DE4115409A1 - Vorrichtung zum betreiben einer gasentladungslampe - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Betreiben einer Gasentladungslampe nach der Gattung des Hauptanspruchs. Eine der­ artige Vorrichtung ist beispielsweise aus der ER-PS 25 47 128 be­ kannt. Zur Zündung der Lampe ist ein Resonanzkreis vorgesehen, der das Bereitstellen der hohen Zündspannung im Resonanzfall ermöglicht. Der Resonanzkreis enthält einen in Reihe mit der Lampe geschalteten Serienresonanzkreis mit einem Kondensator und einer Spule sowie einen zur Lampe parallel geschalteten Kondensator. Die Resonanz­ frequenz beim Zünden der Lampe ist hauptsächlich durch den Indukti­ vitätswert der Spule und den Kapazitätswert des zur Lampe parallel geschalteten Kondensators festgelegt. Zur Energieversorgung der Lampe ist ein Leistungsteil vorgesehen, das als Wechselrichter mit variabler Frequenz aufgebaut ist. Die Schaltfrequenz wird von einer Steuerschaltung bereitgestellt, die einen Generator enthalt, der zum Anschwingen des Resonanzkreises ein Steuersignal mit vorgegebener Frequenz an das Leistungsteil abgibt. Sobald ein Zündvorgang in der Lampe eingeleitet ist, wird die Frequenz des Generators auf die Resonanzfrequenz nachgeführt. Zu dieser Frequenznachführung ist ein Phasenregelkreis vorgesehen, bei dem die Phase des Steuersignals mit der Phase des von einem Sensor erfaßten, durch die Lampe fließenden Stroms verglichen wird. Der Phasenregelkreis benötigt eine systembedingte Einschwingzeit, während der die Generator­ frequenz noch von der Resonanzfrequenz abweicht. Innerhalb dieser Einschwingzeit besteht die Gefahr des Zündungsabbruchs in der Lampe, weil eine ausreichende Energiezufuhr innerhalb kurzer Zeit nicht möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Betreiben einer Gasentladungslampe anzugeben, die eine zuverlässige Zündung einer mit einem Resonanzkreis beschalteten Gasentladungs­ lampe ermöglicht.

Die Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist den Vorteil auf, daß der in der Steuerschaltung enthaltene Komparatorß der das von Mitteln zum Erfassen des Lampenstrom abgegebene Signal mit einer vorgebbaren Schwelle vergleicht, ein Steuersignal an das Leistungsteil abzugeben in der Lage ist, dessen Frequenz ohne zeitlichen Verzug der an der Lampe auftretenden Resonanzfrequenz entspricht. Mit dieser Maßnahme ist eine ausreichend schnelle Nachlieferung von Energie zum Auf­ rechterhalten des Zündvorgangs in der Lampe möglich. Zum Anschwingen des Resonanzkreises sind Mittel vorgesehen, die ein Steuersignal mit vorgebbarer Frequenz erzeugen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere zum Zünden von Hochdruck-Gasentladungslampen, die eine sehr hohe Zündspannung im Vergleich zur anschließenden Brennspannung benötigen. Insbeson­ dere ist es möglich, eine betriebswarme Lampe, die eine besonders hohe Zündspannung aufweist, erneut zu zünden.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung ergeben sich aus Unteransprüchen.

Besonders vorteilhaft ist die Zuordnung der Mittel zum Anschwingen des Resonanzkreises zum Komparator, die damit dessen Ausgangssignal zum Schwingen mit vorgegebener Frequenz zwingen, solange der Lampen­ strom die Komparatorschwelle unterschreitet. Diese Maßnahme führt zu einer besonders einfachen und kostengünstigen Schaltung, weil als aktives Bauelement lediglich ein Komparator mit einer geeigneten Beschaltung erforderlich ist.

Die vorgegebene Frequenz zum Anschwingen des Resonanzkreises wird vorzugsweise niedriger als die Resonanzfrequenz zum Zünden der Lampe festgelegt. Ein Anschwingen des Resonanzkreises ist so in jedem Fall sichergestellt.

Ein besonders einfacher Aufbau des Komparators ist mit einem Ver­ stärker möglich, der mit einem geeignet dimensionierten Rück­ kopplungsnetzwerk beschaltet ist. Mit einer Gegenkopplung, die eine frequenzabhängige Phasendrehung bewirkt, ist die Funktion des Kom­ parators als Generator zum Erzeugen des Signals mit vorgegebener Frequenz möglich. Eine Beschaltung des Verstärkers mit einer Mit­ kopplung führt zu einer vorgebbaren Hysterese, die zusammen mit der Zeitkonstanten der Gegenkopplung die Anschwingfrequenz bestimmt. Vorteilhafterweise ist bei der Mitkopplung eine Differentialanteil vorgesehen, der die Stromschaltschwelle dynamisch verschiebt.

Das Gegenkopplungs- und das Mitkopplungsnetzwerk sind derart zu dimensionieren, daß sowohl die gewünschte Anschwingfrequenz und gegebenenfalls deren Tastverhältnis als auch die vorgegebene Schwelle für den Lampenstrom erzielt werden. Zu diesem Zweck kann eine weitere, entsprechend dimensionierte Eingangsbeschaltung des Verstärkers vorgesehen sein.

Ein am Eingang des Verstärkers angeordneter Tiefpaß reduziert den Einfluß von hochfrequenten Störsignalen auf die Steuerschaltung.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der er­ findungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus weiteren Ansprüchen in Verbindung mit der folgenden Beschreibung.

Zeichnung

Ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Be­ treiben einer Gasentladungslampe ist in der Figur gezeigt.

In der Figur ist eine Lampe 10 gezeigt, die von einem Leistungsteil 11 mit elektrischer Energie versorgt wird. Zwischen Lampe 10 und Leistungsteil 11 ist eine Reihenschaltung aus einer Spule 12 und einem Kondensator 13 angeordnet. Parallel zur Lampe 10 liegt ein Kondensator 14. In einer Stromzuführungsleitung zur Lampe 10 ist ein Widerstand 15 zum Erfassen des durch die Lampe 10 fließenden Stromes geschaltet. Von der bisher beschriebenen Schaltungsanordnung strichliniert abgetrennt, ist in der Figur eine Steuerschaltung 16 gezeigt, die in Abhängigkeit von dem am Widerstand 15 auftretenden Spannung an ihrem Ausgang 17 ein Steuersignal bereitstellt, das als Eingangssignal zum Leistungsteil 11 geführt ist.

Die Steuerschaltung 16 enthält einen mit einem Eingangs- und einem Rückkopplungsnetzwerk 18, 19 beschalteten Differenzverstärker 20. Das Eingangsnetzwerk 18 enthält eine Widerstands-Kondensator-Kom­ bination 21, 22, wobei der Widerstand 21 am Stromsensor 15 ange­ schlossen ist und zum nichtinvertierenden Eingang 23 des Verstärkers 20 führt und wobei der Kondensator 22 zwischen dem nichtinver­ tierenden Eingang 23 und dem invertierenden Eingang 24 des Ver­ stärkers 20 liegt. Das Rückkopplungsnetzwerk 19 enthält zunächst ein zwischen dem Ausgang 17 und dem nichtinvertierenden Eingang 23 des Verstärkers 20 geschaltetes Mitkopplungsnetzwerk 25, das einen Widerstand 26 und einen Kondensator 27 aufweist. Das Rückkopplungs­ netzwerk 19 enthält weiterhin ein Gegenkopplungsnetzwerk 28, das zwei Widerstände 29, 30 sowie einen Kondensator 31 aufweist. Der Widerstand 30 liegt zwischen dem Ausgang 17 und dem invertierenden Eingang 24 des Verstärkers 20. Der Widerstand 29 und der Kondensator 31 sind jeweils am invertierenden Eingang 24 des Verstärkers 20 sowie am Widerstand 15 angeschlossen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet folgendermaßen: Das Leistungsteil 11 enthält beispielsweise einen Wechselrichter, der die aus einer nicht gezeigten Batterie oder einer anderen Energiequelle zur Verfügung gestellte elektrische Energie in eine Wechselspannung mit geeignetem Kurvenverlauf zur Energieversorgung der Gasentladungslampe 10 umformt. Die beiden Kondensatoren 13, 14 und die Spule 12 bilden einen (Serien-)Resonanzkreis, der die Erzeugung der im Vergleich zum Dauerbetrieb hohen Zündspannung der Lampe 10 bereitstellt. Der Kondensator 14 ist nur bei noch nicht gezündeter Lampe 10 wirksam. Die Kapazität des Kondensators 14 wird im allgemeinen kleiner als die des Kondensators 13 festgelegt und bestimmt somit wesentlich die Resonanzfrequenz des Resonanzkreises, die dann oberhalb der Betriebsfrequenz der Lampe 10 im Dauerbetrieb liegt. Nach dem Zünden der Lampe 10 ist die Resonanzfrequenz durch die Kapazität des Kondensators 13 sowie den Induktivitätswert der Spule 12 festgelegt. Ein Betreiben der Lampe 10 im Dauerbetrieb mit der durch die Spule 12 und den Kondensator 13 festgelegten Resonanz­ frequenz ist aber nicht zwingend erforderlich. Die Betriebsfrequenz kann von dieser Resonanzfrequenz bei gezündeter Lampe 10 auch ab­ weichen.

Ein Zünden der Lampe 10 wird beispielsweise durch Anregen des Resonanzkreises 12, 13, 14 mit Impulsen bewirkt, die vom Leistungs­ teil 11 abgegeben werden. Es ist hierbei nicht erforderlich, daß die Anregungsfrequenz gleich der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises 12, 13, 14 ist. Eine Anregung führt zu einer abklingenden Schwingung, sofern die Lampe 10 nicht zündet. Sobald die Lampe 10 zündet, wird die im Kondensator 14 gespeicherte Energie schlagartig in die Lampe 10 abgegeben. Der weitere Energienachschub zum Auf­ rechterhalten des Zündvorgangs muß vom Leistungsteil 11 erfolgen. Insbesondere bei Hochdruck-Gasentladungslampen 10, die eine im Ver­ gleich zur Brennspannung sehr hohe Zündspannung aufweisen, muß eine Übernahme der Energienachlieferung durch das Leistungsteil 11 gewährleistet sein, damit der beginnende Zündvorgang nicht sofort wieder erlischt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung löst die Aufgabe dadurch, daß die Steuerschaltung 16 einen durch die Lampe 10 fließenden Strom detektiert und unverzüglich in ein entsprechendes Steuersignal am Ausgang 17 zum Steuern des Leistungsteils 11 abgibt. Als Mittel zum Detektieren des durch die Lampe 10 fließenden Stroms ist in der Figur beispielsweise der Widerstand 15 eingetragen, an dem der Strom einen Spannungsabfall verursacht. Anstelle des Widerstands 15 sind auch andere Stromsensoren wie beispielsweise eine Rogowski-Spule geeignet. Das am Stromsensor 15 abgreifbare Signal wird über das Eingangsnetzwerk 18 dem Differenzverstärker 20 zugeleitet. Das Netzwerk 18 ist ein Tiefpaßfilter, das den Widerstand 21 und den Kondensator 22 enthält. Dieser R-C-Tiefpaß reduziert den Einfluß höherfrequenter Störsignale auf die nachfolgende Schaltung.

Solange am Stromsensor 15 kein Signal abgreifbar ist, arbeitet die Steuerschaltung 6 als Generator, der am Ausgang 17 ein Signal mit einer fest vorgegebenen Frequenz zum Steuern des Leistungsteils 11 abgibt. Mit dieser Frequenz wird der Resonanzkreis 12, 13, 14 zum Zünden der Lampe 10 zum Schwingen angeregt. Die Generatorfunktion ist durch geeignete Beschaltung des Differenzverstärkers 20 mit dem Gegenkopplungsnetzwerk 28 realisiert. Das Gegenkopplungsnetzwerk 28 führt das am Ausgang 17 liegende Signal mit einer frequenzabhängigen Phasendrehung auf den invertierenden Eingang 24 des Differenzver­ stärkers 20 zurück. Die Frequenz der Schwingung ist durch die Wider­ stände 29, 30 den Kondensator 31 und das Maß der Hysterese, bestimmt durch die Widerstände 21 und 26, bei gegebenem maximalen Ausgangs­ pegel, festgelegt. Der Widerstand 29 hat in Verbindung mit dem Widerstand 30 Einfluß auf den Pegel am invertierenden Eingang 24 des Differenzverstärkers 20, der eine Schaltschwelle für den Lampenstrom festlegt.

Nach dem Einleiten des Zündvorgangs fließt ein Strom in der Lampe 10, der vom Stromsensor 15 erfaßt wird. In diesem Betriebszustand wirkt der Verstärker 20 der Steuerschaltung 16 als schneller Komparator. Die Schaltschwelle ist mit den Widerständen 29, 30 sowie 21, 26 beeinflußbar. Die Schwelle wird vorzugsweise derart fest­ gelegt, daß ein Umschalten des als Komparator wirkenden Differenz­ verstärkers 20 zumindest in der Nähe der Stromnulldurchgänge erfolgt. Das erste Überschreiten der Schwelle für den Lampenstrom während des Zündvorgangs bedeutet, daß der Zündvorgang eingeleitet ist. Die Überschreitung der Schwelle führt unmittelbar zum Auslösen eines Steuersignals am Ausgang 17 der Steuerschaltung 16 zum An­ steuern des Leistungsteils 11. Die Generatorfunktion der Steuer­ schaltung 16 wird nicht mehr benötigt. Die Steuerschaltung 16 über­ nimmt unverzüglich die Resonanzfrequenz des Resonanzkreises 12, 13, 14 und steuert mit dieser Frequenz das Leistungsteil 11, das damit in der Lage ist, ausreichend schnell genügend Energie zum Aufrecht­ erhalten des Zündvorgangs in der Lampe 10 bereitzustellen, um den Zündvorgang erfolgreich zu beenden.

Das Mitkopplungsnetzwerk 25, das vorzugsweise mit dem Kondensator 27 einen Differentialanteil übertragen kann, wirkt mit dem Widerstand 21 am Eingang des Differenzverstärkers 20 zusammen und ermöglicht die Vorgabe einer Hysterese. Bei geeigneter Dimensionierung in Ver­ bindung mit dem Gegenkopplungsnetzwerk 28 ist erreichbar, daß die Hysterese eine umgekehrte Polarität im Schaltpunkt aufweist. Die umgekehrte Polarität bedeutet, daß der letzte zurückliegende Schaltvorgang die Schaltschwelle zum aktuellen Pegel hin verschiebt, anstelle von ihm weg zu verschieben.

Der Kondensator 27 bewirkt durch die Mitkopplung eines Differential­ anteils ein schnelles Umschalten des als Komparator wirkenden Differenzverstärkers 20. Verbunden mit dieser Maßnahme ist die Er­ höhung der Sicherheit gegenüber Störungen am Eingang 23 des Differenzverstärkers 20 direkt nach den Umschaltzeitpunkten, ohne daß am vorgegebenen Schaltpunkt die Hysterese größer als unbedingt nötig gemacht werden muß.

Anstelle der in der Figur gezeigten Ausführung der Steuerschaltung 16 ist auch eine Ausgestaltung mit einem separat realisierten Generator zum Anschwingen des Resonanzkreises 12, 13, 14 vorsehbar, wobei dann gegenüber der in der Figur gezeigten einfachen schaltungstechnischen Realisierung weitere Elemente erforderlich sind, welche die von dem dann vorgesehenen Generator und des weiterhin erforderlichen Komparators abgegebenen Signale zusammen­ führen und eine Ablaufsteuerschaltung betreffen.

Vorzugsweise wird die fest vorgegebene Frequenz zum Starten des Anschwingens des Resonanzkreises 12, 13, 14 auf einen Wert fest­ gelegt, der unterhalb der Resonanzfrequenz beim Zünden der Lampe liegt. Ein Anschwingen des mit dem Differenzverstärkers 20 ge­ bildeten Generators bei Unterschreiten der Stromschwelle wird damit vermieden.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Betreiben wenigstens einer Gasentladungslampe, insbesondere zum Zünden der Lampe, mit einem Leistungsteil zum Ver­ sorgen der Lampe mit elektrischer Energie, mit einem die Lampe ent­ haltenden Resonanzkreis zum Bereitstellen der Zündspannung, mit Mitteln zum Erfassen des Lampenstromes und mit einer Steuer­ schaltung, die ein Steuersignal an das Leistungsteil abgibt, das bei nicht gezündeter Lampe eine vorgegebene Frequenz aufweist und das während des Lampenbetriebs von der Phase des Lampenstroms abhängt, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (16) einen Korn­ parator (19, 20) enthält, der das Stromsignal mit einer vorgebbaren Schwelle vergleicht, daß das Steuersignal von einem Ausgang (17) des Komparators (19, 20) abgeleitet ist und daß Mittel (20, 21, 26, 29, 30, 31) zum Anschwingen des Resonanzkreises (12, 13, 14) vorgesehen sind, die das Steuersignal mit vorgebbarer Frequenz erzeugen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (20, 21, 26, 29, 30, 31) dem Komparator (19, 20) zugeordnet sind und dessen Ausgangssignal zum Schwingen mit der vorgegebenen Frequenz zwingen, wenn das Stromsignal die Schwelle unterschreitet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Frequenz unterhalb der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises (12, 13, 14) liegt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Komparator (19, 20) einen mit einem Rückkopplungs­ netzwerk (19) beschalteten Differenzverstärker (20) enthält.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Rückkopplungsnetzwerk (19) ein Gegenkopplungsnetz­ werk (28; 29, 30, 31) enthält, das eine frequenzabhängige Phasen­ drehung aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Rückkopplungsnetzwerk (19) ein Mitkopplungsnetz­ werk (25; 21, 26, 27) enthält.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Mitkopplungsnetzwerk (25) einen Kondensator (27) zum Übertragen eines Differential-Anteils enthält.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (16) einen Tiefpaß (18), vorzugsweise einen R-C-Tiefpaß (18; 21, 22) am Eingang aufweist.