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Title:
STARTING CIRCUIT FOR A HIGH-PRESSURE GAS DISCHARGE LAMP
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2012/007498
Kind Code:
A1
Abstract:
The present invention relates to a starting circuit for a high-pressure gas discharge lamp LA. Said starting circuit has a half-bridge, which is formed by two clocked switches S3 and S4 and generates an AC voltage from a DC voltage UG. The AC voltage is supplied to a series resonant circuit C1/L1a, with a transformation inductance L1b being magnetically coupled to the resonant inductance L1a of said series resonant circuit, but said transformation inductance otherwise being separately accessible. The lamp LA is in series between the resonant inductance L1a and the transformation inductance L1b. If the switches S3 and S4 are clocked at the resonant frequency, a high AC voltage is produced at the resonant inductance L1a by means of resonance magnification, said high AC voltage being transformed to the transformation inductance L1b in such a way that a total voltage suitable for starting is present at the electrodes of the lamp LA. The supply of the starting voltage to the electrodes is symmetrical, with the result that only half this voltage is apportioned to each electrode, in relation to a reference potential. As a result, there are fewer demands in respect of insulation complexity.

Inventors:
HUBER MARTIN (CH)
BRAUN MARKUS (CH)
KUENG THOMAS (CH)
Application Number:
PCT/EP2011/061943
Publication Date:
January 19, 2012
Filing Date:
July 13, 2011
Export Citation:
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Assignee:
TRIDONIC AG (CH)
HUBER MARTIN (CH)
BRAUN MARKUS (CH)
KUENG THOMAS (CH)
International Classes:
H05B41/288
Domestic Patent References:
WO2007138553A22007-12-06
WO2003077615A12003-09-18
WO2010023464A12010-03-04
WO2003077615A12003-09-18
Attorney, Agent or Firm:
RUPP, CHRISTIAN (DE)
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Claims:
Ansprüche

1. Zündschaltung für eine Hochdruck-Gasentladungslampe (LA) mit mindestens zwei in Serie geschalteten Schaltern

(S3, S4), die eine mit einer Gleichspannungsquelle (UG) verbindbare Halbbrücke bilden,

mit einem aus einer Resonanzkapazität (Cl) und einer Resonanzinduktivität (Lla) bestehenden Serienresonanzkreis, der zu dem einen Schalter (S4) parallel geschaltet ist,

mit Steuerungsmitteln zum wechselweisen und gegensinnigen Öffnen und Schließen der Schalter (S3, S4) , und

mit einer Transformationsinduktivität (Llb) , die mit der Resonanzinduktivität magnetisch gekoppelt ist,

wobei die Lampe (LA) so mit den vorgenannten Bauelementen verschaltet ist, dass ihr eine durch Resonanzüberhöhung an der Resonanzinduktivität (Lla) erzeugte und durch die magnetische Kopplung der beiden Induktivitäten (Lla, Llb) hochtransformierte

Wechselspannung zugeführt wird, wenn die Schaltfrequenz für die Schalter (S3, S4) gleich oder annähernd gleich der Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises (Lla, Cl) ist, dadurch gekennzeichnet,

dass die beiden Induktivitäten (Lla, Llb) mit jeweils einem Anschluss an dem Verbindungspunkt der beiden Schalter (S3, S4) zusammengeführt sind,

dass die beiden Induktivitäten (Lla, Llb) mit ihrem anderen Anschluss mit der Lampe (LA) verbunden sind und diese somit in Form einer Serienschaltung zwischen sich einschließen, und dass der Wicklungssinn der beiden Induktivitäten (Lla, Llb) so gewählt ist, dass sich die in den beiden Induktivitäten (Lla, Llb) erzeugten Spannungen über der Elektrodenstrecke der Lampe (LA) addieren und somit symmetrische an den Elektroden wirksam sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

dass der eine Anschluss der Transformationsinduktivität (Llb) über einen Kopplungskondensator (C2) mit dem Verbindungspunkt der beiden Schalter (S3, S4) verbunden ist . 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Windungsverhältnis bzw. Induktivitätsverhältnis der Resonanzinduktivität Lla und der

Transformationsinduktivität Llb 1:1 ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch

zwei weitere in Serie geschaltete Schalter (Sl, S2) , die eine weitere Halbbrücke bilden, welche mit der erstgenannten Halbbrücke (S3, S4) parallel geschaltet ist, so dass die beiden Halbbrücken eine Vollbrücke bilden, wobei auch die beiden weiteren Schalter (Sl, S2) von den Steuerungsmitteln gesteuert sind. 5. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch

eine Zusatzkapazität CN, die mit einer der beiden Induktivitäten (Lla) einen Parallelresonanzkreis bildet.

Description:
Zündschaltung für eine Hochdruck-Gasentladungslampe

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Zündschaltung für eine Hochdruck-Gasentladungslampe

mit mindestens zwei in Serie geschalteten Schaltern die eine mit einer Gleichspannungsquelle (UG) verbindbare Halbbrücke bilden,

mit einem aus einer Resonanzkapazität und einer Resonanzinduktivität bestehenden Serienresonanzkreis, der zu dem einen Schalter parallel geschaltet ist,

mit Steuerungsmitteln zum wechselweisen und gegensinnigen Öffnen und Schließen der Schalter, und

mit einer Transformationsinduktivität, die mit der Resonanzinduktivität magnetisch gekoppelt ist,

wobei die Lampe so mit den vorgenannten Bauelementen verschaltet ist, dass ihr eine durch Resonanzüberhöhung an der Resonanzinduktivität erzeugte und durch die magnetische Kopplung der beiden Induktivitäten hochtransformierte Wechselspannung zugeführt wird, wenn die Schaltfrequenz für die Schalter gleich oder annähernd gleich der Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises ist.

Hochdruck-Gasentladungslampen unterscheiden sich von Niederdruck-Gasentladungslampen insbesondere dadurch, dass sie hohe Zündspannungen benötigen, die im Bereich von 3 bis 5 kV liegen. Bei Anwendung der Schaltungsanordnung für Heiss-Wiederzündung können sogar Zündspannungen

(Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden der Hochdruck- Gasentladungslampe) in der Größenordung von 10 kV auftreten. Bisher bekannte Schaltungsanordnungen zum Zünden von Hochdruck-Gasentladungslampen sind asymmetrisch wirksam, d.h. das durch Spannungsüberhöhung an einem Serienresonanzkreis erzeugte Hochspannungspotential wird der einen („heißen") Elektrode der Hochdruck- Gasentladungslampe zugeführt, während die andere („kalte") Elektrode auf einem niedrigeren Bezugspotential liegt.

Repräsentativ für diesen Stand der Technik ist die WO 03/077615. Die in Figur 1 dieser Druckschrift gezeigte Zündschaltung ist in etwas modifizierter Form zur Erläuterung des Standes der Technik in die vorliegende Anmeldung übernommen worden und in Figur 1 dargestellt. Die in Figur 1 gezeigte bekannte Schaltung dient nicht nur zum Zünden einer Hochdruck-Gasentladungslampe (nachfolgend nur noch „Lampe" genannt) , sondern dient gleichzeitig zum Betreiben derselben nach der Zündung, was im Folgenden „Normalbetrieb" genannt werden wird. Im vorliegenden Fall interessiert jedoch im Wesentlichen nur das Zündverhalten.

Figur 1 zeigt eine aus vier Schaltern Sl bis S4 bestehende Vollbrücke, die mit dem oberen Anschluss an einem Gleichspannungspotential UG und mit ihrem unteren Anschluss an Masse liegt. Die Schalter Sl bis S4 können von nicht dargestellten Steuerungsmitteln ein- und ausgeschaltet werden. Zur Realisierung der Schalter werden beispielsweise Leistungs-FETs eingesetzt. Die Taktung der Schalter kann bspw. durch eine integrierte Steuerschaltung, wie einen ASIC oder einen Mikrokontroller erfolgen.

Normalerweise wird im Normalbetrieb (also nicht im Zündbetrieb, sondern im folgenden Brennbetrieb) ein Schalter einer Diagonale hochfrequent betrieben und der andere Schalter derselben Diagonale dauerhaft geschlossen ist. Die jeweils andere Diagonale an Schaltern ist dabei geöffnet. Nachfolgend erfolgt eine im Vergleich zur Schaltertaktung niederfrequente Kommutierung der

Schalterdiagonalen, d.h. der Schalter der anderen Diagonale wird nunmehr hochfrequent getaktet.

In einer ersten Phase der Kommutierung wird also der Schalter S2 hochfrequent getaktet, während S3 dauerhaft eingeschaltet ist. In der anderen Phase der Kommutierung wird dann der Schalter Sl hochfrequent getaktet, während S4 dauerhaft eingeschaltet ist.

Anzumerken ist, dass die beiden niederfrequent getakteten Schalter (einer Halbbrücke) mit Kondensatoren ausgeführt werden können, so dass nur zwei Transistoren notwendig sind. Die niederfrequente Taktung bezieht sich dabei auf die oben erläuterte Kommutierung der Diagonalen. Die Erfindung betrifft also auch „Vollbrücken", bei denen 2 Kondensatoren und 2 aktiv getaktete Schalter vorliegen, wobei die aktiv getakteten Schalter vorzugsweise als eine Halbbrücke verschaltet sind.

Für die Zündphase werden die Schalter S3 und S4 wechselweise und gegensinnig mit einer bestimmten Frequenz geöffnet und geschlossen werden, während die Schalter Sl und S2 geöffnet oder gegensinnig getaktet, vorzugsweise in der Diagonale der Schalter S3 und S4, werden.

Die in Figur 1 dargestellte Schaltung enthält einen Serienresonanzkreis, der von einer Resonanzinduktivität Lla und einer Resonanzkapazität Cl gebildet ist. Der Serienresonanzkreis ist parallel zu dem Schalter S4 geschaltet. Dabei ist die Resonanzinduktivität Lla mit dem Verbindungspunkt der beiden Schalter S3 und S4 verbunden, während die Resonanzkapazität Cl mit Masse verbunden ist. Die Resonanzinduktivität Lla bildet mit einer Transformationsinduktivität Llb eine Gesamtinduktivität LI, die als Spartransformator geschaltet ist. Das bedeutet, dass zwischen Lla und Llb eine Anzapfung vorgesehen ist, mit der die Resonanzkapazität Cl verbunden ist. Lla und Llb sind also durch eine gemeinsame Wicklung realisiert und magnetisch miteinander gekoppelt. Wenn das

Windungsverhältnis von Lla und Llb 1:1 ist, so ergibt sich von Lla zu LI ein Transformationsverhältnis von 1:2.

Die GesamtInduktivität Li, die Lampe LA und eine Entstördrossel L2 bilden als Serienschaltung die horizontale Brückendiagonale der Vollbrücke. Der Verbindungspunkt zwischen der Entstördrossel L2 und der Lampe LA ist mit dem einen Anschluss eines Kopplungskondensators C2 verbunden, dessen anderer Anschluss an dem Verbindungspunkt der beiden Schalter S3 und S4 liegt.

Ferner verbindet eine Zusatzkapazität CN den Verbindungspunkt der Entstördrossel L2 und der Lampe LA mit dem Verbindungspunkt der Resonanzkapazität Cl und Anzapfung der Gesamtinduktivität LI. Alternativ dazu kann die Zusatz- Kapazität CN auch die Anzapfung der Gesamtinduktivität Li und dem Verbindungspunkt der beiden Schalter S3 und S4 verbinden (gestrichelt dargestellt) . Der Zweck der Zusatzkapazität CN ist in der WO 03/077615 erläutert und im Zusammenhang mit der hier interessierenden Zündfunktion von untergeordneter Bedeutung.

Parallel zu der Resonanzkapazität Cl liegt ein aus zwei Widerständen Rl und R2 gebildeter Spannungsteiler, von dessen Teilungspunkt ein die Resonanzspannung repräsentierendes Istwertsignal UI abgenommen werden kann.

Um die Lampe in Figur 1 zu zünden, werden die Schalter Sl und S2 - wie oben bereits erwähnt - dauerhaft geöffnet. Die Schalter S3 und S4 werden dagegen mit einer oberhalb der Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises Lla/Cl liegenden Frequenz wechselweise und gegensinnig geöffnet und geschlossen. Dadurch erzeugt die aus den beiden Schaltern S3 und S4 bestehende Halbbrücke eine Wechselspannung entsprechender Frequenz, die an dem Serienresonanzkreis Lla/Cl anliegt. Durch Absenken der Schaltfrequenz in Richtung der Resonanzfrequenz entsteht an der Resonanzinduktivität Lla infolge der Resonanzüberhöhung eine zunehmend höher werden Wechselspannung, die durch die Spartransformator-Funktion der Gesamtinduktivität LI noch höher transformiert wird. Die über der Gesamtinduktivität LI liegende hohe Wechselspannung wird durch die direkte Verbindung der Transformationsinduktivität Llb mit der einen Elektrode der Lampe LA einerseits und durch die Verbindung der Resonanzkapazität Lla mit der anderen Elektrode der Lampe LA über den Kopplungskondensator C2 andererseits an der Lampe LA als Zündspannung wirksam.

Wie oben bereits ausgeführt wurde, erfolgt die Zuführung der Zündspannung zu der Lampe LA hier in asymmetrischer

Weise. Da bei ist die heiße Elektrode im vorliegenden Fall diejenige die direkt mit der Gesamtinduktivität Li bzw. deren Transformationsinduktivität Llb verbunden ist (rechte

Elektrode) , während die kalte Elektrode diejenige ist, die über den Kopplungskondensator mit dem Verbindungspunkt der beiden Schalter S3 und S4 verbunden ist (linke Elektrode) .

Dieser Verbindungspunkt liegt wechselweise auf Masse oder

Gleichspannungs-Hochpotential . Es bedarf für den Fachmann keiner weiteren Erläuterungen, dass die zu der heißen Elektrode führenden Zuleitungen sowie die mit der heißen Elektrode in Verbindung stehenden Bauelemente strengen Isolationsanforderungen genügen müssen. Andernfalls treten unerwünschte Kriechströme auf. Das gilt insbesondere dann, wenn die Zündfrequenz - wie meistens - im Bereich von 30 kHz oder höher liegt. Aus Sicherheitsgründen sind die entsprechenden Normen in jüngster Zeit zusätzlich verschärft worden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zündschaltung für eine Hochdruck-Gasentladungslampe zu schaffen, die es erlaubt, den Isolationsaufwand zu senken.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst,

dass die Resonanzinduktivität und die Transformationsinduktivität mit jeweils einem Anschluss an dem Verbindungspunkt der beiden Schalter zusammengeführt sind,

dass die beiden Induktivitäten mit ihrem anderen Anschluss mit der Lampe verbunden sind und diese somit in Form einer Serienschaltung zwischen sich einschließen,

und dass der Wicklungssinn der beiden Induktivitäten so gewählt ist, dass sich die in den beiden Induktivitäten erzeugten Spannungen über der Elektrodenstrecke der Lampe addieren und somit symmetrisch an den Elektroden wirksam sind.

Die erfindungsgemäße Lösung hat neben der möglichen Reduzierung des Isolationsaufwandes noch den Vorteil, dass mit der Schaltung eine Heiss-Wiederzündung möglich ist, bei der bekanntlich zwischen den Elektroden eine Spannungsdifferenz bis zu 10 kV auftreten kann.

Außerdem zeigt die Schaltung im Normalbetrieb ein verbessertes EMV-Verhalten, was offensichtlich auf die symmetrische Spannungs Zuführung zu den Elektroden bzw. die symmetrische Ausgestaltung der Resonanzinduktivität einerseits und der Transformationsinduktivität andererseits zurückzuführen ist. Der eine Anschluss der Transformationsinduktivität kann über einen Kopplungskondensator mit dem Verbindungspunkt der beiden Schalter verbunden sein. Das Windungsverhältnis bzw. Induktivitätsverhältnis der Resonanzinduktivität Lla und der

Transformationsinduktivität Llb kann 1:1 sein.

Zwei weitere in Serie geschaltete Schalter können vorgesehen sein, die eine weitere Halbbrücke bilden, welche mit der erstgenannten Halbbrücke parallel geschaltet ist, so dass die beiden Halbbrücken eine Vollbrücke bilden, wobei auch die beiden weiteren Schalter von den Steuerungsmitteln gesteuert sind.

Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der Erfindung sollen nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels und bezugnehmend auf die Figuren der begleitenden Zeichnungen erläutert werden.

Figur 1 zeigt dabei eine aus der WO 03/077615

bekannte Schaltung, und

Figur 2 zeigt eine Schaltung gemäss einem

Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand Figur 2 beschrieben. In der die Erfindung repräsentierenden Figur 2 sind für Bauelemente mit gleichen Funktionen die gleichen Bezugszeichen verwendet worden, wie in Figur 1.

Neu an der Schaltung in Figur 2 ist gegenüber der in Figur 1, dass die Resonanzinduktivität Lla und die Transformationsinduktivität Llb zwar noch magnetisch gekoppelt, aber getrennt und nicht mehr als Spartransformator geschaltet sind. Sie wirken wie ein normaler Transformator mit Primär- und Sekundärwicklung, und ihre Endanschlüsse sind separat zugänglich.

Die Lampe LA bildet mit der Resonanzinduktivität Lla und der Transformationsinduktivität Llb eine Serienschaltung, wobei die rechte Elektrode mit der Resonanzinduktivität Lla verbunden ist und die linke Elektrode mit der Transformationsinduktivität Llb. Der Kopplungskondensator C2 verbindet nunmehr den nicht mit der Lampe LA verbundenen Anschluss der Transformationsinduktivität Llb mit dem Verbindungspunkt der beiden Schalter S3 und S4. Die Zusatzkapazität CN liegt zwischen dem nicht mit der Lampe LA verbundenen Anschluss der

Transformationsinduktivität Llb und dem Verbindungspunkt des Resonanzkondensators Cl und der Resonanzinduktivität Lla.

Die Zusatzkapazität CN bildet mit der Resonanzinduktivität Lla einen Parallel-Resonanzkreis .

Der Kondensator Cl des Serienschwingkreises kann anstatt wie dargestellt mit dem Masse-Potential auch mit dem Potential UG, d.h. mit einem vorhandenen fixen Potential, verbunden sein.

Durch die Anordnung der Zusatzkapazität CN wird einerseits ein zusätzlicher Zündkondensator eingefügt {womit sich die Belastungen aufteilen) und somit ein Parallel-Resonanzkreis für die Zündung gebildet, außerdem wird auch das EMV- Verhalten (elektromagnetische Verträglichkeit) der Schaltung verbessert, da die Zusatzkapazität CN im Betrieb eine Filterwirkung übernimmt. Die Zusatzkapazität CN hat im Übrigen nicht nur die Aufgabe des Schutzes vor einem kapazitiven Betrieb, sondern sie bestimmt auch die Resonanzfrequenz mit, wobei der Kondensator Cl im Betrieb durch Anordnen der Zusatzkapazität CN (nach dem Zünden) durch einen geringeren Strom IC belastet wird. Die Zusatzkapazität CN trägt auch einen Teil des im Zündkreis fließenden Stromes. Da ein Serien-Parallelresonanzkreis durch die Bauteile LI, Cl, CN gebildet wird, ist es nur erforderlich, dass CN ungefähr eine mindestens gleich große Kapazität wie Cl hat, um wirksam zu werden. Die Zusatzkapazität CN soll nach Möglichkeit nicht deutlich geringer als die Kapazität von Cl sein, da sonst der Einfluß der CN bei der Zündung auch zu vernachlässigen und somit unwirksam wird.

Bevorzugt ist also CN/Cl grösser oder gleich 0,7, mehr bevorzugt grösser oder gleich 1, noch mehr bevorzugt grösser oder gleich 2. Die über der Resonanzinduktivität Lla durch Resonanzüberhöhung entstehende Wechselspannung wird nunmehr auf die Transformationsinduktivität Llb übertragen, wobei der Wicklungssinn - wie durch die dicken Punkte an den Beiden Induktivitäten angedeutet ist - so gewählt ist, dass über der Lampe eine Summenspannung entsteht, die doppelt so hoch wie die Einzelspannungen ist. Dabei ist vorausgesetzt, dass die beiden Induktivitäten Lla und Llb gleich sind bzw. dass deren Windungsverhältnis 1:1 ist. Das bedeutet, dass die Elektroden symmetrisch mit je der Hälfte der Zündspannung (bezüglich Masse) beaufschlagt werden. Bei vorgegebener Zündspannung kann also der Isolationsauf and für die Zuleitungen zu den Elektroden und für die Bauelemente verringert werden. Der Vorteil geht dabei über eine Halbierung des Aufwands hinaus, da bekanntlich der Isolationsaufwand nichtlinear mit ansteigender

Potentialdifferenz ansteigt. Beide Elektroden sind spannungsmässig nunmehr gleichwertig, d.h. es gibt keine heiße und kalte Elektrode mehr.