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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung
zum Zünden
einer Hochdruck-Entladungslampe und versehen mit
- – Eingangsklemmen
zum Anschluss an eine Spannungsquelle;
- – einer
mit einem Schalter, einer Primärwicklung eines
Zündübertragers
und kapazitiven Mitteln versehenen Impulsgeneratorschaltung, wobei
die kapazitiven Mittel den Schalter und die Primärwicklung überbrücken; und
- – einer
elektrischen Verbindung zwischen einer Sekundärwicklung des Zündübertragers
und Lampenanschlussklemmen.
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Eine Schaltungsanordnung der eingangs
erwähnten
Art ist aus WO-A- 95/28068
bekannt. Die bekannte Schaltungsanordnung ist zum Zünden einer
Hochdruck-Entladungslampe
geeignet, die eine sehr hohe Zündspannung
hat. Zündimpulse
von genügender
Breite und mit einer Amplitude bis zu 25 kV können mit der bekannten Schaltungsanordnung realisiert
werden. Für
eine optimale Effektivität
der bekannten Schaltungsanordnung wird jedoch gefordert, dass zwei
Resonanzschaltungen aufeinander abgestimmt werden. Die Impulsgeneratorschaltung wirkt
als erste Resonanzschaltung. Die zweite Resonanzschaltung ist die
von der Sekundärwicklung
des Zündübertragers
und der an die Lampenanschlussklemmen angeschlossenen Lampe gebildete
Schaltung. Es ist in der Tat möglich,
auf diese Weise hohe Zündspannungsimpulse
zu bilden, aber ein Nachteil ist, dass ein geringes gegenseitigen
Verstimmen der Resonanzschaltungen bereits stark den maximalen Pegel
des generierten Spannungsimpulses herabsetzt. Ein weiterer Nachteil
ist, dass der Phasenwinkel zwischen den in jeder Resonanzschaltung
erzeugten Spannungen auch bei optimaler gegenseitiger Abstimmung
nicht notwendigerweise ein ganzzahliges Vielfaches von 180° betragen
wird. Dies führt
wiederum zu einer Begrenzung des Pegels des zu generierenden Spannungsimpulses.
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Obwohl es auch möglich ist, die Lampe einige
Zeit, nachdem sie erloschen, aber noch nicht abgekühlt ist,
mittels der bekannten Schaltungsanordnung zu zünden, er weist sich eine zuverlässige unmittelbare
heiße
Wiederzündung
im Allgemeinen als nicht möglich.
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Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, eine
Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art zu verschaffen, bei
der den obigen Nachteilen in beträchtlichem Maße begegnet
wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer
Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten An gelöst, indem
die kapazitiven Mittel eine nichtlineare Kennlinie aufweisen.
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Die Erfindung bietet den Vorteil,
dass der Pegel des generierten Zündspannungsimpulses
weitgehend durch die zweite Resonanzschaltung bestimmt wird. Wegen
der Nichtlinearität
der kapazitiven Mittel wird die Resonanzfrequenz der von der Impulsgeneratorschaltung
gebildeten ersten Resonanzschaltung bei abnehmender Spannung an
den kapazitiven Mitteln abnehmen. Dies führt dazu, dass die Spannung an
der Primärwicklung
des Zündübertragers
mit einer entsprechend abnehmenden Frequenz abfällt, nachdem der Schalter leitend
geworden ist. Eine vorteilhafte weitere Folge hiervon ist, dass
ein generierter Impuls mit einer festen Impulsamplitude im Fall
der Erfindung eine größere Impulsbreite,
und daher einen höheren
Energieinhalt haben wird. Dies ist für eine zuverlässige Zündung einer
angeschlossenen Lampe, und insbesondere für die zuverlässige, nahezu
unmittelbare heiße
Wiederzündung
dieser Lampe günstig.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
hat der Schalter vorzugsweise eine Durchschlagspannung und haben
die kapazitiven Mittel mit der nichtlinearen Kennlinie einen Kapazitätswert bei der
genannten Durchschlagspannung, der höchstens 50% des Kapazitätswertes
bei 0 V beträgt.
Die Schaltungsanordnung ist besonders geeignet zum Zünden einer
Hochdruck-Entladungslampe, die Teil eines Beleuchtungssystems ist,
das Licht nahezu unmittelbar nach dem Einschalten liefern muss,
wie es bei PTV und in Scheinwerfersystemen für Kraftfahrzeuge der Fall ist.
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Die Verwendung kapazitiver Mittel
mit nichtlinearer Kennlinie hat im Allgemeinen den weiteren Vorteil,
dass im Vergleich zu der bekannten Schaltungsanordnung eine anfänglich kleinere
Kapazität genügen kann.
Dies geht im Allgemeinen mit entsprechend kleineren Abmessungen
der kapazitiven Mittel einher, was den Vorteil hat, dass im Vergleich zu
der bekannten Schaltungsanordnung eine Miniaturisierung der Schaltungsanordnung
möglich
ist, während
die Impulsbreite und die Impulshöhe
erhalten bleiben.
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Wenn die kapazitiven Mittel mit der
nichtlinearen Kennlinie nicht parallel zum Schalter, wie bei der Erfindung,
sondern dazu in Reihe angeschlossen sind, führt dies zu einer Erhöhung der
Resonanzfrequenz der ersten Resonanzschaltung, wenn der Schalter
leitend wird. Daher wird die Amplitude des generierten Spannungsimpulses
zumindest ebenso stark durch die Resonanzfrequenz der ersten Resonanzschaltung
beeinflusst wie bei der Schaltungsanordnung nach dem Stand der Technik.
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Vorzugsweise ist eine Abstimminduktivität mit dem
Schalter und mit der Primärwicklung
in Reihe geschaltet. Eine sehr effektive Abstimmung zwischen Höhe und Breite
des von der Schaltungsanordnung zu generierenden Impulses kann in
einfacher Weise durch die Wahl des Wertes der Abstimminduktivität erreicht
werden. Obwohl eine solche Abstimmung theoretisch mittels einer
geeigneten Wahl des Wicklungsverhältnisses zwischen der Primär- und der
Sekundärwicklung
des Zündübertragers
realisiert werden kann, führt
eine tatsächliche
Realisierung häufig zu
praktischen Problemen. Die Abstimminduktivität kann sehr vorteilhaft in
Form eines planaren Leiters einer gedruckten Schaltung realisiert
werden, was für eine
noch weitergehende Miniaturisierung sehr günstig ist.
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Die obigen und weitere Aspekte der
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1 ein
Schema einer Schaltung zum Zünden
und Betreiben einer Lampe, die mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
versehen ist,
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2 ein
Schaltbild der Schaltungsanordnung von 1,
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3 eine
graphische Darstellung eines Spannungsverlaufs in der Schaltungsanordnung
von 2,
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4 eine
graphische Darstellung, vergleichbar der von 3, die sich auf eine Schaltungsanordnung
nach dem Stand der Technik bezieht, und
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5 eine
graphische Darstellung, vergleichbar der von 4, die sich auf eine weitere Schaltungsanordnung
nach dem Stand der Technik bezieht.
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1 zeigt
schematisch ein Scheinwerfersystem für ein Kraftfahrzeug, bei dem
A und B Anschlussklemmen zum Anschließen einer Speisequelle sind,
beispielsweise einer Autobatterie. I gibt ein Schaltnetzteil an,
mit dem eine Kommutatorschaltung II gespeist wird. Die Kommutatorschaltung
wirkt als schaltende Speisequelle, die eine rechteckförmige Speisespannung
liefert. Die Kommutatorschaltung II ist über Eingangsklemmen C und D
mit einer Lampenschaltung V verbunden, die eine Impulsgeneratorschaltung
IV und Lampenanschlussklemmen E und F, zwischen denen eine Lampe
L angeschlossen ist, umfasst. Das Schaltnetzteil I hat Anschlusspunkte
G und H zum Speisen der Impulsgeneratorschaltung IV. Die Lampenschaltung
V wird in 2 als Teil
der Schaltung von 1 gezeigt.
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In 2 ist
die Eingangsklemme C an einen Zündübertrager 1 angeschlossen.
Eine Sekundärwicklung 12 des
Transformators 1 ist einerseits direkt mit der Eingangsklemme
C verbunden. Andererseits ist die Sekundärwicklung 12 mit der
Lampenanschlussklemme E über
eine Selbstinduktivität 51 verbunden
und bildet somit eine elektrische Verbindung zwischen der Sekundärwicklung
des Zündübertragers
und den Lampenanschlussklemmen. Die Eingangsklemme D ist über eine
Selbstinduktivität 52 mit einer
Lampenanschlussklemme F verbunden. Die Eingangsklemmen C und D sind
auch mittels eines Kondensators 53 miteinander verbunden.
Eine Primärwicklung 11 des
Zündübertragers 1,
die Teil der Impulsgeneratorschaltung IV ist, ist mit einem spannungsabhängigen Durchschlagelement 3 zwischen Anschlussklemmen
G und H in Reihe geschaltet. Eine Parallelschaltung aus einem Kondensator 2 und einem
Widerstand 4 überbrückt die
Reihenschaltung aus Primärwicklung 11 und
Durchschlagelement 3. Der Kondensator 2 hat eine
nichtlineare Kennlinie und bildet somit die kapazitiven Mittel mit
nichtlinearer Kennlinie. In Reihe mit dem Durchschlagelement ist
auch eine Abstimminduktivität 5 enthalten,
wodurch die Breite des zu generierenden Impulses festgelegt wird.
Bei der beschriebenen Ausführungsform bildet
die Impulsgeneratorschaltung IV zusammen mit der Sekundärwicklung 12 und
den Selbstinduktivitäten 51 und 52 die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung.
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Bei einer praktischen Realisierung
des Scheinwerfersystems für
ein Kraftfahrzeug gemäß der beschriebenen
Ausführungsform
ist die Schaltungsanordnung zum Zünden und Betreiben einer Hochdruck-Entladungslampe
sowohl vom DS2- als auch vom D2R-Typ geeignet, beide vom Hersteller Philips,
mit einer Nennleistung von 35 W und einer Nennlampenspannung von
85 V. Die Lampe hat eine Heißwiederzündspannung
von höchstens
23 kV. Die Lampe hat einen Lampensockel, der eine Spannung von höchstens
34 kV aushalten kann. Die Schaltungsanordnung ist für einen
Nennzündspannungsimpuls
von 27 kV entworfen.
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Das Schaltnetzteil I ist vom Flyback-Typ
und bildet aus einer Autobatteriespannung von 12 V eine offene Spannung
an den Anschlussklemmen G und H von 800 V=.
Der Kondensator mit der nichtlinearen Kennlinie 2 ist ein
Keramikkondensator, Typ X7R, Hersteller AVX, der bei 0 V einen Kapazitätswert von 144
nF und bei 800 V einen Wert von 47% des Wertes bei 0 V hat, d. h.
68 nF. Der Kondensator wird durch einen Widerstand 4 von
1,5 MΩ überbrückt, der
dazu dient, ein Wegfließen
der Restladung des Kondensators 2 zu ermöglichen.
Das Durchschlagelement 3 ist eine Funkenstrecke, Hersteller
Siemens, mit einer Durchschlagspannung von 800 V. Der Zündübertrager 1 ist
aus einem Ferritkern mit einer Primärwicklung von drei Windungen
mit einer Selbstinduktivität
von 320 nH und einer Sekundärwicklung von
120 Windungen mit einem Selbstinduktivitätwert von 550 μH aufgebaut.
Zwischen den Primär-
und den Sekundärwicklungen
herrscht eine magnetische Kopplung mit einem Kopplungsfaktor k von
0,85. Die Abstimminduktivität 5 beträgt 108 nH.
Der Kondensator 53 von 1,5 nF stellt einen Schutz für die Kommutatorschalter
gegen die in der Schaltungsanordnung generierten Spannungsimpulse
dar. Die Selbstinduktivitäten 51 und 52 haben
einen Wert von 22 μH.
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Eine graphische Darstellung des Spannungsverlaufs
als Funktion der Zeit für
die praktische Realisierung der Schaltungsanordnung wird in 3 gezeigt, wobei die Zeit
auf der horizontalen Achse in ns und die Spannung auf der vertikalen
Achse in kV aufgetragen ist. Kurve 100 in der Darstellung
zeigt die Spannung an der Primärwicklung
als Funktion der Zeit. Kurve 101 zeigt in entsprechender
Weise die Spannung an der Sekundärwicklung.
Für eine
zuverlässige
Zündung
der Lampe wird gefordert, dass der erste Spannungsimpuls an der
Sekundärwicklung den
geforderten hohen Wert sowie einen ausreichenden Energieinhalt haben
sollte. Der erste Impuls in der graphischen Darstellung, mit 102
bezeichnet, hat einen Wert von 25 kV. Die Breite des Impulses dient als
Maß für den Energieinhalt.
Dieses wird vorzugsweise als die Anstiegszeit des Spannungsimpulses zwischen
10% und 90% der Impulsamplitude ausgedrückt. Dieser Wert beträgt bei Impuls 102 100
ns. Aus dem Verlauf von Kurve 100 ist erkennbar, dass die
Spannung an der Primärwicklung
in der Zeit, in der der erste Impuls 102 seinen Maximalwert
erreicht, von 800 V auf 540 V abfällt. Es zeigt sich, dass die
angeschlossene Lampe mittels des so gebildeten Impulses nahezu unmittelbar
nach dem Löschen
in heißem
Zustand wieder zündet.
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Zum Vergleich zeigt 4 eine graphische Darstellung des Spannungsverlaufs
in einer Schaltungsanordnung nach dem Stand der Technik, die sich
von der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
nur dadurch unterscheidet, dass die kapazitiven Mittel einen festen
Kapazitätswert
von 68 nF haben. Aus der Darstellung ist zu erkennen, dass der erste
Spannungsimpuls 202 der Spannung an der Sekundärwicklung,
Kurve 201, einen maximalen Pegel von 23 kV für die gleiche
Anstiegszeit von 100 ns aufweist. Es zeigt sich, dass die Spannung
an der Primärwicklung
während
dieser Zeit von 800 V auf 460 V abfällt, wie aus Kurve 200 ersichtlich
ist. Mit diesem generierten Impuls erfolgt keine zuverlässige unmittelbare
heiße
Wiederzündung
der Lampe. Untersuchungen haben gezeigt, dass eine Anstiegszeit von
105 ns notwendig ist, um eine vergleichbare, zuverlässige, nahezu
unmittelbare Wiederzündung
bei einer Impulsamplitude von 23 kV zu erreichen. Um in dieser Schaltungsanordnung
eine Impulsamplitude von 25 kV zu realisieren, während die Anstiegszeit von
100 ns beibehalten wird, müssen,
wie sich zeigte, die kapazitiven Mittel einen Wert von zumindest 120
nF haben.
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Eine graphische Darstellung in 5, die der von 4 vergleichbar ist, bezieht
sich auf eine weitere Schaltungsanordnung nach dem Stand der Technik,
wobei die Abstimminduktivität
in der Schaltungsanordnung einen Wert von 0 nH hat und die kapazitiven
Mittel einen festen Wert von 68 nF haben. Aus der graphischen Darstellung
ist ersichtlich, dass die Spannung an der Sekundärwicklung, Kurve 301, einen
ersten Spannungsimpuls 302 von 26 kV hat. Dies geht mit
einer Anstiegszeit von nicht mehr als 86 ns einher. Die Spannung
an der Primärwicklung,
Kurve 300, fällt
dabei von 800 V auf 450 V ab. Obwohl die Impulsamplitude des ersten
Spannungsimpulses der von 3 entspricht,
ist die Anstiegszeit erheblich kürzer,
was zu einem wesentlich kleineren Energieinhalt des generierten
Impulses führt.
Es zeigt sich, dass eine zuverlässige,
nahezu unmittelbare heiße
Wiederzündung
dann in der Tat nicht erfolgt. Es ist notwendig, dass die kapazitiven
Mittel einen Wert von zumindest 136 nF erhalten, wenn eine nahezu
unmittelbare heiße
Wiederzündung
mit dieser bekannten Schaltungsanordnung möglich gemacht werden soll.
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Aus Obigem wird deutlich, dass mittels
eines nichtlinearen Kondensators bei einer bestimmten Impulsamplitude
ein Impuls mit größerer Breite
realisiert werden kann. Dies begünstigt
in starkem Maße
eine schnelle Wiederzündung
der Lampe und hat auch den Vorteil, dass der Kondensator verhältnismäßig kleine
Abmessungen haben kann, was weitere Perspektiven hinsichtlich der
Miniaturisierung der Schaltungsanordnung eröffnet.