DE4141804C1 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Betreiben einer
Gasentladungslampe nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Aus der DE-OS 29 04 393 ist eine derartige Vorrichtung zum Be
treiben einer Gasentladungslampe bekannt. Die Vorrichtung enthält
einen Gleichspannungswandler, der eine gegebene Eingangs-Gleichspannung
in eine vorgegebene Ausgangs-
Gleichspannung umsetzt. Am Ausgang des Spannungswandlers ist eine
Brückenschaltung angeschlossen,
in deren Diagonale die Gasentladungslampe angeordnet ist.
Bedingt durch eine unvermeidliche Streukapazität
zwischen der Gasentladungslampe und benachbart zur Lampe ange
ordneten Teilen, wie beispielsweise einer Leuchte, wird sich zwischen
der Lampe und den Teilen ein mittleres Potential einstellen.
Weitere geeignete Spannungswandler zum Betreiben einer Gasent
ladungslampe sind aus dem Fachbuch von U. Tietze und Ch. Schenk,
"Halbleiter-Schaltungstechnik", 6. Auflage, 1983, Springer-Verlag,
Seiten 545-552, bekannt. Beschrieben sind Grundlagenschaltungen von
Spannungswandlern wie beispielsweise Aufwärts-Wandler und inver
tierende Wandler ohne Potentialtrennung sowie Eintakt-Sperrwandler,
Eintakt-Durchflußwandler und Gegentakt-Wandler mit transforma
torischer Potentialtrennung.
Beim Betreiben der Gasentladungslampe ist darauf zu achten, daß
keine durch die Lampe fließende Gleichstromkomponente auftritt, um
Ionenwanderungen zu vermeiden. Bereits im Jahre 1938 wurde in dem
Fachbuch von Dr. W. Uyterhoeven, "Elektrische Gasentladungslampen",
Springer-Verlag, 1938, Seiten 249-252, darauf hingewiesen, daß die
Lebensdauer von Gasentladungslampen, gezeigt am Beispiel von
Natrium-Hochdrucklampen, unter anderem begrenzt ist durch die
Wechselwirkung der Natrium-Ionen mit dem Lampenkörper.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum
Betreiben einer Gasentladungslampe anzugeben, die eine hohe Lebens
dauer der Gasentladungslampe ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch angegebenen Merkmale
gelöst.
Der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß
ein mittleres Potential von Null Volt zwischen der Lampe und
wenigstens einem benachbart zur Lampe angeordneten Teil, das ein
elektrisches Potential führen kann, nicht in allen Fällen ausreicht,
um eine unerwünschte Ionenwanderung, insbesondere eine Diffusion von
Ionen in den Lampenkörper zuverlässig zu verhindern. Ein derartiges
Teil ist beispielsweise eine Lampenfassung oder eine Leuchte, in der
die Lampe eingebaut ist. Das Teil ist jedoch nicht auf die Leuchte
beschränkt. Das Teil kann allgemein ein Teil in der Umgebung der
Lampe sein, wobei wesentlich ist, daß dieses Teil ein elektrisches
Potential führen kann, so daß zwischen der Lampe und dem Teil ein
elektrisches Feld auftreten kann. Es ist deshalb auch nicht erfor
derlich, daß das Teil elektrisch leitfähig ist. Es muß lediglich ein
Ladungsausgleich stattfinden können.
Mit der erfindungsgemäßen Maßnahme, daß das Teil mit demjenigen An
schluß am Ausgang des Wandlers verbunden ist, an dem in Bezug zum
anderen Anschluß das positive Potential auftritt, wird nach experi
mentellen Ergebnissen offensichtlich erreicht, daß die Diffusion von
Ionen in den Lampenkörper zumindest reduziert ist. Damit erhöht sich
die Lebensdauer der Gasentladungslampe, die einerseits durch eine
Verfärbung oder Reduzierung der abgegebenen Strahlung und anderer
seits im Extremfall durch Lampenbruch gegeben ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der erfindungsge
mäßen Vorrichtung ergeben sich aus Unteransprüchen.
Eine besonders einfache Realisierung des Spannungswandlers ist mit
einem Inverswandler möglich, bei dem der negative Pol einer Ein
gangsgleichspannungsquelle mit demjenigen Anschluß des Ausgangs ver
bunden ist, an dem das positive Potential auftritt. Diese Ausge
staltung ist insbesondere bei einer Verbindung des negativen Poles
der Eingangsgleichspannungsquelle mit einer elektrischen Gerätemasse
vorteilhaft, weil häufig das der Lampe benachbarte Teil
ebenfalls mit der Gerätemasse verbunden ist. Bezogen auf die nega
tive Ausgangsspannung des Invers-Wandlers weist das an der
Schaltungsmasse liegende Teil dann stets positives Potential auf.
Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung sieht die Realisierung des
Spannungswandlers als Wandler mit einem Trenntransformator vor. Die
Potentialtrennung zwischen der Eingangsgleichspannungsquelle und der
Brückenschaltung ermöglicht den einfachen Anschluß des der Lampe
benachbarten Teiles mit dem positiven Anschluß am Ausgang des
Spannungswandlers.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist besonders geeignet zum Be
treiben von Hochdruck-Gasentladungslampen, die in einem Kraftfahr
zeug-Scheinwerfer angeordnet sind. In diesem Fall ist das der Lampe
benachbarte Teil der Scheinwerfer. Bei einer Realisierung des
Scheinwerfers vollständig aus Kunststoff tritt an die Stelle des
Scheinwerfers die Kraftfahrzeug-Karosserie.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen ergeben sich
aus weiteren Unteransprüchen in Verbindung mit der folgenden Be
schreibung.
Fig. 1 zeigt ein elektronisches Vorschaltgerät für eine Gasent
ladungslampe mit einem einfachen Spannungswandler ohne Potential
trennung, Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem
Invers-Wandler ohne Potentialtrennung und Fig. 3 zeigt ein Aus
führungsbeispiel mit einem Spannungswandler mit transformatorischer
Potentialtrennung.
In Fig. 1 ist eine Gasentladungslampe 10 gezeigt, die in einer
Diagonale 11 einer Brückenschaltung 12 angeordnet ist. Die Brücke 12
enthält jeweils zwei in Serie geschaltete Schaltmittel 13, 14; 15,
16, wobei die Serienschaltungen jeweils zwischen einer ersten und
zweiten Brückeneingangsleitung 17, 18 geschaltet sind. Die Brücken
diagonale 11 liegt zwischen einer Verbindung der Schaltmittel 13, 14
der einen Serienschaltung und der Verbindung der Schaltmittel 15, 16
der anderen Serienschaltung.
Das elektronische Vorschaltgerät enthält einen Spannungswandler 19,
der eine gegebene Eingangsspannung in eine am Ausgang 20 des
Wandlers 19 auftretende vorgegebene Spannung umsetzt. In Fig. 1 ist
als Beispiel einer Eingangsspannungsquelle 21 eine Batterie vor
gesehen, deren positiver Pol 22 mit einer Spule 23 verbunden ist.
Zwischen einem anderen Anschluß der Spule 23 und dem negativen Pol
24 der Batterie 21 ist ein Spannungswandler-Schaltmittel 25 vor
handen. An der Verbindung zwischen der Spule 23 und dem Spannungs
wandler-Schaltmittel 25 liegt der Anodenanschluß einer Diode 26. Die
Kathode der Diode 26 ist mit einem ersten Anschluß 27 am Ausgang 20
des Spannungswandlers 19 verbunden. Am ersten Anschluß 27 tritt ein
positives Potential im Vergleich zu einem zweiten Anschluß 28 am
Ausgang 20 des Spannungswandlers 19 auf. Der zweite Anschluß 28 ist
sowohl mit dem negativen Pol 24 der Batterie 21 als auch mit dem
Spannungswandler-Schaltmittel 25 verbunden. Zwischen dem ersten und
dem zweiten Anschluß 27, 28 am Ausgang 20 des Spannungswandlers 19
liegt ein Glättungskondensator 29.
Der erste Anschluß 27 am Ausgang 20 ist verbunden mit der ersten
Brückeneingangsleitung 17 und der zweite Anschluß am Ausgang 20 ist
verbunden mit der zweiten Brückeneingangsleitung 18. Für eine
elektronische Betätigung der Schaltmittel 13, 14; 15, 16 und des
Spannungswandler-Schaltmittels 25 ist eine Steuerschaltung 30 vor
gesehen, die entsprechende Steuersignale abgibt. Die Steuerschaltung
30 ist mit dem ersten Anschluß 27 verbunden.
Am ersten Anschluß 27 am Ausgang 20 des Spannungswandlers 19, an dem
das positive Potential auftritt, ist ein der Lampe 10 benachbartes
Teil 31 angeschlossen, das ein elektrisches Potential führen kann
und das derart angeordnet ist, daß zwischen der Lampe 10 und dem
Teil 31 ein elektrisches Feld 32 auftreten kann. Das Potential des
Teils 31 ist stets positiv gegenüber dem an der Lampe 10 auftreten
den Potential.
In Fig. 2 sind diejenigen Teile, die mit den in Fig. 1 gezeigten
Teilen funktionell übereinstimmen, jeweils mit denselben Bezugs
zeichen angegeben. Der wesentliche Unterschied zwischen dem in Fig.
1 und dem in Fig. 2 gezeigten Schaltbild eines elektronischen Vor
schaltgerätes liegt in der unterschiedlichen Ausgestaltung des
Spannungswandlers 19. In Fig. 2 ist gegenüber Fig. 1 die Anordnung
der Spule 23 mit der des Spannungswandler-Schaltmittels 25 ver
tauscht. Das Schaltmittel 25 liegt demnach unmittelbar am positiven
Pol 22 der Batterie 21, während die Spule 23 am anderen Anschluß des
Schaltmittels 25 liegt und von dort zum negativen Pol 24 der
Batterie führt. Geändert hat sich auch die Verschaltung der Diode
26, deren Anode in Fig. 2 am ersten Anschluß 27 des Ausgangs 20 des
Spannungswandlers 19 liegt. Sofern der Kondensator 29 ein Kondensator
mit vorgegebener Polarität ist, müssen seine Anschlüsse in Fig. 2
gegenüber Fig. 1 vertauscht werden. Das Teil 31 ist in Fig. 2 mit
dem zweiten Anschluß 28 des Ausgangs 20 des Spannungswandlers 19
verbunden. Der zweite Anschluß 28 weist ein positives Potential
gegenüber dem ersten Anschluß 27 auf. Der zweite Anschluß 28 ist mit
dem negativen Pol 24 der Batterie 21 verbunden, der gleichzeitig an
eine Gerätemasse 33 gelegt ist.
In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines elektronischen
Vorschaltgerätes gezeigt, das sich gegenüber den in den Fig. 1
und 2 gezeigten Schaltbildern in der Ausgestaltung des Spannungs
wandlers 19 unterscheidet. Diejenigen in Fig. 3 gezeigten Teile,
die mit den in Fig. 1 und 2 gezeigten Teilen korrespondieren,
sind in Fig. 3 mit denselben Bezugszeichen angegeben. Anstelle der
in den Fig. 1 und 2 gezeigten Spule 23 ist in Fig. 3 ein Trenn
transformator 34 vorhanden, dessen Primärwicklung 35 einerseits mit
dem positiven Pol 22 der Batterie 21 und andererseits mit dem
Spannungswandler-Schaltmittel 25 verbunden ist. Das Schaltmittel 25
ist mit dem negativen Pol 24 der Batterie 21 verbunden, der an die
Gerätemasse 33 gelegt ist. Eine Sekundärwicklung 36 des Transforma
tors 34 ist einerseits über die Diode 26 mit dem ersten Anschluß 27
und andererseits unmittelbar mit dem zweiten Anschluß 28 am Ausgang
20 des Spannungswandlers 19 verbunden. Die Kathode der Diode 26
liegt am ersten Anschluß 27. Bei dieser Polarität der Diode 26 liegt
am ersten Anschluß 27 des Ausgangs 20 das positive Potential in
Bezug auf den zweiten Anschluß 28. Das Teil 31 ist mit dem ersten
Anschluß 27 verbunden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Fig. 1 arbeitet folgender
maßen:
Der Spannungswandler 19 transformiert die Spannung der Quelle 21 in
eine zum Betreiben der Gasentladungslampe 10 erforderliche Spannung.
Der Spannungswandler 19 gibt an seinem Ausgang 20 eine Gleich
spannung ab. Als Quelle 21 ist beispielsweise eine (Netz-)Wechsel
spannung vorgesehen, die zunächst gleichgerichtet wird, bevor sie
dem Spannungswandler zugeleitet wird. Als Quelle 21 kann auch bei
spielsweise die in den Figuren gezeigte Batterie vorgesehen sein,
die unmittelbar eine gegebene Gleichspannung aufweist. Hinsichtlich
der Arbeitsweise sowohl des in Fig. 1 gezeigten Spannungswandlers
19 als auch der in den beiden anderen Figuren gezeigten Ausge
staltungen wird auf den eingangs genannten Stand der Technik, dem
Fachbuch von U. TIETZE und CH. SCHENK, "Halbleiter-Schaltungs
technik" verwiesen. Der in Fig. 1 gezeigte Spannungswandler 19 ist
demzufolge beispielsweise als Aufwärts-Wandler ausgestaltet, wobei
zwischen der Batterie 21 und dem Ausgang 20 keine Potentialtrennung
vorgesehen ist. Die Induktivität der Spule 23 sowie die Kapazität
des Kondensators 29 können aus den Formeln in der angegebenen
Literaturstelle ermittelt werden. Die Ausgangsspannung ist im
wesentlichen durch das Verhältnis von eingeschaltetem zu ausge
schaltetem Zustand des Spannungswandler-Schaltmittels 25 festleg
bar, das entsprechende Einschaltsignale von der Steuerschaltung 13
zugeführt erhält. Das Verhältnis legt die Steuerschaltung in Ab
hängigkeit von der am ersten Anschluß 27 auftretenden Ausgangs
spannung des Spannungswandlers 19 fest.
Die an den beiden Anschlüssen 27, 28 am Ausgang 20 des Spannungs
wandlers 19 auftretende Gleichspannung wird über die beiden Brücken
eingangsleitungen 17, 18 der Brückenschaltung 12 zugeführt. Die
Brückenschaltung 12 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als
H-Brücke ausgebildet, bei der jeweils zwei Schaltmittel 13, 14; 15,
16 zwischen den beiden Brückeneingangsleitungen 17, 18 in Serie
geschaltet sind. Die Schaltmittel 13, 14; 15, 16, ebenso wie das
Spannungswandler-Schaltmittel 25, sind beispielsweise Schalttran
sistoren, vorzugsweise Feldeffekt-Transistoren. Die Lampe 10 ist in
der Brückendiagonale 11 angeschlossen, die zwischen den beiden Ver
bindungsleitungen der einen Schaltmittel 13, 14 und der anderen
Schaltmittel 15, 16 liegt. Durch eine von der Steuerschaltung 30
vorgegebene zeitliche Steuerung der Schaltmittel 13, 14; 15, 16 wird
die Lampe 10 mit einer Wechselspannung betrieben, die von
der am Ausgang 20 des Spannungswandlers 19 liegenden Gleichspannung
abgeleitet ist. In Fig. 1 ist der Zustand gezeigt, bei dem die
Schaltmittel 14, 15 geschlossen sind, während die Schaltmittel 13,
16 geöffnet sind. Im nächsten Arbeitstakt werden die Schaltmittel
14, 15 geöffnet und die Schaltmittel 13, 16 geschlossen. Bei der
Steuerung ist darauf zu achten, daß der durch die Lampe 10 fließende
Strom mittelwertfrei ist. Dies wird dadurch erreicht, daß die
Schaltzeiten für die Schaltmittel 13, 14; 15, 16 jeweils gleich lang
sind. Anstelle der in Fig. 1 gezeigten Brückenschaltung 12 mit vier
Schaltmitteln 13, 14; 15, 16 ist auch eine Halbbrückenschaltung
geeignet, bei der zwei Schaltmittel, die in Serie geschaltet sind,
jeweils durch Kondensatoren ersetzt sind. Weitere, für den Betrieb
der Lampe 10 erforderliche Komponenten, beispielsweise zur Be
grenzung des durch die Lampe 10 fließenden Stroms oder zum Zünden
der Lampe 10, sind in den Figuren nicht gezeigt, da sie für die
vorliegende Erfindung untergeordnete Bedeutung haben.
Aufgrund von Streukapazitäten zwischen der Lampe und wenigstens
einem, der Lampe 10 benachbarten Teil 31 kann sich zwischen dem Teil
31 und der Lampe 10 ein elektrisches Feld aufbauen. Das Teil 31 ist
beispielsweise eine Lampenfassung oder eine Leuchte, in welcher die
Lampe 10 eingebaut ist. Sofern die Leuchte vollständig aus Kunst
stoff hergestellt ist, können auch weitere Teile außerhalb der
Leuchte als Teil 31 wirken.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel des elektronischen
Vorschaltgerätes wird sich aufgrund der erwähnten Streukapazität
zwischen der Lampe 10 und einem benachbart angeordneten Teil 31 ein
elektrisches Feld 32 aufbauen, das den Mittelwert Null aufweist.
Diese Annahme gilt unter der Voraussetzung daß das Teil 31 keine
leitende Verbindung mit irgendeinem Schaltungspunkt der in Fig. 1
gezeigten Schaltungsanordnung aufweist. Erfindungsgemäß ist
vorgesehen, daß das Teil 31 mit dem Anschluß 27 am Ausgang 20 des
Spannungswandlers 19 angeschlossen ist, der ein positives Potential
in Bezug auf den anderen Anschluß 28 aufweist. Mit dieser Maßnahme
ist sichergestellt, daß das mittlere Potential an der Lampe 10 stets
negativ ist im Vergleich zum positiven Potential des Teils 31. Es
wurde experimentell festgestellt, daß mit dieser Maßnahme ein vor
zeitiges Altern der Lampe 10 zuverlässig verhindert werden kann,
wobei der Effekt darauf beruhen dürfte, daß das positive Potential
der Umgebung der Lampe 10 die in der Lampe auftretenden Ionen vom
Lampengefäß fernhält und in das Plasma drückt.
Unter der Annahme, daß das Teil 31 bereits mit einer Gerätemasse
oder beispielsweise einer Betriebserde verbunden ist, mit der auch
ein Pol 22, 24 der Quelle 21 verbunden ist, kann das Teil 31 nicht
mit dem ersten Anschluß 27 am Ausgang 20 des Spannungswandlers 19
verbunden werden. Für diesen Fall ist die in Fig. 2 gezeigte Aus
gestaltung des Spannungswandlers 19 besonders vorteilhaft geeignet.
Ein Pol 22, 24 der Quelle 21, im Beispiel der negative Pol 24, ist
mit der elektrischen Gerätemasse 33 verbunden, die auch mit dem Teil
31 in Verbindung steht. Der Spannungswandler 19 ist als
Invers-Wandler realisiert, bei dem die Polarität einer Eingangs
spannung in eine umgekehrte Polarität am Ausgang 20 des Wandlers 19
umgesetzt wird. Auch hier wird bezüglich der Funktionsweise des
Wandlers 19 auf die bereits zitierte Textstelle verwiesen. Die in
Fig. 2 gezeigte Verbindung zwischen dem Teil 31 und dem zweiten
Anschluß 28 kann bei der Realisierung bereits gegeben sein, ohne daß
es einer zusätzlichen Verbindung bedarf. Dieser Fall ist insbeson
dere dann gegeben, wenn das Teil 31 eine Lampenfassung, eine Leuchte
oder wenigstens ein anderes, mit der elektrischen Gerätemasse 33
verbundenes Teil 31 ist.
Die in Fig. 3 gezeigte Ausgestaltung des Spannungswandlers 19 weist
den Vorteil einer Potentialtrennung zwischen der Quelle 21 und dem
Ausgang 20 des Wandlers 19 auf. Dieser Vorteil ermöglicht der Trenn
transformator 34. In Fig. 3 ist als Beispiel eine Sperr
wandler-Schaltung gezeigt. Der besondere Vorteil der transforma
torischen Potentialtrennung liegt darin, daß das Teil 31, unabhängig
davon, ob es mit der elektrischen Gerätemasse 33 oder einer Be
triebserde verbunden ist, stets in einfacher Weise mit dem Anschluß
27, 28 am Ausgang 20 des Spannungswandlers 19 verbindbar ist, der
das positive Potential in Bezug auf den anderen Anschluß 27, 28
aufweist.
Claims (9)
1. Vorrichtung zum Betreiben einer Gasentladungslampe, mit einem
Gleichspannungswandler, der eine Gleichspannung einer Energiequelle in
eine vorgegebene Ausgangs-Gleichspannung umsetzt, mit einer am Ausgang des
Wandlers angeschlossenen Brückenschaltung, in deren Brückendiagonale
die Lampe angeordnet ist und mit wenigstens einem, benachbart zur
Lampe angeordneten Teil, das ein elektrisches Potential führen kann
und das derart angeordnet ist, daß zwischen der Lampe und dem Teil
ein elektrisches Feld auftreten kann, dadurch gekennzeichnet,
daß das Teil (31) mit demjenigen
Anschluß (27, 28) am Ausgang (20) des Gleichspannungswandlers (19) ver
bunden ist, an dem in Bezug zum anderen Anschluß (27, 28) das
positive Potential auftritt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Gleichspannungswandler (19) ein Invers-Wandler ist, wobei der negative Pol
(24) der Quelle (21) mit dem Teil (31) verbunden ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Invers-Wandler (19) ein am positiven Pol (22) der Quelle (21)
angeschlossenes Spannungswandler-Schaltmittel (25) und eine am
negativen Pol (24) der Quelle (21) angeschlossene Spule (23)
enthält, wobei an einer Verbindung des Schaltmittels (25) mit der
Spule (23) eine Diode (26) angeschlossen ist, deren Anode mit dem
ersten Anschluß (27) am Ausgang (20) des Gleichspannungswandlers (19)
verbunden ist, an dem ein negatives Potential in Bezug auf das
Potential am zweiten Anschluß (28) auftritt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Gleichspannungswandler (19) einen Trenntransformator (34) enthält.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der
Gleichspannungswandler (19) als Sperrwandler realisiert ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß der negative Pol (24) der Quelle (21) mit einer
elektrischen Gerätemasse (33) verbunden ist, an der das Teil (31)
geschaltet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß als Quelle (21) eine Batterie vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet
durch die Verwendung der Vorrichtung in einem Kraftfahrzeug, bei dem
die Gasentladungslampe (10) in wenigstens einem Scheinwerfer ange
ordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der
negative Pol (24) der Quelle (21) mit der Fahrzeugkarosserie
elektrisch leitend verbunden ist.
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