EP0824848A1 - Leistungssteuerung einer mit wechselstrom betriebenen hochdruckgasentladungslampe, insbesondere für kraftfahrzeuge - Google Patents

Leistungssteuerung einer mit wechselstrom betriebenen hochdruckgasentladungslampe, insbesondere für kraftfahrzeuge

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EP0824848A1
EP0824848A1 EP97916327A EP97916327A EP0824848A1 EP 0824848 A1 EP0824848 A1 EP 0824848A1 EP 97916327 A EP97916327 A EP 97916327A EP 97916327 A EP97916327 A EP 97916327A EP 0824848 A1 EP0824848 A1 EP 0824848A1
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EP
European Patent Office
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pressure gas
discharge lamp
gas discharge
power control
supplied
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EP97916327A
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English (en)
French (fr)
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EP0824848B1 (de
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Ingo Gorille
Bernd Müller
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Publication of EP0824848B1 publication Critical patent/EP0824848B1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B41/00—Circuit arrangements or apparatus for igniting or operating discharge lamps
    • H05B41/14—Circuit arrangements
    • H05B41/36—Controlling
    • H05B41/38—Controlling the intensity of light
    • H05B41/39—Controlling the intensity of light continuously
    • H05B41/392—Controlling the intensity of light continuously using semiconductor devices, e.g. thyristor
    • H05B41/3921—Controlling the intensity of light continuously using semiconductor devices, e.g. thyristor with possibility of light intensity variations
    • H05B41/3927—Controlling the intensity of light continuously using semiconductor devices, e.g. thyristor with possibility of light intensity variations by pulse width modulation
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S315/00—Electric lamp and discharge devices: systems
    • Y10S315/02—High frequency starting operation for fluorescent lamp
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S315/00—Electric lamp and discharge devices: systems
    • Y10S315/07—Starting and control circuits for gas discharge lamp using transistors

Definitions

  • the invention is based on a power control of an AC high-pressure gas discharge lamp, in particular for motor vehicles, of the type defined in the preamble of claim 1.
  • Bridge circuit in which two controlled switching transistors are arranged in at least one branch, and in which the high-pressure gas discharge lamp is supplied with ignition and combustion energy via the bridge branch of the bridge circuit.
  • the high-pressure gas discharge lamp is located directly in the bridge branch of a bridge circuit designed as a capacitive half-bridge, a choke coil being arranged in series with the lamp. Furthermore, the secondary winding of an ignition transformer is provided in series with this arrangement.
  • the supply current of the lamp and thus the power control is changed by changing the Controlled duty cycle of the switching transistors.
  • the duty cycle is changed in a certain way.
  • the pulse repetition frequency of the AC-type bipolar supply current pulses is, for example, about 300 Hz in the case of sodium vapor lamps, to which a high-frequency voltage between 30 and 70 kHz is superimposed.
  • the start duty cycle is set to about 0.7 and the duty cycle is set to about 0.5.
  • High pressure gas discharge lamps are used or can be used, which can be installed in motor vehicles and which derive from the DC voltage system of low voltage values, e.g. 6 or 12 volts.
  • the power control in this known circuit arrangement works on a different principle and is not as low-loss as necessary.
  • both the start and the operation are carried out in the so-called resonance mode.
  • the starting frequency i.e. when the lamp is ignited, is around 8U kHz and the burning or operating frequency is around 8 to 16 kHz.
  • the lamp is in the so-called wobbling
  • the lamp is ignited by a separate pulse igniter.
  • the lamps used are so-called xenon lamps or metal halide lamps, the high pressure of which is around 80 bar.
  • a high voltage of 24 kv is necessary in view of the worst tolerance conditions. In burning mode, the voltage required is around 85 volts.
  • the basic disadvantages of these two principles are that a relatively large number of components and a special ignition device are also required here, and in addition the components are quite large and have to be resistant to high voltages. This disadvantageously results in relatively high costs, quite high power losses and considerable space requirements.
  • AC-operated high-pressure gas discharge lamp in particular for motor vehicles, with the characterizing features of claim 1, in contrast, has the advantage of simple and inexpensive power control, which is lossless except for the internal switching losses in the switching transistors. This is particularly important in order to avoid operational switching losses in the case of high-frequency operation of the switching transistors, and particularly with regard to use in motor vehicles, in order to conserve the capacity of the battery.
  • this is principally achieved in that the switching transistors switch the current in the form of pulse packets, the individual pulse packets each containing a certain number of high-frequency pulses, the switching being carried out as losslessly as possible in each case in the zero crossings of the current, and in that the regulation for a certain output of the high-pressure gas discharge lamp is maintained by continuous averaging over a predetermined interval of the power packages supplied.
  • the continuous averaging is carried out by incrementally adding or deleting discrete, supplied service packages.
  • the continuous averaging is carried out by incrementally adding or deleting discrete half-waves or pulses within successive supplied pulse packets.
  • the addition or omission of supplied power packs takes place by means of counting the zero crossings of the current via a digital control.
  • the digital control contains tables in which the control and regulation values are contained. This variant of the control is particularly favorable with regard to the use of the power control according to the invention in the motor vehicle, since regulations using tables and counting processes can be made robust and can be easily implemented.
  • switching transistors are used to further reduce the power loss, the extremely short switching times, ie. H. have short rise and fall times, in particular MOSFET transistors.
  • a particularly useful development of the invention provides that it is used in a circuit for operating a high-pressure gas discharge lamp, in which
  • Bridge branch of a bridge circuit the primary winding of a transformer is arranged, a coil in series with this primary winding, and a capacitor is provided in parallel with the primary winding and in series with the coil, whereby a series resonance converter with a primary-side resonant circuit is formed, the high-pressure gas discharge lamp in series with the Secondary winding of the transformer is arranged and by it is supplied with burning energy, and the burning operation is operated at high frequency.
  • Another particularly useful development of the invention provides that it is used in a circuit arrangement for operating a high-pressure gas discharge lamp, in which the primary winding of a transformer is arranged in the bridge branch of a bridge circuit, an oscillating circuit is arranged on the secondary side of the transformer, the high-pressure gas discharge lamp from the secondary side Resonant circuit is supplied with combustion and ignition energy, and both
  • Burning operation as well as the ignition process is operated at high frequency, the frequency of the ignition being selected to be significantly higher than the frequency during the burning operation.
  • Such a circuit arrangement is in the application "circuit arrangement for operating a
  • FIG. 1 schematically shows a block diagram of a first circuit arrangement for operating a high-pressure gas discharge lamp, a capacitive half-bridge being provided in which the power control according to the invention can be used;
  • Fig. 2 schematically shows a block diagram of a second circuit for operating a
  • High-pressure gas discharge lamp a full bridge being provided in which the power control according to the invention can be used;
  • FIG. 3 schematically shows a diagram for defining the performance packages in the performance control according to the invention
  • Fig. 5 shows schematically a diagram showing the case of the power control according to the invention with a decreasing power.
  • a first circuit arrangement for operating and starting a high-pressure gas discharge lamp, in which the power control according to the invention can be used advantageously, is shown on the basis of a schematic block diagram.
  • a high-pressure gas discharge lamp 1 is connected with its electrodes 2 and 3 to the two ends 4 and 5 of the secondary winding 6 of a transformer 7.
  • a capacitor 8 is connected in parallel to the high-pressure gas discharge lamp 1 between the electrodes 2 and 3. The capacitor 8 and the secondary winding 6 of the transformer 7 form one on the secondary side thereof
  • Oscillating circuit through which the high-pressure gas discharge lamp 1 is supplied with combustion and ignition energy.
  • the primary winding 9 of the transformer 7 lies in the bridge branch of a bridge circuit 10.
  • the bridge circuit 10 shown is a so-called capacitive half bridge, in which two controlled switching transistors 11 are located in one branch, here in the left one and 12 are arranged.
  • the connection point 13 of the two transistors 11 and 12 forms one connection of the bridge branch.
  • two capacitors 14 and 15 are arranged in the other branch, here in the right.
  • the connection point 16 of the two capacitors 14 and 15 forms the second connection of the bridge branch.
  • the aforementioned primary winding 9 of the transformer 7 is located between the connections 13 and 16.
  • the switching transistor 11 and the capacitor 14 are connected to one another at the connection 17 and connected to the positive pole + of a supply voltage source, for example the battery of a motor vehicle.
  • Switching transistor 12 and capacitor 15 are connected to one another at connection 18 and connected to earth potential 0 of the supply voltage source.
  • a microcontroller 19 has its connections 20 and 21 connected to the positive pole + or the ground potential 0 of the supply voltage U B. Control outputs 22 and 23 of the microcontroller 19 are routed to the control inputs of the associated controlled switching transistors 11 and 12, respectively.
  • a transverse capacitor 24 is provided to avoid high-frequency interference in the vehicle electrical system via the connections + and 0.
  • FIG. 2 shows a second circuit in which the power control according to the invention can advantageously be used.
  • the so-called full-bridge circuit 210 shown in the exemplary embodiment in FIG. 2 contains two switching transistors 212 and 211 instead of the two bridge capacitors 14 and 15.
  • Control lines 222 and 223 of the microcontroller 19 are routed to the control inputs of the switching transistors 11 and 211 or 12 and 212 to make them cross-conductive or blocking.
  • this exemplary embodiment corresponds to that shown in FIG. 1 and described above.
  • a sensing line 119 for the current in the switching transistor 11 is provided between the switching transistor 11 and the microcontroller 19 and a sensing line 129 for the current in the switching transistor 12 between the switching transistor 12 and the microcontroller 19.
  • the zero current crossing in the switching transistors is determined via these sensing lines.
  • the power of the high-pressure gas discharge lamp 1 is advantageously regulated by means of pulse packet control in accordance with the power control according to the invention.
  • the change in power is effected by changing the number of discrete pulses contained in the respective pulse packet.
  • the switching of the switching transistors 11 and 12 or 11 with 211 and 12 with 212 corresponds to the respective scope or the respective size of the pulse packets.
  • the switching of the current through the switching transistors is carried out at the zero crossing of the current. These zero crossings of the current are determined on the sensing lines 119 and 129 of the microcontroller 19.
  • the current curve is plotted over the time axis t using curve 31 to define the power packages, namely in a standardized manner I / Im, in which the current I is related to the maximum current Im.
  • Curve 32 shows the squared current and thus the power.
  • the numbers and the associated division on the time axis t mean the number of half-waves of the high-frequency pulses contained in pulse packets.
  • the instantaneous power in the decay case is basically as shown in the diagram in FIG. 3 as an example. If what is provided according to the invention is only switched at the zero crossing of the current, energy or power packs 33, 34, 35, 36 of different sizes result, which show the respective shaded areas between the time axis t and below the positive arc of the power curve 32 correspond. In the example of decaying performance, that is to say in the event of a decay, the service packages 33, 34, 35, 36 increasingly decrease in size.
  • the numbers 0 to 80 entered on the time axis t represent the number of half oscillations.
  • the power control according to the invention provides for averaging over a plurality of power packs in order to regulate the power to a specific desired value, for example to an average value of 35 W in FIGS. 4 and 5.
  • a specific desired value for example to an average value of 35 W in FIGS. 4 and 5.
  • the individual service packages have slightly different sizes, but provide the desired service in the averaging.
  • the advantage lies in the fact that they are not equally large, but clearly calculable power packages.
  • the regulation to a specific target value is accomplished by the continuous averaging over a predetermined interval by incremental addition or omission of discrete service packages.
  • FIG. 4 a diagram is used to explain the area in which the interval can be located if it is a matter of rising power.
  • the number of half-vibrations that can be contained in pulse packets are plotted on the horizontal axis.
  • the power P in W and the time t in ⁇ s are plotted on the vertical axis.
  • the curve 41, linearly increasing in steps, indicates the course of time.
  • Curve 42 represents the maximum performance and curve 43 represents the packet performance.
  • Performance can be regulated is particularly marked.
  • 44 takes place in a certain interval continuous averaging takes place.
  • the service packages contain between 13 and 23 half-waves.
  • Another example with a narrower interval 45 is shown. At this interval 45, the number of half-vibrations contained in the service packages lies between 15 and 20.
  • the individual service packages with the corresponding discrete numbers of half-vibrations are represented by crosses, the respective associated package performance can be seen on the vertical axis.
  • FIG. 5 a diagram is used to explain the area in which the interval can be located when it is a question of declining power.
  • the number of ⁇ half-vibrations that can be contained in pulse packets are plotted on the horizontal axis.
  • the power P in W and the time t in ⁇ s are plotted on the vertical axis.
  • the curve 51 increasing linearly in steps, indicates the course of time.
  • Curve 52 represents the decaying maximum power and curve 53 represents the packet power.
  • a possible setpoint of 35 W, to which the power can be adjusted, is specially marked. In order to achieve this target value, the continuous averaging takes place in a certain interval 54.
  • the individual service packages contain between 5 and 10 half-waves.
  • the individual service packages with the corresponding discrete numbers of half oscillations are represented by crosses, the respective package service can be found on the vertical axis.
  • the possible size of the interval 44 or 45 or 54, in which the continuous averaging takes place, depends in particular on the quality of the circuit in which the control according to the invention is used. In the case of higher goods, there is a better possibility of regulation.
  • the power control according to the invention can be implemented in a robust design and simple implementation by counting the zero crossings of the current and using tables carry out stored control and regulation values of a digital control.
  • a digital control can be provided, for example, in the microcontroller 19 of the examples of use shown in FIGS. 1 and 2.
  • Such transistors can in particular be MOSFET transistors.
  • the power control according to the invention enables simple and inexpensive, very low-loss control of the power of a high-frequency circuit. Applied to the power control of a high-pressure gas discharge lamp, especially one that is installed in a motor vehicle, this leads to a very cost-effective solution that is gentle on the battery.

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Abstract

Eine Leistungssteuerung einer mit Wechselstrom betriebenen Hochdruckgasentladungslampe, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, enthaltend eine Brückenschaltung, bei der in zumindest einem Zweig zwei gesteuerte Schalttransistoren angeordnet sind, und bei der die Hochdruckgasentladungslampe über den Brückenzweig der Brückenschaltung mit Zünd- und/oder Brennenergie versorgt wird, sieht vor, daß die Schalttransistoren den Strom in Form von Impulspaketen schalten, wobei die einzelnen Impulspakete jeweils eine bestimmte Anzahl hochfrequenter Impulse enthalten, das Schalten möglichst verlustfrei jeweils in den Nulldurchgängen des Stromes durchgeführt wird, und daß die Regelung für das Einhalten einer bestimmten Leistung der Hochdruckgasentladungslampe durch eine fortlaufende Mittelwertbildung über ein vorgegebenes Intervall (44, 45) der zugeführten Leistungspakete erfolgt.

Description

Leistungssteuerung einer mit Wechselstrom betriebenen Hochdruckgasentladungslampe, insbesondere für Kraftfahrzeuge
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Leistungssteuerung einer mit Wechselstrom betriebenen Hochdruckgasentladungslampe, insbesondere für Kraftfahrzeuge, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.
Aus der DE 37 29 383 AI ist eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Hochdruckgasentladungslampe bekannt, die eine
Brückenschaltung, bei der in zumindest einem Zweig zwei gesteuerte Schalttransistoren angeordnet sind enthält, und bei der die Hochdruckgasentladungslampe über den Brückenzweig der Brückenschaltung mit Zünd- und Brennenergie versorgt wird.
Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung liegt die Hochdruckgasentladungslampe direkt im Brückenzweig einer als kapazitiver Halbbrücke ausgeführten Brückenschaltung, wobei in Reihe mit der Lampe noch eine Drosselspule angeordnet ist. Des weiteren ist in Reihe mit dieser Anordnung die Sekundärwicklung eines Zündtransformators vorgesehen. Der Versorgungsstrom der Lampe und damit die Leistungsteuerung wird durch Veränderung des Tastverhaltnisses der Schalttransistoren geregelt. Beim Start wird das Tastverhaltnis in bestimmter Weise verändert. Die Impulsfolgefrequenz der wechselstromartigen bipolaren Versorgungsstromimpulse betragt z.B. bei Natriumdampflampen etwa 300 Hz, der noch eine hoherfrequente Spannung zwischen 30 und 70 kHz überlagert ist. Das Starttastverhaltnis ist auf etwa 0,7 und das Betriebstastverhältnis auf etwa 0,5 eingestellt.
Aus dieser bekannten Schaltungsanordnung ist zum einen nicht zu entnehmen, ob sie für den Start und den Betrieb von solchen
Hochdruckgasentladungslampen Verwendung findet oder verwendet werden kann, die in Kraftfahrzeuge eingebaut werden können und die aus dem Gleichspannungsbordnetz niedriger Spannungswerte, z.B. 6 oder 12 Volt, versorgt werden. Zum anderen arbeitet die Leistungssteuerung bei dieser bekannten Schaltungsanordnung nach anderem Prinzip und nicht so verlustarm wie notwendig.
Es sind unter dem Namen "Litronic" Hochdruckgasentladungslampen der Anmeldeπn für den Betrieb in Kraftfahrzeugen auf dem Markt, die nach zwei verschiedenen Prinzipien arbeiten. Bei dem einem
Prinzip wird sowohl der Start als auch der Betrieb im sogenannten Resonanzbetrieb durchgeführt. Dabei liegt die Startfrequenz, also beim Zünden der Lampe, bei etwa 8U kHz und die Brenn- oder Betriebsfrequenz liegt bei etwa 8 bis 16 kHz. Bei dem anderen Prinzip wird die Lampe im sogenannten wackelnden
Gleichstrombetrieb betrieben, d.h. der Gleichstrom wird immer wieder umgepolt. Die Umpolfrequenz betragt etwa 400 Hz. Die Zündung der Lampe erfolgt über einen separaten Impulszünder. Die verwendeten Lampen sind sogenannte Xenonlampen oder Metallhalogenidlampen, deren Hochdruck bei etwa 80 bar liegt. Zum Zünden des Lichtbogens ist im Hinblick auf schlechteste Toleranzbedingungen eine Hochspannung von 24 kv notwendig. Im Brennbetrieb liegt die notige Spannung bei etwa 85 Volt. Prinzipielle Nachteile bei diesen beiden Prinzipien liegen darin begründet, daß auch hier relativ viele Bauteile und eine besondere Zündvorrichtung nötig sind und darüber hinaus die Bauteile recht groß sind und hochspannungsfest sein müssen. Dadurch sind in nachteiliger Weise relativ hohe Kosten, recht hohe Verlustleistungen und erheblicher Raumbedarf gegeben.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Leistungssteuerung einer mit
Wechselstrom betriebenen Hochdruckgasentladungslampe, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil der einfachen und kostengünstigen Leistungssteuerung, die bis auf die internen Schaltverluste in den Schalttransistoren verlustfrei ist. Dies ist insbesondere wesentlich zur Vermeidung von betriebsmäßigen Schaltverlusten bei hochfrequentem Betrieb der Schalttransistoren, als auch besonders im Hinblick auf den Einsatz in Kraftfahrzeugen, um die Kapazität der Batterie zu schonen.
Gemäß der Erfindung wird dies prinzipiell dadurch erreicht, daß die Schalttransistoren den Strom in Form von Impulspaketen schalten, wobei die einzelnen Impulspakete jeweils eine bestimmte Anzahl hochfrequenter Impulse enthalten, das Schalten möglichst verlustfrei jeweils in den Nulldurchgängen des Stromes durchgeführt wird, und daß die Regelung für das Einhalten einer bestimmten Leistung der Hochdruckgasentladungslampe durch eine fortlaufende Mittelwertbildung über ein vorgegebenes Intervall der zugeführten Leistungspakete erfolgt.
Durch die in den weiteren Ansprüchen niedergelegten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Leistungssteuerung möglich. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die fortlaufende Mittelwertbildung durch inkrementales Hinzufügen bzw. Weglassen von diskreten, zugeführten Leistungspaketen durchgeführt.
In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung wird die fortlaufende Mittelwertbildung durch inkrementales Hinzufügen bzw. Weglassen von diskreten Halbwellen bzw. Impulsen innerhalb aufeinanderfolgender, zugeführter Impulspakete durchgeführt.
In zweckmäßiger Weiterbildung der erfindungsgemäßen Leistungssteuerung erfolgt das Hinzufügen bzw. Weglassen von zugeführten Leistungspaketen mittels Zählens der Nulldurchgänge des Stromes über eine digitale Steuerung. Dabei enthält gemäß besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung die digitale Steuerung Tabellen, in denen die Steuerungs- und Regelungswerte enthalten sind. Diese Variante der Steuerung ist besonders günstig im Hinblick auf den Einsatz der erfindungsgemäßen Leistungssteuerung im Kraftfahrzeug, da sich Regelungen über Tabellen und Zählvorgänge robust gestalten und einfach realisieren lassen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden zur weiteren Senkung der Verlustleistung Schalttransistoren verwendet, die extrem kurze Schaltzeiten, d. h. kurze Anstiegs¬ und Abfallzeiten, aufweisen, insbesondere MOSFET Transistoren.
Eine besonders zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß sie bei einer Schaltung zum Betrieb einer Hochdruckgasentladungslampe verwendet wird, bei welcher im
Brückenzweig einer Brückenschaltung die Primärwicklung eines Transformators angeordnet ist, in Reihe mit dieser Primärwicklung eine Spule, sowie parallel zur Primärwicklung und in Reihe mit der Spule ein Kondensator vorgesehen ist, wodurch ein Reihenresonanz-Konverter mit primärseitigem Resonanzkreis gebildet ist, die Hochdruckgasentladungslampe in Reihe mit der Sekundärwicklung des Transformators angeordnet ist und von ihr mit Brennenergie versorgt wird, und der Brennbetrieb mit Hochfrequenz betrieben wird.
Eine solche Schaltung ist in der Anmeldung "Schaltung zum Betrieb einer Hochdruckgasentladungslampe" >>EM 1298/94<< der Anmelderin (, die gleichzeitig mit vorliegender Anmeldung eingereicht wird) , beschrieben.
Eine weitere besonders zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß sie bei einer Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Hochdruckgasentladungslampe verwendet wird, bei welcher im Brückenzweig einer Brückenschaltung die Primärwicklung eines Transformators angeordnet ist, auf der Sekundärseite des Transformators ein Schwingkreis angeordnet ist, die Hochdruckgasentladungslampe von dem sekundärseitigen Schwingkreis mit Brenn- und Zündenergie versorgt wird, und sowohl der
Brennbetrieb als auch der Zündvorgang mit Hochfrequenz betrieben wird, wobei die Frequenz der Zündung wesentlich höher gewählt ist als die Frequenz beim Brennbetrieb. Ein derartige Schaltungsanordnung ist in der Anmeldung "Schaltungsanordnung zum Betrieb einer
Hochdruckgasentladungslampe" >> EM 1108/94<< der Anmelderin, (die gleichzeitig mit vorliegender Anmeldung eingereicht wird, ) beschrieben.
Zeichnung
Die Erfindung ist anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch ein Blockschaltbild einer ersten Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Hochdruckgasentladungslampe, wobei eine kapazitive Halbbrücke vorgesehen ist, in der die erfindungsgemäße Leistungssteuerung anwendbar ist; Fig. 2 schematisch ein Blockschaltbild einer zweiten Schaltung zum Betrieb einer
Hochdruckgasentladungslampe, wobei eine Vollbrücke vorgesehen ist, in der die erfindungsgemäße Leistungssteuerung anwendbar ist;
Fig.3 schematisch ein Diagramm zur Definition der Leistungspakete bei der erfindungsgemäßen Leistungssteuerung;
Fig.4 schematisch ein Diagramm, das den Fall der erfindungsgemäßen Leistungssteuerung bei anschwingender Leistung zeigt, und
Fig. 5 scheraatisch ein Diagramm, das den Fall der erfindungsgemäßen Leistungssteuerung bei abschwingender Leistung zeigt.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In der Fig. 1 ist anhand eines schematischen Blockschaltbildes eine erste Schaltungsanordnung zum Betrieb und zum Starten einer Hochdruckgasentladungslampe dargestellt, in der die erfindungsgemäße Leistungssteuerung vorteilhaft einsetzbar ist. Eine Hochdruckgasentladungslampe 1 ist mit ihren Elektroden 2 und 3 an die beiden Enden 4 und 5 der Sekundärwicklung 6 eines Transformators 7 angeschlossen. Zwischen den Elektroden 2 und 3 ist parallel zur Hochdruckgasentladungslampe 1 ein Kondensator 8 geschaltet. Kondensators 8 und Sekundärwicklung 6 des Transformators 7 bilden auf dessen Sekundärseite einen
Schwingkreis, durch den die Hochdruckgasentladungslampe 1 mit Brenn- und Zündenergie versorgt wird.
Die Primärwicklung 9 des Transformators 7 liegt im Brückenzweig einer Brückenschaltung 10. Die dargestellte Brückenschaltung 10 ist eine sogenannte kapazitive Halbbrücke, bei der in einem Zweig, hier in dem linken, zwei gesteuerte Schalttransistoren 11 und 12 angeordnet sind. Der Verbindungspunkt 13 der beiden Transistoren 11 und 12 bildet den einen Anschluß des Bruckenzweiges. Im anderen Zweig, hier im rechten, sind zwei Kondensatoren 14 und 15 angeordnet. Der Verbindungspunkt 16 der beiden Kondensatoren 14 und 15 bildet den zweiten Anschluß des Bruckenzweiges. In diesem Bruckenzweig liegt zwischen den Anschlüssen 13 und 16 die bereits erwähnte Primärwicklung 9 des Transformators 7. Schalttransistor 11 und Kondensator 14 sind am Anschluß 17 miteinander verbunden und an den Pluspol + einer Versorgungsspannungsquelle, beispielsweise der Batterie eines Kraftfahrzeuges angeschlossen. Schalttransistor 12 und Kondensator 15 sind am Anschluß 18 miteinander verbunden und an das Erdpotential 0 der Versorgungsspannungsquelle angeschlossen.
Zwischen Pluspol + und Erdpotential 0 liegt die Batteriespannung Us an. Ein Mikrokontroller 19 ist mit seinen Anschlüssen 20 und 21 an den Pluspol + bzw. das Erdpotential 0 der Versorgungsspannung UB angeschlossen. Steuerausgange 22 und 23 des Mikrokontrollers 19 sind auf die Steuereingange der zugehörigen gesteuerten Schalttransistoren 11 bzw. 12 gefuhrt. Zur Vermeidung von Hochfrequenzeinstreuung in das Bordnetz über die Anschlüsse + und 0 ist ein Querkondensator 24 vorgesehen.
In Fig. 2 ist eine zweite Schaltung dargestellt, in der die erfindungsgemäße Leistungssteuerung vorteilhaft verwenbar ist. Die im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 dargestellte sogenannte Vollbrückenschaltung 210 enthält anstelle der beiden Brückenkondensatoren 14 und 15 zwei als Schalter verwendete Schalttransistoren 212 und 211. Steuerleitungen 222 und 223 des Mikrokontrollers 19 sind auf die Steuereingänge der Schalttransistoren 11 und 211 bzw. 12 und 212 geführt, um diese kreuzweise leitend bzw. sperrend zu schalten. Ansonsten stimmt dieses Ausfuhrungsbeispiel mit dem in Fig. 1 dargestellten und vorstehend beschriebenem überein. Im Ausfuhrungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist zwischen dem Schalttransistor 11 und dem Mikrokontroller 19 eine Fuhlleitung 119 für den Strom im Schalttransistor 11 bzw. zwischen dem Schalttransistor 12 und dem Mikrokontroller 19 eine Fuhlleitung 129 für den Strom im Schalttransistor 12 vorgesehen. Über diese Fuhlleitungen wird insbesondere der Stromnulldurchgang in den Schalttransistoren festgestellt.
In vorteilhafter Weise erfolgt die Regelung der Leistung der Hochdruckgasentladungslampe 1 mittels Impulspaketsteuerung entsprechend der erfindungsgemäßen Leistungssteuerung. Die Änderung der Leistung wird durch Änderung der in dem -jeweiligen Impulspaket enthaltenen Anzahl von diskreten Impulsen bewirkt. Die Schaltung der Schalttransistoren 11 und 12 bzw. 11 mit 211 und 12 mit 212 entspricht dem jeweiligen Umfang bzw. Der jeweiligen Große der Impulspakete. Darüber hinaus wird das Schalten des Stromes durch die Schalttransistoren jeweils im Nulldurchgang des Stromes durchgeführt. Diese Nulldurchgange des Stromes werden auf den Fühlleitungen 119 und 129 des Mikrokontrollers 19 festgestellt.
Im Diagramm gemäß Fig. 3 ist zur Definition der Leistungspakete über der Zeitachse t anhand der Kurve 31 der Stromverlauf aufgetragen und zwar in normierter Weise I/Im, bei welcher der Strom I auf den maximalen Strom Im bezogen ist. Mit der Kurve 32 ist der quadrierte Strom und damit die Leistung dargestellt. Die Zahlen und die zugehörige Einteilung auf der Zeitachse t bedeuten die Anzahl von Halbwellen der innerhalb von Impulspaketen enthaltenen hochfrequenten Impulse.
Die momentane Leistung verlauft im Ausschwingfall grundsätlich so wie im Diagramm der Fig. 3 beispielhaft dargestellt. Wenn, was erfindungsgemäß vorgesehen ist, nur im Nulldurchgang des Stromes geschaltet wird, ergeben sich jeweils Energie- bzw. Leistungspakete 33, 34, 35, 36 unterschiedlicher Größe, die den jeweiligen schraffierten Flachen zwischen der Zeitachse t und unterhalb der positiven Bogen der Leistungskurve 32 entsprechen. Im gezeigten Beispiel abklingender Leistung, also im Ausschwingfall, nehmen die Leistungspakete 33, 34, 35, 36 zunehmend an Große ab. Die auf der Zeitachse t eingetragenen Zahlen 0 bis 80 stellen die Zahl der Halbschwingungen dar.
Die erfindungsgemaße Leistungssteuerung sieht zur Regelung der Leistung auf einen bestimmten Sollwert, beispielsweise auf einen mittleren Wert von 35 W in Fig. 4 und 5, die Mittelung über mehrere Leistungspakete vor. Dies bedeutet, daß die einzelnen Leistungspakete geringfügig voneinander abweichende Große aufweisen, jedoch in der Mittelung die gewünschte Leistung zur Verfugung stellen. Dabei kann man auch davon sprechen, daß ein standiger Wechsel zwischen ansteigender bzw. anschwingender Leistung und abfallender bzw. abklingender Leistung vorliegt. Es liegen stets anklingende und abklingende Schwingungen vor, entsprechend den in kleinen Sprüngen quantisierten Großen von Leistungen, wenngleich auch nicht gleich große. Da ja immer nur im Nullpunkt geschaltet wird stellt somit eine volle Halbschwingung des hochfrequenten Stroms das kleinste Quantum dar. Der Vorteil liegt darin, daß es zwar nicht gleich große, aber eindeutig berechenbare Leistungspakete sind. Die Regelung auf eine bestimmten Sollwert hin wird durch die fortlaufende Mittelwertbildung über ein vorgegebenes Intervall durch inkrementelles Hinzufugen bzw. Weglassen von diskreten Leistungspaketen bewerkstelligt.
In Fig. 4 ist anhand eines Diagrammes erläutert, in welchem Bereich das Intervall angesiedelt sein kann, wenn es sich um anschwingende Leistung handelt. Auf der horizontalen Achse sind die Anzahl der Halbschwingungen aufgetragen, die in Impulspaketen enthalten sein können. Auf der vertikalen Achse sind die Leistung P in W und die Teit t in μs aufgetragen. Die Kurve 41, linear m Stufen ansteigend, gibt den Zeitverlauf an. Die Kurve 42 stellt die maximale Leistung dar und die Kurve 43 repräsentiert die Paketleistung. Ein möglicher Sollwert von 35 W, auf den die
Leistung einzuregeln sein kann, ist besonders markiert. Um diesen Sollwert zu erzielen, findet in einem bestimmten Intervall 44 die fortlaufende Mittelwertbildung statt. Dabei enthalten die Leistungspakete zwischen 13 und 23 Halbwellen. Ein weiteres Beispiel mit einem engeren Intervall 45 ist dargestellt. Bei diesem Intervall 45 liegt die Anzahl der in den Leistungspaketen enthaltenen Halbschwingungen zwischen 15 und 20. Die einzelnen Leistungspakete mit den entsprechenden diskreten Anzahlen von Halbschwingungen sind durch Kreuze dargestellt, die jeweils zugehörige Paketleistung ist auf der senkrechten Achse zu entnehmen.
In Fig. 5 ist anhand eines Diagrammes erläutert, in welchem Bereich das Intervall angesiedelt sein kann, wenn es sich um abschwingende Leistung handelt. Auf der horizontalen Achse sind die Anzahl αer Halbschwingungen aufgetragen, die in Impulspaketen enthalten sein können. Auf der vertikalen Achse sind die Leistung P in W und die Teit t in μs aufgetragen. Die Kurve 51, linear in Stufen ansteigend, gibt den Zeitverlauf an. Die Kurve 52 stellt die abklingende maximale Leistung dar und die Kurve 53 repräsentiert die Paketleistung. Ein möglicher Sollwert von 35 W, auf den die Leistung einzuregeln sein kann, ist besonders markiert. Um diesen Sollwert zu erzielen, findet in einem bestimmten Intervall 54 die fortlaufende Mittelwertbildung statt. Dabei enthalten die einzelnen Leistungspakete zwischen 5 und 10 Halbwellen. Die einzelnen Leistungspakete mit den entsprechenden diskreten Anzahlen von Halbschwingungen sind durch Kreuze dargestellt, die jeweils zugehörige Paketleistung ist auf der senkrechten Achse zu entnehmen.
Die jeweils mögliche Größe des Intervalls 44 oder 45 bzw. 54, in welchem die fortlaufende Mittelwertbildung stattfindet, har :t insbesondere auch von der Gute der Schaltung ab, in der die erfindungsgemäße Steuerung angewandt wird. Bei höherer Gute ist eine bessere Regelungsmöglichkeit gegeben.
Die erfindungsgemäße Leistungssteuerung läßt sich in robuster Gestaltung und einfacher Realisierung mittels Zählens der Nulldurchgange des Stromes und Verwerten von in Tabellen gespeicherten Steuerungs- und Regelungswerten einer digitalen Steuerung durchfuhren. Eine solche digitale Steuerung kann beispielsweise in dem Mikrokontroller 19 der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Verwendungsbeispiele vorgesehen sein. Dem Mikrokontroller 19 werden die Signale der Nulldurchgange des
Stromes über die Leitungen 119 und 129 in Fig. 2 zugeführt, sie dienen als Referenz- und Zahlsignale.
Zur weiteren Senkung der Verlustleistung, was besonders bei hochfrequentem Betrieb der Schalttransistoren von besonderm Nutzen ist, werden solche verwendet, die extrem kurze Schaltzelten, d. h. kurze Anstiegs- und Abfallzeiten, aufweisen. Solche Transistoren können insbesondere MOSFET Transistoren sein.
Die erfindungsgemaße Leistungssteuerung ermöglicht eine einfache und kostengünstige sehr verlustarme Regelung der Leistung einer hochfrequenten Schaltung. Angewandt auf die Leistungsregelung einer Hochdruckgasentladungslampe, besonders bei einer, die in einem Kraftfahrzeug eingebaut ist, fuhrt dies zu einer sehr kostengünstigen und die Batterie schonenden Losung.

Claims

Ansprüche
1. Leistungssteuerung einer mit Wechselstrom betriebenen Hochdruckgasentladungslampe (1), insbesondere in einem Kraftfahrzeug, enthaltend eine Brückenschaltung (10, 210), bei der in zumindest einem Zweig zwei gesteuerte
Schalttransistoren (11, 12) angeordnet sind, und bei der die Hochdruckgasentladungslampe (1) über den Brückenzweig (13 - 16) der Brückenschaltung mit Zünd- und/oder Brennenergie versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalttransistoren (11, 12 bzw. 211, 212) den Strom in Form von Impulspaketen schalten, wobei die einzelnen Impulspakete jeweils eine bestimmte Anzahl hochfrequenter Impulse enthalten, das Schalten möglichst verlustfrei jeweils in den Nulldurchgängen des Stromes durchgeführt wird, und die Regelung für das Einhalten einer bestimmten Leistung der Hochdruckgasentladungslampe (8) durch eine fortlaufende Mittelwertbildung über ein vorgegebenes Intervall (44, 45 bzw. 54) der zugeführten Leistungspakete erfolgt.
2. Leistungssteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die fortlaufende Mittelwertbildung durch inkrementales Hinzufugen bzw. Weglassen von diskreten, zugefuhrten Leistungspaketen durchgeführt wird.
3. Leistungssteuerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die fortlaufende Mittelwertbildung durch inkrementales Hinzufugen bzw. Weglassen von diskreten Halbwellen bzw. Impulsen innerhalb aufeinanderfolgender, zugefuhrter Impulspakete durchgeführt wird.
4. Leistungssteuerung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Hinzufugen bzw. Weglassen von zugefuhrten Leistungspaketen mittels Zahlens der Nulldurchgange des Stromes über eine digitale Steuerung (19) erfolgt.
Leistungssteuerung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Steuerung (19) Tabellen enthalt, in denen die Steuerungs- und Regelungswerte enthalten sind.
6. Leistungssteuerung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Schalttransistoren (11, 12 bzw. 211, 212) verwendet werden, die extrem kurze Schaltzeiten, d. h. kurze Anstiegs- und Abfallzeiten, aufweisen, insbesondere MOSFET Transistoren. 1 1»
7. Leistungssteuerung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie verwendet wird bei einer Schaltung zum Betrieb einer Hochdruckgasentladungslampe (1), bei welcher im Brückenzweig (13-16) der Brückenschaltung (210) die Primärwicklung (9) eines Transformators (7) angeordnet ist, in Reihe mit dieser Primärwicklung (9) eine Spule (91), sowie parallel zur Primärwicklung (9) und in Reihe mit der Spule (91) ein Kondensator (92) vorgesehen ist, wodurch ein Reihenresonanz-Konverter mit primärseitigem Resonanzkreis gebildet ist, die Hochdruckgasentladungslampe (1) in Reihe mit der Sekundärwicklung (6) des Transformators (7) angeordnet ist und von ihr mit Brennenergie versorgt wird, und der Brennbetrieb mit Hochfrequenz betrieben wird (Fig. 2) .
8. Leistungssteuerung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie verwendet wird bei einer Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Hochdruckgasentladungslampe (1), bei welcher im Brückenzweig (13-16) der Brückenschaltung (10) die Primärwicklung (9) eines Transformators (7) angeordnet ist, auf der Sekundärseite (6) des Transformators (7) ein Schwingkreis (6, 8) angeordnet ist, die Hochdruckgasentladungslampe (1) von dem sekundärseitigen Schwingkreis (6, 8) mit Brenn- und Zündenergie versorgt wird, und sowohl der Brennbetrieb als auch der Zündvorgang mit Hochfrequenz betrieben wird, wobei die Frequenz der Zündung wesentlich höher als die Frequenz beim Brennbetrieb gewählt ist (Fig. 1) .
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