderborn
Current assignee: Universitaet Paderborn
Priority date: 2002-09-22
Filing date: 2003-02-17
Publication date: 2004-04-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren, das die für die Zündung und den Betrieb eines Xenon-Scheinwerfers notwendige elektrische Energieversorgung mittels eines piezoelektrischen Transformators realisiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Gasentladungslampen, wie zum Beispiel die im Automobil eingesetzten Xenon Brenner, benötigen zu ihrem Betrieb eine elektrische Energieversorgung, die eine Betriebsspannung von etwa 100 V bei Strömen von etwa 350 mA bereitstellt. Das Zünden des Lichtbogens erfolgt durch einen Hochspannungsimpuls bei einer Spannung von etwa 15.000 V. Zur Zündung und zum Betrieb der Gasentladungslampe kann beispielsweise die in Bild 1 dargestellte elektrische Schaltung verwendet werden, bei der ein Kondensator 1 auf eine Gleichspannung von z. B. 800 V aufgeladen wird, die sich beim Durchschlagen der Zündlampe 2 schlagartig entlädt. Mit Hilfe des Hochspannungstransformators 3 wird daraus der zum Zünden der Gasentladungslampe 4 benötigte Hochspannungsimpuls erzeugt. Die zum Betrieb erforderliche Spannung wird durch die Spannungsquelle 5 bereitgestellt.
US6392363 „Starter for a gas discharge lamp, especially a high pressure gas discharge lamp for automobile headlights" beschreibt z.B. eine mögliche Ausführungsform des oben beschriebenen elektromagnetischen Energiewandlungprinzips zum Betrieb von Gasdruckentladungslampen. Weitere bekannte Ausführungsbeispiele sind z.B. das Xenon-Lampen-Vorschaltgerät der Fa. Hella, Fa. Nucon oder der Fa. Bosch (D2S/D2R).
Durch die Verwendung des elektromagnetischen Prinzips bei der Energiewandlung ist der Hochspannungstransformator 3 voluminös, schwer und teuer. Eine Miniaturisierung ist nur schwer möglich. Weiterhin liegen höhere Verlustleistungen und damit einher gehend schlechtere Wirkungsgrade vor, da im stationären Betrieb die Sekundärseite des Zündtransformators immer vom Laststrom durchflossen wird.
Anstelle des elektromagnetischen Hochspannungstransformators wird ein piezoelektrischer Transformator vorgeschlagen, der gemäß Bild 2 sowohl die Zündung als auch den Betrieb der Gasentladungslampe ermöglicht.
Die Nutzung früher Patente zur elektrisch/elektrischen Energieumwandlung mittels des piezoelektrischen Effekts (z. B. Rosen-Transformator, 1958, US-Patente US2830274 und US2974296) scheiterte letztlich an den fehlenden technologischen Voraussetzungen sowohl seitens der piezoelektrischen Werkstoffe als auch seitens der leistungselektronischen Bauelemente für hohe Schaltfrequenzen. Erst seit Mitte der 80er-Jahre konnten mit PZT-Keramiken (PZT: Bleizirkonat-Titanat) erfolgreich piezoelektrische Transformatoren (PT) entwickelt und seit etwa Mitte der 90er-Jahre angewendet werden. Durch die intensive Forschung und Weiterentwicklung im Bereich der piezoelektrischen Wandler sowie im Bereich der Leistungselektronik und ihrer Komponenten erscheinen piezoelektrische Transformatoren (PT) heute bei einer Vielzahl von typischen leistungselektronischen Anwendungen als geeignete Alternative zu herkömmlichen Transformatoren.
PT werden bisher vorwiegend für Anwendungen eingesetzt, bei denen die Verwendung konventioneller magnetischer Transformatoren problematisch ist (z. B. die Erzeugung hoher Spannungen in Kleingeräten). Bekannt ist z. B. die Verwendung in Stromversorgungen von Laptop-Display-Beleuchtungen (auch Flachbildschirme) mit Lumineszenz-Folien oder CCFL-Röhren (Cold Cathode Fluorescent Lamp) und weiteren CCFL-Anwendungen. Hierbei spielt insbesondere die Erzeugung hoher Spannungen aus niedrigen Versorgungsspannungen eine Rolle. Ein besonderer Vorteil von PT ist die aufgrund der PT-Schwingkreisstruktur mögliche Spannungsüberhöhung zur Zündspannungserzeugung.
PT sind aber auch für viele Schaltnetzteilanwendungen für Kleinspannungen von großem Interesse. Hemsel, T.; Littmann, W.; Wallaschek, J.: „Piezoelektrische Transformatoren – Stand der Technik und Entwicklungsperspektiven". 47. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium, Ilmenau, September 23 – 26, 2002 wird z. B. ein Schaltnetzteil mit PT als miniaturisiertes Ladegerät (z. B. für Handys) vorgestellt, wobei ein erstaunlich hoher Wirkungsgrad (> 97 %) und eine hohe Leistungsdichte erreicht werden.
Für den Betrieb von PT existieren zahlreichen Schaltungsvarianten, die sich hinsichtlich der Schaltungstopologie und der erzeugten Spannungsverläufe unterscheiden. (z.B. US 6091209 Piezoelectric transformer discharge lamp operating circuit with duty cycle dimming circuit, US 6184634 Circuit arrangement for igniting and operating a lamp having piezoelectric transformer, US 4256991 Electronic igniter for fluorescent lamps, US6111765 Discharge lamp operating circuit using piezoelectric transformer and protective device, US6400096 Control circuit for piezo transformer based fluorescent lamp power supplies).
Bei piezoelektrischen Transformatoren (PT) wird, wie bei Ultraschall-Leistungswandlern oder bei piezoelektrischen Motoren, ein piezokeramischer Wandler zur Erzeugung hochfrequenter, mechanischer Schwingungen eingesetzt, wobei der PT ein kontinuumsmechanisches Schwingungssystem darstellt, in dem sich eine mechanische Stehwelle ausbildet. Der Unterschied ist, daß die Schwingungsenergie nicht auf einen Bearbeitungsprozess oder auf einen mechanischen Abtrieb ausgekoppelt, sondern durch einen zweiten (sekundärseitigen) piezokeramischen Wandler in elektrische Energie zurückkonvertiert wird. Dabei bewirkt der PT bei geeigneter Bauform und Elektrodenkonfiguration wie ein herkömmlicher (magnetischer) Transformator eine galvanische Trennung zwischen Primär- und Sekundärseite und eine Änderung des Spannungsniveaus. Für PT sind zahlreiche Ausführungsformen bekannt: Zum einen kann die Dehnung der Piezokeramik in Längs- oder Querrichtung zum elektrischen Feld genutzt werden (d₃₃- bzw. d₃₁-Effekt); zum anderen sind unterschiedliche Geometrien und Ausbreitungsrichtungen möglich (Längenschwinger, Dickenschwinger, Radialschwinger). Dabei liegt i. A. eine longitudinale Wellenausbreitung vor.
Bild 2a zeigt schematisch den bekannten Rosen-PT der eine d₃₁-d₃₃-Konfiguration aufweist und aufgrund der für Primär- und Sekundarseite gemeinsamen Basiselektrode keine galvanische Trennung bietet. Rosen-PT (bzw. Derivate des Rosen-PT) sind besonders zur Erzeugung von hohen Betriebsspannungen geeignet und werden für die Speisung von Lampen oder Laptop-Display-Beleuchtungen aus kleinen Versorgungsspannungen eingesetzt. Bild 2c zeigt schematisch einen PT in Stabform, dessen Wandler als Stack- oder Multilayer-Aktoren ausgeführt sein können. Auf beiden Strukturen bildet sich eine longitudinale Stehwelle (Schwingung in Längsrichtung) aus, die aufgrund der Randbedingungen an den Enden des PT nur ganzzahlige Vielfache der halben Wellenlänge umfassen kann (z. B. λ/2-Schwinger oder λ-Schwinger usw., s. Bild 2b).
Das elektrische Verhalten eines PT kann durch das in Bild 2d dargestellte Ersatzschaltbild (ESB) beschrieben werden. Durch die parallele Struktur mehrerer elektrischer Schwingkreise wird das Verhalten in verschiedenen mechanischen Schwingungsmoden modelliert. Üblicherweise wird aber wie in Bild 2e nur ein mechanischer Schwingungsmode im ESB berücksichtigt, was nur möglich ist, wenn der PT nahe dieser Resonanzstelle angeregt wird, und in der Umgebung des Arbeitspunkts kein anderer Schwingungsmode relevant ist. Das ESB berücksichtigt die ein- und ausgangsseitigen piezoelektrischen Kapazitäten durch C_p und C_s und das mechanische Schwingungssystem durch den L_m-C_m-R_m-Ersatzschwingkreis. Aufgrund der hohen Güte des mechanischen Schwingungssystems ist R_m i. A. sehr klein. Das natürliche Übersetzungsverhältnis N des PT resultiert ausschließlich aus der Elektrodenkonfiguration und der Geometrie.
Beim Rosen-PT (Bild 2a) wird durch die gemischte Verwendung von d₃₁- und d₃₃-Effekt in Verbindung mit der Geometrie ein sehr großes Spannungsverhältnis erreicht, während dieses beim stabförmigen PT (Bild 2c) nur aus unterschiedlichen Lagendicken und der Verschaltung der Elektroden resultiert. Das vorliegende ESB nach Bild 2e ist in seiner Modellierungstiefe mit dem T-ESB eines konventionellen Transformators vergleichbar. Es eignet sich i. A. gut für die Synthese und Analyse von leistungselektronischen Schaltungen mit PT, nicht jedoch für Untersuchungen des PT selbst oder von Koppelungen zwischen Primär- und Sekundärseite. Oft findet man das ESB nach Bild 2e auch mit einem zusätzlichen idealen Transformator am Eingang (hinter C_p), der eingefügt werden kann, um eine direkte Äquivalenz zwischen elektrischen und mechanischen Größen im Ersatzschwingkreis zu erreichen.
Es ist bekannt, dass das Übertragungsverhalten eines PT von der Last abhängig ist. Im Leerlauf liefert der PT hohe Ausgangsspannungen aufgrund hoher Verstärkung, bei Last signifikant kleinere Spannungen.
Nachteile der genannten PT Schaltungen zur elektrischen Energieversorgung sind u.a. die Verwendung von passiven Bauelementen (z. B. Spulen, Kondensatoren) und die damit einhergehende notwendige zusätzliche Baugruppe zur Erzeugung der Zündspannung. Diese Baugruppe verhindert eine weitere Minituriarisierung.
Aufgabe der Erfindung ist es, die für die Zündung und den Betrieb eines Xenon-Scheinwerfers notwendige elektrische Energieversorgung mittels eines piezoelektrischen Transformators zu realisieren.
Ziel ist es alleine mit dem PT sowohl die Zündung als auch den Lastbetrieb zu realisieren. Dabei soll es nicht notwendig sein, zusätzliche Bauelemente oder Baugruppen wie z. B. Spannungsvervielfacher-Schaltungen zur Erzeugung des Zündimpulses vorzusehen. Der PT wird dabei in seiner mechanischen Resonanz mittels einer steuerbaren Wechselspannungsquelle gespeist. Die Wechselspannung muß in Ihrer Frequenz variabel sein und der aktuellen Resonanzfrequenz des PT nachgeführt werden, die z. B. von der Last und Temperatur abhängig ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung und Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Zu den Vorteilen der elektrischen Energieversorgung von Xenon-Scheinwerfern durch piezoelektrische Transformatoren gehört die wesentlich kompaktere Bauweise verglichen zu konventionellen elektromagnetischen Transformatoren. Ferner lassen sich höhere Wirkungsgrade erreichen. Der schaltungstechnische Aufbau ist ebenfalls durch die wesentlich geringere Anzahl an Bauelementen einfacher und somit kostengünstiger herzustellen. Das piezoelektrische Vorschaltgerät ist des Weiteren wesentlich leichter als Vorschaltgeräte auf der Basis von elektromagnetischen Transformatoren. Als zusätzliche positive Eigenschaften können eine hohe Isolationsfestigkeit und Unbrennbarkeit sowie das Fehlen magnetischer Streufelder und eine bessere Integrierbarkeit genannt werden. Ferner erlaubt die wesentlich kompaktere Bauweise auch eine Verwendung von PT-Transformern in handlicheren Geräten wie z. B. Taschenlampen. Es sind keine weiteren Bauteile bzw. Baugruppen (wie z. B. Spannungsvervielfacherschaltungen) notwendig. Ferner kann der Betrieb des PT ohne weitere magn. Bauelemente zur Erzielung von ZVS-Maßnahmen in einem schaltenden leistungselektronischen Stellglied realisiert werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Hierbei zeigt:
1 elektromagnetische Transformator-Schaltung zur Zündung und zum Betrieb von Gasentladungslampen
2 Funktionsprinzip piezoelektrischer Transformator
3 Ersatzschaltbild (ESB) einer piezoelektrische Transformator-Schaltung zur Zündung und zum Betrieb von Gasentladungslampen
4 Übertragungsverhalten des Piezotransformators
5 piezoelektrische Transformator-Schaltung zur Zündung und zum Betrieb von Gasentladungslampen mit Last- und Zündkreis.
Der PT wird in seiner mechanischen Resonanzfrequenz mittels einer steuerbaren Wechselspannungsquelle angesteuert. Wegen Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von z. B. Last und Temperatur muss die Frequenz der speisenden Wechselspannung der Resonanzfrequenz des Piezotransformators nachgeführt werden.
Die Beschreibung des Schaltungsaufbaus beruht auf 5. Eine durch eine Regelungs- und Steuerelektronik 15 steuerbare Wechselspannungsquelle 5 ist mit der Eingangsklemme 7 eines Piezotransformators 6 verbunden. Die zweite Eingangsklemme des Piezotransformators 8 ist mit der steuerbaren Wechselspannungsquelle verbunden. Die Ausgangsklemmen 9 und 10 des Piezotransformators führen direkt auf die Klemmen 11 und 12 einer Gasentladungslampe 13. Ein Sensor 14 erfasst Betriebsparameter des Piezotransfromators für die Regelungs- und Steuerungseinrichtung.
Die Ausgangsspannung U_E der Wechselspannungquelle ist in ihrer Frequenz durch die Regelungs- und Steuerelektronik 15 variabel und regt den Piezotransformator in seiner mechanischen Resonanzfrequenz an. Infolgedessen wird die hochfrequente Eingangsspannung U_E durch den Piezotransformator, auf ein hohes Spannungsniveau U_A transformiert. Das Übersetzungsverhältnis U_A/U_E hängt dabei von der ausgangsseitigen Last ab. Insbesondere ergibt sich bei nicht-gezündeter Gasentladungslampe eine sehr hohe Lastimpedanz, die dazu führt, dass sich ein sehr hohes Übersetzungsverhältnis einstellt, das nur durch die Schwingseite und die Belastbarkeit des Piezotransformators bestimmt ist. Dadurch können – bei nicht-gezündeter Gasentladungslampe – die zum Zünden erforderlichen sehr hohen Spannungen erzeugt werden. Nachdem der Lichtbogen gezündet wurde, stellt sich eine kleine Lastimpedanz ein, so dass auch das Übersetzungsverhältnis des Piezotransformators kleiner ausfällt, und nur noch die zum Betrieb erforderliche niedrige Spannung an der Gasentladungslampe anliegt. Gleichzeitig wird die Frequenz der anregenden Wechselspannungquelle den neuen Betriebsbedingungen angepasst.
Die Beschreibung einer weiteren Schaltungsvariante beruht auf 6. Eine durch eine Regelungs- und Steuerelektronik 35 steuerbare Wechselspannungsquelle 16 ist mit der Eingangsklemme 18 eines Piezotransformators 17 verbunden. Die zweite Eingangsklemme des Piezotransformators 19 ist mit der steuerbaren Wechselspannungsquelle verbunden. Die Ausgangsklemme 20 des Piezotransformator führt auf die Klemme 24 eines Hochspannungstransformators 23. Klemmen 25 des Hochspannungstransformators und Klemme 31 einer Gasentladungslampe 33 sind miteinander verbunden, sowie die Klemmen 32 der Gasentladungslampe und Klemme 19 des Piezotransformators. Der Piezotransformator ist mit einem zweiten Ausgangsklemmenpaar (22,21) ausgestattet und dient zur Erzeugung eines Zündimpulses. Dafür erfolgt zunächst die Gleichrichtung (28) des Ausgangssignals des Piezotransformators. Der Kondensator 29 wird auf eine hohe Spannung aufgeladen. Beim Durchschlagen der Zündlampe 30, wird diese hohe Spannung auf die Klemmen 26 und 27 des Hochspannungstransformators 23 gelegt. Der Sensor 34 dient zur Erfassung aktueller Betriebsgrößen für die Regelungs- und Steuerungseinrichtung.
Die Ausgangsspannung U_E der Wechselspannungsquelle ist in ihrer Frequenz variabel und regt den Piezotransformator in seiner mechanischen Resonanzfrequenz angeregt. Infolgedessen wird die hochfrequente Eingangsspannung U_E durch den Piezotransformator, auf ein hohes Spannungsniveau U_A transformiert. Das Übersetzungsverhältnis U_A/U_E hängt dabei von der ausgangsseitigen Last ab.
Insbesondere ergibt sich bei nicht-gezündeter Gasentladungslampe eine sehr hohe Lastimpedanz, die dazu führt, dass sich ein sehr hohes Übersetzungsverhältnis einstellt, das nur durch die Schwingseite und die Belastbarkeit des Piezotransformators bestimmt ist. Dadurch können – bei nicht-gezündeter Gasentladungslampe – die zum Zünden erforderlichen sehr hohen Spannungen an den Klemmen 7 und 6 des Piezotransformators erzeugt werden. Nachdem der Lichtbogen gezündet wurde, stellt sich eine kleine Lastimpedanz ein, so dass auch das Übersetzungsverhältnis des Piezotransformators kleiner ausfällt, und nur noch die zum Betrieb erforderliche niedrige Spannung an den Klemmen 5 und 4 des Piezotransformators an der Gasentladungslampe anliegt (siehe Bild 4).
Bild 4 zeigt das Übertragungsverhalten des Piezotransformators für die beiden Fälle

– Gasentladungslampe gezündet B und
– Gasentladungslampe nicht-gezündet A.

1: Kondensator
2: Zündlampe
3: Hochspannungstransformator
4: Gasentladungslampe
5: Wechselspannungsquelle
6: Piezotransformator
7: Erste Eingangsklemme des Piezotransformators
8: zweite Eingangsklemme des Piezotransformators
9: Erste Ausgangsklemme des Piezotransformators
10: Zweite Ausgangsklemme des Piezotransformators
11: Erste Klemme Gasentladungslampe
12: Zweite Klemme Gasentladungslampe
13: Gasentladungslampe
14: Sensor
15: Steuerelektronik
16: Wechselspannungsquelle
17: Piezotransformators
18: Erste Eingangsklemme des Piezotransformators
19: Zweite Eingangsklemme des Piezotransformators
20: Erstes Ausgangsklemmenpaar des Piezotransformators
21: Zweite Ausgangsklemme des Piezotransformators
22: Zweite Ausgangsklemme des Piezotransformators
23: Hochschpannungstransformator
24: Klemme an Sekundärseite des Hochschpannungstransformators
25: Klemme an Sekundärseite des Hochschpannungstransformators
26: Klemme an Primärseite des Hochschpannungstransformator
27: Klemme an Primärseite des Hochschpannungstransformator
28: Gleichrichter
29: Kondensator
30: Zündlampe
31: Klemme Gasentladungslampe
32: Klemme Gasentladungslampe
33: Gasentladungslampe
34: Sensor

Claims

Anordnung und Verfahren zur elektrischen Energieversorgung von Gasentladungslampen dadurch gekennzeichnet, dass Zünd- und Lastspannung zum Zünden und Betrieb der Gasentladungslampe durch einen Piezotransformator bereitgestellt wird, dessen Ausgangsseite direkt mit der Gasentladungslampe verbunden ist.
Anordnung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsklemmen des Piezotransformators direkt mit einer regel- und steuerbaren Wechselspannungsquelle verbunden sind.
Anordnung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die regel- und steuerbare Wechselspannungsquelle auch als schaltendes leistungselektronisches Stellglied ausgeführt wird.
Anordnung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezotransformator zum Zünden der Gasentladungslampe in einer Resonanzfrequenz f₁ und einer von der Resonanzfrequenz f₁ abweichenden Resonanzfrequenz f₂ nach der Zündung der Gasentladungslampe betrieben wird.
Anordnung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Ausgangsspannung der Wechselspannungsquelle zur Speisung des Piezotransformators mit Hilfe einer Regel- und Steuerungseinrichtung der Resonanzfrequenz des Piezotransformators nachgeführt wird.
Anordnung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezotransformator und die Regel- und Steuereinrichtung eines schaltenden leistungselektronischen Stellglieds ZVS-Verhalten der Halbleiterventile im Lastbetrieb gewährleistet.
Anordnung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezotransformator auf der Ausgangsseite zum Zünden einer Gasentladungslampe einen Zündimpuls von 10.000-20.000 V erzeugt.
Anordnung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Ausgangsseite des Piezotransformator im Lastbetrieb, wenn die Gasentladungslampe gezündet hat, eine Wechselspannung von 80-200 V anliegt.
Anordnung und Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezotransformator über eine Eingangsseite und zwei Ausgangseiten verfügt, von denen eine den Lastkreis speist und die andere Ausgangsseite den Zündkreis.
Anordnung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass statt Schaltungselementen und Schaltungsgruppen wie z. B. Spannungsvervielfacherschaltungen oder elektromagnetische Zündtransformatoren zur Erzeugung des Zündimpulses ein Piezotransformator vorhanden ist.