Beschreibung

Schaltungsanordnung und Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanord ^¬ nung zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe mit ei ^¬ nem elektronischen Vorschaltgerät , das ausgelegt ist, ein AC-Speisesignal für die Hochdruckentladungslampe bereit- zustellen, wobei die Frequenz des AC-Speisesignals min ^¬ destens 1 MHz beträgt. Sie betrifft überdies ein Verfah ^¬ ren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe mit ei ^¬ nem 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 stab- förmig ausgebildet sind. Beim Betrieb derartiger Hochdruckentladungslampen mit Wechselstrom kann es zu sehr störenden Flackererscheinungen kommen. Diese entstehen durch wechselndes Springen des Ansatzpunktes des Lichtbo ^¬ gens an den Elektrodenspitzen. Ermöglicht wird dies durch den häufigen Wechsel der Elektrodenfunktion von der anodischen (positive Polarität) zur kathodischen Phase (ne- gative Polarität) mit der Betriebsfrequenz. Ein solches Springen des Lichtbogenansatzes beeinträchtigt insbeson ^¬ dere die Anwendung von Hochdruckentladungslampen in optischen Geräten, beispielsweise Projektionsgeräten, Bea-

mern, 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 Hochdruckent- ladungslampe bekannt, den rechteckförmigen Lampenstrom- verlauf 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 Ma- terialanlagerung 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 Al ist der Betrieb einer Hochdruck ^¬ entladungslampe mit einem unmodulierten HF-Signal von mehr als 3 MHz bekannt. Generell lassen Hochdruckentla ^¬ dungslampen 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. Der ^¬ artige Lösungen sind jedoch meist recht aufwändig.

Schließlich wird verwiesen auf die DE 198 29 600 Al, 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. Wenn ^¬ gleich dies unter Umständen für gewisse Hochdruckentla ^¬ dungslampen eine Lösung darstellen kann, so erwies sich diese Maßnahme jedoch bei den von den Erfindern der vorliegenden Erfindung untersuchten Hochdruckentladungslam- pen 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.

-A-

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 Ursa ^¬ chen 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 Hochdruckentla ^¬ dungslampen, 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 Entla- dungsbogens 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 ermög ^¬ licht gegenüber dem heutigen Stand der Technik (NF- Betrieb) stark verkleinerte und damit deutlich kosten ^¬ günstigere Vorschaltgeräte.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform stellt die Amplitu- denmodulation eine Pulsmodulation dar. Dabei wird insbe-

sondere außerhalb des Bereichs stärkerer akustischer Re ^¬ sonanzen eine Stabilisierung des Lichtbogens durch eine pulsförmige, periodisch wiederholte Amplitudenmodulation des AC-Speisesignals erzielt. Dabei weist die Pulsmodula- tion 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 %, be ^¬ vorzugt 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 Pulsmodula ^¬ tion 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 Pulsmodu ^¬ lation 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 verschie ^¬ dene 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 sägezahn- förmiger Pulsform.

Zur Realisierung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung weist bei dieser das elektronische Vorschaltgerät bevorzugt Folgendes auf: einen Eingangsanschluss zum An- schließen einer Eingangsspannung, einen Ausgangsanschluss zum Bereitstellen eines AC-Speisesignals an die Hoch ^¬ druckentladungslampe und eine zwischen dem Eingangsan ^¬ schluss und dem Ausgangsanschluss angeordnete Serien ^¬ schaltung aus einem Wechselrichter und einem Lastnetz- werk, wobei der Wechselrichter eine Wechselrichteraus ^¬ gangsspannung mit einer vorgebbaren Frequenz, einer vor-

gebbaren Amplitude und einem vorgebbaren Tastverhältnis an das Lastnetzwerk bereitstellt.

Bevorzugt wird zur Amplitudenmodulation des AC- Speisesignals die vorgebbare Frequenz und/oder die vor- gebbare 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 be- sonders 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 Be ^¬ triebsdruck von 100 bis 500 Bar auf.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Schaltungs- anordnung 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 ei ^¬ ner 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 übertra ^¬ gungsfunktion des Lampenstroms in Abhängigkeit der Frequenz der Spannung am Eingang des Lastnetzwerks;

Fig. 4 eine erste Ausführungsform eines Wechselrichters 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 Pulsmo ^¬ dulation 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 zu- sätzlich 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 Zwi- schenkreisspannung darstellen kann, wird dabei einem Hochfrequenz-Wechselrichter 10 zugeführt. Dessen Ausgangssignal zeichnet sich durch eine vorgebbare Amplitu ^¬ de, eine vorgebbare Frequenz sowie ein vorgebbares Tast ^¬ verhältnis aus. Diese vorgebbaren Größen können über eine Schnittstelle (nicht dargestellt) am Wechselrichter 10 eingestellt werden. Das Ausgangssignal Ua des Wechsel ^¬ richters 10 wird einem Lastnetzwerk 12 zugeführt. An des ^¬ sen Ausgang wird ein Lampenstrom I _L an die Hochdruckentladungslampe 14 bereitgestellt. Dabei formt das Lastnetz ^¬ werk 12 den annähernd sinusförmigen Lampenstrom I _L aus der Ausgangsspannung Ua des Wechselrichters 10 und dient gleichzeitig zur Strombegrenzung. Entsprechend der Cha ^¬ rakteristik des Lastnetzwerks 12 kann der Lampenstrom sowohl von der Frequenz als auch von der Amplitude der Ausgangsspannung des Wechselrichters abhängig sein. Zur Er- zeugung der gewünschten Amplitudenmodulation des Lampenstroms I _L 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 Ausgangs- Spannung Ua des Wechselrichters in Resonanz gebracht wer ^¬ den kann, um damit die Zündspannung für die Hochdruckentladungslampe zu erzeugen.

Fig. 2 zeigt verschiedene Ausführungsformen eines geeig ^¬ neten Lastnetzwerks. Es ist darauf hinzuweisen, dass in den Ausführungsformen gemäß Fig. 2a und 2d der Kondensa-

tor C ₂ 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 Lastnetz- werks 12 mindestens ein Transformator eingefügt, so kann damit insbesondere eine galvanische Trennung sicherge ^¬ stellt 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 I _L in Abhängigkeit der Frequenz f der Eingangsspannung Ue für das in Fig. 2a gezeigte Lastnetzwerk. Es sind zwei Arbeitspunkte APl und AP2 eingezeichnet, auf die mit Be ^¬ zug 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 VoI- tage 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 I _L wird im einfachsten Falle die Ansteuerfrequenz der Schalttransistoren, Sl in Fig. 4 bzw. Sl und S2 in Fig. 5, frequenzmoduliert. Hierbei kann ein spannungsge- steuerter, frequenzvariabler Oszillator mitbenutzt wer-

den, 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 ei ^¬ nem 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 Sl, S2 des Wechselrich ^¬ ters 10 bereitgestellt. Der zeitliche Verlauf des Lampen ^¬ stroms I _L bei dieser Variante der Ansteuerung der Schal ^¬ ter des Wechselrichters ist in Fig. 8 dargestellt. Wie deutlich zu erkennen, ist die Verschiebung des Arbeits- punkts von APl nach AP2 mit einer änderung der Frequenz verbunden. Die Frequenz am Arbeitspunkt AP2 ist niedriger als die Frequenz im Arbeitspunkt APl, wobei der Lampenstrom I _L jedoch im Arbeitspunkt AP2 eine höhere Amplitude aufweist als im Arbeitspunkt APl.

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 I _L erzielt werden, siehe hierzu den zeitlichen Verlauf des Lampenstroms I _L von Fig. 7, bei dem zwar die Amplitude im Arbeitspunkt APl 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 .