EP2090142B1 - Schaltungsanordnung und verfahren zum betreiben einer hochdruckentladungslampe - Google Patents

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EP2090142B1
EP2090142B1 EP06829961A EP06829961A EP2090142B1 EP 2090142 B1 EP2090142 B1 EP 2090142B1 EP 06829961 A EP06829961 A EP 06829961A EP 06829961 A EP06829961 A EP 06829961A EP 2090142 B1 EP2090142 B1 EP 2090142B1
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EP
European Patent Office
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amplitude
circuit arrangement
feed signal
arrangement according
frequency
Prior art date
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EP06829961A
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English (en)
French (fr)
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EP2090142A1 (de
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Martin Honsberg-Riedl
Peter Niedermeier
Burkhard Ulrich
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Osram GmbH
Original Assignee
Osram GmbH
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Publication date
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    • 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
    • H05B41/26—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc
    • H05B41/28—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc using static converters
    • H05B41/288—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc using static converters with semiconductor devices and specially adapted for lamps without preheating electrodes, e.g. for high-intensity discharge lamps, high-pressure mercury or sodium lamps or low-pressure sodium lamps
    • H05B41/292—Arrangements for protecting lamps or circuits against abnormal operating conditions
    • H05B41/2928—Arrangements for protecting lamps or circuits against abnormal operating conditions for protecting the lamp against abnormal operating conditions
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Definitions

  • the present invention relates to a circuit arrangement for operating a high-pressure discharge lamp with an electronic ballast, which is designed to provide an AC supply signal for the high-pressure discharge lamp, wherein the frequency of the AC supply signal is at least 1 MHz. It also relates to a method for operating a high-pressure discharge lamp with an AC supply signal, wherein the frequency of the AC supply signal is at least 1 MHz.
  • High-pressure discharge lamps as used for example as video projection lamps, usually have two similar electrodes, which are usually formed rod-shaped.
  • Such a jump in the arc approach particularly affects the use of high pressure discharge lamps in optical devices, such as projection equipment, beamers, Microscope illuminations, and may lead to uselessness in the application.
  • a material annealing ie the electrode metal tungsten from the gas circulation process is deposited with the tungsten halides on the electrodes, and a peaking on the electrodes, which stabilizes the discharge and the approach of the arc very effectively.
  • WO 03/098979 A1 From the WO 03/098979 A1 is the operation of a high-pressure discharge lamp with an unmodulated RF signal of more than 3 MHz known.
  • high-pressure discharge lamps permit successful HF operation only at frequencies which are above the acoustic resonances in the combustion chamber. These acoustic resonances lead to strong currents in the combustion chamber, which generally disturb the discharge arc in general.
  • a gas discharge lamp in which a combustion chamber has only one electrode.
  • a counter electrode is formed by a reflector outside the combustion chamber.
  • the lamp is powered by a high frequency alternating current.
  • an amplitude of the high-frequency alternating current is modulated.
  • a repetition frequency of the amplitude modulation is selected such that acoustic oscillations are excited in the lamp.
  • the present invention is therefore the object of the above-mentioned circuit arrangement or the aforementioned method in such a way that in the specified frequency range, d. H.
  • d. H the specified frequency range
  • the present invention is based on the finding that a very effective stabilization of the arc in high-frequency operation can be achieved when the AC feed signal is modulated in amplitude.
  • the causes of this are currently not fully understood, since in addition amplitude amplitudes and amplitude reductions bring about the success of the invention and to avoid flicker phenomena of discharge arcs in general, especially plasma bows in high pressure discharge lamps lead.
  • An indication of this is that a stabilizing peaking similar to that in operation with that in the mentioned US 5,608,294 presented circuit arrangement, only after a few hours adjusts. In other words, this means that the actual explanation for the solution according to the invention is not to be found in the peak formation.
  • the time constancy and spatial constancy of the discharge arc stabilization is achieved, the self meets the high optical requirements of projection lamps.
  • HF operation In contrast to LF operation, HF operation enables simple, even single-stage ballasts. This allows over the current state of the art (low-frequency operation) greatly reduced and thus significantly cheaper ballasts.
  • the amplitude modulation represents a pulse modulation.
  • a stabilization of the arc is achieved by a pulse-shaped, periodically repeated amplitude modulation of the AC feed signal outside the range of stronger acoustic resonances.
  • the pulse modulation has a repetition frequency of 100 Hz to 100 kHz, preferably from 100 Hz to 2 kHz.
  • the duty cycle of the pulse modulation is preferably between 1% and 50%, preferably between 3% and 20%. From the point of view of video projection applications, duty cycles have proved to be very advantageous in which the modulation pulses only take very short periods of time, in particular periods of time which are shorter than the image dark gap.
  • the amplitude modulation of the AC feed signal may be at a constant frequency, but may also be accompanied by a frequency change.
  • the changed frequency is in a range of - 50% to + 100%, preferably in a range of - 10% to + 10%, the frequency of the AC feed signal.
  • the pulse modulation can be characterized by an amplitude increase compared to the unmodulated AC feed signal.
  • Particularly good results with regard to the stabilization of the arc have at amplitude peaks between 20% and 1000%, preferably between 20% and 200%, of the amplitude of the unmodulated AC feed signal.
  • the pulse modulation can also be characterized by an amplitude reduction compared to the unmodulated AC feed signal.
  • the amplitude reduction is between - 5% and - 90% of the unmodulated AC supply signal.
  • the pulse modulation may be characterized by a sequence of amplitude peaks, a sequence of amplitude decreases, and a sequence of amplitude peaks and reductions in amplitude that alternate.
  • the amplitude peaks and / or the amplitude reductions can always take place to positive amplitudes or always to negative amplitudes or alternately to positive and negative amplitudes or simultaneously to positive or negative amplitudes of the unmodulated AC feed signal.
  • the sequence of an amplitude increase with an immediately following amplitude reduction or the reverse order has proved to be particularly advantageous.
  • the success of the invention has been achieved in a wide variety of pulse shapes, in particular in rectangular, triangular, semi-sinusoidal, rectangular with exponential rise or sawtooth-shaped pulse shape.
  • the electronic ballast preferably has an input connection for connecting an input voltage, an output connection for providing an AC supply signal to the high-pressure discharge lamp and a series connection comprising an inverter and a load network arranged between the input connection and the output connection.
  • the inverter is an inverter output voltage having a predetermined frequency, a predetermined Amplitude and a predetermined duty cycle to the load network provides.
  • the predefinable frequency and / or the predeterminable amplitude of the inverter output voltage is changed for amplitude modulation of the AC supply signal.
  • the load network has at least one transformer which is arranged at the input and / or the output and / or between the input and the output of the load network. This proves to be particularly useful in the case of very low or high operating voltages or in the demand for a safe electrical isolation, which is here, for example, the railway standard of 2 kV to think.
  • the load network is preferably designed so that it can be brought into resonance by changing the predeterminable frequency of the inverter output voltage, thereby generating the ignition voltage for ignition of the high-pressure discharge lamp. This eliminates the provision of a separate ignition device.
  • the high-pressure discharge lamp preferably has an operating pressure of 100 to 500 bar.
  • the Fig. 1 shows a schematic representation of the structure of a circuit arrangement according to the invention.
  • the input voltage Ue which in particular can represent the so-called intermediate circuit voltage, is supplied to a high-frequency inverter 10. Its output signal is characterized by a predeterminable amplitude, a predefinable frequency and a specifiable duty cycle. These predefinable variables can be set via an interface (not shown) on the inverter 10.
  • the output signal Ua of the inverter 10 is supplied to a load network 12. At the output of a lamp current I L is provided to the high-pressure discharge lamp 14.
  • the load network 12 forms the approximately sinusoidal lamp current I L from the output voltage Ua of the inverter 10 and simultaneously serves to limit the current.
  • the lamp current can be dependent on both the frequency and the amplitude of the output voltage of the inverter.
  • the load network 12 is also designed so that it can be brought into resonance by changing the predeterminable frequency of the output voltage Ua of the inverter, so as to generate the ignition voltage for the high-pressure discharge lamp.
  • Fig. 2 shows various embodiments of a suitable load network. It should be noted that in the embodiments according to Fig. 2a and 2d the capacitor C 2 can be designed differently: Once to contribute to the resonant network, on the other hand, only for DC separation. If at least one transformer is inserted at the input or at the output or between the input and the output of the load network 12, it is possible in particular to ensure galvanic isolation. In addition to the illustrated load networks in T-arrangement, pure series circuits of LC elements as well as circuits in ⁇ -arrangement can be used for the purposes of the present invention. As will be apparent to those skilled in the art, the objects of the present invention can also be achieved with higher order load networks.
  • Fig. 3 shows the transfer function of the lamp current I L as a function of the frequency f of the input voltage Ue for the in Fig. 2a shown load network.
  • Two operating points AP1 and AP2 are shown, with reference to FIG Fig. 8 is returned.
  • FIGS. 4 and 5 show examples of inverters 10 that are suitable for the circuit arrangement of Fig. 1 are suitable.
  • Fig. 4 shows a switch-relieved class E-converter
  • Fig. 5 a zero-voltage ZVS (Zero Voltage Switching) half-bridge. Since the inverters according to the FIGS. 4 and 5 the person skilled in the art are known, will not be discussed in detail.
  • ZVS Zero Voltage Switching
  • the driving frequency of the switching transistors, S1 in Fig. 4 or S1 and S2 in Fig. 5 frequency modulated.
  • a voltage-controlled, variable-frequency oscillator can be shared, which is usually present anyway for power or power control.
  • Fig. 6 shows the generation of the drive signals for the inverter according to Fig. 5 ,
  • a pulse signal P is added to the already existing control signal Q for operation in the adder 16.
  • This control signal is supplied to a VCO 18, which supplies it to a pulse shaper 20.
  • the pulse shaper 20 also driver circuits are usually provided.
  • the drive signals for the switches S1, S2 of the inverter 10 are provided.
  • the time profile of the lamp current I L in this variant of the control of the switch of the inverter is in Fig. 8 shown.
  • the shift of the operating point from AP1 to AP2 is associated with a change in frequency.
  • the frequency at the operating point AP2 is lower than the frequency at the operating point AP1, but the lamp current I L has a higher amplitude at the operating point AP2 than at the operating point AP1.
  • the modulation can be made by changing the amplitude of the input voltage of the inverter 10.
  • an increased lamp current I L can also be achieved, for this see the time profile of the lamp current I L of Fig. 7 in which, although the amplitude at the operating point AP1 is greater than the amplitude at the operating point AP2, the frequency remains unchanged.
  • this is particularly preferably an upstream, quickly controllable DC / DC converter.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe (14) mit einem elektronischen Vorschaltgerät, das ausgelegt ist, ein AC-Speisesignal für die Hochdruckentladungslampe (14) bereitzustellen, wobei die Frequenz des AC-Speisesignals mindestens 1 MHz beträgt, wobei das elektronische Vorschaltgerät weiterhin ausgelegt ist, das AC-Speisesignal in der Amplitude zu modulieren. Sie betrifft überdies ein Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe (14) mit einem AC-Speisesignal, wobei die Frequenz des AC-Speisesignals mindestens 1 MHz beträgt und wobei das AC-Speisesignal in der Amplitude moduliert wird.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe mit einem elektronischen Vorschaltgerät, das ausgelegt ist, ein AC-Speisesignal für die Hochdruckentladungslampe bereitzustellen, wobei die Frequenz des AC-Speisesignals mindestens 1 MHz beträgt. Sie betrifft überdies ein Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe mit einem AC-Speisesignal, wobei die Frequenz des AC-Speisesignals mindestens 1 MHz beträgt.
    • Stand der Technik
  • Hochdruckentladungslampen, wie sie beispielsweise als Video-Projektionslampen verwendet werden, weisen üblicherweise zwei gleichartige Elektroden auf, die meist stabförmig ausgebildet sind. Beim Betrieb derartiger Hochdruckentladungslampen mit Wechselstrom kann es zu sehr störenden Flackererscheinungen kommen. Diese entstehen durch wechselndes Springen des Ansatzpunktes des Lichtbogens an den Elektrodenspitzen. Ermöglicht wird dies durch den häufigen Wechsel der Elektrodenfunktion von der anodischen (positive Polarität) zur kathodischen Phase (negative Polarität) mit der Betriebsfrequenz. Ein solches Springen des Lichtbogenansatzes beeinträchtigt insbesondere die Anwendung von Hochdruckentladungslampen in optischen Geräten, beispielsweise Projektionsgeräten, Beamern, Mikroskopbeleuchtungen, und kann bis zur Unbrauchbarkeit bei der Anwendung führen.
  • Aus der US 5,608,294 ist für einen niederfrequenten (50 Hz bis zu einigen 100 Hz) Betrieb einer Hochdruckentladungslampe bekannt, den rechteckförmigen Lampenstromverlauf zur Stabilisierung, d. h. zur Verhinderung des Springens des Ansatzpunktes des Lichtbogens, mit kurzen synchronen Pulsen zu überlagern. Hierbei wird der Strom am Ende einer Halbperiode vor der folgenden Kommutierung kurzfristig erhöht. Gemäß der genannten Druckschrift führt der Stromimpuls vor der Kommutierung zu einer kurzzeitigen Temperaturerhöhung an den Strom führenden Ansatzstellen des Lichtbogens an den Elektroden, hauptsächlich der momentanen Anode. Als Folge stellt sich eine Materialanlagerung ein, d. h. das Elektrodenmetall Wolfram aus dem Gaskreisprozess wird mit den Wolframhalogeniden auf den Elektroden abgeschieden, sowie eine Spitzenbildung auf den Elektroden, welche die Entladung und den Ansatz des Lichtbogens sehr effektiv stabilisiert.
  • Aus der WO 03/098979 A1 ist der Betrieb einer Hochdruckentladungslampe mit einem unmodulierten HF-Signal von mehr als 3 MHz bekannt. Generell lassen Hochdruckentladungslampen einen erfolgreichen HF-Betrieb erst ab Frequenzen zu, die oberhalb der akustischen Resonanzen in der Brennkammer liegen. Diese akustischen Resonanzen führen zu starken Strömungen in der Brennkammer, die den Entladungsbogen im Allgemeinen deutlich stören. Allerdings gibt es in der Literatur Ansätze, die akustischen Resonanzen durch geeignete Speiseströme zu dämpfen oder ganz zu vermeiden. Beispielhaft wird verwiesen auf die DE 10 2005 028 417.5 sowie die DE 10 2005 059 763 7 . Derartige Lösungen sind jedoch meist recht aufwändig.
  • In der EP 1 298 707 A2 ist eine Gasentladungslampe beschrieben, bei der eine Brennkammer lediglich eine Elektrode aufweist. Eine Gegenelektrode ist durch einen Reflektor außerhalb der Brennkammer gebildet. Die Lampe wird mit einem hochfrequenten Wechselstrom betrieben. Um einen Lichtbogen in der Brennkammer zu stabilisieren und eine Änderung seines Verlaufs in der Brennkammer zu vermeiden, wird eine Amplitude des hochfrequenten Wechselstroms moduliert. Eine Wiederholfrequenz der Amplitudenmodulation ist dabei so gewählt, dass in der Lampe akustische Schwingungen angeregt werden.
  • Schließlich wird verwiesen auf die DE 198 29 600 A1 , die sich mit dem HF-Betrieb einer Hochdruckentladungslampe beschäftigt. Sie betrifft insbesondere ebenfalls die Problematik des Springens des Ansatzes des Lichtbogens auf den Elektrodenspitzen. Sie schlägt als Lösung, ausgehend von einem Stand der Technik, bei dem die Hochdruckentladungslampen mit einer Frequenz unter 2 kHz betrieben wurden, vor, die Lampe mit einer Frequenz über 800 kHz, vorzugsweise über 1 MHz und besonders bevorzugt zwischen 2 und 3 MHz zu betreiben. In einer bevorzugten Weiterbildung wird die Betriebsfrequenz sowohl stetig als auch sprunghaft mit einer Modulationsfrequenz von weniger als 10 kHz, bevorzugt zwischen 1 und 2 kHz, gewobbelt. Wenngleich dies unter Umständen für gewisse Hochdruckentladungslampen eine Lösung darstellen kann, so erwies sich diese Maßnahme jedoch bei den von den Erfindern der vorliegenden Erfindung untersuchten Hochdruckentladungslampen als wirkungslos.
    • Darstellung der Erfindung
  • Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Schaltungsanordnung bzw. das eingangs genannte Verfahren derart weiterzubilden, dass in dem angegebenen Frequenzbereich, d. h. also bei HF-Betrieb der Hochdruckentladungslampe, ein Springen des Ansatzes des Lichtbogens auf den Elektrodenspitzen zuverlässig verhindert wird.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 bzw. durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 20.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine sehr effektive Stabilisierung des Lichtbogens bei Hochfrequenzbetrieb erreicht werden kann, wenn das AC-Speisesignal in der Amplitude moduliert ist. Die Ursachen hierfür sind gegenwärtig noch nicht ganz geklärt, da neben Amplitudenüberhöhungen auch Amplitudenminderungen den erfindungsgemäßen Erfolg herbeiführen und zur Vermeidung von Flackererscheinungen von Entladungsbögen ganz allgemein, insbesondere Plasmabögen in Hochdruckentladungslampen, führen. Ein Indiz hierfür ist, dass sich eine stabilisierende Spitzenbildung ähnlich der, wie sie sich beim Betrieb mit der in der erwähnten US 5,608,294 vorgestellten Schaltungsanordnung ergibt, erst nach einigen Stunden einstellt. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die eigentliche Erklärung für die erfindungsgemäße Lösung eben nicht in der Spitzenbildung zu finden ist. Hinsichtlich der Zeitkonstanz und Ortskonstanz des Entladungsbogens wird eine Stabilisierung erreicht, die selbst den hohen optischen Anforderungen an Projektionslampen genügt.
  • Im Gegensatz zum NF-Betrieb ermöglicht der HF-Betrieb einfache, sogar einstufige Vorschaltgeräte. Dies ermöglicht gegenüber dem heutigen Stand der Technik (NF-Betrieb) stark verkleinerte und damit deutlich kostengünstigere Vorschaltgeräte.
  • Die Amplitudenmodulation stellt eine Pulsmodulation dar. Dabei wird außerhalb des Bereichs stärkerer akustischer Resonanzen eine Stabilisierung des Lichtbogens durch eine pulsförmige, periodisch wiederholte Amplitudenmodulation des AC-Speisesignals erzielt. Dabei weist die Pulsmodulation eine Wiederholfrequenz von 100 Hz bis 100 kHz, bevorzugt von 100 Hz bis 2 kHz, auf. Das Tastverhältnis der Pulsmodulation liegt bevorzugt zwischen 1 % und 50 %, bevorzugt zwischen 3 % und 20 %. Aus Sicht von Video-Projektionsanwendungen haben sich Tastverhältnisse als sehr vorteilhaft erwiesen, bei denen die Modulationspulse nur sehr kurze Zeiträume in Anspruch nehmen, insbesondere Zeiträume, die kürzer sind als die Bilddunkellücke.
  • Die Amplitudenmodulation des AC-Speisesignals kann bei konstanter Frequenz erfolgen, sie kann jedoch auch mit einer Frequenzänderung einhergehen. Dabei liegt die geänderte Frequenz in einem Bereich von - 50 % bis + 100 %, bevorzugt in einem Bereich von - 10 % bis + 10 %, der Frequenz des AC-Speisesignals. Wie bereits erwähnt, kann sich die Pulsmodulation durch eine Amplitudenüberhöhung gegenüber dem unmodulierten AC-Speisesignal auszeichnen. Besonders gute Ergebnisse hinsichtlich der Stabilisierung des Lichtbogens haben sich bei Amplitudenüberhöhungen zwischen 20 % und 1000 %, bevorzugt zwischen 20 % und 200 %, der Amplitude des unmodulierten AC-Speisesignals ergeben.
  • Wie ebenfalls bereits erwähnt, kann sich die Pulsmodulation auch durch eine Amplitudenminderung gegenüber dem unmodulierten AC-Speisesignal auszeichnen. Dabei beträgt die Amplitudenminderung zwischen - 5 % und - 90 % des unmodulierten AC-Speisesignals.
  • Vorausgesetzt, dass innerhalb einer Periode der Pulsmodulation der Anteil des unmodulierten AC-Speisesignals mindestens 50 % beträgt, kann die Pulsmodulation charakterisiert sein durch eine Abfolge von Amplitudenüberhöhungen, eine Abfolge von Amplitudenminderungen sowie eine Abfolge von Amplitudenüberhöhungen und Amplitudenminderungen, die sich gegenseitig abwechseln. Hierbei haben sich verschiedene Varianten als erfolgreich gezeigt: Die Amplitudenüberhöhungen und/oder die Amplitudenminderungen können immer zu positiven Amplituden oder immer zu negativen Amplituden oder abwechselnd zu positiven und zu negativen Amplituden oder gleichzeitig zu positiven oder negativen Amplituden des unmodulierten AC-Speisesignals erfolgen. Dabei hat sich aus thermischer Sicht die Abfolge einer Amplitudenüberhöhung mit einer unmittelbar darauf folgenden Amplitudenminderung bzw. die umgekehrte Reihenfolge als besonders vorteilhaft erwiesen. Der erfindungsgemäße Erfolg hat sich bei unterschiedlichsten Pulsformen eingestellt, insbesondere bei rechteck-, dreieck-, halbsinus-, rechteckförmig mit exponentiellem Anstieg oder sägezahnförmiger Pulsform.
  • Zur Realisierung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung weist bei dieser das elektronische Vorschaltgerät bevorzugt Folgendes auf: einen Eingangsanschluss zum Anschließen einer Eingangsspannung, einen Ausgangsanschluss zum Bereitstellen eines AC-Speisesignals an die Hochdruckentladungslampe und eine zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss angeordnete Serienschaltung aus einem Wechselrichter und einem Lastnetzwerk, wobei der Wechselrichter eine Wechselrichterausgangsspannung mit einer vorgebbaren Frequenz, einer vorgebbaren Amplitude und einem vorgebbaren Tastverhältnis an das Lastnetzwerk bereitstellt.
  • Bevorzugt wird zur Amplitudenmodulation des AC-Speisesignals die vorgebbare Frequenz und/oder die vorgebbare Amplitude der Wechselrichter-Ausgangsspannung verändert. Bevorzugt weist das Lastnetzwerk mindestens einen Transformator auf, der am Eingang und/oder am Ausgang und/oder zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Lastnetzwerks angeordnet ist. Dieser erweist sich als besonders nützlich im Falle sehr niedriger oder hoher Betriebsspannungen oder bei der Forderung einer sicheren galvanischen Trennung, wobei hier beispielsweise an die Bahnnorm von 2 kV zu denken ist.
  • Das Lastnetzwerk ist bevorzugt so ausgelegt, dass es durch Veränderung der vorgebbaren Frequenz der Wechselrichterausgangsspannung in Resonanz gebracht werden kann, um dadurch die Zündspannung zur Zündung der Hochdruckentladungslampe zu erzeugen. Dadurch entfällt das Vorsehen einer separaten Zündvorrichtung.
  • Bevorzugt weist die Hochdruckentladungslampe einen Betriebsdruck von 100 bis 500 Bar auf.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und Weiterbildungen sowie deren Vorteile gelten entsprechend, soweit anwendbar, für das erfindungsgemäße Verfahren.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnung(en)
  • Im Nachfolgenden wird nunmehr ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
    • Fig. 1
    in schematischer Darstellung den Aufbau einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
    Fig. 2
    eine Auswahl von verschiedenen Ausführungsformen für ein Lastnetzwerk der Schaltungsanordnung von Fig. 1;
    Fig. 3
    für das Lastnetzwerk gemäß Fig. 2a die Übertragungsfunktion des Lampenstroms in Abhängigkeit der Frequenz der Spannung am Eingang des Lastnetzwerks;
    Fig. 4
    eine erste Ausführungsform eines Wechselrichter für die Schaltungsanordnung von Fig. 1;
    Fig. 5
    eine zweite Ausführungsform eines Wechselrichters für die Schaltungsanordnung von Fig. 1;
    Fig. 6
    ein Prinzipschaltbild zur Erzeugung einer Pulsmodulation unter Verwendung eines VCO (Voltage Controlled Oscillator);
    Fig. 7
    den zeitlichen Verlauf des AC-Speisesignals ohne Frequenzmodulation; und
    Fig. 8
    den zeitlichen Verlauf des AC-Speisesignals, bei dem während des Impulses der Pulsmodulation zusätzlich die Frequenz moduliert wird.
    Bevorzugte Ausführung der Erfindung
  • Die Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung den Aufbau einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Die Eingangsspannung Ue, die insbesondere die so genannte Zwischenkreisspannung darstellen kann, wird dabei einem Hochfrequenz-Wechselrichter 10 zugeführt. Dessen Ausgangssignal zeichnet sich durch eine vorgebbare Amplitude, eine vorgebbare Frequenz sowie ein vorgebbares Tastverhältnis aus. Diese vorgebbaren Größen können über eine Schnittstelle (nicht dargestellt) am Wechselrichter 10 eingestellt werden. Das Ausgangssignal Ua des Wechselrichters 10 wird einem Lastnetzwerk 12 zugeführt. An dessen Ausgang wird ein Lampenstrom IL an die Hochdruckentladungslampe 14 bereitgestellt. Dabei formt das Lastnetzwerk 12 den annähernd sinusförmigen Lampenstrom IL aus der Ausgangsspannung Ua des Wechselrichters 10 und dient gleichzeitig zur Strombegrenzung. Entsprechend der Charakteristik des Lastnetzwerks 12 kann der Lampenstrom sowohl von der Frequenz als auch von der Amplitude der Ausgangsspannung des Wechselrichters abhängig sein. Zur Erzeugung der gewünschten Amplitudenmodulation des Lampenstroms IL kann entweder die Frequenz der Ausgangsspannung Ua und/oder die Amplitude geändert werden. Bevorzugt ist das Lastnetzwerk 12 überdies so ausgebildet, dass es durch Veränderung der vorgebbaren Frequenz der Ausgangsspannung Ua des Wechselrichters in Resonanz gebracht werden kann, um damit die Zündspannung für die Hochdruckentladungslampe zu erzeugen.
  • Fig. 2 zeigt verschiedene Ausführungsformen eines geeigneten Lastnetzwerks. Es ist darauf hinzuweisen, dass in den Ausführungsformen gemäß Fig. 2a und 2d der Kondensator C2 unterschiedlich ausgelegt sein kann: Einmal um zum Resonanznetzwerk beizutragen, zum anderen lediglich zur Gleichspannungstrennung. Wird am Eingang oder am Ausgang oder zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Lastnetzwerks 12 mindestens ein Transformator eingefügt, so kann damit insbesondere eine galvanische Trennung sichergestellt werden. Neben den dargestellten Lastnetzwerken in T-Anordnung sind für die Zwecke der vorliegenden Erfindung auch reine Serienschaltungen aus LC-Gliedern sowie Schaltungen in π-Anordnung verwendbar. Wie für den Fachmann offensichtlich, lassen sich die Ziele der vorliegenden Erfindung auch mit Lastnetzwerken höherer Ordnung erreichen.
  • Fig. 3 zeigt die Übertragungsfunktion des Lampenstroms IL in Abhängigkeit der Frequenz f der Eingangsspannung Ue für das in Fig. 2a gezeigte Lastnetzwerk. Es sind zwei Arbeitspunkte AP1 und AP2 eingezeichnet, auf die mit Bezug auf die Fig. 8 zurückgekommen wird.
  • Die Figuren 4 und 5 zeigen Beispiele für Wechselrichter 10, die für die Schaltungsanordnung von Fig. 1 geeignet sind. Fig. 4 zeigt hierbei einen schaltentlasteten Klasse E-Konverter, Fig. 5 eine schaltentlastete ZVS (Zero Voltage Switching)-Halbbrücke. Da die Wechselrichter gemäß den Figuren 4 und 5 dem Fachmann einschlägig bekannt sind, wird nicht näher hierauf eingegangen.
  • Zur Erzeugung des erfindungsgemäßen Verlaufs des Lampenstroms IL wird im einfachsten Falle die Ansteuerfrequenz der Schalttransistoren, S1 in Fig. 4 bzw. S1 und S2 in Fig. 5, frequenzmoduliert. Hierbei kann ein spannungsgesteuerter, frequenzvariabler Oszillator mitbenutzt werden, der üblicherweise ohnehin zur Strom- bzw. Leistungsregelung vorhanden ist.
  • Fig. 6 zeigt die Erzeugung der Ansteuersignale für den Wechselrichter gemäß Fig. 5. Dabei wird ein Pulssignal P zu dem ohnehin vorhandenen Steuersignal Q für den Betrieb im Addierer 16 hinzuaddiert. Dieses Steuersignal wird einem VCO 18 zugeführt, der es einem Pulsformer 20 zuführt. Im Pulsformer 20 sind üblicherweise auch Treiberschaltungen vorgesehen. Am Ausgang des Pulsformers 20 werden die Ansteuersignale für die Schalter S1, S2 des Wechselrichters 10 bereitgestellt. Der zeitliche Verlauf des Lampenstroms IL bei dieser Variante der Ansteuerung der Schalter des Wechselrichters ist in Fig. 8 dargestellt. Wie deutlich zu erkennen, ist die Verschiebung des Arbeitspunkts von AP1 nach AP2 mit einer Änderung der Frequenz verbunden. Die Frequenz am Arbeitspunkt AP2 ist niedriger als die Frequenz im Arbeitspunkt AP1, wobei der Lampenstrom IL jedoch im Arbeitspunkt AP2 eine höhere Amplitude aufweist als im Arbeitspunkt AP1.
  • Alternativ - oder gleichzeitig - kann die Modulation durch Änderung der Amplitude der Eingangsspannung des Wechselrichters 10 vorgenommen werden. Durch Erhöhung dieser Spannung während der Pulsdauer kann ebenfalls ein erhöhter Lampenstrom IL erzielt werden, siehe hierzu den zeitlichen Verlauf des Lampenstroms IL von Fig. 7, bei dem zwar die Amplitude im Arbeitspunkt AP1 größer ist als die Amplitude im Arbeitspunkt AP2, die Frequenz jedoch unverändert bleibt. Für die Realisierung hierzu eignet sich besonders bevorzugt ein vorgeschalteter, schnell steuerbarer DC/DC-Konverter.

Claims (20)

  1. Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe (14), wobei die Hochdruckentladungslampe (14) zwei stabförmige Elektroden in einer Brennkammer aufweist, mit einem elektronischen Vorschaltgerät, das ausgelegt ist, ein AC-Speisesignal für die Hochdruckentladungslampe (14) bereitzustellen, wobei das elektronische Vorschaltgerät ausgelegt ist, das AC-Speisesignal in der Amplitude zu modulieren,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Frequenz des AC-Speisesignals mindestens 1 MHz beträgt, wobei die Amplitudenmodulation eine Pulsmodulation mit einer Wiederholfrequenz von 100 Hz bis 100 kHz unter Beibehaltung der Frequenz des AC-Speisesignals oder unter Veränderung der Frequenz des AC-Speisesignals in einem Bereich von -50% bis +100% darstellt, bei welcher die Wiederholfrequenz außerhalb eines Bereichs einer akustischen Resonanz der Brennkammer liegt.
  2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Pulsmodulation eine Wiederholfrequenz von 100 Hz bis 2 kHz aufweist.
  3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Pulsmodulation ein Tastverhältnis zwischen 1 % und 50 % aufweist.
  4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Pulsmodulation mit einer Frequenzänderung des AC-Speisesignals von -10% bis +10% einhergeht.
  5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die geänderte Frequenz in einem Bereich von -50 % bis +100%, bevorzugt in einem Bereich von -10% bis +10%, der Frequenz des AC-Speisesignals liegt.
  6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Pulsmodulation gegenüber dem unmodulierten AC-Speisesignal eine Amplitudenüberhöhung aufweist.
  7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Amplitudenüberhöhung zwischen 20 % und 1000 %, bevorzugt zwischen 20 % und 200 %, der Amplitude des unmodulierten AC-Speisesignals beträgt.
  8. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Pulsmodulation gegenüber dem unmodulierten AC-Speisesignal eine Amplitudenminderung aufweist.
  9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Amplitudenminderung zwischen -5% und -90% des unmodulierten AC-Speisesignals beträgt.
  10. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass innerhalb einer Periode der Pulsmodulation der Anteil des unmodulierten AC-Speisesignals mindestens 50 % beträgt.
  11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Pulsmodulation charakterisiert ist durch:
    - eine Abfolge von Amplitudenüberhöhungen;
    - eine Abfolge von Amplitudenminderungen;
    - eine Abfolge von Amplitudenüberhöhungen und Amplitudenminderungen, die sich gegenseitig abwechseln.
  12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Amplitudenüberhöhungen und/oder die Amplitudenminderungen immer zu positiven Amplituden oder immer zu negativen Amplituden oder abwechselnd zu positiven und zu negativen Amplituden oder gleichzeitig zu positiven oder negativen Amplituden des unmodulierten AC-Speisesignals erfolgen.
  13. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Pulsform rechteck-, dreieck-, halbsinus-, rechteckförmig mit exponentiellem Anstieg oder sägezahnförmig ist.
  14. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    dass das elektronische Vorschaltgerät aufweist:
    - einen Eingangsanschluss zum Anschließen einer Eingangsspannung (Ue);
    - einen Ausgangsanschluss zum Bereitstellen des AC-Speisesignals an die Hochdruckentladungslampe (14); und
    - eine zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss angeordnete Serienschaltung aus einem Wechselrichter (10) und einem Lastnetzwerk (12), wobei der Wechselrichter (10) eine Wechselrichter-Ausgangsspannung (Ua) mit einer vorgebbaren Frequenz, einer vorgebbaren Amplitude und einem vorgebbaren Tastverhältnis an das Lastnetzwerk (12) bereitstellt.
  15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 14,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Wechselrichter (10) ausgelegt ist, zur Amplitudenmodulation des AC-Speisesignals die vorgebbare Frequenz und/oder die vorgebbare Amplitude der Wechselrichter-Ausgangsspannung (Ua) zu verändern.
  16. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 14 oder 15,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Lastnetzwerk (12) mindestens einen Transformator aufweist, der am Eingang und/oder am Ausgang und/oder zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Lastnetzwerks (12) angeordnet ist.
  17. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 16,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Lastnetzwerk (12) ausgelegt ist, durch Veränderung der vorgebbaren Frequenz der Wechselrichter-Ausgangsspannung (Ua) zur Erzeugung einer Zündspannung für die Hochdruckentladungslampe (14) in Resonanz gebracht zu werden.
  18. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 17,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Hochdruckentladungslampe (14) einen Betriebsdruck von 100 bis 500 Bar aufweist.
  19. Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe (14), wobei die Hochdruckentladungslampe (14) zwei stabförmige Elektroden in einer Brennkammer aufweist, mit einem AC-Speisesignal, wobei die Frequenz des AC-Speisesignals mindestens 1 MHz beträgt,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass
    das AC-Speisesignal in der Amplitude moduliert wird, wobei die Amplitudenmodulation eine Pulsmodulation mit einer Wiederholfrequenz von 100 Hz bis 100 kHz unter Beibehaltung der Frequenz des AC-Speisesignals oder unter Veränderung der Frequenz des AC-Speisesignals in einem Bereich von -50% bis +100% darstellt, bei welcher eine Wiederholfrequenz außerhalb eines Bereichs einer akustischen Resonanz der Brennkammer liegt.
  20. Projektionsanordnung für bildhafte Inhalte mit einer Schaltungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18, einer Hochdruckenbadungslampe (14), wobei die Schaltungsanordnung die Hochdruckentladungslampe (14) mit einem Verfahren gemäß dem Anspruch 19 betreibt, und die Hochdruckentladungslampe (14) zwei stabförmige Elektroden in einer Brennkammer aufweist.
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