DE2812623C2 - Zündgerät für eine Hochdruckentladungslampe - Google Patents

Zündgerät für eine Hochdruckentladungslampe

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Zündgerät für eine mit hochfrequenter Wechselspannung im Bereich 1 bis 100 kHz betriebene Hochdruckentladungslampe, das eingangsseitig eine die Spannung erhöhende Schaltungsvorrichtung aufweist und bei dem einem über diese Schaltungsvorrichtung aufladbaren Stoßkondensator die Primärwicklung eines ausgangsseitig angeordneten Impulstransformators mit in Reihe liegender Schaltfunkenstrecke parallelgeschaltet ist.
  • Derartige Zündgeräte werden bisher im wesentlichen bei mit 50 oder 60 Hz-Wechselstrom oder mit Gleichstrom betriebenen Hochdruckentladungslampen verwendet. Als spannungserhöhende Schaltungsvorrichtung ist eingangsseitig ein Hochspannungstransformator vorgesehen. An diesen schließt sich ein Schwingkreis an, bestehend aus dem Stoßkondensator, der Schaltfunkenstrecke und der Primärwicklung des Impulstransformators, über den hochfrequente Hochspannungsimpulse abgegeben werden. Am Impulstransformator erfolgt eine weitere Aufwärtstransformation der Hochspannungsimpulse, die dann an die Lampe gehen und deren Zündung bewirken. Diese Zündgeräte werden üblicherweise mit 50 Hz-Wechselstrom betrieben (DE-PS 9 47 993, DE-PS 10 42 117, DE-PS 10 54 172, DE-PS 11 50 758) und weisen einen relativ großen Netztransformator auf. Nach der DE-PS 9 47 993 kann das Zündgerät, das zum Zünden einer mit 50 Hz-Wechselstrom betriebenen Hochdruckentladungslampe bestimmt ist, an dieselbe Versorgungsquelle angeschlossen sein wie die Lampe. Es sollen allerdings hiermit keine besonderen Vorteile erreicht werden, außer daß ein gemeinsamer Versorgungsanschluß vorhanden ist. Auch bei mit Gleichstrom betriebenen Hochdruckentladungslampen ist es bekannt, daß das Zündgerät und die Lampe von derselben Spannungsquelle - also mit Gleichspannung - gespeist werden (DE-PS 11 84 010, DE-PS 11 93 601). Bei der DE-PS 11 84 010 ist dem Eingangstransformator eine auf die Entladung eines Kondensators ansprechende Vierschichtdiode vorgeschaltet. Hierbei muß ein Kondensator relativ großer Kapazität verwendet werden. Auch die Vierschichtdiode muß entsprechend für einen hohen Stoßstrom ausgelegt sein. Von einem solchen Zündgerät wird nur eine geringe Funkenzahl abgegeben, was für die Zündung von gleichstrombetriebenen Lampen ausreichend ist, da Synchronisationsprobleme nicht bestehen. In der DE-PS 11 93 601 dagegen ist dem vor dem Hochfrequenzschwingkreis liegenden Transformator ein Transistor-Sperrschwinger (als Gleichstrom- Wechselstromwandler) vorgeschaltet. Bei dieser Schaltungsanordnung wird pro Periode des Sperrschwingers ein Funke erzeugt, wodurch das Vorhandensein eines Kurzzeitschalters notwendig ist. Es bestehen - da Gleichstrombetrieb der Lampe vorliegt - jedoch keine Probleme hinsichtlich einer Synchronisation der Funken mit der Lampenversorgungsspannung.
  • Nach der DE-PS 8 53 318 ist auch eine Schaltungsanordnung für eine Hoch- und Höchstdrucklampe bekannt, bei der die Lampe an üblicher Netzfrequenz von 50 Hz oder an einem Gleichstromnetz betrieben wird und der Eingang des Zündgerätes einen Hochspannungstransformator aufweist, der eine Tonfrequenz von 100 bis 3000 Hz liefert. Der Anschluß des Zündgerätes erfolgt ebenfalls am Netz, wobei die Netzanschlüsse des Zündgerätes und die der Lampe durch einen Kondensator voneinander getrennt sind.
  • Zum Zünden von mit Hochfrequenz betriebenen Hochdruckentladungslampen werden bisher die Zündgeräte an 50 Hz-Wechselspannungsversorgung angeschlossen. Um zu erreichen, daß ein Teil der an der Schaltfunkenstrecke erzeugten Funken (-entladungen) bei hohen Augenblickswerten der hochfrequenten Lampenversorgungsspannung auftreten, müssen diese Zündgeräte mit sehr hoher Funkenzahl pro 50 Hz-Netzhalbwelle arbeiten. Es sind etwa 50 bis 100 Funken pro Halbwelle nötig, so daß das Zündgerät 5000 bis 10 000 Funken/s abgeben muß. Derartig hochbelastete Zündgeräte weisen, bedingt durch einen notwendigerweise zu verwendenden dicken Wicklungsdraht, einen groß dimensionierten Netztransformator auf. Auch die Funkenstrecke für ein solches Zündgerät muß, da die Wärmeentwicklung an ihren Elektroden relativ hoch ist, entsprechend großvolumig sein. Das Zündgerät ist also insgesamt recht groß und daher sehr unhandlich. Eine solche Zündgeräteschaltung ist für den Anschluß an eine 20 kHz-Versorgungsquelle nicht mehr geeignet. Es wären zum sicheren Ansprechen der Funkenstrecke unter Berücksichtigung möglicher Netzspannungsschwankungen - ca. 3 Funken je Halbwelle erforderlich, was 1 20 000 Funken/s bedeuten würde. Eine derartig hohe Funkenzahl aber ist von den Schaltungselementen, die in ihrer Dimensionierung möglichst klein bleiben sollen, nicht mehr zu verkraften.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Zündgerät für eine mit hochfrequenter Wechselspannung betriebene Hochdruckentladungslampe zu schaffen, das eine schnelle und sichere Zündung ermöglicht. Insbesondere interessiert der Einsatz für einen Lampenbetrieb im Tonfrequenzbereich von 16-30 kHz. Dabei soll das Zündgerät eine möglichst kleine Dimensionierung aufweisen.
  • Diese Aufgabe wird bei einem Zündgerät mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen dadurch gelöst, daß die Eingangsseite des Zündgerätes an die hochfrequente Wechselspannung angeschlossen ist und Schaltmittel vorgesehen sind, die den Aufladestrom des Stoßkondensators so begrenzen, daß jeweils erst nach mehreren Perioden der Hochfrequenzspannung die Ansprechspannung der Schaltfunkenstrecke erreicht wird. Hierdurch sind die vom Zündgerät abgegebenen Hochspannungsimpulse mit der Lampenversorgungsspannung synchronisiert. Durch diese schaltungstechnische Maßnahme wird bewirkt, daß von der Schaltfunkenstrecke innerhalb mehrerer Perioden der hochfrequenten Wechselspannung jeweils nur ein Funke erzeugt wird, wobei trotzdem gute Zündsicherheit gewährleistet ist. Die weitere Ausgestaltung des Zündgerätes ergibt sich aus den Unteransprüchen. Insbesondere hat sich der Einsatz bei einem Lampenbetrieb im Tonfrequenz-Bereich von 16 bis 30 kHz als vorteilhaft erwiesen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß ein in der Bauweise kompaktes Zündgerät erreicht wird.
  • Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren erläutert, in denen vorteilhafte Ausführungsbeispiele für eine Zündgeräteschaltung wiedergegeben sind.
  • Fig. 1 Zündgerät mit asymmetrischer Spannungsverdoppler-Schaltung
  • Fig. 2 Zündgerät mit symmetrischer Spannungsverdoppler-Schaltung
  • Fig. 3 Zündgerät mit einfacher Diode
  • Fig. 4 Zündgerät mit Spannungsvervielfacher(Kaskaden-)Schaltung
  • Wie bereits erwähnt, ist der Betrieb von Lampen mit Tonfrequenz im Bereich 16 bis 30 kHz von besonderem Interesse. Bei den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 bis 4 erfolgt der Lampenbetrieb mit einem 20 kHz- Versorgungsgerät 1. Dieses enthält auch die Vorschaltelemente - wie z.B. eine Drossel. Die Hochdruckentladungslampe 2 kann z.B. eine Halogen-Metalldampflampe sein, bei der zum Zünden eine relativ hohe Funkenfolge erforderlich ist. Der maximal zulässige Abstand zwischen zwei Funken beträgt z.B. 100 µs. Bei einem 20 kHz-Betrieb mit einer Halbwellenbreite von 25 µs müßte deshalb in jeder 4. Halbwelle ein Impuls erzeugt werden, der nach Möglichkeit im Bereich des Scheitelwertes der Versorgungsspannung auftreten sollte. Dies wird bei einem erfindungsgemäßen Zündgerät erreicht. Die Zündgeräte nach den Figuren 1 bis 4 sind jeweils über die Eingangsleistungen 3, 4 an dem 20 kHz-Versorgungsgerät 1 angeschlossen, werden also mit 20 kHz gespeist. Hierdurch sind die über den Hochfrequenz-Schwingkreis der Zündgeräte abgegebenen Hochspannungsimpulse mit der Lampenversorgungsspannung synchronisiert.
  • Am günstigsten für einen Zündgerätebetrieb hat sich die Schaltung nach Fig. 1 erwiesen. Das Zündgerät weist einen äußerst kleinen Eingangstransformator 5 auf. Dieser ist als Trenntransformator ausgeführt, mit der Primärwicklung 6 und der Sekundärwicklung 7. An den Transformator 5 schließt sich eine asymmetrische Spannungsverdoppler-Schaltung an, bestehend aus den Gleichrichterdioden 8, 9, dem Kondensator 10, dem Widerstand 11 und dem Stoßkondensator 12. Während der negativen Halbwelle wird über die Gleichrichterdiode 8 der Kondensator 10 aufgeladen. In der positiven Halbwelle liegt die Ladespannung des Kondensators 10 mit der Transformator-Spannung in Reihe und es wird - unter Umladung des Kondensators 10 - über die Gleichrichterdiode 9 der Stoßkondensator 12 aufgeladen. Die Aufladung des Stoßkondensators 12 erfolgt über mehrere Halbwellen. Ist die Ansprechspannung der Schaltfunkenstrecke 13 erreicht, kommt es zur Entladung des Stoßkondensators 12, der mit der Primärwicklung 14 des Impulstransformators 15 einen Hochfrequenzschwingkreis bildet. Die von diesem Schwingkreis abgegebenen Hochspannungsimpulse, die eine weitere Aufwärtstransformation erfahren, werden über die Sekundärwicklung 16 an die Hochdruckentladungslampe 2 gelegt. Bei dieser Schaltung reicht der Kondensator 10 als Funkenzahl bestimmender Widerstand aus, durch ihn entstehen keine großen Verluste. Die Kapazität des Kondensators 10 ist frei wählbar. Die Kapazität des Kondensators 12 ist dagegen durch die Frequenz der Primärseite des Stoßkreises festgelegt. Der Dämpfungswiderstand 11 wirkt ebenfalls funkenzahlbestimmend und zusätzlich als Schutzwiderstand: der Widerstand 11, der auch auf zwei Widerstände aufgeteilt sein kann, verhindert ein Weiterbrennen der Funkenstrecke 13 nach der Entladung des Stoßkondensators 12, er wirkt als Löschwiderstand. Die Verluste durch diesen Widerstand bleiben klein, so daß ein 20 kHz-Betriebsgerät durch das Zündgerät nicht hoch belastet wird und das Gerät auch lampenparallel geschaltet werden kann.
  • In Fig. 2 schließt sich an den Eingangstransformator 5 eine symmetrische Verdoppler-Schaltung an. Diese weist den Widerstand 17, die Gleichrichterdioden 18, 19 und die Kondensatoren 20, 21 auf. In der negativen Halbwelle wird der Kondensator 20 über die Gleichrichterdiode 18 aufgeladen, in der positiven Halbwelle wird über die Gleichrichterdiode 19 der Kondensator 21 aufgeladen. Die beiden in Reihe liegenden Kondensatoren 20, 21 bilden den Stoßkondensator (die Entladung des Stoßkondensators erfolgt wie bei der in Fig. 1 beschriebenen Schaltungsanordnung). Bei der symmetrischen Verdoppler-Schaltung wird die Funkenzahl durch den Widerstand 17 bestimmt. Die Kapazitäten der Kondensatoren 20 und 21 sind durch den Sollwert der Stoßkapazität festgelegt. Es läßt sich auch ein Stoßkondensator 22 vorsehen, der der Verdoppler- Schaltung über einen Ladewiderstand 23 nachgeschaltet ist (gestrichelte Linien). In diesem Fall sind die Kapazitäten der Kondensatoren 20, 21 frei wählbar, da jetzt die Kapazität 22 auf die Frequenz des Schwingkreises abgestimmt sein muß. Der Widerstand 23 dient hier wiederum als Schutzwiderstand, der ein Weiterbrennen der Funkenstrecke verhindert.
  • Verdoppler-Schaltungen sind sowohl bei geringeren als auch bei größeren Funkenzahlen vorteilhaft. Sie ermöglichen die Verwendung leichter und kleiner Eingangstransformatoren mit einer nur etwa halb so großen Leerlaufspannung.
  • Bei der Schaltung nach Fig. 3 ist gegenüber den Zündgeräten mit Verdoppler-Schaltung (Fig. 1 und 2) ein größerer Eingangstransformator 24 - dieser ist als Trenntransformator ausgeführt und weist die Primärwicklung 25 und die Sekundärwicklung 26 auf - notwendig. Die Verminderung der Funkenzahl wird mit Hilfe einer Diode 27 und eines Ladewiderstandes 28 erreicht. Der Stoßkondensator 29 ist erst nach mehreren Halbwellen aufgeladen, so daß ein Zündimpuls in jeder n-ten positiven (oder negativen) Halbwelle auftritt. Übrigens ist nach Fig. 3 der Anschluß des Zündgerätes lampenparallel vorgenommen. Das 20 kHz-Versorgungsgerät 1 wird am 50 Hz-Wechselstromnetz gespeist.
  • Eine transformatorlose Schaltung ist bei einem erfindungsgemäßen Zündgerät ebenfalls möglich. In Fig. 4 ist eine Zündgeräteschaltung wiedergegeben, die eine sogenannte Kaskadenschaltung 30 ( Spannungsvervielfacher-Schaltung) enthält. Jede Kaskadenstufe besteht aus zwei Kondensatoren 31, 32 und den Gleichrichterdioden 33, 34. Eine einzelne Kaskadenstufe entspricht demnach der asymmetrischen Spannungsverdoppler-Schaltung. Am Ausgang 35, 36 der Kaskadenschaltung 30 wird eine gegenüber dem Eingang 35, 37 um ein n-faches höhere Spannung erzeugt. Bei der vorliegenden Schaltung wird etwa ein 11facher Scheitelwert erreicht. Um die Kapazitäten der Kaskadenschaltung 30 frei wählen zu können, ist ein separater Stoßkondensator 38 vorgesehen, der über den Widerstand 39 aufgeladen wird. Nach Erreichen der Ansprechspannung der Schaltfunkenstrecke 40 erfolgt eine Entladung des Stoßkondensators 38 wie sie anhand der Fig. 1 beschrieben wurde. Der Impulstransformator 41 ist bei dieser Schaltung als Trenntransformator ausgeführt und weist die Primärwicklung 42 und die Sekundärwicklung 43 auf.
  • Bei höheren Betriebsfrequenzen ist eine kleine Kapazität des Hochfrequenz-Rückschlußkondensators 44 wünschenswert, um den Strom über diesen Kondensator klein halten zu können (gilt für die Fig. 1 bis 4). Wegen der Halbleiter-Bauelemente des Betriebsgerätes mit Tonfrequenz-Schaltnetzteilen ist andererseits eine geringe Hochfrequenz-Spannung erforderlich, was große Kapazitäten wünschenswert macht. Um die Kapazitäten klein halten zu können, wird parallel zu einem noch zulässigen Hochfrequenzrückschlußkondensator 44 ein spannungsabhängiger Widerstand 45 geschaltet, der bei hochfrequenten Spannungen oberhalb der Lampenversorgungsspannung niederohmig wird und die Einstreuung hochfrequenter Impulse in das Schaltnetzteil verhindert.
  • Um eine Überlastung der Bauteile des Zündgerätes zu vermeiden, soll das Gerät mit einem Kurzzeitschalter versehen werden. Dieser Kurzzeitschalter erlaubt auch den lampenparallelen Anschluß des Zündgerätes ( Verbindung der Anschlüsse A&min; und B&min; und A&min;&min; mit B&min;&min;) ohne Taster 48, da sich das Zündgerät automatisch abschaltet, wenn die Lampe nicht in einer vorgegebenen Zeit zündet. Der Kurzzeitschalter wird durch eine Kombination eines Kaltleiters mit einem Heißleiter verwirklicht (Fig. 1 und 2). Der Kaltleiter 46 wird in Reihe zur Primärwicklung 6 des Zündgeräte-Eingangstransformators 5 geschaltet, er erhöht seinen Widerstand in einer gewünschten Zeit so, daß sich die Spannung an der Primärwicklung 6 und damit auch an der Sekundärwicklung 7 auf Werte unterhalb der Ansprechspannung der Funkenstrecke 13 (bzw. 40) vermindert. Die Wirkung des Kaltleiters 46 wird durch den Heißleiter 47 verstärkt; dieser Heißleiter ist parallel zur Primärwicklung 6 des Transformators 5 geschaltet. Statt eines solchen automatischen Kurzzeitschalters kann auch ein Taster 48 vorgesehen sein (Fig. 3 und 4), über den das Zündgerät nur kurzzeitig in Betrieb gebracht wird. Ein solcher Taster 48 läßt sich aber auch zusätzlich zu der temperaturabhängigen Widerstandsanordnung 46, 47 anbringen (Fig. 1 und 2).
  • Durch das erfindungsgemäße Zündgerät wird eine schnelle und sichere Zündung von mit 20 kHz betriebenen Hochdruckentladungslampen erreicht. Die vom Zündgerät abgegebenen Hochspannungsimpulse sind mit der Lampenversorgungsspannung synchronisiert. Jeweils auf mehrere Perioden der Lampenversorgungsspannung wird ein Zündimpuls abgegeben in definierter Lage zum Scheitelwert der Versorgungsspannung. Die bei dem Zündgerät Verwendung findenden elektrischen Bauteile sind relativ klein und leicht, so daß ein handliches Zündgerät vorliegt, das wenig Raum einnimmt und einfach zu transportieren ist. Das Zündgerät läßt sich auch bei Lampenversorgungsgeräten einsetzen, die einen Hochfrequenzzwischenkreis aufweisen.

Claims (19)

1. Zündgerät für eine mit hochfrequenter Wechselspannung im Bereich 1 bis 100 kHz betriebene Hochdruckentladungslampe (2), das eingangsseitig eine die Spannung erhöhende Schaltungsvorrichtung (5, 24, 30) aufweist und bei dem einem über diese Schaltungsvorrichtung aufladbaren Stoßkondensator (12; 20, 21; 29; 38) die mit einer Schaltfunkenstrecke (13, 40) in Reihe liegende Primärwicklung eines ausgangsseitig angeordneten Impulstransformators (15, 41) parallelgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsseite des Zündgerätes an die hochfrequente Wechselspannung angeschlossen ist und Schaltmittel vorgesehen sind, die den Aufladestrom des Stoßkondensators (12; 20, 21; 29; 38) so begrenzen, daß jeweils erst nach mehreren Perioden der Hochfrequenzspannung die Ansprechspannung der Schaltfunkenstrecke (13, 40) erreicht wird.
2. Zündgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel zur Begrenzung des Aufladestroms des Stoßkondensators (12; 20, 21; 29; 38) einen Ladewiderstand (10; 17; 28; 39) und wenigstens eine Diode (8, 9; 18, 19; 27; 33, 34) umfassen.
3. Zündgerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eingangsseitig angeordnete, spannungserhöhende Schaltungsvorrichtung ein Hochfrequenz- Transformator (5) ist, der mit der Primärwicklung an den Hochfrequenzteil des Betriebsgerätes (1) der Lampe (2) angeschlossen ist.
4. Zündgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenz-Transformator (5) als Trenntransformator ausgeführt ist.
5. Zündgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an der Sekundärwicklung des eingangsseitig angeordneten Hochfrequenz-Transformators (5) eine Spannungsvervielfacher-Schaltung angeschlossen ist.
6. Zündgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsvervielfacher-Schaltung als Verdoppler-Schaltung (8, 9, 10, 11, 12; 17, 18, 19, 20, 21) ausgeführt ist.
7. Zündgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsverdoppler-Schaltung als asymmetrische Schaltung aufgebaut ist.
8. Zündgerät nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoßkondensator (12; 20, 21) Teil der Spannungsvervielfacher- oder Verdoppler- Schaltung ist.
9. Zündgerät nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoßkondensator (22) über den Ladewiderstand (23) der Spannungsvervielfacher- oder Verdoppler-Schaltung nachgeschaltet ist.
10. Zündgerät nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärwicklung des eingangsseitig angeordneten Hochfrequenz-Transformators (24) der Stoßkondensator (29) in Reihe mit einer Gleichrichterdiode (27) und dem Ladewiderstand (28) direkt parallelgeschaltet ist.
11. Zündgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eingangsseitig angeordnete, spannungserhöhende Schaltungsvorrichtung als Spannungsvervielfacher-Schaltung (30) ausgebildet ist.
12. Zündgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoßkondensator (38) über den Ladewiderstand (39) der Spannungsvervielfacher-Schaltung nachgeschaltet ist.
13. Zündgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoßkondensator aus Kondensatoren der Spannungsvervielfacher-Schaltung gebildet ist.
14. Zündgerät nach Anspruch 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgangsseitig angeordnete Impulstransformator (41) als Trenntransformator ausgeführt ist.
15. Zündgerät nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsseite des Zündgeräts eine Schaltvorrichtung aufweist, die derart ausgebildet ist, daß durch sie das Zündgerät bei nichtzündender Lampe in einer vorgegebenen Zeit abschaltbar ist.
16. Zündgerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung aus einem PTC-Widerstand (46) besteht, der in eine der Zuleitungen (4) des Zündgerätes gelegt ist.
17. Zündgerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein die beiden Zuleitungen (3, 4) des Zündgerätes - nach dem PTC-Widerstand (46) - überbrückender NTC-Widerstand (47) vorgesehen ist.
18. Zündgerät nach Anspruch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der parallel zum Betriebsgerät (1) der Lampe liegende Hochfrequenz-Rückschlußkondensator (44) von einem für Hochfrequenz geeigneten VDR-Widerstand (45) überbrückt ist.
19. Zündgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß des Zündgerätes an einem im Bereich 16 bis 30 kHz arbeitenden Hochfrequenzteil vorgenommen ist.
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