DE69207740T2 - Selbstschwingende Schaltung zum Betrieb einer Entladungslampe, insbesondere an Bord eines Kraftfahrzeuges - Google Patents

Selbstschwingende Schaltung zum Betrieb einer Entladungslampe, insbesondere an Bord eines Kraftfahrzeuges

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Description

  • Diese Erfindung betrifft einen selbstschwingenden Schaltkreis für die Ansteuerung einer Gasentladungslampe, besonders für die Verwendung in Scheinwerfern oder Suchscheinwerfern von Kraftfahrzeugen.
  • Im besonderen betrifft die Erfindung einen selbstschwingenden Schaltkreis, der enthält:
  • - einen Inverter, der zwei Schaltkreiszweige besitzt, die mit einer Gleichspannungsquelle verbunden werden können und entsprechende elektronische Schalter aufweisen, die mit einer entsprechenden Primärwicklung in Serie liegen; wobei die Primärwicklungen der Schaltkreiszweige induktiv mit derselben Sekundärwicklung gekoppelt sind, die mit der Lampe verbunden ist;
  • - eine Impedanz, die als Funktion der Frequenz veränderbar ist und mit der Lampe in Serie liegt; und
  • - eine Steuerstufe, die dazu dient, um die elektronischen Schalter abwechselnd so leitend zu machen, daß an den Anschlüssen der Sekundärwicklung eine Wechselspannung entwickelt wird, wobei die Steuerstufe einen Steuereingang besitzt, der dazu dient, um ein Steuersignal zu empfangen, um die Frequenz der Wechselspannung so zu ändern, daß eine entsprechende Änderung der Impedanz und damit eine Änderung des Stroms hervorgerufen wird, der durch die Lampe fließt;
  • - einen Stromabtastwiderstand, der mit der Lampe in Serie liegt und mit der Steuerstufe verbunden ist;
  • - wobei die Steuerstufe eine Signalverarbeitungsstufe aufweist, die mit den Anschlüssen des Widerstands verbunden ist und dazu dient, um an ihrem Ausgang ein Rechtecksignal mit der gleichen Frequenz wie jenes Signal zu liefern, das an den Anschlüssen dieses Widerstands entwickelt wird.
  • Ein selbstschwingender Schaltkreis für die Ansteuerung einer Gasentladungslampe, wie er oben erwähnt wurde, ist in der fruheren europäischen Patentanmeldung 92830358.5 beschrieben. Bei diesem Schaltkreis ist die Signalverarbeitungsstufe so aufgebaut, um ein erstes und zweites Rechtecksignal zu liefern, das jeweils in Phase und in Gegenphase zu jenem Signal liegt, das an den Anschlüssen des Stromabtastwiderstands entwickelt wird. Diese Rechtecksignale werden dazu verwendet, um die Ladung und Entladung von zwei Kondensatoren zu steuern, um ein erstes und ein zweites Sägezahnsignal zu erzeugen, die mit dem ersten bzw. dem zweiten Rechtecksignal in Phase liegen. Die auf diese Weise erzeugten Sägezahnsignale werden mit einem Bezugspegel verglichen, der sich in Abhängigkeit von einem externen Steuersignal ändert. Aufgrund dieses Vergleichs werden Steuersignale für die elektronischen Schalter der beiden Schaltkreiszweige des Inverters erzeugt.
  • Beim oben beschriebenen selbstschwingenden Schaltkreis können Nachteile auftreten, wenn die beiden für die Erzeugung der Sägezahnsignale verwendeten Kondensatoren unterschiedliche Kapazitätswerte besitzen.
  • Gegenstand dieser Erfindung ist es, einen selbstschwingenden Schaltkreis zu liefern, mit dem dieser Nachteil vermieden werden kann. Dieser Gegenstand wird erfindungsgemäß mit einem selbstschwingenden Schaltkreis erreicht, wie er früher erwähnt wurde, wobei das Hauptmerkmal darin liegt, daß die Steuerstufe weiters enthält:
  • - eine zweite Signalverarbeitungsstufe, die einen einzigen Kondensator aufweist, der dazu dient, um ein Dreiecksignal zu liefern, das mit dem Rechtecksignal in Phase liegt; und
  • - eine Vergleicher/Verarbeitungs-Stufe, die dazu dient, um ein erstes und zweites logisches Steuersignal zu erzeugen, das die elektronischen Schalter des ersten und zweiten Schaltkreiszweiges des Inverters auf eine Art leitend macht, die vom Vergleich des Dreiecksignals mit einem Bezugspegel abhängt, der in Abhängigkeit vom externen Steuersignal veränderbar ist.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nun folgenden ausführlichen Beschreibung eines nichteinschränkenden Beispiels und im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, in denen zeigt:
  • Fig.1 das Schaltbild, teilweise als Blockschaltbild, eines selbstschwingenden Schaltkreises gemäß der Erfindung;
  • Fig.2 ein Schaltbild, in dem der innere Aufbau einer Steuerstufe dargestellt ist, die im selbstschwingenden Schaltkreis von Fig.1
  • enthalten ist;
  • Fig.3 ein Schaltbild, in dem der detaillierte Aufbau einer Ausführungsform einer ersten Signalverarbeitungsstufe in der Steuerstufe von Fig.2 dargestellt ist;
  • Fig.4 ein Schaltbild, in dem eine Ausführungsform einer zweiten Signalverarbeitungsstufe und einer Vergleicherstufe dargestellt ist, die in der Steuerstufe von Fig.2 enthalten sind;
  • Fig.5 ein Schaltbild, in dem eine Ausführungsform einer Logikstufe dargestellt ist, die in der Steuerstufe von Fig.2 enthalten ist; und
  • Fig.6 dreizehn beispielhafte Signale, die im Betrieb des Schaltkreises gemäß der Erfindung entwickelt werden.
  • In Fig.1 ist mit dem Bezugszeichen L eine Gasentladungslampe bezeichnet, die im Suchscheinwerfer oder Scheinwerfer eines Kraftfahrzeugs verwendet wird.
  • Dieser Lampe ist eine selbstschwingende Steuerstufe zugeordnet, die einen Inverter aufweist, der allgemein mit der Bezugsziffer 1 versehen ist. Dieser Inverter besitzt zwischen einem Anschluß 2 und Masse zwei Schaltkreiszweige a und b.
  • Diese Schaltkreiszweige weisen jeweils einen MOSFET-Transistor 3a, 3b auf, denen ZENER-Dioden Za und Zb parallel geschaltet sind. Diese Dioden werden herkömmlich von sogenannten "parasitären Dioden" gebildet, die in den MOSFET-Transistoren selbst enthalten sind.
  • Mit der Senken/Quellen-Strecke (drain-source path) der Transistoren 3a, 3b in den beiden Schaltkreiszweigen liegen zwei Primärwicklungen 4a und 4b in Serie. Diese Wicklungen sind mit derselben Sekundärwicklung 5 induktiv gekoppelt, mit der sie einen Transformator bilden, der allgemein mit der Bezugsziffer 6 versehen ist.
  • Die Sekundärwicklung 5 liegt zwischen Masse und der Impedanz 7 eines LC-Resonanzkreises, die mit der Lampe L in Serie liegt.
  • Parallel zur Lampe L liegt ein Kondensator 8.
  • Ein Widerstand 9, der als Fühler dient, um im Betrieb den durch die Lampe L fließenden Strom abzutasten, liegt zwischen der Lampe und Masse.
  • Kehren wir nun zum Inverter 1 zurück. Der Anschluß 2, an dem die Primärwicklungen 4a und 4b liegen, kann mit einer Gleichspannungsquelle Vb (beispielsweise der Batterie des Kraftfahrzeugs) über einen Steuerschalter 10 verbunden werden.
  • Die Steuerelektroden der Transistoren 3a, 3b werden mit entsprechenden Ausgängen einer elektronischen Steuerstufe verbunden, die in Fig.1 allgemein mit der Bezugsziffer 11 versehen ist. Diese Stufe besitzt einen Eingang ha, der dazu dient, um ein externes Steuersignal zu empfangen, das jenen Strom anzeigt, der durch die Lampe L fließen soll. Dieser Strom kann beispielsweise unmittelbar nach dem Einschalten der Lampe größer sein, um deren rasche Aufheizung zu ermöglichen.
  • Wie später ausführlich gezeigt wird, ist der Inverter 1 mit der Gleichspannungsquelle Vb verbunden, wenn der Schalter 10 geschlossen wird.
  • Nunmehr öffnet die Steuerstufe 11 abwechselnd die Transistoren 3a, 3b, wodurch an den Anschlüssen der Sekundärwicklung 5 des Transformators 6 eine Wechselspannung entwickelt wird.
  • Durch diese Spannung fließt ein Wechselstrom durch die Impedanz 7, die Lampe L und den Widerstand 9. Die Steuerstufe 11 bestimmt die Frequenz dieses Wechselstroms in Abhängigkeit von jenem Signal, das an ihrem Steuereingang 11a liegt.
  • Die Impedanz des Resonanzkreises 7 ändert sich mit einer Frequenzänderung der Wechselspannung, die in der Sekundärwicklung 5 erzeugt wird. Damit wird eine entsprechende Änderung in jenem Wechselstrom hervorgerufen, der durch die Lampe und den Widerstand 9 fließt.
  • In Fig.2 und 6 ist der durch den Widerstand 9 fließende Strom mit dem Bezugszeichen IL versehen. Dieser Strom ist im wesentlichen jenem Strom gleich, der durch die Lampe L fließt.
  • Die Steuerstufe 11 weist eine Signalverarbeitungsstufe 12 auf, um das Signal IL zu verarbeiten.
  • Wie aus der folgenden Beschreibung besser ersichtlich wird, ist die Stufe 12 so aufgebaut, um an ihrem Ausgang zwei Rechtecksignale B und C mit derselben Frequenz wie das Signal IL zu liefern, die dazu jedoch in Phase und in Gegenphase liegen.
  • Das Signal B wird an den Eingang einer zweiten Signalverarbeitungsstufe gelegt, die in Fig.2 allgemein mit der Bezugsziffer 13 versehen ist.
  • Diese Stufe liefert an ihrem Ausgang eine Dreieckschwingung oder ein Sägezahnsignal mit der doppelten Frequenz des Signals B, wobei es in Fig.2 und 6 mit dem Bezugszeichen D versehen ist.
  • Der Ausgang der Stufe 13 liegt an einer Vergleicherstufe 14, die das Signal D mit einem Bezugssignal sa vergleicht, das in Abhängigkeit vom externen Steuersignal veränderbar ist, das am Eingang 11a der Steuerstufe 11 liegt.
  • Die Vergleicherstufe 14 liefert an ihrem Ausgang ein Signal E (Fig.6), das an einen Eingang einer Logikstufe 15 gelegt wird, an der auch das Signal C liegt. Aufgrund der Signale E und C liefert die Logikstufe 15 an ihrem Ausgang zwei Signale J und K, die an die Steuerelektroden der Transistoren 3a und 3b gelegt werden, um deren Stromdurchgang zu steuern.
  • In Fig.3 ist eine Ausführungsform der Verarbeitungsstufe 12 für die Verarbeitung jenes Signals dargestellt, das an den Anschlüssen des Widerstands 9 entwickelt wird.
  • Bei dieser Ausführungsform weist die Stufe 12 ein RC-Eingangsfilter 16 auf, dem eine Verstärkerstufe 17 folgt, die von einem Operationsverstärker 18 gebildet wird, der das empfangene Signal verstärkt und dessen Pegel (durch eine Versetzung) verschiebt, um dieses Signal zu einem gleichgerichteten Signal zu machen, das beispielsweise vollkommen positiv ist.
  • Der Verstärkerstufe 17 folgt eine Rechteckformerstufe 19, die auf bekannte Art von einem Vergleicher 20 gebildet wird. Im Betrieb erhält man am Ausgang der Stufe 19 ein Signal A (Fig.3 und 6), bei dem es sich um eine Rechteckschwingung handelt, die dieselbe Frequenz wie das Signal IL besitzt und mit diesem in Phase ist.
  • Der Ausgang der Rechteckformerstufe 19 ist mit dem Eingang einer Logikstufe 21 verbunden, die bei der gezeigten beispielhaften Ausführungsform einfach zwei exklusive ODER-Gatter 22 und 23 enthält. Das exklusive ODER-Gatter 22 liegt mit einem Eingang am Ausgang der Rechteckformerstufe 19 und mit dem anderen Eingang an Masse.
  • Das exklusive ODER-Gatter 23 liegt mit einem Eingang am Ausgang der Rechteckformerstufe 19, während der andere Eingang mit einer Gleichspannungsquelle VCC verbunden ist, die dem logischen Pegel "hoch" entspricht.
  • Diese exklusiven ODER-Gatter 22 und 23 liefern an ihren Ausgängen daher Signale, die in Fig.3 und 6 mit den Bezugszeichen B und C versehen sind. Das Signal B besitzt die gleiche Frequenz wie das Signal A und liegt mit diesem in Phase, während das Signal C zum Signal B gegenphasig liegt.
  • Bei der in Fig.4 gezeigten Ausführungsform weist die Stufe 13 zwei monostabile Stufen 24, 25 auf, an deren Eingang das Signal B direkt bzw. über einen Inverter 26 gelegt wird. Im Betrieb geben diese monostabilen Stufen an ihrem Ausgang in Übereinstimmung mit jeder ansteigenden Flanke jenes Signals einen schmalen Impuls ab, das an ihrem Eingang liegt.
  • Die Ausgänge der monostabilen Stufen 24 und 25 liegen an den Eingängen eines exklusiven ODER-Gatters 27.
  • Im Betrieb tritt daher am Ausgang des exklusiven ODER-Gatters 27 ein Impuissignal auf, das in Fig.6 dargestellt ist. Dieses Signal besitzt im besonderen einen Impuls, der mit jedem Nulldurchgang des Stroms IL im Widerstand 9 übereinstimmt.
  • Der Ausgang des exklusiven ODER-Gatters 27 ist mit dem Eingang 28a einer bistabilen D-Stufe (Flip-Flop) 28 verbunden.
  • Der Q und Ausgang dieser bistabilen Stufe sind mit den Steuereingängen von zwei elektronischen Schaltern 29 und 30 verbunden, die mit entsprechenden Stromgeneratoren 31 und 32 zwischen einem Verbindungspunkt 33 und Masse in Serie liegen.
  • Zwischen dem Verbindungspunkt 33 und Masse liegt ein Kondensator, der mit dem Bezugszeichen CO versehen ist.
  • Wenn im Betrieb die Ausgänge Q und der bistabilen Stufe 28 auf dem Pegel "1" liegen ist der entsprechende elektronische Schalter 30 (29) leitend, wobei er den Stromgenerator 32 (31) mit dem Kondensator CO verbindet.
  • Der Stromgenerator 32, der später als Entladungsgenerator bezeichnet wird, erzeugt einen Gleichstrom, der gegen Masse fließt. Der Generator 31, der später als Ladegenerator bezeichnet wird, erzeugt einen Gleichstrom, der zum Verbindungspunkt 33 fließt.
  • Der Verbindungspunkt 33 ist weiters mit dem Eingang eines Vergleichers 34 verbunden, der bei der gezeigten beispielhaften Ausführungsform ein nichtinvertierender Vergleicher ist. Dieser Vergleicher vergleicht den Wert der Spannung (gegen Masse) am Kondensator CO mit einem konstanten Bezugswert, der von einem Generator VS erzeugt wird. Wenn die Spannung am Kondensator CO unter den Wert VS fällt, legt der Ausgang des Vergleichers 34 einen Rücksetzbefehl an den Rücksetzeingang R der bistabilen Stufe 28.
  • Im Betrieb verursacht jeder Impuls des Signals F, der an der bistabilen Stufe liegt, daß der Ausgang C dieser Stufe auf den "hohen" Pegel steigt. Damit wird der elektronische Schalter 30 "geschlossen", während der Schalter 29 "geöffnet" wird. In dieser Stellung verursacht der Stromgenerator 32 eine teilweise Entladung des Kondensators CO. Diese Entladung dauert an, bis die Spannung am Kondensator CO den unteren Schwellenwert VS erreicht. Wenn dies eintritt, setzt der Vergleicher 34 die bistabile Stufe 28 zurück. Der Ausgang Q dieser Stufe geht auf den "niedrigen" Pegel, wodurch der Schalter 30 "geöffnet" wird, während der Schalter 29 "geschlossen" wird. Der Stromgenerator 31 ist jetzt mit dem Kondensator CO verbunden, wobei er ihn wieder auflädt. Die Wiederaufladung des Kondensators durch den Generator 31 dauert an, bis der nachfolgende Impuls des Signals F eintrifft, der eine neuerliche Änderung der Ausgänge Q und der bistabilen Stufe 28 verursacht.
  • Die Spannung an den Anschlüssen des Kondensators CO nimmt dann eine periodische Anderung in Form einer Sägezahnschwingung an, wie dies die Schwingungsform D in Fig.6 zeigt. Das Sägezahnsignal D wird an den Eingang einer Vergleicherstufe 14 gelegt, die bei der Ausführungsform von Fig.4 aus einem invertierendem Vergleicher besteht. Dieser Vergleicher vergleicht das Signal D mit einem Schwellwertpegel Sa, der sich als Funktion des externen Steuersignals ändert, das am Steuereingang 11a liegt.
  • Damit erhält man am Ausgang des Vergleichers 14 ein Rechtecksignal, das in Fig.6 mit dem Bezugszeichen E versehen ist.
  • Nunmehr wird auf Fig.5 Bezug genommen. Die Signale E und C werden an den Eingang einer Oder-Stufe 36 gelegt, deren Ausgang mit den ersten Eingängen von zwei NICHTUND-Gattern 38 und 39 verbunden ist. Das NICHTUND-Gatter 38 empfängt an seinem anderen Eingang das Signal B. Das NICHTUND-Gatter 39 empfängt an seinem anderen Eingang das Signal C. Im Betrieb erhält man an den Ausgängen der Gatter 36, 38 und 39 die Signale G, H bzw. 1, deren Verlauf in Fig.6 dargestellt ist.
  • Die Ausgänge der NICHTUND-Gatter 38 und 39 sind mit dem Setz-Eingang (5) und dem Rücksetz-Eingang (R) einer bistabilen Stufe 40 verbunden. Bei dieser Stufe handelt es sich um ein herkömmliches D-Flip-Flop mit einem Setz/Rücksetz-Betrieb. Diese Stufe liefert an ihrem Ausgang zwei Signale, deren Schwingungsformen im wesentlichen den Schwingungsformen der Signale H und I entsprechen. Diese Stufe stellt je doch sicher, daß die Umschaltung dieser Signale in der richtigen Reihenfolge auftritt.
  • Die Ausgänge Q und der bistabilen Stufe 40 sind mit den Steuerelektroden der Transistoren 3a und 3b über entsprechende logische Inverter 42 und 43 verbunden.
  • Am Ausgang dieser Inverter erhält man daher die Steuersignale J und K, deren Schwingungsformen in Fig.6 dargestellt sind. Die Signale J und K verursachen eine abwechselnde Leitung der Transistoren 3a und 3b, wie dies bereits oben im Zusammenhang mit Fig.1 erwähnt wurde.
  • Wenn es im Betrieb notwendig ist, daß der durch die Lampe L fließende Strom erhöht werden muß, verursacht das am Eingang 11a der Steuerstufe 11 liegende externe Steuersignal ein Anheben des Schwellwertpegels Sa, der dem Schwellwertvergleicher 14 zugeordnet ist. Dadurch ergibt sich eine Änderung in den Offnungszeiten der Transistoren 3a und 3b. Selbstverständlich bleibt die Grundlage der Erfindung gleich, wobei Ausführungsformen und Details im Aufbau im Hinblick auf die Beschreibung und die Zeichnungen weit verändert werden können, die nur anhand eines nichteinschränkenden Beispiels erfolgte, ohne dadurch vom Bereich dieser Erfindung abzuweichen.
  • Im besonderen kann der Schaltkreis der Erfindung zumindest teilweise unter Verwendung von integrierten Digitalbausteinen oder mit einem Mikroprozessor aufgebaut werden. Anstelle des Sägezahnsignalgenerators können digitale Zähler verwendet werden, besonders hinauf- und hinunterzählende Zähler, sowie Vergleicherstufen, die gleichfalls digital arbeiten.

Claims (2)

1. Selbstschwingender Schaltkreis für die Ansteuerung einer Gasentladungslampe (L), besonders für die Verwendung in einem Kraftfahrzeug, wobei der Schaltkreis enthält:
- einen Inverter (1), der zwei Schaltkreiszweige (a, b) besitzt, die mit einer Gleichspannungsquelle (VB) verbunden werden können und entsprechende elektronische Schalter (3a und 3b) aufweisen, die mit entsprechenden Primärwicklungen (4a, 4b) in Serie liegen; wobei die Primärwicklungen (4a, 4b) der Schaltkreiszweige (a, b) induktiv mit derselben Sekundärwicklung (5) gekoppelt sind, die mit der Lampe (L) verbunden ist;
- eine Impedanz (7), die als Funktion der Frequenz veränderbar ist und mit der Lampe (L) in Serie liegt; und
- eine Steuerstufe (11), die dazu dient, um die elektronischen Schalter (3a, 3b) abwechselnd so leitend zu machen, daß an den Anschlüssen der Sekundärwicklung (5) eine Wechselspannung entwickelt wird; wobei die Steuerstufe (11) einen Steuereingang (11a) besitzt, der dazu dient, um ein Steuersignal zu empfangen, um die Frequenz der Wechselspannung so zu ändern, daß eine entsprechende Änderung der Impedanz (7) und damit eine Änderung des Stroms (IL) hervorgerufen wird, der durch die Lampe (L) fließt;
- einen Stromabtastwiderstand (9), der mit der Lampe (L) in Serie liegt und mit der Steuerstufe (11) verbunden ist;
- wobei die Steuerstufe (11) eine Signalverarbeitungsstufe (12) aufweist, die mit dem Widerstand (9) verbunden ist und dazu dient, um an ihrem Ausgang ein Rechtecksignal (B) mit der gleichen Frequenz wie jenes Signal zu liefern, das an den Anschlüssen dieses Widerstands (9) entwickelt wird;
- wobei der Schaltkreis dadurch gekennzeichnet ist, daß die Steuerstufe (11) weiters enthält:
- eine zweite Signalverarbeitungsstufe (13), die einen einzigen Kondensator (CO) aufweist, der dazu dient, um ein Dreiecksignal (D) zu liefern, das mit dem Rechtecksignal (B) in Phase liegt; und
- eine Vergleicher/Verarbeitungs-Stufe (14, 15), die dazu dient, um ein erstes und zweites logisches Steuersignal (J, K) zu erzeugen, das die elektronischen Schalter (3a, 3b) des ersten und zweiten Schaltkreiszweiges (a, b) auf eine Art leitend macht, die vom Vergleich des Dreiecksignals (D) mit einem Bezugspegel (Sa) abhängt, der in Abhängigkeit vom Steuersignal veränderbar ist.
2. Selbstschwingender Schaltkreis gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Signalverarbeitungsstufe aufweist:
- einen Kondensator (CO),
- eine Stufe (34), um die Spannung an den Anschlüssen des Kondensators (CO) abzutasten, und
- eine Steuerstufe (24-30), die dazu dient, um den Stromgenerator (31, 32) mit dem Kondensator (CO) zu verbinden, um aufeinanderfolgende Lade- und Entlade-Intervalle dieses Kondensators (CO) hervorzurufen; wobei die Steuerstufe so aufgebaut ist, um eine Entladung des Kondensators (CO) immer dann hervorzurufen, wenn der durch die Lampe (L) fließende Strom (IL) einen Nulldurchgang besitzt, bis eine vorgegebene Minimaispannung (VS) am Kondensator (CO) erreicht ist, und dann eine Wiederladung des Kondensators (CO) hervorzurufen, bis ein nachfolgender Nulldurchgang des Stroms (IL) erfolgt.
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