Schaltungsanordnung und Verfahren zum Betreiben mindestens einer Hochdruckentladungslampe

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanord ^¬ nung zum Betreiben mindestens einer Hochdruckentladungs- lampe mit einem Spannungswandler mit mindestens einem e- lektronischen Schalter, einer Ansteuerschaltung zum Ansteuern des mindestens einen elektronischen Schalters des Spannungswandlers mit einer vorgebbaren Wandlerfrequenz, einem ersten und einem zweiten Anschluss zum Koppeln mit der mindestens einen Hochdruckentladungslampe, einem ers ^¬ ten Kondensator, der zwischen den Spannungswandler und den ersten Anschluss für die Entladungslampe gekoppelt ist, und einer Ladevorrichtung, die mit dem ersten Kondensator gekoppelt ist, um diesen mit einer Gleichspan- nung auf eine Zündspannung zum Zünden der Hochdruckentladungslampe aufzuladen. Sie betrifft überdies ein entspre ^¬ chendes Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe .

Stand der Technik

Hochdruckentladungslampen weisen beim Betrieb in bestimm- ten Frequenzbereichen Bogenresonanzen, so genannte akustische Resonanzen, auf. Diese Resonanzfrequenzen liegen meist in einem Bereich zwischen 1 kHz bis 1 MHz. Daher werden diese Lampen üblicherweise mit einer Rechteckfre ^¬ quenz unterhalb 1 kHz betrieben. Elektronische Vorschalt- gerate, die ausgelegt sind, eine derartige Rechteckfre- quenz bereitzustellen, sind jedoch technisch sehr aufwändig und daher entsprechend voluminös und kostenintensiv.

Vorteile bringt der Betrieb im Bereich um und oberhalb 1 MHz. Dabei besteht aber das Problem, dass die beim Rechteckbetrieb angewandte Impuls-Überlagerungszündung durch die hohe Induktivität des Impulstransformators beim HF-Betrieb nicht einsetzbar ist. Ein derartiger Impuls ^¬ transformator wirkt nämlich als Filter für die hohen Frequenzen und begrenzt dadurch die Übertragung des Stroms in diesen Frequenzbereichen. Bei derartig hohen Frequenzen wird quasi kein Stromfluss durch einen derartigen Impulstransformator mehr ermöglicht. Es muss also nach anderen Zündungs-Alternativen gesucht werden.

Aus der DE 199 09 530 AI ist in diesem Zusammenhang eine Schaltungsanordnung bekannt, welche eine Gleichstromzündung einer Hochdruckentladungslampe ermöglicht. Dabei wird eine Zünd- beziehungsweise Koppelkapazität, die dort mit Cl bezeichnet ist, auf die Zündspannung, die bei ^¬ spielsweise zwischen 10 und 15 kV betragen kann, aufgela- den. Für den Stationärbetrieb der Hochdruckentladungslampe muss jedoch diese Zünd- beziehungsweise Koppelkapazi ^¬ tät einen sehr hohen Kapazitätswert aufweisen, um den entsprechenden Strom für die geforderte Lampenleistung zu übertragen. In Verbindung mit der hohen Spannungsfestig- keit für den Zündvorgang ergeben sich daraus sehr voluminöse und teure Kondensatoren. Im Zündvorgang stellt dieser Kondensator nämlich die Zündkapazität dar, die auf die entsprechende Zündspannung aufgeladen wird, während im Stationärbetrieb der Lampe dieser Kondensator zwangsweise - als Koppelkapazität arbeitet. Das bedeutet, dieser Kondensator muss den Stromkreis zwischen dem Ü- bertrager des Spannungswandlers und der Lampe schließen und somit den gesamten Lampenstrom übernehmen und weiterleiten. Durch die Induktivität LI und den Kondensator C3, siehe dort Fig. 2, wird lediglich die Übernahmespannung bereitgestellt, die nur einige kV beträgt und damit deut ^¬ lich unter der Zündspannung liegt.

Wandler für elektronische Vorschaltgeräte für den Hoch ^¬ frequenzbetrieb werden im Allgemeinen im Resonanzmode be ^¬ trieben. Hierbei schalten die Transistoren zur Verlust- leistungsreduzierung im ström- beziehungsweise spannungslosen Zustand, das heißt im Nulldurchgang. Dafür ist auf der Primärseite des Wandlers ein zusätzlicher Resonanzkondensator notwendig, welcher mit der Primärinduktivität einen Resonanzkreis bildet. Im Resonanzfall sind die Spannungen beziehungsweise Ströme sinusförmig, so dass im Nulldurchgang geschaltet werden kann. In diesem Zusammenhang wird verwiesen auf die WO 98/18297 AI, bei der der Resonanzkondensator mit C2 bezeichnet ist. Die Primärinduktivität wird gebildet von den Wicklungen Wla und Wlb des Push-Pull-Konverters , der seinerseits die Transisto ^¬ ren Tl, T2 und den Transformator Tri umfasst.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine eingangs genannte Schaltungsanordnung bezie ^¬ hungsweise ein eingangs genanntes Verfahren derart wei- terzubilden, dass die Kapazität des ersten Kondensators, der den Koppel- beziehungsweise Zündkondensator darstellt, verringert werden kann. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 15.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass dies grundsätzlich ermöglicht wird, wenn der Spannungswandler einen Transformator umfasst, wobei der Transformator eine Primärinduktivität mit mindestens ei ^¬ nem ersten und einem zweiten Anschluss und eine Sekundärinduktivität mit einem ersten und einem zweiten Anschluss umfasst, wobei der erste Kondensator zwischen den ersten Anschluss der Sekundärinduktivität und den ersten An ^¬ schluss für die mindestens eine Hochdruckentladungslampe gekoppelt ist. Erfindungsgemäß ist die Wandlerfrequenz im Stationärbetrieb der Schaltungsanordnung derart gewählt, dass die Sekundärseite, die zumindest die Serienschaltung aus Sekundärinduktivität, ersten Kondensator sowie Hoch ^¬ druckentladungslampe umfasst, im Wesentlichen in Resonanz betrieben wird. Dadurch, dass die Induktivitäten und Kapazitäten des Serienkreises mit der Hochdruckentladungs- lampe einen Reihenresonanzkreis bilden, bei dem im Reso ^¬ nanzfall die Impedanzen der Bauelemente sehr kleine Werte annehmen, ist auch die Impedanz des Zünd- beziehungsweise Koppelkondensators, das heißt des ersten Kondensators, bei Betrieb mit einer derartigen Wandlerfrequenz sehr klein. Hierdurch kann bei relativ niedrigen Frequenzen und geringen Kapazitäten - im Vergleich ohne Resonanz - ein hoher Strom geleitet werden. Dieser ist zudem auch noch sinusförmig. Dadurch lässt sich die Kapazität des ersten Kondensators gegenüber der bekannten Vorgehenswei- se deutlich verringern. Damit geht eine Kostenreduktion des ersten Kondensators sowie eine Volumenverkleinerung der Schaltungsanordnung, das heißt des elektronischen Vorschaltgeräts , einher. Überdies können die Bauteile des Spannungswandlers ebenfalls kleiner dimensioniert werden, was zu einer weitern Kostenreduktion führt. Die Erfindung ist nicht zu verwechseln mit der zur Lampe parallel geschalteten Resonanzkapazität Cl der WO 98/18297 AI beziehungsweise des Kondensators C2 der DE 199 09 530 AI, welche eine weit oberhalb der Statio ^¬ närfrequenz des Spannungswandlers liegende weitere Reso- nanzstelle zur Spannungsüberhöhung für die Übernahme der Hochdruckentladungslampe bereitstellen und im stationären Lampenbetrieb wirkungslos sind, da sie von der Hochdruck ^¬ entladungslampe kurzgeschlossen werden. Deren Kapazitätswert ist sehr viel kleiner als die Zünd- beziehungsweise Koppelkapazität.

Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung den Vorteil bereit, dass der Resonanzkondensator der Primärseite wie in der WO 98/18297 AI noch vorhanden, entfallen kann, da der Primärstrom nun ebenfalls zwangsweise sinusförmig ist. Somit kann der Schaltungsaufwand nochmals deutlich reduziert werden, was zu einer weiteren Kostenreduktion führt .

Bevorzugt liegt die Wandlerfrequenz in einem Bereich von +/- 10 % der Resonanzfrequenz des Sekundärkreises. Durch die Wahl der Frequenz innerhalb dieses Bereichs lässt sich bereits eine deutliche Reduktion der Kapazität des ersten Kondensators erreichen. Der Strom beziehungsweise Spannungsverlauf ist bereits dann für ein verlustarmes Schalten ausreichend sinusförmig. Der Spannungswandler kann einen Push-Pull-Konverter darstellen, der mindestens einen ersten und einen zweiten elektronischen Schalter umfasst, die in Serie gekoppelt sind, wobei ein erster Anschluss der Primärinduktivität mit dem ersten elektronischen Schalter, ein zweiter Anschluss der Primärinduktivität mit dem zweiten elektroni ^¬ schen Schalter und ein dritter Anschluss der Primärinduktivität mit einem Bezugspotential gekoppelt ist. Bevor ^¬ zugt ist der Primärinduktivität ein zweiter Kondensator parallel geschaltet, um den Spannungsanstieg zu begrenzen und weitere Resonanzstellen zu erhalten.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen den ersten und den zweiten Anschluss für die Hochdruckentla ^¬ dungslampe ein dritter Kondensator gekoppelt. Dieser dient dazu, eine Resonanz bei höheren Frequenzen zum Erzeugen der Übernahmespannung bereitzustellen, wobei die Resonanzfrequenz bestimmt ist durch die Streuinduktivität des Transformators auf der Sekundärseite und den drittten Kondensator. Im Betrieb ist dieser dritte Kondensator wirkungslos, da er von der Lampe, die im Betrieb nieder- ohmig wird, kurzgeschlossen wird.

Besonders bevorzugt ist zwischen den ersten Kondensator und den ersten Anschluss für die Hochdruckentladungslampe eine erste Induktivität gekoppelt. Diese dient der Strom- formung sowie der Strombegrenzung. Sie kann in Verbindung mit dem dritten Kondensator weiterhin der Einrichtung weiterer Resonanzstellen zum Zwecke der Übernahmespannungserzeugung und der Verschiebung der Resonanzstelle in Verbindung mit dem ersten Kondensator dienen. Unter Um- ständen ist es auch sinnvoll, die erste Induktivität zwi ^¬ schen den ersten Kondensator und den ersten Anschluss der Sekundärseite des Transformators zu koppeln. Der dritte Kondensator wird dann zwischen den Knotenpunkt des ersten Kondensators und der ersten Induktivität sowie den zwei ^¬ ten Anschluss der Hochdruckentladungslampe gekoppelt. Hierbei blockt der zweite Kondensator einen Teil des Ent- ladestroms des ersten Kondensators (bei Übernahme der Hochdruckentladungslampe) von der Sekundärseite des Transformators ab. Dies verringert die Rückschlagspannung im Primärkreis des Transformators und somit die Span- nungsbelastung des ersten und des zweiten elektronischen Schalters im Zündmoment der Hockdruckentladungslampe .

Der Spannungswandler kann auch einen Brückenkonverter darstellen, der mindestens einen ersten und einen zweiten elektronischen Schalter umfasst. Dabei kann der erste An- schluss der Primärinduktivität mit einem Verbindungspunkt zwischen dem ersten und dem zweiten elektronischen Schalter gekoppelt sein, wobei der zweite Anschluss der Pri ^¬ märinduktivität mit dem vom Verbindungspunkt abgekehrten Anschluss des zweiten elektronischen Schalters gekoppelt ist. In diesem Zusammenhang kann parallel zur Sekundärinduktivität ein vierter Kondensator gekoppelt sein. Dieser dient wiederum der Erzeugung der Übernahmespannung für die Hochdruckentladungslampe zusammen mit der Sekundärin ^¬ duktivität des Transformators des Spannungswandlers. Weiterhin oder alternativ kann zwischen den vom Verbindungspunkt abgekehrten Anschluss des zweiten elektronischen Schalters und den zweiten Anschluss der Primärinduktivität ein fünfter Kondensator gekoppelt sein. Dieser dient bei ungünstiger Kapazitätsgröße des ersten Konden- sators als Symmetriekondensator für den Transformator und ermöglicht eine Verschiebung der Resonanzfrequenz des Ge- samtsystems, da sich die Kapazitäten des ersten und des fünften Kondensators über das Quadrat des Übersetzungs ^¬ verhältnisses des Transformators addieren.

Der Spannungswandler kann auch einen Einschalterwandler mit einem elektronischen Schalter, insbesondere einen Flyback Konverter, darstellen. Bevorzugt ist dabei dem elektronischen Schalter ein sechster Kondensator parallel geschaltet. Dieser dient der Begrenzung des Spannungsanstiegs über den ersten elektronischen Schalter und beein- flusst ebenfalls die Resonanzfrequenz des Sekundärkrei ^¬ ses. Auch die Einbeziehung der aus den weiter oben beschriebenen Schaltungsausführungen bereits bekannten zusätzlichen Induktivität im Sekundärkreis ist wiederum möglich . Weiterhin kann der Sekundärinduktivität ein siebter Kondensator parallel geschaltet sein, der wiederum der Bereitstellung der Übernahmefrequenz dient.

Die Wandlerfrequenz beträgt bei den bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung mindestens 1 MHz.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Schaltungsanord ^¬ nung vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und de- ren Vorteile gelten, soweit anwendbar, entsprechend für das erfindungsgemäße Verfahren . Kurze Beschreibung der

Zeichnung (en) Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der vorlie ^¬ genden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung ein erstes Ausfüh- rungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungs ^¬ anordnung;

Fig. 2 in schematischer Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungs ^¬ anordnung; Fig. 3 in schematischer Darstellung ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungs ^¬ anordnung; und

Fig. 4 in schematischer Darstellung ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungs- anordnung.

In den nachfolgenden Ausführungsbeispielen werden gleiche und gleich wirkende Bauelemente mit denselben Bezugszei ^¬ chen gekennzeichnet.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein erstes Aus- führungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanord ^¬ nung zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe La. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Spannungswandler 10 durch einen Push-Pull-Konverter realisiert, der einen ersten elektronischen Schalter Tl sowie einen zweiten e- lektronischen Schalter T2 umfasst, die in Serie gekoppelt sind. Der Spannungswandler 10 umfasst weiterhin einen Transformator Tr mit einer Primärinduktivität PI, die ei ^¬ ne erste Teilinduktivität Pia und eine zweite Teilinduk ^¬ tivität Plb umfasst. Eine Sekundärinduktivität ist mit Sl bezeichnet. Ein erster Anschluss der Primärinduktivität PI ist mit dem ersten elektronischen Schalter Tl gekoppelt, während ein zweiter Anschluss der Primärinduktivität PI mit dem zweiten elektronischen Schalter T2 gekop- pelt ist. Ein dritter Anschluss, der zwischen der ersten Teilinduktivität Pia und der zweiten Teilinduktivität Plb angeordnet ist, ist mit einem Bezugspotential gekoppelt, das insbesondere eine Gleichspannung U _v darstellt.

Der erste und der zweite elektronische Schalter Tl, T2 werden von einer Ansteuerungsvorrichtung 12 mit einem An- steuersignal angesteuert, das eine Schaltfrequenz f _s auf ^¬ weist. Sekundärseitig ist ein erster Kondensator Cl vor ^¬ gesehen, der zwischen die Sekundärinduktivität Sl sowie einen ersten Anschluss der Hochdruckentladungslampe La gekoppelt ist. Eine mit dem ersten Kondensator Cl gekop ^¬ pelte Ladevorrichtung 14 dient dazu, den ersten Kondensator Cl mit einer Gleichspannung auf eine Zündspannung zum Zünden der Hochdruckentladungslampe La aufzuladen.

Im Hinblick auf die vorliegende Erfindung ist folgendes anzumerken: Induktivitäten und Kapazitäten besitzen ganz allgemein einen frequenzabhängigen Blindwiderstand. Damit wird der Scheinwiderstand Z einer Reihenschaltung aus ei ^¬ nem ohmschen Widerstand R, einer Induktivität L und eines Kondensators C ebenfalls frequenzabhängig. Im Nachfolgenden stellt R den ohmschen Widerstand der Hochdruckentladungslampe La dar, der üblicherweise zwi ^¬ schen 10 und 200 Ω liegt stellt, Ls die Gesamtindukti ^¬ vität des Sekundärkreises bestehend aus allen direkten und indirekten Induktivitäten, und Cs die Gesamtkapazität - Il des Sekundärkreises bestehend aus allen direkten und in ^¬ direkten Kapazitäten:

Eine direkte Induktivität stellt beispielsweise die zu ^¬ sätzliche Induktivität LI dar, während indirekte Indukti ^¬ vitäten beispielsweise durch Streu-, parasitäre oder rückwirkende Induktivitäten gebildet werden.

Eine direkte Kapazität ist beispielsweise die Zünd- be ^¬ ziehungsweise Koppelkapazität Cl, während indirekte Kapa ^¬ zitäten beispielsweise durch Streu-, parasitäre oder rückwirkende Kapazitäten gebildet werden. Die bestimmende Kapazität in Cs ist Cl .

Erfindungsgemäß wird nunmehr die Schaltfrequenz f _s so ge ^¬ wählt, dass die Gesamtinduktivität Ls und die Gesamtkapa ^¬ zität Cs in Serienresonanz betrieben werden. Um dies zu erreichen, ist die Schaltfrequenz f _s wie folgt zu wählen:

Für die Erfindung brauchbare Werte ergeben sich jedoch bereits bei einer Wahl der Schaltfrequenz f _s im Bereich von +/- 10 % der oben angegebenen Resonanzfrequenz f _s des Sekundärkreises .

Ohne Reihenresonanz wäre die Impedanz des Kondensators

Cl :

\Zc\ = Ι/ωΟΙ Es wäre also eine weitaus höhere Frequenz beziehungsweise ein größerer Kondensator notwendig, um einen entsprechenden Strom I = fließen zu lassen.

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfin- dungsgemäßen Schaltungsanordnung, bei dem der Primärinduktivität PI ein Kondensator C2 parallel geschaltet ist. Dieser Kondensator C2 dient einer Begrenzung des Spannungsanstiegs im Primärkreis sowie der Bereitstellung weiterer Resonanzstellen. Weiterhin ist bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Hochdruckentladungslampe La ein Konden ^¬ sator C3 parallel geschaltet. Dieser hat die Aufgabe, ei ^¬ ne weitere Resonanzstelle zur Erzeugung der Übernahme ^¬ spannung bereitzustellen. Eine zwischen den Kondensator Cl und den ersten Anschluss für die Hochdruckentladungslampe La gekoppelte Induktivi ^¬ tät LI dient der Stromformung sowie der Strombegrenzung. Sie kann in Verbindung mit dem Kondensator C3 weiterhin der Einrichtung weiterer Resonanzstellen zum Zwecke der Übernahmespannungserzeugung und der Verschiebung der Resonanzstelle in Verbindung mit dem Kondensator Cl dienen. Unter Umständen ist es auch sinnvoll, die Induktivität LI zwischen den Kondensator Cl und den ersten Anschluss der Sekundärseite des Transformators Tr zu koppeln. Der Kon- densator C3 wird dann zwischen den Knotenpunkt des Kondensators Cl und der Induktivität LI sowie den zweiten Anschluss der Hochdruckentladungslampe La gekoppelt. Hierbei blockt der Kondensator C2 einen Teil des Entlade- stroms des Kondensators Cl (bei Übernahme der Hochdruck- entladungslampe) von der Sekundärseite des Transformators Tr ab. Dies verringert die Rückschlagspannung im Primärkreis des Transformators Tr und somit die Spannungsbelas ^¬ tung der Schalter Tl und T2 im Zündmoment der Hockdruck- entladungslampe . Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel stellt der Spannungswandler 10 einen Brückenkonverter, insbesondere einen Halbbrückenkonverter, dar, wobei der erste Anschluss der Primärinduktivität PI mit einem Ver ^¬ bindungspunkt zwischen dem ersten Tl und dem zweiten e- lektronischen Schalter T2 gekoppelt ist. Der zweite Anschluss der Primärinduktivität PI ist mit dem vom Verbin ^¬ dungspunkt P abgekehrten Anschluss des zweiten elektronischen Schalters T2 gekoppelt. Parallel zur Sekundärinduk ^¬ tivität ist ein Kondensator C4 gekoppelt, der ebenso wie der in Fig. 2 dargestellte Kondensator C3 der Spannungs ^¬ überhöhung des für die Zündung förderlichen Wechselspannungsanteils beziehungsweise für die Erhöhung der Über ^¬ nahmespannung dient.

Zwischen den vom Verbindungspunkt P abgekehrten Anschluss des zweiten elektronischen Schalters T2 und den zweiten Anschluss der Primärinduktivität ist ein Kondensator C5 gekoppelt. Dieser dient als Koppelkondensator.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem Einschalt ^¬ wandler als Spannungswandler, wobei vorliegend ein Fly- back Konverter gewählt wurde. Dabei ist dem elektronischen Schalter Tl ein Kondensator C6 parallel geschaltet. Dieser dient der Begrenzung des Spannungsanstiegs über dem Schalter Tl und beeinflusst ebenfalls die Resonanz ^¬ frequenz des Sekundärkreises. Weiterhin kann der Sekun- därinduktivität Sl ein Kondensator C7 parallel geschaltet sein, der dieselbe Funktion übernimmt wie der Kondensator C4 bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 beträgt die Kapazität des Kondensators Cl 1,5 nF. Dies stellt etwa ein Fünftel der für den nicht resonanten Be ^¬ trieb des Sekundärkreises benötigten Kapazität Cl dar. Die Schaltfrequenz liegt bei 1,2 MHz. Für die Zündung der Lampe wird der Kondensator Cl gleichspannungsmäßig auf ca. 10 kV aufgeladen, das heißt die Open Circuit Spannung des Transformators Tr wird gleichspannungsmäßig bis zum Zünden der Lampe angehoben. Danach arbeitet der Kondensator Cl als Reihenresonanzkondensator für den Sekundärkreis. Durch den Resonanzbetrieb ergibt sich eine Konden ^¬ satorkapazität, welche bei der benötigten Spannungsfes- tigkeit einem handelsüblichen Bauelement entspricht und geometrisch ohne Schwierigkeiten selbst in kleinsten zur Verfügung stehenden Bauräumen, beispielsweise in den Sockel einer D3-Lampe, passt.

Durch den resonanten Betrieb schalten die Transistoren stromlos, auch ohne den sonst üblichen Resonanzkondensa ^¬ tor im Primärkreis. Der Lampenstrom I ist sinusähnlich.