EP0846406A1 - Schaltungsanordnung zum betrieb einer hochdruck-gasentladungslampe mit wechselstrom - Google Patents

Schaltungsanordnung zum betrieb einer hochdruck-gasentladungslampe mit wechselstrom

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EP0846406A1
EP0846406A1 EP96909049A EP96909049A EP0846406A1 EP 0846406 A1 EP0846406 A1 EP 0846406A1 EP 96909049 A EP96909049 A EP 96909049A EP 96909049 A EP96909049 A EP 96909049A EP 0846406 A1 EP0846406 A1 EP 0846406A1
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voltage
circuit arrangement
converter
gas discharge
pressure gas
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Robert Bosch GmbH
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Definitions

  • Circuit arrangement for operating a high-pressure gas discharge slam with alternating current
  • the invention relates to a circuit arrangement for operating a high-pressure gas discharge lamp with alternating current of the type defined in the preamble of claim 1.
  • AI circuit arrangements for starting and operating AC high pressure gas discharge lamps are known, in which the AC current is obtained from a DC voltage source.
  • a DC / DC converter is used to generate a stabilized and / or power-controlled DC voltage from the DC voltage of the DC voltage source.
  • the alternating current required for operation is generated from this with the aid of a bridge circuit. It is obvious that a considerable cost-intensive effort is required as a result of this, which also requires a not inconsiderable amount of space.
  • REPLACEMENT BLA ⁇ (RULE 26)
  • the components used are very numerous and, on the other hand, the components used are or must be large in themselves, since they must be designed for operation at low frequencies. This is disadvantageous in terms of the cost-effective construction and operation of such a circuit arrangement for starting and operating a high-pressure gas discharge lamp.
  • both the start and the operation are carried out in the so-called resonance mode.
  • the starting frequency i.e. when the lamp is ignited, is around 80 kHz and the burning or
  • Operating frequency is around 8 to 16 kHz.
  • the lamp is operated in the so-called wobbling DC mode, i.e. the direct current is always reversed.
  • the polarity reversal frequency is about 400 Hz.
  • the lamp is ignited by a separate pulse igniter.
  • the lamps used are so-called xenon lamps or metal halide lamps, the high pressure of which is around 80 bar. To ignite the arc, a high voltage of 24 kV is necessary in view of the worst tolerance conditions. The voltage required for burning is around 85 volts.
  • the circuit arrangement according to the invention with the characterizing features of claim 1 has the advantage of directly generating the operating alternating current with a single converter. High currents on the primary side are avoided. In addition, no bridge connection is necessary. On the one hand, this saves a large number of components and, on the other hand, has the advantage that the components themselves can be made simpler. Ultimately, this saves costs and space.
  • the AC operating voltage is obtained directly from the DC voltage of the DC voltage supply source by means of a converter which is constructed as an autotransformer, the primary winding of the converter with the DC voltage source, the intermediate tap of the converter with a controlled switch and the secondary winding of the converter is connected to the high-pressure gas discharge lamp via a capacitor.
  • the primary and secondary windings of the converter are designed to be closely coupled to one another.
  • the transmission ratio between the secondary and the primary winding of the converter is selected so that it reflects the ratio between the AC operating voltage and the DC voltage of the DC voltage supply source.
  • the controlled switch is clocked, in particular with a frequency of 10 to 100 kHz.
  • the controlled switch is a MOSFET transistor.
  • the controlled switch is damped, in particular with the series connection of a resistor and a capacitor in parallel with the switching path.
  • Fig. 1 shows schematically the circuit arrangement according to the invention.
  • FIG. 1 the basic circuit diagram of the circuit arrangement according to the invention is shown schematically.
  • This circuit arrangement for generating an alternating voltage in particular the operating voltage of a high-pressure gas discharge lamp in a motor vehicle headlight, contains a converter 1 with a primary winding 2 and a secondary winding 3, which are closely coupled to one another. These two windings 2 and 3 form an autotransformer.
  • the primary winding 2 is connected at its one connection to a DC voltage source 4.
  • the intermediate tap 5 of the converter 1 it is connected on the one hand to the first connection of the secondary winding 3 and on the other hand to a controlled switch 6.
  • the controlled switch 6 connects the intermediate tap 5 with the negative pole of the DC voltage source 4.
  • the second connection of the secondary winding 3 is via a capacitor 7 with one
  • REPLACEMENT BLA ⁇ (RULE 26) Output load forming high pressure gas discharge lamp 8 connected.
  • the AC output voltage U A is applied across it, ie the operating voltage.
  • no ignition device for the high-pressure gas discharge lamp 8 is shown.
  • the transmission ratio between the secondary winding 3 and the primary winding 2 of the converter 1 is advantageously chosen so that it reflects the ratio of the internal voltage U A and the direct voltage U B of the direct voltage source 4.
  • DC voltage source 4 is the battery of the motor vehicle and has, for example, the nominal value of 12 V and at which the operating voltage U A of the high-pressure gas discharge lamp is approximately 85 V, the transmission ratio can be between 4 and 8 taking into account all deviations.
  • the controlled switch 6 is clocked in the burning mode.
  • the switch 6 is designed as a MOSFET transistor.
  • the drain D of the switch 6 is connected to the intermediate tap 5 of the converter 1 and the source S to the negative terminal of the DC voltage source 4.
  • the control pulses necessary for clocking are applied to the gate G by a control circuit 9.
  • the switch 6 is damped to avoid electromagnetic radiation. In the illustrated embodiment with the MOSFET transistor 6 is for this purpose parallel to the switching path drain-source
  • REPLACEMENT BLA ⁇ (RULE 26)
  • the mode of operation and the behavior of the circuit arrangement according to the invention is as follows:
  • switch 6 When switch 6 is switched on, which is clocked in burning mode, the clock frequency being for example between 10 and 100 kHz, a negative voltage arises at the output of converter 1 in the switched-on state. This negative voltage depends on the voltage U B of the DC voltage source 4 and the transmission ratio of the converter 1. During this period, the converter 1 has voltage characteristics because it is a flux converter.
  • the switch 6 When the switch 6 is switched off, a freewheeling voltage is formed in the switched-off state, which depends on the voltage of the capacitor 9, which has already been set beforehand, on the high-pressure gas discharge lamp 8 forming the load resistor and on the magnetization of the primary winding 2 which has taken place previously. During this period, the converter has 1 current characteristic because it is a flyback converter.
  • Circuit arrangement or the converter designed in this way is therefore neither a purely current nor a purely voltage characteristic.
  • the serious disadvantages of the voltage characteristic have no effect.

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Abstract

Eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Wechselspannung, insbesondere der Brennspannung einer Hochdruck-Gasentladungslampe in einem Kraftfahrzeugscheinwerfer, enthält einen Wandler (1) mit einer Primärwicklung (2) und einer Sekundärwicklung (3), die eng miteinander gekoppelt sind. Diese beiden Wicklungen bilden einen Spartransformator. Die Primärwicklung (2) ist mit ihrem einen Anschluß mit einer Gleichspannungsquelle (4) verbunden. Mit ihrem anderen Anschluß, der Zwischenanzapfung (5) des Wandlers, ist sie zum einen mit der Sekundärwicklung und zum anderen mit einem gesteuerten Schalter (6) verbunden. Der gesteuerte Schalter verbindet die Zwischenanzapfung mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle. Der zweite Anschluß der Sekundärwicklung (3) ist über einen Kondensator (7) mit einer die Ausgangslast bildenden Hochdruck-Gasentladungslampe (8) verbunden. Über ihr liegt die Ausgangswechselspannung (UA) an, d.h. die Brennspannung. Der Schalter ist durch die Reihenschaltung eines Widerstandes (10) und eines Kondensators (11) bedämpft.

Description

Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Hochdruck- GasentladunσslamDe mit Wechselstrom
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Hochdruck-Gasentladungslampe mit Wechselstrom der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.
Aus DE 40 17 415 AI sowie der EP 02 40 049 AI sind Schaltungsanordnungen zum Start und zum Betrieb von Wechselstrom- Hochdruck-Gasentladungslampen bekannt, bei denen der Wechselstrom aus einer Gleichspannungsquelle gewonnen wird. Dabei wird mittels eines DC/DC Wandlers zunächst aus der Gleichspannung der Gleichspannungsquelle eine stabilisierte und /oder leistungsgeregelte Gleichspannung erzeugt. Dann wird daraus mit Hilfe einer Bruckenschaltung der für den Betrieb erforderliche Wechselstrom erzeugt. Es ist einleuchtend, daß hierdurch ein erheblicher kostenträchtiger Aufwand erforderlich ist, der darüber hinaus auch nicht unerheblichen Platzbedarf hat.
ERSATZBLAπ(REGEL26) Generell ist zu dieser bekannten Schaltungsanordnung jedoch zu sagen, daß die verwendeten Bauelemente zum einen sehr zahlreich sind und daß zum anderen die verwendeten Bauelemente selbst in sich groß sind bzw. sein müssen, da sie für den Betrieb bei niedrigen Frequenzen ausgelegt sein müssen. Dies steht einem möglichst kostengünstigen Bau und Betrieb einer derartigen Schaltungsanordnung für den Start und den Betrieb einer Hochdruck-Gasentladungslampe nachteilig entgegen.
Es sind Anordnungen für den Betrieb von Hochdruck- Gasentladungslampen in Kraftfahrzeugen auf dem Markt, die nach zwei verschiedenen Prinzipien arbeiten. Bei dem einem Prinzip wird sowohl der Start als auch der Betrieb im sogenannten Resonanzbetrieb durchgeführt. Dabei liegt die Startfrequenz, also beim Zünden der Lampe, bei etwa 80 kHz und die Brenn- oder
Betriebsfrequenz liegt bei etwa 8 bis 16 kHz. Bei dem anderen Prinzip wird die Lampe im sogenannten wackelnden Gleichstrombetrieb betrieben, d.h. der Gleichstrom wird immer wieder umgepolt. Die Umpolfrequenz beträgt etwa 400 Hz. Die Zündung der Lampe erfolgt über einen separaten Impulszünder. Die verwendeten Lampen sind sogenannte Xenonlampen oder Metallhalogenidlampen, deren Hochdruck bei etwa 80 bar liegt. Zum Zünden des Lichtbogens ist im Hinblick auf schlechteste Toleranzbedingungen eine Hochspannung von 24 kV notwendig. Im Brennbetrieb liegt die nötige Spannung bei etwa 85 Volt.
Prinzipielle Nachteile bei diesen beiden Prinzipien liegen darin begründet, daß relativ viele Bauteile und eine besondere Zündvorrichtung nötig sind und darüber hinaus die Bauteile recht groß sind und hochspannungsfest sein müssen. Bei der Anordnung, die gemäß dem Resonanzbetrieb arbeitet, besteht ein besonderer Nachteil darin, daß aufgrund der Spannungsquellencharakteristik des verwendeten Flußwandlers, mit sehr hohen Strömen in der Primärwicklung gearbeitet werden muß. Dies führt zu großen Bauteilen und zu einem relativ schlechten Wirkungsgrad.
ERSATZBLAπ(REGEL26) Dadurch sind in nachteiliger Weise relativ hohe Kosten, recht hohe Verlustleistungen und erheblicher Raumbedarf gegeben.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil der direkten Erzeugung des Betriebswechselstroms mit einem einzigen Wandler. Dabei sind hohe Ströme auf der Primärseite vermieden. Darüber hinaus ist keine Brückenschaltung nötig. Dies erspart zum einen eine Vielzahl von Bauteilen und bringt zum anderen den Vorteil, daß die Bauteile selbst einfacher gestaltet sein können. Im Endeffekt sind dadurch Kosten und Platz gespart.
Gemäß der Erfindung wird dies prinzipiell erreicht dadurch, daß die Wechselstrom-Brennspannung direkt aus der Gleichspannung der Gleichspannungsversorgungsquelle mittels eines Wandlers, der als Spartransformator aufgebaut ist, gewonnen wird, wobei die Primärwicklung des Wandlers mit der Gleichspannungsquelle, die Zwischenanzapfung des Wandlers mit einem gesteuerten Schalter und die Sekundärwicklung des Wandlers über einen Kondensator mit der Hochdruck-Gasentladungslampe verbunden ist.
Durch die in den weiteren Ansprüchen niedergelegten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Schaltungsanordnung möglich.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Primär- und die Sekundärwicklung des Wandlers eng miteinander gekoppelt ausgeführt.
In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist das Übersetzungsverhältnis zwischen der Sekundär- und der Primärwicklung des Wandlers so gewählt ist, daß es das Verhältnis zwischen der Wechselstrom-Brennspannung und der Gleichspannung der Gleichspannungsversorgungsquelle wiedergibt.
ERSATZBLAπ(REGEL26) In zweckmäßiger Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird der gesteuerte Schalter getaktet , insbesondere mit einer Frequenz von 10 bis 100 kHz . In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der gesteuerte Schalter ein MOSFET Transistor .
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der gesteuerte Schalter bedämpft, insbesondere mit der Reihenschaltung aus einem Widerstand und einem Kondensator parallel zur Schaltstrecke .
Zeichnung
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 schematisch die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In Fig. 1 ist schematisch das Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dargestellt. Diese Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Wechselspannung, insbesondere der Brennspannung einer Hochdruck-Gasentladungslampe in einem Kraftfahrzeugscheinwerfer, enthält einen Wandler 1 mit einer Primärwicklung 2 und einer Sekundärwicklung 3, die eng miteinander gekoppelt sind. Diese beiden Wicklungen 2 und 3 bilden einen Spartransformator. Die Primärwicklung 2 ist mit ihrem einen Anschluß mit einer Gleichspannungsquelle 4 verbunden. Mit ihrem anderen Anschluß, dem Zwischenanzapfung 5 des Wandlers 1, ist sie zum einen mit dem ersten Anschluß der Sekundärwicklung 3 und zum anderen mit einem gesteuerten Schalter 6 verbunden. Der gesteuerte Schalter 6 verbindet die Zwischenanzapfung 5 mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle 4. Der zweite Anschluß der Sekundärwicklung 3 ist über einen Kondensator 7 mit einer die
ERSATZBLAπ(REGEL26) Ausgangslast bildenden Hochdruck-Gasentladungslampe 8 verbunden. Über ihr liegt die Ausgangswechselspannung UA an, d.h. die Brennspannung. In der Darstellung von Fig. 1 ist keine Zündvorrichtung für die Hochdruck-Gasentladungslampe 8 gezeigt.
Das Übersetzungsverhältnis zwischen der Sekundärwicklung 3 und der Primärwicklung 2 des Wandlers 1 ist in vorteilhafter Weise so gewählt, daß sich darin das Verhältnis von Brennspannung UA und Gleichspannung UB der Gleichspannungsquelle 4 widerspiegelt. Bei der gedachten Hauptanwendung der Erfindung, nämlich als
Brennleistungsversorgung der Hochdruck-Gasentladungslampe 8 im Scheinwerfer eines Kraftfahrzeuges, bei der die
Gleichspannungsquelle 4 die Batterie des Kraftfahrzeuges ist und z.B. den Nominalwert von 12 V hat und bei der die Brennspannung UA der Hochdruck-Gasentladungslampe etwa 85 V beträgt, kann unter Berücksichtigung aller Abweichungen das Übersetzungsverhältnis zwischen 4 und 8 liegen.
Nach erfolgter Zündung der Hochdruck-Gasentladungslampe 8 wird der gesteuerte Schalter 6 im Brennbetrieb getaktet. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Schalter 6 als MOSFET Transistor ausgeführt. Die Drain D des Schalters 6 ist mit der Zwischenanzapfung 5 des Wandlers 1 und die Source S mit dem negativen Anschluß der Gleichspannungsquelle 4 verbunden. An das Gate G werden von einer Steuerschaltung 9 die zum Takten notwendigen Steuerimpulse angelegt. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist zur Vermeidung von elektromagnetischer Abstrahlung der Schalter 6 bedämft. Im dargestellten Ausführungsbeispiel mit dem MOSFET Transistor 6 ist zu diesem Zweck parallel zur Schaltstrecke Drain-Source des
Transistors die Reihenschaltung eines Widerstandes 10 und eines Kondensators 11 geschaltet. Diese Bedämpfung vermeidet bei geeigneter Dimensionierung die beim Ausschalten des Schalters 6 entstehenden hochfrequenten Abschaltschwingungen zwischen den Induktivitäten der beiden Wicklungen 2 und 3 und der
Ausgangskapazität des Schalters 6. Somit sind störende elektromagnetische Abstrahlungen vermieden.
ERSATZBLAπ (REGEL 26) Die Wirkungsweise und das Verhalten der erfindungsgemaßen Schaltungsanordnung ist folgende:
Beim Einschalten des Schalters 6, der ja im Brennbetrieb getaktet wird, wobei die Taktfrequenz beispielsweise zwischen 10 und 100 kHz liegen kann, entsteht im eingeschalteten Zustand am Ausgang des Wandlers 1 eine negative Spannung. Diese negative Spannung hängt von der Spannung UB der Gleichspannungsquelle 4 und dem Übersetzungsverhältnis des Wandlers 1 ab. In diesem Zeitraum hat der Wandler 1 Spannungscharakteristik, da es sich um einen Flußwandler handelt.
Beim Ausschalten des Schalters 6 bildet sich im ausgeschalteten Zustand eine Freilaufspannung, die von der Spannung des Kondensators 9, die sich bereits vorher eingestellt hat, vom der den Lastwiderstand bildenden Hochdruck-Gasentladungslampe 8 sowie von der zuvor erfolgten' Magnetisierung der Primärwicklung 2 abhängt. In diesem Zeitraum hat der Wandler 1 Stromcharakteristik, da es sich um einen Sperrwandler handelt.
Beim Takten der Schalters 6 bildet sich über dem Kondensator 7 eine Gleichspannung derart, daß die Hochdruck-Gasentladungslampe 8 nur noch mit reiner Wechselspannung beaufschlagt wird. Dies ist die gewünschte Brennspannung UA. Die Charakteristik des Innenwiderstands der erfindungsgemäß aufgebauten
Schaltungsanordnung bzw. des so gestalteten Wandlers ist somit weder rein Strom- noch rein Spannungscharakteristik. Dadurch wirken sich die gravierenden Nachteile der Spannungscharakteristik nicht aus.
Durch die Stromcharakteristik der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung werden in vorteilhafter Weise kleinere Bauformen, höhere Wirkungsgrade sowie eine geringere Anzahl von Bauelementen erzielt. Dies führt zu erheblich geringeren Kosten.
ERSATZBLAπ(REGEL2G)

Claims

Ansprüche
1. Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Hochdruck- Gasentladungslampe (8) mit Wechselstrom, wobei der Wechselstrom aus einer Gleichspannungsquelle (4) gewonnen wird, insbesondere zur Verwendung der Versorgung einer Hochdruck-Gasentladungslampe (8) in einem Kraftfahrzeugscheinwerfer, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselstrom-Brennspannung (UA) direkt aus der Gleichspannung (UB) der Gleichspannungsversorgungsquelle (4) mittels eines Wandlers (1), der als Spartransformator aufgebaut ist, gewonnen wird, wobei die Primärwicklung (2) des Wandlers (1) mit der Gleichspannungsquelle (4), die Zwischenanzapfung (5) des Wandlers (1) mit einem gesteuerten Schalter (6) und die Sekundärwicklung (3) des Wandlers (1) über einen Kondensator (7) mit der Hochdruck- Gasentladungslampe (8) verbunden ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primär- (2) und die Sekundärwicklung (3) des
Wandlers (1) eng miteinander gekoppelt ausgeführt sind.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Übersetzungsverhältnis zwischen der Sekundär- (3) und der Primärwicklung (2) des Wandlers (1) so gewählt ist, daß es das Verhältnis zwischen der Wechselstrom-Brennspannung (UA) und der Gleichspannung (Ua) der Gleichspannungsversorgungsquelle (4) wiedergibt.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, daß der gesteuerte Schalter (6) getaktet wird, insbesondere mit einer Frequenz von 10 bis 100 kHz.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der gesteuerte Schalter ein MOSFET Transistor (6) ist.
6. Schaltungsanordnung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der gesteuerte Schalter (6) bedämpft ist, insbesondere mit der Reihenschaltung aus einem Widerstand (10) und einem Kondensator (11) parallel zur Schaltstrecke des Schalters (6).
ERSATZBLAπ(REGEL26)
EP96909049A 1995-08-22 1996-04-16 Schaltungsanordnung zum betrieb einer hochdruck-gasentladungslampe mit wechselstrom Ceased EP0846406A1 (de)

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