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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Schaltungsanordnung zum Starten und Betreiben einer Hochdruck-Entladungslampe
für Fahrzeuge
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Ein solcher Lampenbeleuchtungsschaltkreis ist
bereits aus der
DE
40 02 334 A1 bekannt. Dieser Schaltkreis weist darüber hinaus
einen Schutzschalter auf, der automatisch geöffnet wird, wenn eine Batterie
eine Überspannung
entwickelt oder wenn die Lampe beim Schließen des Lampenschalters nicht aufleuchtet.
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Aus der
DE 39 05 715 A1 sind ein
Verfahren und eine Ballastschaltung zum Betreiben einer Gasentladungslampe
bekannt. Die Ballastschaltung erzeugt einen geregelten Rechteckstrom
relativ niedriger Frequenz, mit dem die Gasentladungslampe im Betrieb
gespeist wird.
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Die Druckschrift
DE 28 12 623 C2 beschreibt ein
Zündgerät für eine Hochdruck-Entladungslampe, wobei
die von einem Zündgerät abgegebenen
Hochspannungsimpulse mit der Lampenversorgungsspannung sychronisiert
sind.
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Aus der
DE 41 36 486 A1 ist bereits
ein Vorschaltgerät
zum Starten und Betreiben von Wechselstrom-Hochdruck-Gasentladungslampen
bekannt, bei dem ein Wechselrichter derart angesteuert wird, dass
der Entladungslampe im Aus-Zustand sowie während einer Übergangsperiode
vom Aus-Zustand in den Ein-Zustand
eine Gleichspannung zugeführt wird.
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Bei einer Hochdruckentladungslampe,
wie beispielsweise einer Halogen-Metalldampflampe (im Folgenden
Halogenid-Lampe genannt) ist es notwendig, einen Startpuls zu erzeugen
und diesen der Entladungslampe zuzuführen.
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14 zeigt
ein Beispiel eines derartig herkömmlichen
Entladungslampenschaltkreises.
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Der Schaltkreis a weist einen Brückenschaltkreis
c auf, welcher eine Gleichspannung, die von einem Gleichspannungsversorgungsschaltkreis
b geliefert wird, in eine Rechteckspannung umsetzt, und weist weiterhin
einen Startpulsgenerator d auf, der einen Startpuls erzeugt. Der
Startpuls von dem Startpulsgenerator d wird dem von dem Brückschaltkreis c
ausgegebenen Rechtecksignal überlagert
und der resultierende Puls wird der Entladungslampe zu deren Aktivierung
zugeführt.
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Der Startpulsgenerator d weist eine
Leistungsversorgung e, einen Transformator f, ein Schaltelement
g und einen Kondensator h auf, wie dies in 15 gezeigt ist. Wenn die Anschlußspannung
für den
Kondensator h einen vorgegebenen Pegel erreicht, wird das Schaltelement
g eingeschaltet und der erzeugte Impuls von dem Transformator f
hochgesetzt. Der hochgesetzte Puls wird einem Ausgang der Brückenschaltung
c überlagert
und der resultierende Puls wird dann der Entladungslampe i zugeführt.
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Der Brückenschaltkreis c ist so ausgelegt, daß er abwechselnd
zwei Paare von Halbleiterschaltelementen schaltet, um somit einen
Wechselspannungsausgang zu erzielen. Details dieser Schaltung sind
der Vereinfachung wegen weggelassen.
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Es ist bekannt, daß die Leichtigkeit,
mit der der Übergang
von der Glühentladung
zur Bogenentladung erfolgt, von der Phasenbeziehung zwischen der
Spannungsrichtung des Startpulses und der Polarität der vom
Brückenschaltkreis
c ausgegebenen Rechteckspannung abhängt.
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Es sei angenommen, daß V(1) die
Spannung bei einer der beiden Leitungen j und j', welche die Ausgangsanschlüsse des
Brückenschaltkreises
c mit den Anschlüssen
der Entladungslampe i verbinden, ist. Weiter sei an dieser Leitung
die Sekundärwindung
des Transformators f vorhanden, und V(2) soll die Ausgangsspannung
an der Versorgungsleitung j' bedeuten,
wie dies in 15 gezeigt
ist. Die Entladungscharakteristik der Entladungslampe wird besser,
wenn der Startpuls in der durch den Pfeil A in 15 angezeigter Richtung erzeugt wird,
wenn die Ausgangsspannung V(1) einen "low"-Pegel
und die Ausgangsspannung V(2) einen "high"-Pegel
aufweist.
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Es gibt zwei möglich Arten, den Startpuls
mit dieser Zeitsteuerung zu erzeugen. Das erste Verfahren besteht
darin, ein Schaltelement mit einem Trigger- und einem Steuerschaltkreis
vorzusehen und eine synchrone Steuerung derart vorzunehmen, daß das Schaltelement
g nur dann geschaltet ist, wenn V(2) sich auf einem "high"-Pegel befindet.
Das zweite Verfahren besteht darin, ein Durchschlags-Schaltelement
zu verwenden, wie beispielsweise eine Funkenstrecke, so daß der Kondensator
nur in einer speziellen Phase der Rechteckwelle geladen wird.
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Diese Verfahren benötigen jedoch
ein Hochspannungsdurchschlagsschaltelement, einen Treiberschaltkreis
und/oder einen Steuerschaltkreis, wodurch die gesamte Schaltkreisstruktur
kompliziert wird. Die zuletzt angesprochene Schaltung findet praktisch
Verwendung und ist in 16 angedeutet.
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Der Startpulsgenerator k weist eine
Konstant-Spannungsquelle 1, einen Transformator m, ein Durchschlagsschaltelement
n und einen Kondensator o auf.
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Die Primärwindung und die Sekundärwindung
des Transformators m sind in entgegengesetzter Richtung gewickelt,
und die Sekundärwindung
ist mit einer der Vorsorgungsleitungen j und j' verbunden, welche die Ausgangsanschlüsse des
Brückenschaltkreises
c mit den Anschlüssen
der Entladungslampe i verbinden. Die Primärwindung des Transformators
m weist ein Windungsende auf, das mit dem Durchschlagsschaltelement
n verbunden ist, wobei dieses Ende außerdem mit der Sekundärwindung des
Transformators n verbunden ist. Das andere Ende der Primärwindung
ist über
den Kondensator o mit dem anderen Ende des Durchschlagsschaltelements
n verbunden.
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Die Konstantspannungsquelle 1 weist
einen positiven Anschluß auf,
welcher über
einen Widerstand p und eine Diode mit den Durchschlagsschallelementen
und der anderen Leistungsleitung j' verschaltet ist.
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Angenommen, daß v die Amplitude der Rechteckwelle
von dem Brückschaltkreis
c bedeutet und el die Spannung von der Konstantspannungsquelle 1 bedeutet,
so wird die Entladungsspannung für
den Kondensator o zu "el-v", wenn die Spannung v(1),
die mit der Spannungsquellenleitung j assoziiert ist, sich auf "high"-Pegel befindet und
wird zu "el-v", wenn die Spannung
v(2), die mit der Leistungsversorgungsleitung j' assoziiert ist, einen "high"-Pegel annimmt. Das
bedeutet, daß die
Ladungsspannung sich mit der Phase der Rechteckwelle ändert.
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Wenn das Durchschlagsschaltelement
n in Übereinstimmung
mit der Spannung el ausgelegt ist, so steigt die Anschlußspannung
Vc des Kondensators o nur während
der Hochperiode von V(2), wie dies in 17 gezeigt
ist. Das Durchschlagsschaltelement n leitet lediglich in dieser
Periode. Der zu dieser Zeit erzeugte Puls wird durch den Transformator m
heraufgesetzt und der heraufgesetzte Puls wird dem Recheckwellenausgang
des Brückenschaltkreises
c überlagert.
Der resultierende Puls wird dann der Entladungslampe i zugeführt.
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Das Durchbruchschaltelement leitet
nicht unmittelbar, wenn die Anschlußspannung des Kondensators
einen vorgegebenen Wert erreicht, sondern weist eine gewisse Verzögerung auf.
Dies beeinflußt das
Verhältnis
zwischen dem Zeitpunkt der Erzeugung des Startpulses und der Phase
der Rechteckwelle, so daß der
Startpulsgenerator nicht zum gegebenen Zeitpunkt betätigt wird.
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Obwohl es wünschenswert wäre, wenn
das Durchschlagsschaltelement n während der Zeit ta leiten würde, wenn
die Anschlußspannung
des Kondensators o die Spannung el erreicht, wie dies in 17 gezeigt ist, leitet das
Schaltelement n tatsächlich
zur Zeit tb mit einer Verzögerungsezeit
von Δt,
wobei tb in den nächsten
Halbzyklus verschoben wird (wo V(1) sich auf "high"-Pegel
befindet. In diesem Fall ist es nicht möglich, den Startpuls zu erzeugen,
wenn V(2) sich auf "high"-Pegel befindet.
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Entsprechend ist es die Aufgabe der
vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung zum Starten und
Betreiben einer Hochdruck-Entladungslampe für Fahrzeuge mit verbesserter
Entladungscharakteristik bereitzustellen, bei der die genannten Nachteile
behoben sind.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die
kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand
der Unteransprüche.
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Im folgenden wird die vorliegende
Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme
auf die beileigenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen die Zeichnungen
im einzelnen:
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1 ein
Blockschaltbild zum Erläutern
der Struktur der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
für eine
Fahrzeugentladungslampe;
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2 ein
Blockschaltbild eines Beispiels einer Struktur für den Lichtdiskriminatorschaltkreis;
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3 ein
beispielhaftes Blockschaltbild einer Struktur einer Lichtfrequenzsteuereinheit;
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4 ein
Blockschaltbild der Basisstruktur eines Startpulsgenerators;
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5A und 5B Beispiele des Startpulsgenertors,
wobei
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5A ein
Beispiel zeigt, bei dem eine Konstant-Spannungsquelle durch das
Bereitstellen einer Startwindung auf der Sekundärwindungsseite des Transformators
eines Gleichspannungswandlers gebildet wird, während 5B ein Beispiel zeigt, bei dem die Konstantspannungsquelle
durch einen Spannungsverdopplungs-Gleichrichtungsschaltkreis gebildet
wird;
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6 ein
Zeitdiagramm zum Erklären
des Betriebs der Lichtfrequenzsteuereinheit der 3;
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7 ein
Zeitdiagramm zum Erklären
des Betriebs des Startpulsgenerators; die 8A und 8B Diagramme
zum Erläutern
der Beziehung zwischen der Lichtfrequenz und dem Zeitpunkt der Erzeugung des
Startpulses, wobei 8 den
Anstieg der Anschlußspannung
eines Kondensators zeigt, wenn die Lichtfrequenz hoch ist, und 8B den Anstieg der Anschlußspannung
eines Kondensators zeigt, wenn die Lichtfrequenz gering ist;
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9 ein
Diagramm zum Erläutern
eines Steuersignals, wenn eine Gleichspannungs-Lichtperiode zwischen
der Aktivierung der Entladungslampe zur Verfügung gestellt wird;
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10 ein
beispielhaftes Blockschaltbild einer Struktur einer Lichtfrequenzsteuereinheit
zum Bewirken der Frequenzsteuerung einschließlich Gleichspannungs-Beleuchtung
der Entladungslampe;
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11 ein
Zeitdiagramm zum Erklären
des Betriebs der Lichtfrequenzsteuereinheit der 10, bevor die Entladungslampe gezündet wird;
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12 ein
Zeitdiagramm zum Erklären
des Betriebs der Lichtfrequenzsteuereinheit der 10, unmittelbar nachdem die Entladungslampe
gezündet wurde;
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13 ein
Blockschaltbild einer Brückenschaltkreisstruktur
und einer Treibersteuereinheit;
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14 ein
Blockschaltbild einer Struktur eines herkömmlichen Beleuchtungsschaltkreises;
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15 ein
Blockschaltbild eines Beispiels einer Struktur eines herkömmlichen
Startpulsgenerators;
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16 ein
Blockschaltbild eines verbesserten herkömmlichen Startpulsgenertors;
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17 ein
Diagramm zum Erklären
der im Stand der Technik aufgetretenen Probleme.
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Das im folgenden beschriebene Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist so ausgelegt, daß es für eine Fahrzeughalogenidlampe
geeignet ist.
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1 zeigt
in schematischer Weise die Struktur eines Beleuchtungsschaltkreises 1.
Der Schaltkreis 1 weist eine Batterie 2 auf, die
zwischen den Gleichspannungseingangsanschlüssen 3 und 3' verschaltet
ist. Weiterhin weist er einen Beleuchtungsschalter 5, einen
Gleichspannungswandler 6, einen Wechselrichter 7,
einen Startpulsgenerator 8, einen Steuerschaltkreis 22,
einen Lichtdiskriminatorschaltkreis 27 und eine Lichtfrequenzsteuereinheit 30 auf.
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Die Bezugszeichen 4 und 4' bezeichnen
die Gleichspannungswandlerversorgungsleitungen. Der Schalter 5 ist
in die positive Leitung 4 eingesetzt.
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Der Gleichspannungswandler 6 erhöht eine Batteriespannung,
die über
den Schalter 5 zugeführt wird.
Dieser Gleichspannungswandler 6 kann aus einem Chopper-DC-DC-Konverter bestehen
und führt den
Boosterbetrieb unter Steuerung des Steuerschaltkreises 22,
welcher später
besprochen wird, aus. Obwohl die Batteriespannung durch den Gleichspannungswandler 6 bei
dieser Ausführungsform
erhöht
wird, kann der Schaltkreis auch so ausgelegt sein, daß die Batteriespannung
erniedrigt wird, wenn diese genügend
groß ist.
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Der Wechselrichter 7 befindet
sich nach dem Gleichspannungswandler 6, um die Gleichspannung in
eine Wechselspannung mit rechteckförmiger Wellenform umzuwandeln.
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Dieser Wechselrichter 7 enthält einen
Brückenschaltkreis 7A mit
Halbleiterschaltelementen 7i (i = 1, 2, 3 und 4). Weiterhin
weist er eine Treibersteuereinheit 7B auf, welche die Schaltelemente 7i treibt. Die
Halbleiterschaltelemente 7(1) und 7(4) bilden
ein Paar, und ein anderes Paar wird durch die Halbleiterschaltelemente 7(2) und 7(3) gebildet.
Die Schaltpaare werden reziprok zueinander durch ein Steuersignal,
welches von der Treibersteuereinheit 7B zur Verfügung gestellt
wird, gesteuert. Die genaue Struktur des Brückenschaltkreises 7A und
der Treibersteuereinheit 7B wird weiter unten diskutiert.
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Der Startpulsgenerator 8 befindet
sich hinter dem Wechselrichter 7. Der Startpulsgenertor 8 erzeugt
einen Startpuls für
eine Halogenidlampe 10 mit einer Leistung von 35 Watt.
Die Lampe ist zwischen den Wechselspannungsausgangsanschluß 9 und 9' des Startpulsgenerators 8 verschaltet.
Weiterhin überlagert
der Startpulsgenerator den Startpuls auf die Rechteckwelle von dem Wechselrichter 7.
Der resultierende Puls wird der Lampe 10 zugeführt.
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4 zeigt
die Basisstruktur des Startpulsgenerators 8. Gezeigt ist
eine Konstantleistungsversorgung 11, ein Transformator 12,
ein Kondensator 13 und ein Durchbruchsschaltelement 14 (in
der Zeichnung mit einem Schaltsymbol symoblisiert).
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Der Transformator 12 weist
eine Primärwindung 12a und
eine Sekundärwindung 12b auf,
die in entgegengesetzter Richtung gewickelt sind. Die Primärwindung 12a ist
fest mit dem Ende der Sekundärwindung 12b verbunden,
welches nicht mit der Lampe 10 verbunden ist. Sie ist außerdem mit
dem Durchbruchsschaltelement 14 verbunden. Das andere Ende
der Primärwindung 12a ist
mit dem anderen Ende des Durchbruchsschaltelements 14 über eine Parallelschaltung
aus einem Kondensator 13 und einem Widerstand 16 verbunden.
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Der Kondensator 13 wird über eine
Leitung geladen, welche sich von der Konstantspannungsquelle 11 über einen
Widerstand 17 und eine Diode 18 zum Kondensator 13 erstreckt.
Damit ist der positive Anschluß der
Konstantspannundsquelle 11 über den Widerstand 17 mit
der Anode der Diode 18 verbunden, und die Kathode der Diode
mit dem Durchbruchsschaltelement 14 und dem Kondensator 13. Der
negative Anschluß der
Konstantspannungsquelle 11 ist mit einer Spannungsquellenleitung 15(2) verbunden,
welche sich von dem Ausgangsanschluß des Wechselrichters 7 zum
Wechselspannungsanschluß 9' erstreckt.
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Die Konstantspannungsquelle 11 kann
durch einen Gleichspannungswandler 6, der die Struktur
eines Sperr-Wandlers
aufweist, gebildet werden. Ein derartiger Wandler weist eine Startwindung 20 auf der
Sekundärwindungsseite
des Transformators 19 auf und richtet den Ausgang von der
Startwindung 20 durch einen Gleichrichter 21,
der sich in einer nachfolgenden Stufe der Startwindung 20 befindet,
gleich, wie dies in 5A gezeigt
ist. Somit wird eine konstante Spannung erreicht. Alternativ kann
die Konstantspannungsquelle 11 dadurch erreicht werden, indem
man einen Spannungsverdopplungsgleichrichterschaltkreis 21 vorsieht,
welcher Dioden, Kondensatoren und Widerstände zwischen den Spannungsquellen 15(1) und 15(2),
wie sie in 5B gezeigt
sind, aufweist. Auch somit wird eine konstante Spannung erreicht.
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Wenn die Anschlußspannung des Kondensators 13,
die durch die Konstantspannungsquelle 11 in dem Startbusgenerator 8 geladen
wird, einen vorgegebenen Wert erreicht, wird der Puls, der durch das
Leiten des Durchbruchsschaltelements 14 erzeugt wird, durch
den Transformator 12 erhöht und der Rechteckwelle überlagert.
Der Startpuls wird nur erzeugt, wenn die mit der Spannungsquellenleitung 15(2) assoziierte
Spannung einen "high"-Pegel aufweist.
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Der Steuerschaltkreis 22 der 1 dient zum Steuern der
Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 6. Der Steuerschaltkreis 22 empfängt ein
Spannungsdetektionssignal, welches mit der Ausgangsspannung des
Gleichspannungswandlers 6 korrespondiert und welches durch
ein Paar von Spannungsdetektorwiderständen 23 detektiert
wird, die sich zwischen den Ausgangsanschlüssen des Gleichspannungswandlers 6 befinden.
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Ein Stromdetektionswiderstand 24,
der in die Masseleitung, welche den Gleichspannungswandler 6 mit
dem Wechselrichter 7 verbindet, eingesetzt ist, wandelt
ein Stromdetektionssignal entsprechend dem Ausgangsstrom des Gleichspannungswandlers 6 in
eine Spannung um. Der Steuerschaltkreis 22 empfängt diese
gewandelte Spannung.
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Obwohl die der Lampenspannung und
dem Lampenstrom der Halogenidlampe 10 entsprechenden Signale
bei dieser Ausführungsform von
der Ausgangsstufe des Gleichspannungswandlers 6 erhalten werden,
kann die Schaltkreisstruktur auch so modifiziert werden, daß diese
Signale direkt detektiert werden.
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Der Steuerschaltkreis 22 erzeugt
ein Steuersignal entsprechend diesen detektierten Signalen und sendet
das Steuersignal an den Gleichspannungswandler 6, um die
Ausgangsspannung des Gleichspannungswandler 6 zu steuern,
um dadurch eine Leistungssteuerungsanpassung mit dem Aktivierungszustand
der Halogenidlampe 10 zu erreichen. Entsprechend kann der
Steuerschaltkreis 22 die Zeit der Aktivierung der Lampe 10 oder
die Zeit der Reaktivierung der Lampe 10 verkürzen, um
einen schnellen Übergang
zur Ruheleistungssteuerung zu erreichen. Der Steuerschaltkreis 22 enthält eine Spannungs-Stromsteuereinheit 25 und
eine Pulsweitenmodulations(PWM)-Steuereinheit 26.
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Die Spannungs-Strom-Steuereinheit 25 führt die
Lichtsteuerung der Halogenidlampe 10, basierend auf einer
vorgegebenen Steuerkurve, aus. Wenn das Detektionssignal von dem
Spannungsdetektionswiderstandspaar 23 erhalten wird, welches mit
der Ausangsspannung des Gleichspannungswandlers 6 assoziiert
ist, berechnet die Spannungs-Strom-Steuereinheit 25 einen
Strombefehlswert, der dem Detektionssignal entspricht, vergleicht diesen
Wert mit einem Stromwert, der durch den Stromdetektionswiderstand 24 detektiert
wurde und sendet ein Befehlssignal an die PWM-Steuereinheit 26.
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Die PWM-Steuereinheit 26 erzeugt
ein Signal, dessen Pulsweite sich gemäß dem Befehlssignal von der
U-I-Steuereinheit 25 variiert und sendet dieses Signal
als Steuersignal für
die Halbleiterschaltelemente (nicht gezeigt) zum Gleichspannungswandler 6.
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Der Lichtdiskriminatorschaltkreis 27 erkennt den
EIN-Zustand oder den AUS-Zustand der Halogenidlampe 10 in
Abhängigkeit
davon, ob der durch den Stromdetektorwiderstand 24 detektierte Lampenstrom
gleich oder größer als
ein vorgegebener Referenzwert ist.
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2 zeigt
ein Beispiel einer Struktur eines Lichtdiskriminatorschaltkreises 27,
der so ausgelegt ist, daß ein
binäres
Ausgangssignal durch Vergleichen der verstärkten Ausgangsspannung des
Stromdetektorwiderstands 24 mit einer vorgegebenen Referenzspannung
zur Verfügung
gestellt wird.
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Die Anschlußspannung des Stromdetektorwiderstands 24 wird
einem Verstärker 28 eingegeben,
dessen verstärkter
Ausgang mit einer Referenzspannung Eref durch
einen Komparator 29 verglichen wird. Wenn der verstärkte Ausgang
größer als
die Referenzspannung Eref ist, wird festgestellt,
daß sich die
Lampe 10 im EIN-Zustand befindet und es wird ein H(High)-Signal
als Lichtdiskriminatorsignal ausgegeben. Wenn der verstärkte Ausgang
gleich oder kleiner als die Referenzspannung Eref ist,
wird erkannt, daß sich
die Lampe in einem AUS-Zustand befindet, und es wird ein L(Low)-Signal
als Lichtdiskriminatorsignal ausgegeben. Das Lichtdiskriminatorsignal
wird zur Frequenzsteuereinheit 30 gesendet, die sich in
einer nachfolgenden Stufe des Lichtdiskriminatorschaltkreises 27 befindet.
Der Verstärker 28 weist
die Struktur eines invertierenden Operationsverstärkers auf,
wobei ein Ende des Stromdetektorwiderstandes 24 über einen
Widerstand mit dem invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers verbunden
ist und das andere Ende des Widerstandes 24 über einen
Spannungsteilungs- widerstand mit dem nichtinvertierenden Eingang
des Operationsverstärkers
verbunden ist.
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Die Frequenzsteuereinheit 30 setzt
die die Frequenz der Rechteckwelle auf einen geringen Wert, bevor
die Halogenidlampe 10 aktiviert wird und setzt die Frequenz
der Rechteckwelle nach der Aktivierung auf einen hohen Wert. Die
Lichtfrequenzsteuereinheit 30 führt die Frequenzsteuerung gemäß dem obengenannten
Lichtdiskriminatorsignal aus.
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3 zeigt
die grundlegende Struktur der Frequenzsteuereinheit 30,
die einen Flip-Flop 31 mit Setz- und Rücksetzeigenschaft aufweist.
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Von einem Oszillator 32 wird
ein Referenztaktsignal (mit der Referenzfrequenz f(1) an einen Takteingangsanschluß (CK) des
Flip-Flops 31 eingegeben. Das Referenztaktsignal und das
obenerwähnte
Lichtdiskriminatorsignal werden über
ein UND-Gatter 33 dem
Setzanschluß (S)
des Flip-Flops 31 zugeführt.
Das Lichtdiskriminatorsignal wird außerdem dem Reset-Anschluß (R) des
Flip-Flops 31 zugeführt.
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Das Ausgangssignal von dem Anschluß Q des
Flip-Flops 31 wird über
die obenerwähnte
Treibersteuereinheit 7B gesendet, um als Schaltsteuersignal
für die
FETs verwendet zu werden. Das Ausgangssignal von dem Anschluß Q des
Flip-Flops 31 wird dem Eingangsanschluß D zugeführt.
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6 zeigt
ein Zeitdiagramm zum Erklären des
Betriebs der Frequenzsteuereinheit 30. In der Darstellung
bezeichnet So(27) das Lichtdiskriminatorsignal, Scl(32) das Referenztaktsignal,
So(33) das Ausgangssignal des UND-Gatters 33 und So(31)
das Q-Ausgangssignal des Flip-Flops 31.
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Wenn festgestellt wird, daß das Lichtdiskriminatorsignal
So (27) einen L-Pegel hat, d.h. daß die Lampe 10 deaktiviert
ist, wird das L-Pegelsignal dem Resetanschluß des Flip-Flops 31 zugeführt. Somit
ist das Q-Ausgangssignal So(31) des Flip-Flops 31 ein Signal, welches
durch Frequenzdivision des Referenztaktsignals durch 2 erhalten
wird (unter Annahme, daß f2
die Frequenz dieses Signals ist, ergibt sich somit f2 = f1/2).
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Wenn festgestellt wird, daß das Lichtdiskriminatorsignal
So(27) einen H-Pegel hat, d.h. daß die Lampe 10 aktiviert
ist, wird das H-Pegelsignal dem Resetanschluß des Flip-Flops 31 zugeführt. Somit wird
das Flip-Flop 31 synchron mit dem Referenztaktsignal gesetzt,
so daß das
Referenztaktsignal als Q-Aus gangssignal So(31) des Flip-Flops 31 ausgegeben
wird.
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Aus der obigen Beschreibung dürfte klar sein,
daß die
Lichtfrequenzsteuereinheit 30 ein Rechteckwellensignal
mit einer Referenzfrequenz f2 (< f1)
ausgibt, bevor die Lampe 10 aktiviert ist und ein Rechteckwellensignal
mit der Referenzfrequenz f1 nach der Aktivierung der Lampe 10 ausgibt.
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Wie oben beschrieben wurde, weist
die Zeitsteuerung der Erzeugung des Startpulses in dem Lichtschaltkreis 1 eine
gewisse Korrelation mit der Polarität der der Lampe 10 zugeführten Rechteckwelle
auf. Es wurde erkannt, daß wenn
der erzeugte Startpuls ein positives Potential aufweist, wie dies durch
den Pfeil A in 4 angedeutet
ist, der Übergang
von der Glühentladung
zur Bogenentladung leichter vonstatten geht, wenn die Spannung V(2)
auf der Leistungsversorgungsleitung 15(2) einen H-Pegel
aufweist (und die Spannung V(1) auf der Leistungsversorgungsleitung 15(1) einen
L-Pegel aufweist), als in dem Fall, daß der Startpuls mit entgegengesetzter
Phase erzeugt wird. Basierend auf diesem Wissen, wird der Lichtschaltkreis 1 so
ausgelegt, daß sich
die Wahrscheinlichkeit der Erzeugung des Startpulses in der Dauer
des H-Pegels von V(2) erhöht.
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7 ist
ein Zeitdiagramm zum Erklären
der Erzeugung des Startpulses. In dem Diagramm bezeichnet V(2) die
Ausgangsspannung, die mit der Spannungsquellenleitung 15 (2)
assoziiert ist, V(1) bezeichnet die Ausgangsspannung, die mit der Spannungsquellenleitung 15(1) assoziiert
ist, Vc(25) bezeichnet die Anschlußspannung des Kondensators 13 und
Vdiff(1,11+) bezeichnet die Potentialdifferenz zwischen der Leistungsversorgungsleitung 15(1) und
dem positiven Anschluß der
Konstantspannungsquelle 11.
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Wie gezeigt, stellen sowohl V(2)
als auch V(1) rechteckförmige
Ausgangssignale mit einer Amplitude v dar, sie weisen jedoch entgegengesetzte Phase
auf.
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Wird angenommen, daß die Spannung
der Konstantspannungsquelle 11e ist (> v), so steigt die Anschlußspannung
Vc(25) des Kondensators 13 zur Maximalspannung e + v mit
einer Zeitkonstante, die durch die Kapazität des Kondensators 13 und
durch den Widerstand 16 bestimmt wird. Der Kondensator 13 wird
jedoch nur in der Periode geladen, in der V(2) einen HPegel aufweist,
und wenn die Anschlußspannung
Vc(25) sich der Spannung e annähert.
Keine Ladung des Kondensators 13 findet statt, während V(2)
sich auf L-Pegel befindet.
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Mit anderen Worten, weist die Potentialdifferenz
Vdiff(1,11+) zwischen dem positiven Anschluß der Konstantspannungsquelle 11 und
der Spannungsquellenleitung 15(1) eine rechteckige Wellenform
auf, die ein Peak von e + v während
der H-Pegeldauer von V(2) und einen unteren Wert von e – v während der
Dauer des L-Pegels von V(2) aufweist. Nachdem die Anschlußspannung
des Kondensators 13 e – v überschreitet,
wird der Kondensator 13 nur während der H-Pegeldauer von
V(2) geladen, und die Anschlußspannung
des Kondensators 13 erhöht
sich allmählich.
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Durch Auswahl des Durchbruchschaltelements 14,
welches bei der Spannung v leitet, würde die Anschlußspannung
Vc(25) des Kondensators 13 die Spannung v theoretisch zu
dem in 7 mit x markierten
Zeitpunkt überschreiten,
so daß der
Startpuls erzeugt wird, und diese Zeitsteuerung ist auf die H-Pegeldauer
von V(2) beschränkt.
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Aufgrund des verzögerten Leitens des Durchbruchschaltelements 14 kann
der Zeitpunkt, zu dem der Startpuls tatsächlich erzeugt wird, verzögert werden,
so daß die
Polarität
der Rechteckwelle wechselt und der Startpuls in der L-Pegelfauer
von V(2) erzeugt wird.
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Die 8A und 8B stellen die Beziehung zwischen
der Licht frequenz und der Erzeugung der Zeitsteuerung für den Startpuls
dar. 8A zeigt den Fall
(F1), bei dem die Lichtfrequenz groß ist, während 8B den Fall (F2) zeigt, bei dem die Lichtfrequenz gering
ist.
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Wenn angenommen wird, daß die Verzögerung der
Leitung des Durchbruchsschaltelements 14 Δt ist, so
ist die Wahrscheinlichkeit, daß der
Startpuls dann erzeugt wird, wenn die H-Pegel-Dauer von V(2) beendet
ist, proportional zur Lichtfrequenz.
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Mit anderen Worten ist, unter der
Voraussetzung, daß die
zur Höchstfrequenz
F1 korrespondierende Periode 2 × T1
ist, die Wahrscheinlichkeit, daß der
Startpuls innerhalb der Periode T1, wo V(2) einen hohen Pegel aufweist,
erzeugt wird (T1 – Δt)/T1, wie aus 1A ersichtlich ist. Dies
liegt daran, daß die Zeitsteuerung
zur Erzeugung des Startpulses auf die Periode beschränkt ist,
die mit der Periode T1 beginnt, bei der V(2) bereits zu einem Zeitpunkt
einen H-Pegel aufweist, der um Δt
vor dem Endpunkt der Periode T1 liegt.
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Wenn die Lichtfrequenz gering ist
und angenommen wird, daß die
mit der Lichtfrequenz F2 korrespondierende Periode 2 × T2 ist,
ist die Wahrscheinlichkeit, daß der
Startpuls innerhalb der H-Pegeldauer T1 von V(2) erzeugt wird (T2 – Δt)/T1, wie dies
aus 8B ersichtlich ist.
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Da T1 < T2 ist, gilt (T1 – Δt)/T1 < (T2 – Δt)/T2.
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Die Wahrscheinlichkeit, daß der Startpuls außerhalb
der H-Pegeldauer von V(2) erzeugt wird, beträgt in dem in 8A gezeigten Fall Δt/T1, in dem in 8B gezeigten Fall Δt/T2. Obige Gleichung kann auch
wie folgt ausgedrückt
werden: Δt/T1 > Δt/T2. Das heißt, daß aufgrund
der inversen proportionalen Beziehungen zwischen dem Zyklus und
der Frequenz die Wahrscheinlichkeit der Erzeugung des Startpulses
außerhalb
der H-Pegeldauer von V(2) proportional der Lichtfrequenz ist.
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Für
den Fall, daß Δt 0,1 ms,
F1 = 500 Hz (T1 = 1 ms) F2 = 250 Hz (T2 = 2 ms), Δt/T1 0,1
und Δt/T2 0,05
ist, beträgt
die Wahrscheinlichkeit, daß der Startpuls
außerhalb
der H-Pegeldauer
von V(2) erzeugt wird, 10 % bzw. 5 %.
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Da angenommen werden kann, daß die Referenzfrequenz
f2 der Rechteckwelle vor Aktivierung der Lampe mit dem obengenannten
F2 korrespondiert und die Referenzfrequenz f1 der Rechteckwelle nach
der Aktivierung der Lampe mit obengenanntem F1 in der oben beschriebenen
Lichtfrequenzsteuereinheit 30 korrespondiert, wird die
Wahrscheinlichkeit, daß der
Startpuls außerhalb
der H-Pegeldauer von V(2) erzeugt wird, vor Aktivierung der Lampe
geringer.
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Wenn die Lampe einmal eingeschaltet
ist, ist es unnötig,
den Startpuls zu erzeugen, so daß der Brückenschaltkreis 7A mit
der Frequenz f1 gesteuert werden sollte, bei der die Lichtstabilität besser
ist.
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Der Entladungszustand ist während einer kleinen
Zeit, nachdem die Halogenidlampe 10 angeschaltet wurde,
instabil. Wenn der Lampenstrom während
dieser Zeit versucht, den Nulldurchgang zu passieren, kann die Polarität nicht
invertiert werden, und der Lampenstrom kann zu Null werden, was
das Erlöschen
der Lampe 10 zur Folge hat.
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Um diesen Nachteil zu beheben, ist
es wünschenswert,
eine Zeitdauer für
die Gleichspannungs-Versorgung der Entladungslampe (im folgenden
Gleichspannungs-Beleuchtungsperiode genannt) zwischen F1 und F2
vorzusehen, so wie dies in 9 gezeigt
ist und die Lichtfrequenz nicht direkt von F2 auf F1 zu ändern, um
das Brennen der Lampe sicherzustellen. Das heißt, die Lichtsteuerung wird
so ausgeführt,
daß der
Entladungslampe eine Gleichspannung zugeführt wird, während der Beleuchtungszustand
der Entladungslampe noch insta bil ist und daß die Lichtfrequenz auf F1
geändert
wird, nachdem diese Gleichspannungs-Beleuchtungsperiode vergangen
ist.
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10 verdeutlicht
die Struktur der Lichtsteuereinheit 30A für diese
Steuerung.
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Die Lichtsteuereinheit 30A enthält einen
Oszillator 34, Flip-Flops 35 und 36 und
einen Zähler 37.
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Der Oszillator 34 erzeugt
ein Referenztaktsignal (mit der Referenzfrequenz f3) und sendet
dieses Signal zum Takteingangsanschluß (CK) des Flip-Flops 35 und
zu den zwei Eingangs-UND-Gattern 38 und 39.
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Das Flip-Flop 35 ist ein
D-Flip-Flop vom Setz- und Rücksetztyp,
welches das Lichtdiskriminatorsignal an seinem Reset-Anschluß R empfängt.
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Der Zähler 37 weist einen
Takteingangsanschluß auf
(bezeichnet mit CK -, welcher andeutet, daß es sich um eine negative
Flankentriggerung handelt). Der Signalausgang von dem Ausgangsanschluß (Q8) einer
vorgegebenen Anzahl von Stufen wird durch einen NOT-Gatter 40 invertiert,
und das invertierte Signal wird zu dem UND-Gatter 39 zugeführt, welches
das logische Produkt dieses Signals und des Referenztaktsignals
bildet. Das resultierende Signal wird dem Takteingangsanschluß CK - des Zählers 37 zugeführt. Das
UNDGatter 38 erhält
das logische Produkt des Zählerausgangs
von dem Ausgangsanschluß Q8
des Zählers 37 und
das Referenztaktsignal und gibt das resultierende Signal an den
Setz-Anschluß (S)
des Flip-Flops 35 weiter.
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Das Q-Ausgangssignals des Flip-Flops 35 wird
an den Takteingangsanschluß (CK)
des D-Flip-Flops 36 der nachfolgenden Stufe weitergegeben,
während
das Q --Ausgangssignal des Flip-Flops 35 an den D-Eingangsanschluß des Flip-Flops 35 direkt
und an den Rücksetzanschluß R des
Zählers 37 über ein NOT-Gatter 41 angelegt
wird.
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Der D-Eingangsanschluß und der Q --Ausgangsanschluß des FlipFlops 36 sind
miteinander verbunden, und das Q-Ausgangssignal und das Q-Ausgangssignal
werden entsprechend an die Totzeit-Steuereinheiten 42 und 42' gesendet.
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Da die Totzeit-Steuereinheiten 42 und 42' die gleiche
Struktur aufweisen, wird im folgenden lediglich die Struktur der
Totzeit-Steuereinheit 42 diskutiert. Das Eingangssignal
wird zum einen einem der Eingangsanschlüsse eines 2-Eingangs-UND-Gatters 43 direkt
zugeführt
und zum anderen dem anderen Anschluß des NAND-Gatters 43 über einen
Integrator 44, bestehend aus einem Widerstand und einem Kondensator,
zugeführt.
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Die Komponenten der Totzeit-Steuereinheit 42' entsprechen
denen der Steuereinheit 42 und die Bezugzeichen sind jeweils
mit "'" gekennzeichnet.
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Die 11 und 12 zeigen Zeitdiagramme zur Erläuterung
des Betriebs der Lichtfrequenzsteuereinheit 30A. 11 zeigt Signale an bestimmten
Abschnitten der Lichtfrequenzsteuereinheit 30A vor Aktivierung
der Lampe, und 12 zeigt
die Signale den entsprechenden Abschnitten nach Aktivierung der
Lampe.
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In den Darstellungen bedeutet S(34)
ein Referenztaktsignal, S–o(35) das Q-Ausgangssignal
des Flip-Flops 35, So(37) das Q8-Ausgangssignal des Zählers 37,
So(35) das Q-Ausgangssignal des Flip-Flops 35, S–o(36)
das Q-Ausgangssignal des Flip-Flops 36,
S o(36) das Q --Ausgangssignals des Flip-Flops 36, So(42)
das Ausgangssignal der Totzeit-Steuereinheit 42 und So(42') das Ausgangssignal
der Totzeit-Steuereinheit 42'.
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Wie bereits erwähnt, bezeichnet So(27) das Lichtdiskriminatorsignal.
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Vor Aktivierung der Lampe weist das
Lichtdiskriminatorsignal einen L-Pegel auf, wie dies in 11 gezeigt ist, so daß das Flip-Flop 35 nicht
zurückgesetzt
wird und das Q-Ausgangssignal So(35) des Flip-Flops 35 dem
Referenztaktsignal, dividiert durch den Faktor 2, entspricht.
Das Q-Ausgangssignals So(35) wird durch das Flip-Flop 36 in
der nachfolgenden Stufe erneut durch 2 geteilt. Die Referenzfrequenz
des frequenzdividierten Signals entspricht der vorher genannten
Frequenz F2. Während
dieser Periode wird der Zähler 37 durch
das invertierte Signal des Q --Ausgangssignals S–o(35)
zurückgesetzt gehalten,
so daß das
Ausgangssignal So(37) des Zählers 37 einen
L-Pegel aufweist, wodurch das Ausgangssignal des UND-Gatters 38 auf
einen L-Pegel gelegt wird.
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Wenn die Lampe angeschaltet ist,
wodurch das Lichtdiskriminatorsignal auf H-Pegel gesetzt wird, wie
dies in 12 gezeigt ist,
und das Lichtdiskriminatorsignal dem Rücksetzanschluß des Flip-Flops 35 zugeführt wird,
so wird das Q --Ausgangssignal S–o(35) des Flip-Flops 35 auf
H-Pegel gelegt. Dadurch wird der Rücksetzeingang des Zählers 37 freigegeben,
wodurch der Zähler 37 mit
dem Zählen
des Referenztaktsignals beginnt. Wenn das Ausgangssignal So(37)
des Zählers 37 auf
H-Pegel liegt, wird sein invertiertes Signal zum UND-Gatter 39 gesendet,
wodurch die Zähleroperation
des Zählers 37 verhindert
wird. Das Ausgangssignal So(37) des Zählers 37 wird daher
auf H-Pegel gelegt. Dementsprechend wird das mit dem Referenztaktsignal
synchrone Signal dem Setzanschluß des Flip-Flops 35 zugeführt, dessen
Q-Ausgangssignal So(35) eine Rechteckwellenform mit der Referenzfrequenz
f3 aufweist. Dieses Q-Ausgangssignal So(35) wird durch das Flip-Flop 36 in
der nachfolgenden Stufe durch den Faktor 2 geteilt. Die
Referenzfrequenz des frequenzdividierten Signals entspricht dem
obengenannten F1.
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Das Q-Ausgangssignal des Flip-Flops 36 erhält während der
mit Tdc gekennzeichneten Periode einen H-Pegel. Diese Periode Tdc
entspricht der Gleichspannung-Lichtperiode.
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Die Signale S o(35) und So(35) weisen
aufgrund der Beschaffenheit des Flip-Flops 35 keine entgegengerichteten
Phasen auf.
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Das Q-Ausgangssignal und das Q --Ausgangssignal
des Flip-Flops 36 werden
entsprechend den Totzeit-Stuereinheiten 42 und 42' zugeführt, welche
die logischen Produkte dieser Signale und die entsprechenden Verzögerungssignale
erhalten. Als Ergebnis werden die Rechtecksignale so geformt, daß sie Totzeiten
aufweisen, und die resultierenden Signale werden der Treibersteuereinheit 7B des Wechselrichters 7 zugeführt.
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Die Treibersteuereinheit 7B weist
eine Struktur auf, wie sie in 13 gezeigt
ist, und enthält N-Kanal-MOSFETs 45 und 46,
deren Source-Anschlüsse
mit Masse verbunden sind. Diese MOSFETs dienen zum Steuern der Halbleiter-Schaltelemente 7(1) und 7(3).
Das Ausgangssignal So(42) der Totzeit-Steuereinheit 42 wird
dem Gate-Anschluß des
FETs 45 über
ein komplementäres
Transistorpaar 47 zugeführt.
Das Ausgangssignal So(42')
der Totzeit-Steuereinheit 42' wird
dem Gate des FETs 46 über
ein komplementäres
Transistorpaar 48 zugeführt.
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Das Ausgangssignals So(42) der Totzeit-Steuereinheit 42 wird
durch ein NOT-Gatter 49 invertiert und als Steuersignal
dem Halbleiterschaltelement 7(4) über ein komplementäres Tansistorpaar 50 zugeführt. Das
Ausgangssignal So(42')
der Totzeit-Steuereinheit 42' wird durch
ein NOT-Gatter 52 invertiert und als Steuersignal dem Halbleiterschaltelement 7(2) über ein
komplementäres
Transistorpaar 51 zugeführt.
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Entsprechend werden die Schaltoperationen des
Paares von Halbleiterschaltelementen 7(1) und 7(3) und
des Paares der Halbleiterschaltelemente 7(2) und 7(4) reziprok
zueinander mit vorgegebenen Totzeiten gesteuert. Da So(42) während der
Gleichspannungs-Beleuchtungsperiode ein H-Pegelsignal ist und So(42') ein L-Pegelsignal
ist, sind die Halbleiterschaltelemente
7(1) und 7(4) ausgeschaltet
und die Halbleiterschaltelemente 7(2) und 7(3) angeschaltet,
so daß der
Ausgang des Gleichspannungswandlers 6 direkt der Halogenidlampe 10 zugeführt wird.
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Entsprechend der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
für eine
Hochdruck-Entladungslampe für
Fahrzeuge wird der EIN-Zustand und der AUS-Zustand der Entladungslampe
bestimmt und die Lichtfrequenz derart geändert, daß die Frequenz des Rechteckwellenausgangs
von dem Wechselrichter vor Aktivierung der Entladelampe geringer wird
als die Frequenz der Rechteckwelle nach Aktivierung der Entladungslampe.
Dies reduziert die Häufigkeit
einer Fehlabstimmung zwischen der Erzeugungszeit des Startpulses
und der Phase der Rechteckwelle, die durch die verzögerte Leitung
des Durchbruchschaltelements bewirkt wird.
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Wenn die Gleichspannungs-Beleuchtung
der Entladungslampe in der Periode des Übergangs von dem AUS-Zustand
in den EIN-Zustand durchgeführt wird,
kann der Betrieb der Entladungslampe verbessert werden.
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Obwohl des Verhältnis der Beleuchtungsfrequenz
vor Aktivierung der Entladungslampe zu der Beleuchtungsfrequenz
nach Aktivierung der Entladungslampe auf 1 : 2 gesetzt wurde, kann
auch ein beliebiges Verhältnis
1 zu N gewählt
werden.