DE19924095A1 - Schaltung zum Betreiben einer Wechselstrom-Hochdruckgasentladungslampe für ein Kraftfahrzeug - Google Patents
Schaltung zum Betreiben einer Wechselstrom-Hochdruckgasentladungslampe für ein KraftfahrzeugInfo
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Abstract
Beschrieben wird eine Schaltung zum Betreiben einer Wechselstrom-Hochdruckgasentladungslampe für ein Kraftfahrzeug, mit einem Steuergerät, einem Überlagerungszündgerät, einem symmetrischen Lampenfilter und einer Hochdruckgasentladungslampe, wobei das symmetrische Lampenfilter zwischen der Hochdruckgasentladungslampe und der Überlagerungszündung angeordnet ist, mit einer Filterkapazität parallel zur Hochdruckgasentladungslampe und je einer Drossel in den Zuführungsleitungen zu dieser Parallelschaltung, wobei die beiden Drosseln erfindungsgemäß als Spulen mit einem geschlossenen, weichmagnetischen, hochohmigen Ferritkern ausgebildet sind. DOLLAR A Das nichtlineare Filter hat nicht nur eine besonders gute Filtereigenschaft bezüglich Lampenstörungen, es reduziert sogar ursächlich ihre Entstehung. Da die Filterschaltung Wiederzündspitzen stark reduziert und damit die Beschädigungen der Lampenelektroden vermindert, wird überdies sogar ein gedimmter Betrieb einer Hochdruckgasentladungslampe möglich.
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Betreiben einer
Wechselstrom-Hochdruckgasentladungslampe für ein Kraftfahrzeug, mit einem
Steuergerät, einem Überlagerungszündgerät, einem symmetrischen Lampenfilter
und einer Hochdruckgasentladungslampe, wobei das symmetrische Lampenfilter
zwischen der Hochdruckgasentladungslampe und der Überlagerungszündung
angeordnet ist, mit einer Filterkapazität parallel zur Hochdruckgasentladungslampe
und je einer Drossel in den Zuführungsleitungen zu dieser Parallelschaltung.
Eine solche Schaltung kommt in Seriengeräten der Anmelderin seit 1996 zur
Anwendung.
Wechselstrom-Hochdruckgasentladungslampen wie sie im Kfz eingesetzt werden,
erzeugen ein breites EMI-Spektrum mit hoher Intensität im Frequenzbereich von
wenigen Megahertz bis in den Gigahertzbereich. Diese Störungen werden im
wesentlichen bei der Stromkommutierung erzeugt. Bei jeder Kommutierung verlischt
die Lampe kurz und wird mit ansteigender Spannung sofort wiedergezündet,
wodurch jedesmal ein energiereicher Störimpuls entsteht.
Üblicherweise werden diese Impulse entweder gefiltert oder sie werden abgeschirmt.
Die Abschirmung ist eine sehr teure Maßnahme. Die Filterung beeinflußt die
Zündbarkeit der Lampe; das Zündgerät muß mehr Energie pro Zündimpuls
erzeugen. Dies hat Auswirkung auf die Kosten und die Baugrösse des Zündgerätes
und indirekt auch auf das Vorschaltgerät, welches bei höherer Zündenergie auch
einen höheren Übernahmestrom liefern muß.
Bei der bekannten, von der Anmelderin bisher verwendeten Filterschaltung kommen
Stabkerndrosseln zur Anwendung, also Spulen mit konstanter Induktivität. Diese
Filterschaltung soll für die speziellen Anforderungen der Entstörung von
Hochdruckgasentladungslampen weiter verbessert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zu entwickeln, die
einerseits die Störimpulse der Lampe ursächlich reduziert und andererseits die
verbleibenden Störimpulse ausreichen filtert, wobei die Zündspannung während des
Zündens möglichst wenig reduziert werden soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die beiden Drosseln als
Spulen mit einem geschlossenen, weichmagnetischen, hochohmigen Ferritkern
ausgebildet sind.
Damit wird zur Entstörung der Lampe ein Filter eingesetzt, dessen
Filterinduktivitäten speziell während der Stromkommutierung und während der
Zündung extrem nichtlinear sind. Die Drosseln sind dabei vorteilhafterweise so
ausgelegt, daß ihre Induktivitäten während der Stromkommutierung im
Nulldurchgang des Stroms sehr groß und kurz davor, sowie während der Zündung
möglichst klein werden. Diese Induktivitäten sind Spulen mit geschlossenem,
weichmagnetischen Kern (ohne Luftspalt), welcher eine ausgeprägte
Hystereseschleife mit hoher Remanenz und hoher Koerzitivfeldstärke aufweist. Am
besten sind Ringkerne aus hochohmigem Ferritmaterial (z. B.: NiZn-Ferrite,
MnZn-Ferrite, MgZn-Ferrite) geeignet.
Ringkerndrosseln sind zwar als Entstörbauteile, vor allem für Thyristor- und
Triac-Schaltungen bekannt. Solche Drosseln weisen aber im allgemeinen Eisen-
oder niederohmige Ferritkerne auf, um möglichst hohe Induktivitätswerte oder hohe
Sättigungswerte zu erreichen. Damit kann zwar ein Entstörung bis zu den
Frequenzen des UKW-Rundfunkbereichs erzielt werden, eine gleichmäßige
Entstörung weit darüber hinausgehender Frequenzen, wie eingangs gefordert, ist
damit aber nicht erreichbar. Daher erwiesen sich die allgemein verwendeten
Ringkerndrosseln zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabenstellung als nicht
geeignet.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltung sind in den
Unteransprüchen genannt.
So ist für die Drosselkerne zwar prinzipiell jede geschlossene Bauform eines
Spulenkerns einsetzbar; aus Kostengründen (Herstellungs- und Wicklungskosten)
sind Ringkerne jedoch besonders vorteilhaft.
Zur hochspannungsfesten Ausbildung der Drosseln ist es vorteilhaft, erstens die
Drosselspulen einlagig zu wickeln und zweitens den Kern nicht entlang seines
ganzen Umfangs zu bewickeln, damit die Zuleitungen der Drossel nicht zu dicht
beieinanderliegen.
Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung
anhand der Zeichnung näher erläutert werden.
Die einzige Figur zeigt ein Steuergerät für eine Hochdruckgasentladungslampe,
sowie ein Zündgerät mit integriertem Lampenfilter.
Das Steuergerät steuert und versorgt sowohl die Hochdruckgasentladungslampe
(GDL) als auch den primären Zündkreis des Zündgerätes. Das Zündgerät ist als ein
Überlagerungszündgerät ausgeführt; hierzu ist die Sekundärwicklung des
Zündtransformators (K1) in eine der Lampenzuleitungen geschaltet. Das Zündgerät
weist zudem ein symmetrisches Lampenfilter auf, wobei das symmetrische
Lampenfilter zwischen der Hochdruckgasentladungslampe (GDL) und der
Überlagerungszündung angeordnet ist und eine Filterkapazität (C1) parallel zur
Hochdruckgasentladungslampe (GDL) und je eine Drossel (L1, L2) in den
Zuführungsleitungen zu dieser Parallelschaltung aufweist. Die beiden Drosseln (L1,
L2) bestehen aus Spulen, die auf jeweils einem geschlossenen, weichmagnetischen,
hochohmigen Kern mit ausgeprägter Hysteresekurve, und zwar vorzugsweise auf
Ringkerne aus hochohmigem Ferrit, gewickelt sind.
Die Drosseln (L1, L2) sind so ausgelegt, daß die maximale Summe der beiden
Induktivitäten die Größenordnung der Induktivität der sekundären Wicklung des
Zündtransformators (K1) erreicht (dies ist dann der Fall, wenn der Strom durch die
Induktivitäten gerade durch Null gegangen ist und die Hystereseschleife die
Koerzitivfeldstärke durchläuft) und die minimale Summe deutlich kleiner als die
Induktivität der sekundären Wicklung des Zündtransformators (K1) ist (dies ist der
Fall in der Zeit vor dem Beginn der Kommutierung und dem Nulldurchgang des
Stroms). Während der Zündung sind die Kerne der Drosseln (L1, L2) gesättigt und
die Induktivitäten verschwinden annähernd.
Die Kerne der Drosseln (L1, L2) weisen keinen Luftspalt auf (auch keinen verteilten
Luftspalt wie er bei Pulverkernen üblich ist). Stabkerndrosseln, die in solchen
Filterschaltungen üblicherweise eingesetzt werden, haben einen extremen Luftspalt
und sind daher sehr linear.
Das nichtlineare Filter hat nicht nur eine besonders gute Filtereigenschaft bezüglich
der Lampenstörungen, es reduziert sogar ursächlich ihre Entstehung.
Dieses konnte gezeigt werden, indem eine Hochdruckgasentladungslampe zunächst
ohne, danach mit, und anschließend nochmals ohne die erfindungsgemäße
Filteranordnung betrieben wurde. Die von der Hochdruckgasentladungslampe
ausgehenden Störungen wurden durch das Filter weitgehend reduziert.
Überraschenderweise zeigte die Hochdruckgasentladungslampe auch nach
Herausnahme des Filters aus der Schaltung zunächst nur sehr geringe Störungen,
wobei die Störimpulse aber nach einiger Zeit erneut, in der für eine Schaltung ohne
Filter üblichen Intensität auftraten.
Dieses deutet darauf hin, daß die erfindungsgemäß ausgebildete Filterschaltung
reversible Veränderungen an der Hochdruckgasentladungslampe (vermutlich an den
Elektroden) bewirkt, welche zu einer verringerten Abstrahlung von Störungen führen.
Die genauen physikalischen Hintergründe dieses überraschenden Effektes sind
bisher noch nicht bekannt.
Vorteilhafterweise ermöglicht die erfindungsgemäßen Filterschaltung darüber hinaus
sogar einen gedimmten Betrieb einer Hochdruckgasentladungslampe. Bei den
bisher verwendeten Schaltungen konnten
Wechselstrom-Hochdruckgasentladungslampen nur für kurze Zeit und nur wenig
gedimmt (unterhalb ihrer Nennleistung) betrieben werden, weil sie in diesem Betrieb
extrem altern.
Das Altern der Lampe hat zwei Gründe:
- 1. der Halogenkreislauf kommt wegen der niedrigen Temperatur im Lampenkolben zum erliegen und das Elektrodenmaterial setzt sich nach dem Verdampfen am Innenkolben ab,
- 2. beim Kommutieren des Lampenstroms reißt dieser für längere Zeit (mehrere Mikrosekunden) ab; die daraus resultierenden Wiederzündspitzen im Lampenspannungsverlauf zerstören sehr schnell die Elektroden (teilweise schon innerhalb weniger Stunden).
Im Kraftfahrzeugen ist es jedoch wünschenswert, bei sehr hohen
Umgebungstemperaturen die Lampenbetriebsleistung zu reduzieren, um das
Steuergerät vor Überhitzung und damit vor Zerstörung zu bewahren. Eine weitere
wünschenswerte Anwendung von gedimmten Hochdruckgasentladungslampen ist
das gedimmte Tagfahrlicht.
Die erfindungsgemäße Filterschaltung reduziert, auch bei gedimmter Lampe die
Wiederzündspitzen bei der Stromkommutierung auf ein so geringes Maß, daß die
Elektroden kaum noch geschädigt werden.
Die Ergebnisse aus Lampenlebensdaueruntersuchungen mit Ringkerndrosseln als
Entstörelement zeigen, daß eine Hochdruckgasentladungslampe im gedimmten
Betrieb sogar geringer altert als im normalem Betrieb ohne Ringkerndrossel.
Dadurch wird der Einsatz von Hochdruckgasentladungslampen nun auch für
gedimmtes Tagfahrlicht geeignet.
C1 Filterkapazität
GDL (Wechselstrom-)Hochdruckgasentladungslampe
K1 Zündtransformator
L1, L2 Drosseln
GDL (Wechselstrom-)Hochdruckgasentladungslampe
K1 Zündtransformator
L1, L2 Drosseln
Claims (4)
1. Schaltung zum Betreiben einer
Wechselstrom-Hochdruckgasentladungslampe (GDL) für ein Kraftfahrzeug,
mit einem Steuergerät, einem Überlagerungszündgerät, einem symmetrischen
Lampenfilter und einer Hochdruckgasentladungslampe (GDL), wobei das
symmetrische Lampenfilter zwischen der Hochdruckgasentladungslampe
(GDL) und der Überlagerungszündung angeordnet ist, mit einer
Filterkapazität (C1) parallel zur Hochdruckgasentladungslampe (GDL) und je
einer Drossel (L1, L2) in den Zuführungsleitungen zu dieser
Parallelschaltung,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Drosseln (L1, L2) als Spulen mit einem geschlossenen,
weichmagnetischen, hochohmigen Ferritkern ausgebildet sind.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ferritkerne als
Ringkerne ausgeführt sind.
3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen
einlagig gewickelt sind.
4. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen über
einen Winkel von maximal 270° bewickelt sind.
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