Beschreibung

Zündtransformator für eine Entladungslampe

Technisches Gebiet

Die Erfindung geht aus von einem Zündtransformator zur Zündung einer Entladungslampe, vorzugsweise Hockdruckgasentladungslampe, mittels Impulszündung, wobei nach der Zündung ein hochfrequenter Lampenbetrieb an einem elektronischen Vorschaltgerät erfolgt.

Stand der Technik

Eine in der Druckschrift WO2005/011338 wiedergegebene Schaltungsanordnung für eine Hochdruckentladungslampe weist ein Betriebsteil mit einer Gleichspannungsquelle und ein Zündteil mit Impulsquelle und einer quecksilberfreien Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe auf. Im Zündteil sind die Entladungslampe und eine Sekundärwicklung eines Zündtransformators in Reihe geschaltet. Die Primärwicklung des Zündtransformators wird über eine Impulsquelle angesteuert. Als Material für den Zündtransformatorkern wird ein besonders verlustarmes Material bevorzugt. Nach der Zündung der Entladungslampe über Impulsquelle und Zündtransformator liegt die Sekundärwicklung mit der Entladungslampe im Betriebskreis in Reihe.

Da der Lampenstrom während des Betriebes der Entladungslampe durch die Sekundärwicklung fließt, weißt diese Sekundärwicklung während des Lampenbetriebes eine unerwünschte Induktivität auf. Eine partielle Kompensation der Induktivität der Sekundärwicklung kann entsprechend der vorstehend genannten Druckschrift dadurch erreicht

werden, dass mit der Sekundärwicklung ein Kondensator in Reihe geschaltet wird.

Bei einem hochfrequenten Lampenbetrieb verbleibt jedoch auch unter Verwendung des vorstehend genannten Kondensa- tors die Induktivität der Sekundärwicklung im Lampenstromkreis, sodass sowohl Verluste im Zündtransformator als auch in dem den hochfrequenten Lampenstrom liefernden Wandler auftreten.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Zündtransformator für eine Entladungslampe, bei dem die Verluste während eines hochfrequenten Lampenbetriebes verringert sind und ein geringer schaltungstechnischer Aufwand erforderlich ist, sowie einen kompakten Lampensockel vorzusehen.

Diese Aufgabe wird durch den Zündtransformator für die Entladungslampe nach Anspruch 1 und einen Lampensockel nach Anspruch 9 gelöst.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.

Erfindungsgemäß wird ein Zündtransformator für eine Entladungslampe mit einem Transformatorkern vorgesehen, dessen Material, Leistung und Aufbau in einer solchen Weise gewählt sind, dass die Curie-Temperatur des Materials nach der für mittels des Zündtransformators bewirkten Zündung durch einen Spannungsabfall über einer Sekundärwicklung des Zündtransformators erreichbar ist. Die Aufheizung auf die Zündtemperatur erfolgt mit der an der Se-

kundärwicklung anliegenden Energie, wobei nach Erreichen der Curie-Temperatur die Sekundärwicklung des Zündtransformators praktisch unwirksam ist und nur eine geringe Leistung und Absorption aus dem Lampenkreis notwendig ist, um den Transformatorkern auf der Curie-Temperatur zu halten .

Es wird bevorzugt, dass das Material des Transformatorkerns eine Curie-Temperatur im Bereich von 60 ⁰ C bis 400 ⁰ C, insbesondere zwischen 100°C und 220 ⁰ C aufweist, wodurch eine zu starke Erwärmung des Transformatorkerns, die möglicherweise auf Materialien in der Umgebung des Transformatorkern negative Auswirkungen haben könnte, vermieden wird.

Es wird die Curie-Temperatur im Bereich zwischen 100 ⁰ C und 220 °C bevorzugt, da mit zunehmender Curie-Temperatur die Effizienz durch Wärmeverluste sinkt, andererseits die Curie-Temperatur in jedem Fall über der Umgebungstemperatur liegen muss, um eine einwandfrei Funktion gewährleisten zu können.

Ferner ist der Transformatorkern bevorzugt so gestaltet, dass die magnetische Länge und der magnetische wirksame Querschnitt von dem Transformatorkern in einer solchen Weise minimiert sind, dass eine für die Zündung ausreichende magnetische Kopplung zwischen Primär- und Sekun- därwicklung im kalten Zustand des Zündtransformators vorliegt. Somit kann eine schnelle Zündung erfolgen und gleichzeitig während des Lampenbetriebes die Sekundärwicklung praktisch unwirksam sein.

In einer besonderen Ausgestaltung hat der Transformator- kern Ringform, da bei einem hochfrequenten Lampenstrom

weniger elektromagnetische Störungen verursacht werden, als bei einer offenen Geometrie wie etwas einem Stabkern.

Ferner wird bevorzugt, wenn der Zündtransformator thermisch isoliert ausgebildet ist, um den Transformatorkern bei geringerer zuzuführender Leistung und damit höherer Effizienz der gesamten Anordnung auf Curie-Temperatur zu halten und die Sekundärwicklung praktisch unwirksam zu machen .

Der Transformatorkern wird bevorzugt zur thermischen und elektrischen Isolation vergossen, wodurch sich dieser ö- konomisch günstig herstellen lässt.

Alternativ dazu kann der Transformatorkern in einem abgeschlossenen Gehäuse vorgesehen sein, wodurch sich die Konvektion von Luft und die damit einhergehende verstärk- te Kühlung unterbinden lassen.

Der Zündtransformator ist insbesondere für eine Hochdruckentladungslampe vorgesehen. Dabei lässt sich insbesondere bei Automobilscheinwerfern eine kompakte Bauform bei guter Lichtausbeute erzielen.

Ferner wird ein Lampensockel für eine Entladungslampe mit einem Zündtransformator mit den vorstehend beschriebenen Eigenschaften vorgesehen, wobei sich aufgrund des geringen Volumens des Transformatorkerns eine kompakte Bauform der Lampenanordnung umsetzen lässt.

In einer Weiterbildung ist das Entladungsgefäß der Lampe in das Loch des Zündtransformators im Lampensockel zumindest abschnittsweise hineinragend vorgesehen. Auf diese Weise lässt sich die große Axialabmessung der Entladungs-

lampen zum Vorsehen des Transformatorkerns in der Umgebung des Entladungsgefäßes der Entladungslampe nutzen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:

Fig. 1 Eine Schaltungsanordnung für eine Entladungslampe mit einem Zündtransformator entsprechend der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 Eine schematische Ansicht eines Lampensockels mit Zündtransformator, Impulsquelle und Entladungslam- pe entsprechend der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3 Eine Perspektivansicht eines Transformatorkerns mit Spalt für einen Zündtransformator entsprechend der vorliegenden Erfindung,

Fig. 4 Eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Anfangspermeabilität von der Temperatur bei einem Material für den Transformatorkern entsprechend der vorliegenden Erfindung,

Fig. 5 Den Aufbau der Impulsquelle zur Ansteuerung eines Zündtransformators entsprechend dem ersten Ausfüh- rungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 6 Den Aufbau einer Impulsquelle für einen Zündtransformator entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

Fig. 7 Eine graphische Darstellung der Spannung an der Sekundärwicklung und am Kondensator entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel.

Fig. 8 Eine Schaltungsanordnung für eine Entladungslampe unter Verwendung einer symmetrischen Zündung entsprechend dem dritten Ausführungsbeispiel.

Fig. 9 zeigt eine Abwandlung eines Transformatorkerns mit beispielhaften Maßen.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

Eine Schaltungsanordnung 1 mit Zündtransformator 2 ent- sprechend der vorliegenden Erfindung ist in Figur 1 gezeigt .

Eine Primärwicklung 4 des Zündtransformators 2 wird durch eine Impulsquelle 6 und eine Zündspannung U2 gespeist. Die Sekundärwicklung 8 des Zündtransformators 2 ist mit der Entladungslampe 10 in Reihe geschaltet und wird durch eine Betriebsspannung U _Q gespeist. Als Entladungslampe gelangt bevorzugt eine Hochdruckgasentladungslampe, beispielsweise eine quecksilberhaltige Halogen- Metalldampflampe vom Typ „OSRAM HQI" zum Einsatz.

In Figur 2 ist eine Entladungslampe 10 in einem Lampensockel 12 dargestellt. Der Lampensockel 12 weist die Impulsquelle 6 auf, durch die die Primärwicklung 4 des Zündtransformators 2 gespeist wird. Der Zündtransformator 2 ist, wie in Figur 2 gezeigt, bevorzugt ringförmig aus- gebildet und hat einen Transformatorkern 14, der wie in Figur 3 gezeigt einen Luftspalt 15 hat. Auf dem Transfor-

matorkern 14 ist die Sekundärwicklung 8 aufgebracht, die von der Primärwicklung 4 umgeben ist.

Wie bereits in Figur 1 gezeigt ist ein Anschluss 16 der Entladungslampe 10 mit einem Ende der Sekundärwicklung 8 verbunden, während ein anderer Anschluss 18 der Entladungslampe 10 über den Lampensockel mit der Betriebsspannung UQ versorgt wird. Wie bereits in Figur 1 gezeigt, wird die Impulsquelle 6 mit der Zündspannung U2 gespeist. Der Lampensockel 12 ist bevorzugt mit einer Vergussmasse, wie z.B. Silikon, gefüllt, damit eine hohe Spannungsisolation um den Zündtransformator vorliegt und gleichzeitig eine thermische Isolation des Transformatorkerns 14 vorgesehen wird. Es ist ein Verguss mit einer Schaumstruktur oder einer Hohlkörperfüllung denkbar. Alternativ dazu kann der Kern in einem abgeschlossenem Gehäuse vorgesehen sein, durch das eine Konvektion der Luft verhindert und somit eine Kühlung unterbunden wird.

Die Anschlüsse für die Zündspannung U2 und die Betriebsspannung U _Q sind als elektrische Anschlüsse zum Betriebs- gerät aus dem Lampensockel herausgeführt.

Das Entladungsgefäß 20 der Entladungslampe 10 taucht in ein mittleres Loch im Zündtransformator 2 ein, wodurch, wie bereits in der Offenlegungsschrift DE 19610385 dargelegt, eine kleinvolumige Gasentladungslampe mit kurzen Spannungszuführungen in integrierter Bauweise umgesetzt werden kann. Neben der vorteilhaften kompakten Bauweise können Verluste bei der Zündspannung aufgrund dieser kompakten Bauweise gering gehalten werden.

In Figur 3 ist die beispielhafte Perspektivansicht des Transformatorkerns 14 mit einem Luftspalt 15 dargestellt.

Als Kernmaterial kommt ein Ferrit zur Anwendung. In diesem Beispiel wird als Material N30 vom Hersteller Epcos mit einem Außendurchmesser von 25mm, einem Innendurchmesser von 15mm, einer Höhe von 3,8mm und einem Luftspalt von 3,5mm verwendet. Das Material für den Transformatorkern wird in einer solchen Weise gewählt, dass die Curie- Temperatur direkt nach der Zündung dadurch erreicht wird, dass ein Anteil der vom Wandler zur Verfügung gestellten Energie zur Aufheizung des Transformatorkerns genutzt wurde. Wenn der Transformatorkern zumindest teilweise die Curie-Temperatur erreicht hat, ist die Sekundärwicklung des Transformators im Wesentlichen unwirksam, wobei jedoch eine geringe Leistungsabsorption aus dem Lampenkreis benötigt wird, um den Transformatorkern oder Teile des Transformatorkerns auf der Curie-Temperatur zu halten.

Beim Stand der Technik wurde eine hohe Curie-Temperatur angestrebt, damit das magnetische Bauelement bei einer hohen Leistung betrieben werden kann. Im Gegensatz dazu wird bei der vorliegenden Erfindung eine Curie-Temperatur vorzugsweise im Bereich zwischen 60 ⁰ C und 400 ⁰ C des Materials angestrebt, da dieser aus Sicht des Stands der Technik aufgrund schlechten Ferriteigenschaften der gewünschte Effekt bei der Sekundärwicklung bereits zu einem frühen Zeitpunkt eintritt.

Während beim Stand der Technik im Hinblick auf angestrebte geringe Verluste ein großer Querschnitt des Transformatorkerns von Vorteil war, wird bei der vorliegenden Erfindung ein besonders geringer Kernquerschnitt angestrebt. Darüber hinaus sollte auch die magnetische Länge gering gehalten werden. Dadurch kann die zur Aufheizung des Transformatorkerns erforderliche Energie gering

gehalten werden. Zusammenfassend kann somit gesagt werden, dass ein geringes Kernvolumen für die vorliegende Erfindung von Vorteil ist. Der Transformatorkern ist jedoch so groß zu wählen, dass der Transformator seine Funktionen wahrnehmen kann, d.h. im kalten Zustand eine ausreichende magnetische Kopplung zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung ermöglicht.

Als Kernform ist besonders die in Figur 3 gezeigt Ringform geeignet, da bei einer derartigen Temperatur und hochfrequenten Lampenströmen weniger elektromagnetische Störungen als bei einem Stabkern verursacht werden, wobei dieses insbesondere bei Temperaturen nahe oder bei der Curie-Temperatur auftritt.

Aus Figur 4 geht hervor, dass die Permeabilität ab einer Temperatur von ungefähr 143°C, der Curie-Temperatur, bei dem verwendeten Kernmaterial N30 ungefähr den Wert 1 erreicht. Wenn nun während des Betriebes nach der Zündung die Temperatur des Transformatorkerns nahe 143°C oder etwas oberhalb dieser Temperatur gehalten wird, so verliert der Transformatorkern seine ferrimagnetischen Eigenschaften und zeigt nur noch paramagnetische Eigenschaften, wodurch die Sekundärwicklung faktisch unwirksam wird.

Bei dem nachfolgend beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsbeispiel gelangt ein Transformatorkern aus dem Material N30 gemäß Vorbeschreibung zum Einsatz.

Figur 5 zeigt eine Impulsquelle 26 entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel, die statt der Impulsquelle 6 aus Figur 1 verwendet wird.

Die Sekundärwicklung 8 weist 30 Windungen aus teflonisoliertem Draht auf und hat eine Impedanz von 39μH bei 20°C. Die Primärwicklung weist zwei Windungen auf. Die mittleren Windungen sowohl der Primärwicklung 4 als auch der Sekundärwicklung 8 sind auf dem Transformatorkern 14 gegenüber dem Luftspalt angeordnet. Der Transformatorkern ist durch Vakuumverguss mittels Silikon wärme- und hochspannungsisoliert. Die Primärwicklung 4 ist über einen Widerstand 28 vom 10OkQ und einer Funkenstrecke 30 mit einer Schaltspannung von 2kV in Reihe geschaltet. Eine Kondensator 32 von 27nF ist über den Widerstand 28 zur Zündspannung U2 parallel geschaltet. Die Zündspannung U2 beträgt 2,5kV.

Nachfolgend wird der Betrieb eines Zündtransformators mit der Impulsquelle 26 aus Figur 5 beschrieben.

Solange eine Zündspannung U2 anliegt, werden durch den Zündtransformator 2 an der Sekundärwicklung 8 Impulse mit Spitzenspannung von 2IkV erzeugt. Dieses führt zum Zünden der in Figur 5 nicht dargestellten Entladungslampe 10. Als Entladungslampe kommt eine quecksilberhaltige Halogen-Metalldampflampe vom Typ „OSRAM HQI" mit einer Nennleistung von 35W zur Anwendung.

Nach der Zündung der Entladungslampe 10 erfolgt ein Abschalten der Zündspannung U2, sodass über den Zündtrans- formator 2 keine weiteren Zündimpulse erzeugt werden. Entsprechend Figur 1 erfolgt ein Betrieb der Entladungslampe 10 über die Betriebsspannung U _Q mit einer Frequenz von 2 MHz. Die Entladungslampe 10 wird mit einem Betriebsstrom von 40OmA betrieben, wodurch zunächst ein ohmsch-induktiver Spannungsabfall über der Sekundärwick-

lung 8 von etwa 200V auftritt. Durch diesen Spannungsabfall erfolgt eine Erwärmung des Transformatorkerns 14. Die Lampenspannung beträgt zunächst 20V.

Wenn die Temperatur des Transformatorkerns 14 in die Nähe der Curie-Temperatur von etwa 143°C gelangt, so verringert sich entsprechend Figur 4 die Induktivität drastisch, sodass sich der Spannungsabfall über der Sekundärwicklung auf etwa 40V einstellt. Durch eine geeignete thermische Isolierung und eine entsprechende Auslegung der Schaltung erreicht die Kerntemperatur einen Wert nahe der Curie-Temperatur im gleichen Zeitbereich wie das Hochlaufen der Lampe. In der Praxis kann diese Zeitdauer wenige Sekunden bis einige Minuten betragen. In dieser Zeit erhöht sich die Lampenspannung von anfangs 20V auf 85V. Aufgrund des verringerten Spannungsabfalls über der Sekundärwicklung 8 ist nur eine geringe Betriebsspannung UQ notwendig.

Eine Regelung der Lampenleistung erfolgt nun durch eine Erhöhung der Frequenz, beispielsweise von 2,5MHz auf 3,5MHz. Diese Regelung der Lampenleistung und die Stabilisierung der Entladung erfolgt über die verbleibende Restinduktivität der Sekundärwicklung 8. Diese Restinduktivität hängt von der Induktivität der von der Sekundärwicklung 8 gebildeten Luftspule, sowie den Temperaturver- hältnissen während des stationären Betriebes ab. Diese Restinduktivität wird bevorzugt so eingestellt, dass die sich ergebende Impedanz im Bereich von yζ- bis zum fünffachen der Impedanz der Entladungslampe liegt. Beim ersten Ausführungsbeispiel hat die Restinduktivität 8μH betragen. Unter der Impedanz der Entladungslampe soll

hier der Quotient der beiden der beiden Effektivwerte von Lampenspannung und -ström bei Nennleistung verstanden werden .

In Figur 6 ist eine Impulsquelle 46 entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt. Diese Impulsquelle 26 des ersten Ausführungsbeispiels weist eine Funkenstrecke 50 und einen Kondensator 52 auf. Ein dem Widerstand 28 beim ersten Ausführungsbeispiel vergleichbarer Widerstand ist beim zweiten Ausführungsbeispiel nicht vorgesehen. Der Kondensator 52 hat eine Kapazität von 7OnF und die Funkenstrecke eine Schaltspannung von 800V.

In Figur 7 ist in der oberen graphischen Darstellung die durch die Sekundärwicklung 8 erzeugte Spannung dargestellt, während in der unteren Darstellung die Spannung am Kondensator 52 erkennbar ist.

Der sich an die Zündung der Lampe anschließende Betrieb erfolgt wie der bei der Schaltungsanordnung entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel. Durch die Schaltungsanordnung entsprechend dem ersten und zweiten Ausführungs- beispiel lassen sich für einen Lampenbetrieb nach der Zündung eine geringe Induktivität der Sekundärwicklung und auch geringere Verluste während des Betriebes der Entladungslampe erzielen.

Die Entladungslampen kommen bevorzugt für die Videopro- jektion, im Kraftfahrzeugscheinwerfer und für die Allgemeinbeleuchtung zum Einsatz. Im Vergleich zu dem in der WO2005/011338 gezeigten Stand der Technik, ist bei einer Schaltungsanordnung für den Betrieb einer Entladungslampe entsprechend der vorliegenden Erfindung kein zusätzliches Bauelement, wie z.B. der Kondensator zur partiellen Korn-

pensation aus dieser genannten Druckschrift notwendig. Im Ergebnis lässt sich mit der vorliegenden Erfindung ein guter Gesamtwirkungsgrad bei der Schaltungsanordnung erzielen .

In den bisher dargestellten Ausführungsformen wurde immer eine unsymmetrische Zündanordnung betrachtet, bei der der Zündtransformator nur eine Sekundärwicklung besitzt. Die Figur 8 zeigt eine Schaltungsanordnung 54 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel wobei durch die beiden Sekundär- Wicklungen 8a und 8b eine symmetrische Zündung realisiert wird. Als Kernmaterial wird ein Ferrit mit einer Curie- Temperatur von nur ungefähr 109 ⁰ C und einer maximalen Anfangspermeabilität von nur 2500 verwendet, im Gegensatz zu ungefähr 143°C und 5400 gemäß Figur 4 bei den beiden bisherigen Ausführungsbeispielen. Ferner sind in Fig. 8 eine Impulsquelle 56 und ein Betriebsgerät 58, das die Spannungen U2 und UQ zur Verfügung stellt, gezeigt. Die Anschlüsse für die Stromzuführung (z.B. 12 V Gleichstrom oder 230 V Wechselstrom sind mit 60 bezeichnet. Die Schaltungsanordnung 54 befindet sich im Lampensockel

Die geometrischen Abmessungen des Kerns, welcher keinen Spalt aufweist, zeigt Figur 9. Die beiden Sekundärwicklungen 8a und 8b sind dabei auf den beiden 30mm langen Kernseiten gewickelt. In einem weiteren Arbeitsschritt wurde die Primärwicklung jeweils zur Hälfte über die Sekundärwicklungen 8a und ab auf den beiden langen Kernseiten gewickelt.

Der Transformator ist zusammen mit der Impulsquelle und dem Betriebsgerät im Lampensockel vergossen. Dabei wurden Teile des Betriebsgeräts welche im Betrieb besonders heiß

werden, wie beispielsweise Leistungshalbleiter, in unmittelbarer Nähe zum Zündtransformator angeordnet, um deren Abwärme zur Erwärmung des Transformatorkerns nutzen zu können. Während des Betriebs muss daher besonders wenig Energie dem Lampenstromkreis entzogen werden, um den Transformatorkern nahe der Curie-Temperatur zu halten.

Es wird ein Zündtransformator für eine Entladungslampe mit einem Transformatorkern vorgesehen. Das Material und die Abmessung des Transformatorkerns sind in einer sol- chen Weise gewählt, dass die Curie-Temperatur des Materials nach der mittels des Zündtransformators bewirkten Zündung durch einen Spannungsabfall über einer Sekundärwicklung des Zündtransformators erreichbar ist. Auf diese Weise verbleibt für die Sekundärwicklung nur eine Restin- duktivität. Es wird ferner ein Lampensockel für eine Entladungslampe mit einem derartigen Zündtransformator vorgesehen, wobei bevorzugt das Entladungsgefäß der Lampe in das Mittelloch des Zündtransformators im Lampensockel zumindest abschnittsweise hineinragt, woraus sich ein kom- pakter Lampensockel mit Entladungslampe ergibt.