DE3625499A1 - Zuendgeraet fuer netzunabhaengig versorgte hochdruck-entladungslampen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Hochspannungs-Zündgerät für die kalte wie auch die betriebswarme Sofortwiederzündung von vor­ zugsweise wechselstromgespeisten Hochdruck-Entladungslampen; die allerdings nicht wie gewöhnlich aus einem entsprechenden Wechselspannungsnetz, sondern hiervon unabhängig aus einer Batterie oder einer sonstigen Gleichspannungsquelle (wie z. B. einem Fahrzeugbordnetz) unter Verwendung eines geeigneten Umformer-Betriebsgerätes (wie etwa der eigenen Patentanmel­ dung P 34 45 817.4) versorgt werden.

Hochdruck-Entladungslampen sind im allgemeinen - mit Aus­ nahme einiger Sondertypen für Spezialanwendungen, wie z. B. Xenonlampen, - für den Betrieb an Netzwechselspannung (meist 220 V 50 Hz) konzipiert. Neben dem obligatorischen Vorschalt­ gerät benötigen viele von ihnen darüber hinaus ein Zündgerät, welches beim Einschalten die Lampe kurzzeitig mit Hochspan­ nungsimpulsen beaufschlagt und damit die Bogenentladung ein­ leitet. Dabei muß man unterscheiden zwischen der Zündung im kalten Zustand und der betriebswarmen Heißwiederzündung. Im ersteren Fall genügen Spannungsimpulse von ca. 1,5-4,5 kV_s, um die Lampen sicher zu starten. Wesentlich kritischer verhält es sich dagegen im heißen Zustand, wenn im Brenner ein hoher Dampfdruck herrscht und die Lampen nach einer mehr oder weniger kurzen Unterbrechung erneut gezündet werden sol­ len. In diesem Falle sind Stoßspannungen von - je nach Type - 20 bis 50 kV_s erforderlich. Diese hohen Spannungen erfordern ein besonders ausgelegtes Heißwiederzündgerät; außerdem sind aufgrund der Sockelkonstruktion nur bestimmte Lampentypen für dieses Verfahren geeignet. Andernfalls müssen Abkühlzeiten von bis zu 20 Minuten in Kauf genommen werden, um mit normalen Standardzündgeräten die Lampen wieder in Betrieb setzen zu können.

Netzgespeiste Zündgeräte für beide Fälle gibt es schon seit längerem und gehören zum Stand der Technik (Beispiele: DE-PS 10 54 172, DE-OS 27 44 049, DE-OS 29 04 001, DE-OS 31 08 547). Sie arbeiten zumeist im sogenannten Überlagerungsverfahren nach dem bekannten Prinzip des Tesla-Transformators: Eine durch die Netzwechselspannung aufgeladene Kapazität wird mit Hilfe eines geeigneten Schaltelementes (Löschfunkenstrecke), Halb­ leiterschalter) periodisch über die Primärwicklung des Über­ lagerungstrafos entladen. Hierbei bildet sich ein hochfre­ quenter Resonanzkreis aus; die entstehenden HF-Schwingungen werden in der Sekundärspule des Tesla-Trafos hochtransformiert und stehen als Zündspannung für die Lampe zur Verfügung.

Während bei den gewöhnlichen Standardzündgeräten als Stoßspan­ nung für den erwähnten Kondensator die Lampenleerlaufspannung (d. h. im allgemeinen die Netzspannung) ausreicht, muß bei den Geräten für sofortige Heißwiederzündung wegen des sehr hohen Übersetzungsverhältnisses in aller Regel auch bereits der Stoßkreis mit Hochspannung gespeist werden; diese wird übli­ cherweise aus der zur Verfügung stehenden Netzspannung mit Hilfe eines Transformators erzeugt.

Darüber hinaus sind Zündgeräte bekannt, die für die Zündung gleichstromgespeister Hochdruckentladungslampen (Xenonlampen, Quecksilberdampf-Höchstdrucklampen) konstruiert und daher ebenfalls für Gleichstromversorgung ausgelegt sind (DE-PS 11 84 010, DE-PS 11 93 601). Diesen Geräten ist jedoch gemeinsam, daß sie bauartbedingt nur eine verhältnismäßig geringe Impuls­ zahl bzw. Zündenergie abgeben können. Für ihren vorgesehenen Anwendungszweck, nämlich der Zündung gleichstrombetriebener Xenonlampen u. ä. ist dies in keiner Weise nachteilig, da diese in ihrem Zündverhalten prinzipiell wesentlich unkritischer sind als wechselstromgespeiste Hochdruck-Entladungslampen wie z. B. Halogen-Metalldampflampen.

Weiterhin gibt es Zündverfahren, wie etwa in der DE-OS 28 12 623 beschrieben, die für die Zündung von Hochdrucklampen geeignet sind, welche mit Hochfrequenzströmen betrieben werden, wie sie z. B. von elektronischen Vorschaltgeräten geliefert werden, und die demzufolge ebenfalls aus einer solchen hochfrequenten Stromquelle gespeist werden. Diese HF-Eingangsspannung wird hierbei hochtransformiert und gleichgerichtet bzw. mit Hilfe eines Kaskadenvervielfachers auf die erforderliche Stoßspan­ nungshöhe gebracht und speist dann in bekannter Weise den nach dem Teslaprinzip arbeitenden Zündimpulsgenerator.

Keines dieser Zündeinrichtungen ist jedoch ohne weiteres geeignet, Hochdruck-Entladungslampen wie z. B. Halogen-Metall­ dampflampen oder Natriumdampf-Hochdrucklampen im betriebswar­ men Zustand sicher zu zünden, welche wie vorgesehen mit netz­ frequenten Wechselstrom über ein entsprechendes Umformergerät aus einer Batterie oder einer anderen Gleichspannungsquelle (z. B. Fahrzeugbordnetz) gespeist werden.

In diesem Fall formt ein Umformer (Wechselrichter) die viel­ fach niedrige Eingangsgleichspannung, beispielsweise 12 oder 24 Volt, in die für den Entladungslampenbetrieb benötigte, zumeist weitaus höhere Wechselspannung um. Wegen der bekannten Entladungslampencharakteristik darf dieses Versorgungsgerät dabei keine starre Ausgangsspannung liefern, sondern muß sich vielmehr in seiner U-I-Kennlinie dem Brennverhalten der Lampe selbsttätig anpassen; was einen deutlich ausgeprägten, mehr oder minder großen Innenwiderstand voraussetzt.

Was nun die Zündung anbetrifft, so hat sich gezeigt, daß sich gewöhnliche (Kalt-) Zündgeräte für ca. 1,5-4,5 kV_s Stoßspannung, die beim Netzbetrieb üblicherweise hinter dem Vorschaltgerät angeschlossen werden, problemlos auch an solch einem Wechselrichtergerät funktionieren. Sie benötigen nur wenig Energie und belasten daher dessen Leerlaufspannung - ähnlich wie im Netzbetrieb auch die des Vorschaltgerätes - nur in ganz geringfügigem Maße.

Wird demgegenüber jedoch die sofortige Heißwiederzünd­ bereitschaft der Lampe gefordert, wie dies z. B. für den Einsatz einer mobilen Beleuchtungsanlage bei Notfall- und Rettungseinsätzen der Fall sein kann, so hat sich herausge­ stellt, daß die bisher für Heißwiederzündung zur Verfügung stehenden Zündgeräte hierfür nicht brauchbar sind.

Diese benötigen aufgrund der hierbei vorliegenden schwierigen Zündbedingungen (wechselstromgespeiste Hochdruck-Entladungs­ lampen benötigen für die heiße Sofortwiederzündung Stoßspan­ nungen von ca. 20-60 kV_s bei hohen Funkenzahlen; etwa 1000 bis 4000 Ipulse pro Sekunde) derartig viel Leistung, daß sie zur Versorgung des Impulsgenerators einen separaten Netzan­ schluß benötigen.

Ein Anschluß an die Ausgangsklemmen des Lampenwechselrichters kommt ebensowenig in Frage wie beim Netzbetrieb ein lampen­ paralleler Anschluß, da in beiden Fällen die Leerlaufspannung aufgrund der notwendigen Lampenstrombegrenzung durch die hohe Belastung des Zündgerätes zusammenbrechen würde; eine Zündung könnte somit nicht mehr stattfinden.

Dieses Problem wurde nun durch die vorliegende Erfindung dahingehend gelöst, daß ein spezielles Zündgerät entwickelt wurde, welches die benötigte Hochspannungsenergie für den entsprechend dem vorgesehenen Anwendungszweck geforderten, genügend leistungsfähigen Impulsgenerator direkt aus der zur Verfügung stehenden Gleichspannungsquelle erzeugt.

Damit ist es nunmehr möglich geworden, Hochdruckentladungs­ lampen, die anstelle von einem stationären Wechselstromnetz aus einer Batterie oder einer sonstigen netzunabhängigen Gleichspannungsquelle gespeist werden, auch mit einer sofor­ tigen Heißwiederzündmöglichkeit auszustatten. Die ansonsten notwendige, z. T. recht lange Abkühlzeit bis zur normalen Wiederstartbereitschaft nach Stromunterbrechungen entfällt damit; woraus sich für manche Anwendungsgebiete von mobilen Flutlichtsystemen sowie Notbeleuchtungsanlagen beachtliche Vorteile ergeben.

In weiterer Ausgestaltung beinhaltet das erfindungsgemäße Zündgerät noch einen durch die Versorgungsgleichspannung ge­ speisten elektronischen Kurzzeitschalter, der das Gerät nach kurzer Betriebszeit, wenn entweder die Lampe gezündet hat oder aus irgendwelchen Gründen (z. B. Defekt, Kabelbruch) keine Zündung stattfinden konnte, wieder abschaltet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungs­ beispiels näher erläutert. Hierbei bedeuten

- Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungs­ gemäßen Schaltungsanordnung,

- Fig. 2 ein praktisches Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

Laut Blockschaltbild (Fig. 1) wird die eingangsseitige Gleichspannung von den Klemmen 1 (Plus) und 2 (Minus) über ein Schaltrelais 3, welches von einem elektronischen Kurz­ zeitschalter 4 gesteuert wird, dem Gleichspannungswandler 5 zugeführt. Dieser setzt die Versorgungsspannung von z. B. 12 V in eine hohe Gleichspannung von beispielsweise 10 kV um. Mit dieser Spannung wird dann über den Ladewiderstand 7 und vielfach noch über eine Drosselspule 8 der Stoßkondensator 9 aufgeladen. Dieser wiederum ist über die Funkenstrecke 10 als Schaltelement mit der Primärspule 11 des zur Erzeugung der Heißzündspannung dienenden Tesla-Überlagerungstransformators 12 verbunden und bildet hiermit einen HF-Resonanzkreis.

Hat die Spannung am Stoßkondensator 9 die Ansprechspannung der Funkenstrecke 10 erreicht, so schlägt diese durch und schließt damit den Schwingkreis: Der Kondensator 9 entlädt sich schwingend über die Erregerwicklung 11; die entstehende gedämpfte HF-Resonanzschwingung wird mit Hilfe des Teslatrafos 12 hochtransformiert und steht als Zündimpuls für die Lampe an der Sekundärwicklung 13 zur Verfügung.

Nach Entladung des Stoßkondensators 9 muß die als Schalter fungierende Funkenstrecke 10 wieder löschen, um somit über fortlaufend neue periodische Auf- und Entladungen der Stoßka­ pazität 9 weitere aufeinanderfolgende Zündimpulse zu erzeugen.

Es muß also sichergestellt sein, daß nach Durchschlag der Funkenstrecke 10 kein Glimmstrom über sie weiterfließt, was ihre Funktion als Schaltelement in hohem Maße stören würde. Dazu dient vorwiegend der Lade- bzw. Löschwiderstand 7, der außerdem in Verbindung mit dem Innenwiderstand des speisenden Gleichspannungswandlers 5 die Funkenzahl des Impulsgenerators bestimmt. Die zusätzlich vorhandene Drosselspule 8 hat daneben in erster Linie die Aufgabe, ein mögliches Rückfließen der im Schwingkreis erzeugten HF-Leistung in den Wandler zu verhindern. Die Sekundärspule 13 des Tesla-Transformators 12 befindet sich im Stromkreis der zu versorgenden Entladungslampe; auf diese Weise werden die erzeugten Zündhochspannungsimpulse der Lam­ penleerlaufspannung überlagert.

Die primäre Erregerwicklung 11 und die sekundäre Zündspan­ nungswicklung 13 des Tesla-Überlagerungstrafos 12 müssen übrigens nicht galvanisch getrennt sein; ebenso kann gemäß dem Prinzip des Spartrafos die Wicklung 11 auch Teil der (Gesamt-) Wicklung 13 sein.

Der eingangs erwähnte Kurzzeitschalter 4, vorzugsweise eine elektronische Zeitgeberschaltung, sorgt dafür, daß das Zündgerät nach erfolgtem Lampenstart bzw. auch im Falle einer nicht zündfähigen Lampe alsbald stillgesetzt wird.

Fig. 2 zeigt ein praktisch ausgeführtes Beispiel des erfindungsgemäßen Zündgerätes. Die Eingangsgleichspannung wird von der Plus-Klemme 1 und der Minus-Klemme 2 über ein Schaltrelais 3, das von dem elektronischen Kurzzeitschalter 4 gesteuert wird, dem Gleichspannungswandler 5 zugeführt. Dieser besteht beispielsweise aus einem Gegentakt-Transistor­ zerhacker mit nachgeschaltetem Kaskadenvervielfacher.

Im dargestellten Anwendungsfall schaltet ein selbstgeführ­ ter Transistoroszillator die speisende Gleichspannung mit Hilfe der in Gegentaktschaltung angeordneten Transistoren 19 und 20 abwechselnd auf die beiden Primärwicklungszweige 22 und 22′ eines Übertragers 21. Zur Selbststeuerung der Zer­ hackertransistoren dienen dabei die Steuerwicklungen 23 und 23′ in Verbindung mit den Basisnetzwerken 25, 26 bzw. 27, 28. Die in der Sekundärwicklung 24 induzierte Wechselspannung wird einem Kaskadenvervielfacher 29 zugeführt, der die Zwi­ schenkreis-Wechselspannung auf die für die Speisung des Teslatrafo-Erregerkreises erforderliche Ausgangshöhe von beispielsweise 10 kV bringt. Auf diese Weise muß die Wicklung 24 nur für einen Bruchteil der zu erzeugenden Hochspannung ausgelegt werden, was für den Trafo 21 große wickel- und isolationstechnische Vorteile mit sich bringt. Der Wandler arbeitet dabei vorzugsweise im kHz-Bereich.

Die somit aus der Batteriespannung gewonnene hohe Gleichspan­ nung speist über den Ladewiderstand 7 und die Drosselspule 8 den Erregerkreis des nach dem Teslaprinzip arbeitenden Impuls­ generators. Zusätzlich kann im Ladekreis des Stoßkondensators 9 noch ein in Reihe zu den Elementen 7 und 8 angeordneter Überspannungsableiter 6 vorhanden sein, was sich in einigen Fällen als vorteilhaft für das Zündverhalten mancher Lampen herausgestellt hat.

Der Stoßkondensator 9 entlädt sich dann, wie bereits erwähnt, mit Hilfe der Löschfunkenstrecke 10 periodisch über die Pri­ märspule 11; die hierbei entstehenden gedämpften HF-Resonanz­ schwingungen werden in der Ausgangswicklung 13 des Teslatrafos 12 hochtransformiert und der Lampenversorgungsspannung als Zündimpulse überlagert.

Dabei ist es prinzipiell unerheblich, ob die Sekundärwick­ lung 13 aus einer einzigen Wicklung mit einem "heißen" und einem "kalten" Ende besteht (sog. asymmetrische Zündung) oder aber in zwei Wicklungshälften 13 und 13′ unterteilt ist, die hochfrequenzmäßig über einen Kondensator 14 in Reihe ge­ schaltet sind und jeweils nur die Hälfte der insgesamt benötig­ ten Zündstoßspannung liefern (symmetriche Zündung).

Beide Verfahren werden auch bei herkömmlichen netzgespeisten Zündgeräten angewandt, wobei letztere Variante, wie beispiels­ weise in DE-OS 27 44 049 und DE-OS 29 04 001 erwähnt, in bau- und isolationstechnischer Hinsicht einige Vorteile bietet.

In dem ausgeführten Beispiel mit zwei symmetrischen Sekun­ därwicklungshälften 13 und 13′ wird die vom Versorgungsgerät kommende und mit der Zündspannung zu überlagernde Lampenbe­ triebsspannung an die "kalten" Wicklungsenden 15 und 16 des Teslatrafos 12 angeschlossen, die hochfrequenzmäßig durch den Kondensator 14 überbrückt sind. An den "heißen" Enden 17 und 18 wird dann die Hochdruck-Entladungslampe 30 angeklemmt.

Des weiteren beinhaltet die erfindungsgemäße Schaltungsan­ ordnung den bereits erwähnten Kurzzeitschalter 4, der über das Schaltrelais 3 das Zündgerät beim Anlegen der Speisespannung in Betrieb setzt und es nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit­ spanne wieder abschaltet. In dem ausgeführten Beispiel besteht der Kurzzeitschalter 4 aus einer monostabilen Kippstufe mit dem Unÿunction-Transistor 31 und dem als Zeitgeber fungieren­ den RC-Glied 32, 33. Beim Einschalten ist der Unÿunction- Transistor 31 zunächst gesperrt und der Relaistreiber 38 über den Widerstand 36 durchgeschaltet. Das Relais 3 zieht an und das Zündgerät geht in Betrieb.

Nach Ablauf der durch das RC-Glied 32, 33 vorgegebenen Zeit, d. h., wenn die Spannung am Kondensator 33 die Schwellspannung des Unÿunction-Transistors 31 erreicht, schaltet dieser kurzzeitig durch. Hierdurch kippt die Schaltung; der Relais­ treibertransistor 38 erhält über die Widerstände 34 und 36 keine Ansteuerung mehr, wodurch er in den Sperrzustand über­ geht. Das Relais 3 fällt ab; der Spannungssprung am Kollektor des Relaistreibers 38 wird über den Widerstand 37 auf den Transistor 35 übertragen, womit dieser leitend wird und den Unÿunction-Transistor 31 kurzschließt. Hierdurch wird der Transistor 38 dauerhaft gesperrt und das Relais 3 bleibt ab­ gefallen. Der Kondensator 39 verhindert beim Einschalten ein unmittelbares Kippen in den stabilen ("Aus"-)Schaltzustand.

Der Widerstand 40 parallel zum Stoßkondensator 9 ist ein Entladewiderstand, der dafür sorgt, daß die Hochspannung im Stoßkreis sich nach dem Ausschalten rasch abbaut.

Claims (12)

1. Zündgerät für die kalte und die betriebswarme Sofort­ wiederzündung von vorzugsweise wechselstromgespeisten Hochdruck-Entladungslampen, welche an Stelle eines Wechselspannungsnetzes aus einer mobilen, portablen oder stationären Gleichspannungsquelle (z. B. Batterie, Fahrzeugbordnetz) versorgt werden; mit einem nach dem Teslatransformator-Prinzip aufgebauten Impulsgenerator, enthaltend einen Stoßkondensator (9), eine Funkenstrecke (10) als Schaltelement und einen im Hochfrequenzgebiet arbeitenden Resonanzübertrager (12) mit zumindest einer primären Erregerwicklung ( 11) und mindestens einer se­ kundären Ausgangswicklung (13), wobei gemäß dem Prinzip des Spartransformators die Wicklung (11) auch Teil der Wicklung (13) sein kann, dadurch gekennzeichnet, daß die für den Stoßkreis des Tesla-Transformators (12) - Stoßkapazität (9), Schaltfunkenstrecke (10), Erreger­ wicklung (11) - benötigte Hochspannungsenergie aus der speisenden Gleichspannungsquelle mit Hilfe eines geeigne­ ten Umformers, vorzugsweise eines Gleichspannungswandlers (5), erzeugt wird.

2. Zündgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem die Stoßspannung liefernden Gleichspan­ nungswandler (5) und dem aufzuladenden Stoßkondensator (9) sich mindestens ein Widerstand (7) befindet, der als Löschwiderstand für die Schaltfunkenstrecke (10) wirkt und außerdem die erzeugte Funkenzahl des Gerätes mitbe­ stimmt

3. Zündgerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Gleichspannungswandler (5) vorzugsweise aus einem Transistorzerhacker mit nachgeschaltetem Kaskaden­ vervielfacher (29) aufgebaut ist.

4. Zündgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zündgerät als Überlagerungszündgerät ausgebildet ist, wobei sich die Sekundärwicklung (13) des Tesla Transformators (12) im Stromkreis der zu versorgenden Hochdruck-Entladungslampe (30) befindet und auf diese Weise die erzeugten Zündhochspannungsimpulse der Lampen­ versorgungsspannung überlagert werden.

5. Zündgerät nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das Zündgerät über einen vorzugsweise elektro­ nischen Kurzzeitschalter (4) verfügt, welcher über ein Relais (3) oder ein anderes geeignetes Schaltelement den Gleichspannungswandler (5) beim Anlegen der Versorgungs­ spannung in Betrieb setzt und nach Ablauf einer bestimm­ ten Zeit wieder selbsttätig abschaltet.

6. Zündgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Ladekreis des Stoßkondensators (9) - also zwischen diesem und dem speisenden Gleichspannungswandler (5) - neben dem Widerstand (7) noch eine hierzu in Reihe geschaltete Drosselinduktivität (8) befindet.

7. Zündgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistorzerhacker vorzugsweise als Gegentakt­ wandler mit den Transistoren (19) und (20) ausgebildet ist, die die Eingangsgleichspannung abwechselnd auf die beiden Primärwicklungszweige (22, 22′) eines Übertragers (21) schalten, dessen in der Sekundärwicklung (24) indu­ zierte Ausgangswechselspannung den Kaskadenvervielfacher (29) speist.

8. Zündgerät nach Anspruch 3 und 7, dadurch gekennzeich­ net, daß der Transistorzerhacker ein selbstgeführter Gegentaktwandler ist, wobei die Schalttransistoren (19, 20) über zwei zusätzliche Steuerwicklungen ( 23, 23′) des Übertragertrafos (21) in Verbindung mit den Ansteuer­ netzwerken (25, 26) und (27, 28) abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden.

9. Zündgerät nach einem der Ansprüche 3, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistorzerhacker vorzugsweise mit einer Frequenz zwischen 15 und 100 Kilohertz arbeitet.

10. Zündgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Ladekreis des Stoßkondensators (9) neben dem Widerstand (7) und der Drosselspule (8) noch ein Überspannunsableiter (6) befindet und daß diese drei Elemente in Reihenschaltung angeordnet sind.

11. Zündgerät nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Sekundärwicklung (13) des Teslatrafos (12) aus zwei, hochfrequenzmäßig über den Kondensator (14) in Reihe geschalteten Wicklungshälften (13 und 13′) besteht, die jeweils die Hälfte der insgesamt zu erzeugenden Zünd­ stoßspannung liefern.

12. Zündgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzzeitschalter (4) aus einer monostabilen Kipp­ schaltung mit einem Unÿunction-Transistor (31) aufgebaut ist, der von einem zeitbestimmenden RC-Glied (32, 33) gesteuert wird und seinerseits über einen Widerstand (36) den Relaistreibertransistor (38) ansteuert; wobei ein weiterer Transistor (35) nach dem Kippen des Unÿunction- Transistors (31) das Halten des stabilen Schaltzustandes bewirkt.