DE4326881A1

DE4326881A1 - Start- und Betriebsschaltung für eine Gasentladungs-Lampe

Info

Publication number: DE4326881A1
Application number: DE4326881A
Authority: DE
Inventors: Robert L Garrison
Original assignee: GTE Products Corp
Current assignee: Osram Sylvania Inc
Priority date: 1992-08-11
Filing date: 1993-08-11
Publication date: 1994-03-17
Also published as: CA2103636A1; JPH06188078A; US5391966A

Description

Technisches Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrische Schaltungen für das Starten und Betreiben von Bogenentladungslampen, beispielsweise von Entladungslampen hoher Intensität (HID). Die Erfindung ist besonders nützlich bei Anwendung auf Miniatur- Halogen-Metalldampflampen zur Verwendung in Automobilen, beispielsweise als Scheinwerferlampen.

Erfindungshintergrund

Die U.S. Patente Nr. 5 036 256 und 5 051 665 für Garrison et al, die auf den gleichen Patentinhaber überschrieben wurden wie die vorliegende Erfindung, beziehen sich auf Schaltungen für das Schalten und das Betreiben einer HID-Lampe mit Gleichstrom.

Obgleich diese Schaltungen erfolgreich benutzt wurden, wurde festgestellt, daß gewisse Nachteile vorhanden sind, die zu wünschen übrig lassen. Da die Spannung einer HID-Lampe sowohl während des Aufwärmens als auch während des normalen Betriebs von Lampe zu Lampe ganz erheblich variieren kann, kann eine Schaltung, die die Lampenleistung lediglich nach der Lampenspannung während des Aufwärmens reguliert, keine adäquate Performance erbringen.

Zusammenfassung der Erfindung

Demnach ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Start- und Betriebsschaltung für Niederspannungszwecke zu schaffen, beispielsweise ein Vorschaltgerät für HID-Kraftfahrzeug- Scheinwerferlampen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Start- und Betriebsschaltung, bei welcher die Lichtabgabe einer mit der Schaltung arbeitenden Lampe nicht von den Unterschiedlichkeiten der Lampenspannung bei verschiedenen Lampen abhängt.

Diese Aufgaben werden gemäß einem Aspekt der Erfindung gelöst durch das Vorsehen einer Schaltung für das Starten und den Betrieb einer Bogenentladungslampe, mit einem Gleichstromwandler, der an erste und zweite Gleichstrom-Eingangsanschlüsse angeschlossen ist und einen Halbleiterschalter aufweist, einen ersten Transformator mit einer an einen ersten Kondensator angeschlossenen Wicklung und einer an einen zweiten Kondensator angeschlossenen zweiten Wicklung, sowie einer ersten Diode, deren eines Ende mit dem zweiten Kondensator verbunden ist. Die Schaltung umfaßt ferner einen Impulsbreitenmodulator mit einem Hochfrequenzgenerator für die Ausbildung eines Signals für das Treiben des Halbleiterschalters des Gleichstromwandlers. Eine Sperrverzögerungsschaltung besitzt eine zweite Diode, einen Filterkondensator und einen zweiten Transformator mit einer ersten Wicklung und einer zweiten Wicklung. Die erste Wicklung des zweiten Transformators ist in Serie mit der ersten Diode des Gleichstromwandlers verbunden. Die zweite Wicklung des zweiten Transformators ist mit der zweiten Diode und dem Filterkondensator verbunden. Der Ausgang der Sperrverzögerungsschaltung ist mit dem Eingang des Gleichstromwandlers verbunden. Ein Leistungsregelungs- Summierverstärker ist an den Gleichstromwandler angeschlossen und besitzt erste und zweite Eingänge. Die Schaltung umfaßt ferner Spannungs- und Strom-Abtastschaltkreise für die Entwicklung eines Kontrollsignalpaares sowie eine Einrichtung für das Anschließen der Kontrollsignale jeweils an die ersten und zweiten Eingänge des Leistungssteuerungs-Summierverstärkers. Eine Aufwärm- Leistungskontrollschaltung für das Betreiben einer Bogenentladungslampe mit einem höheren Leistungspegel für eine vorbestimmte Zeitspanne während der Startphase der Lampe umfaßt eine Einrichtung für das Verfolgen der Zeitdauer, in der die Lampe abgeschaltet ist, und eine Einrichtung für die Einstellung der anfänglichen Lampenleistung bis zu einer heißen Lampe auf einen Pegel zwischen einer Lampen-Nennleistung und einer maximalen Kaltstartleistung.

In Übereinstimmung mit weiteren Aspekten der vorliegenden Erfindung umfaßt die Start-Betriebsschaltung ferner einen Abtastschaltkreis für den Eingangsstrom mit einem dritten Transformator, der eine erste Wicklung in Reihe mit dem Halbleiterschalter des Gleichstromwandlers und einem vierten Transformator mit einer Primärwicklung in Reihe mit dem ersten Kondensator des Gleichstromwandlers aufweist. Der erste und der zweite Transformator besitzen Sekundärwicklungen, die mit dem Aufwärm-Leistungskontroll-Schaltkreis verbunden sind.

In Übereinstimmung mit weiteren Lehren nach der vorliegenden Erfindung ist ein Ende der zweiten Diode des Sperrverzögerungsschaltkreises mit einem Ende der Sekundärwicklung des zweiten Transformators verbunden. Das andere Ende der zweiten Diode ist mit einem Ende des Filterkondensators verbunden. Das andere Ende des Filterkondensators ist an das andere Ende der Sekundärwicklung des zweiten Transformators angeschlossen.

In Übereinstimmung mit weiteren Lehren nach der Erfindung umfaßt der Aufwärm-Leistungskontroll-Schaltkreis ein Paar Zeitgeber, deren jeder einen Widerstand und einen Kondensator besitzt.

In Übereinstimmung mit noch weiteren Aspekten der vorliegenden Erfindung besitzen der zweite und der dritte Transformator des Eingangsstrom-Abtastschaltkreises ein Primär-zu-Sekundär- Verhältnis von 1 : 100.

Weitere Aufgaben, Vorteile und neue Merkmale der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Teilweise werden sie den Fachleuten deutlich werden bei Prüfung des Folgenden, oder sie können durch Praktizieren der Erfindung gelernt werden. Die vorgenannten Aufgaben und Vorteile der Erfindung können mittels der Instrumentarien und der Kombination, wie sie speziell in den nachfolgenden Ansprüchen aufgeführt werden, realisiert und erreicht werden.

Figurenbeschreibung

Die Erfindung wird aus der folgenden beispielhaften Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher werden.

Es zeigen

Fig. 1 und 2 ein schematisches Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform einer verbesserten Start- und Betriebsschaltung für eine Bogenentladungslampe in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.

Beste Art und Weise der Ausführung der Erfindung

Zwecks besseren Verständnisses der vorliegenden Erfindung zusammen mit anderen und weiteren Aufgaben, Vorteilen und Fähigkeiten derselben wird auf die folgende Offenbarung und die angefügten Ansprüche in Verbindung mit den oben beschriebenen Zeichnungen Bezug genommen.

Insbesondere wird auf die Fig. 1 und 2 hingewiesen, die ein detailliertes schematisches Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform einer Schaltung für das Starten und den Betrieb einer Bogenentladungslampe gemäß vorliegender Erfindung darstellen. Die Lampe kann eine Miniatur-Metalldampf-Halogen-HID- Lampe geringer Leistung sein, wie sie zur Verwendung als Kraftfahrzeugscheinwerfer geeignet ist. Typischerweise beträgt die Lampenleistung derartiger Lampen etwa 30-35 Watt. Die Lampe umfaßt eine Hülle (zum Beispiel aus Quarz), die eine Anode und eine Kathode (nicht gezeigt) enthält. Eine Füllung mit Natrium, Scandium, Quecksilber, Jod und Xenon bei einem Druck von näherungsweise 8 Atmosphären (kalt) kann in der Hülle enthalten sein. Nach einem Betrieb der Lampe für eine bestimmte Zeitspanne kann der Druck innerhalb der Hülle so hoch sein, daß er 80 Atmosphären entspricht, wobei die Wandtemperatur 1000°C betragen kann. Diese Lampenbedingungen sind teilweise für die Schwierigkeiten beim Versuch, eine heiße Lampe erneut zu starten, verantwortlich.

Die Start- und Betriebsschaltung besitzt ein Paar Eingangsanschlüsse IN1 und IN2, die für eine Verbindung mit einer Gleichstromquelle von etwa 6-18 V Gleichstrom ausgebildet sind. Ein positiver Eingangsanschluß IN1 ist durch einen Induktor mit einem Ende eines Eingangsüberspannungs-Schutzschaltkreises 12 verbunden, der aus einer Reihenverbindung eines Paares von Zenerdioden D1, D30 besteht. Ein Ende einer Umkehrspannungs- Schutzeinrichtung, die aus einer Diode D29 besteht, ist an der Verbindung zwischen Induktor LF1 und Diode D1 angeschlossen. Das andere Ende der Diode D29 ist mit einem RFI-Filter verbunden, das aus den Kondensatoren C0, C1, C2, C3, C6, C7 und den Induktoren LF1 und L1 besteht. Eine Eingangsfilterung wird durch eine parallele Kombination elektrolytischer Kondensatoren C4 und C5 gewährleistet.

Eine geregelte Stromversorgung 16 für die Speisung des Kontrollschaltkreises der Start- und Betriebsschaltung mit 13 V Gleichstrom besitzt einen integrierten Schaltkreis U2 mit einem ungeregelten Gleichstromeingang am Stift 5, der mit dem positiven Anschluß der Elektrolytkondensatoren C4 und C5 verbunden ist. Der Stift 2 von U2 ist durch eine Reihenkombination eines Widerstandes R13 und eines Kondensators C27 mit der Masse G1 verbunden. Eine Primärwicklung eines ein Verhältnis von 1 : 1 aufweisenden Transformators T1 ist mit den Stiften 5 und 7 von U2 verbunden. Das untere Ende der Primärwicklung des Transformators T1 ist mit einer Reihenkombination aus einem Kondensator C13 und einem Widerstand R20 verbunden. Eine Sekundärwicklung des Transformators T1 ist über eine Diode D15 mit einer Parallelkombination aus Ausgangskondensatoren C20, C35, C36 und C38 verbunden. Ein aus den Widerständen R20 und R22 bestehendes Spannungsteilernetz ist über die Ausgangskondensatoren der geregelten Stromversorgung geschaltet und besitzt einen mit dem Stift 3 von U2 verbundenen Knotenpunkt.

Die ungeregelte Gleichstromspannung über die Eingangsfilterkondensatoren C4 und C5 ist an einen Gleichstromwandler angeschlossen, der eine erste Induktanz L2 aufweist, deren eines Ende mit dem positiven Anschlußknotenpunkt der Eingangsfilterkondensatoren C4 und C5 verbunden ist. Das andere Ende der ersten Induktanz L2 ist an den Drain-Anschluß eines Halbleiterschalters Q2 und an einen ersten Speicherkondensator C28 angeschlossen. Der Quellenanschluß des Halbleiterschalters Q2 ist mit der Erde G1 verbunden. Das andere Ende des ersten Speicherkondensators C28 ist mit einer Seite einer Primärwicklung eines Leistungstransformators T3 verbunden. Das andere Ende der Primärwicklung des Leistungstransformators T3 ist mit der Erde G1 verbunden. Ein Ende einer Sekundärwicklung am Leistungstransformator T3 ist mit einem Ende eines zweiten Speicherkondensators C29 verbunden. Das andere Ende der Sekundärwicklung des Leistungstransformators T3 ist durch einen Lampenstrom-Abtastwiderstand R10 von 1 Ohm an die Erde G1 angeschlossen. Das andere Ende des zweiten Kondensators C29 ist mit dem Knotenpunkt eines Diodenpaars D8, D9 verbunden. Die Kathode der Diode D9 ist mit einem Ende einer zweiten Induktanz L3 verbunden. Ein Kondensator C24 ist zwischen das andere Ende der Induktanz L3 und Erde G3 geschaltet.

Während des Betriebs des Gleichstromwandlers 18 leitet die Diode D8 kurzzeitig Strom in der umgekehrten Richtung (beispielsweise während näherungsweise 30 × 10^-9 Sekunden), sobald der Leistungstransformator T3 seine Polarität umkehrt, wenn der Halbleiterschalter Q2 einschaltet. Die Leitung der Diode D8 verursacht Hitzeverluste und ein Nachschwingen (an amount of ringing) in dem Schaltkreis infolge einer Sperrverzögerungsstromspitze. Es ist ein wichtiger Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung, Wärmeverluste zu reduzieren und das mit der Diode D8 verbundene Nachschwingen (d. h. Rauschen) zu eliminieren. Dementsprechend umfaßt die Start- und Betriebsschaltung einen Sperrverzögerungsschaltkreis 20, der aus einem 1 : 1 Transformator T4 besteht, dem eine Diode D10 und ein Kondensator C23 hinzugefügt sind. Eine Primärwicklung des Transformators T4 ist zwischen die Diode D8 und den Lampenstrom- Abtastwiderstand R10 geschaltet. Die über eine Sekundärwicklung des Transformators T4 ausgebildete Spannung wird durch die Diode D10 gleichgerichtet und vom Kondensator C23 gefiltert. Zusätzlich zu der Verringerung von Wärmeverlusten und zur Eliminierung von Rauschen schickt der Sperrverzögerungsschaltkreis 20 die Energie zurück, die normalerweise an die Eingänge des Gleichstromwandlers 18 verloren würde.

Während es bekannt ist, daß der Strom in einem Schaltkreis durch Messung der Spannung über einen Reihenwiderstand überwacht werden kann, erzeugt die Einführung eines Reihenwiderstandes in einen Hochstromleiter eines Schaltkreises Wärme und verbraucht eine beachtliche Energiemenge. Ein weiterer wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, daß der Eingangsstrom I1 ohne die Messung der Spannung über einen Reihenwiderstand gemessen wird. Dementsprechend umfaßt die Start- und Betriebsschaltung einen Eingangstrom-Abtastschaltkreis 22 zur Messung der Ströme I2 und I3 (Fig. 1) und zur Errechnung von I1 daraus. Der Strom 12, der den durch den Halbleiterschalter Q2 fließenden Strom repräsentiert, wird mittels eines Transformators T2A mit einer Primärwicklung gemessen, die in Reihe mit der Induktanz L2 und dem Halbleiterschalter Q2 geschaltet ist. Eine Sekundärwicklung des Transformators T2A ist mit einer Reihenkombination aus einer Diode D5 und einem Widerstand R4 geschaltet. In gleicher Weise wird der Strom I3, der den Strom durch den ersten Kondensator C28 und die Primärwicklung des Leistungstransformators T3 des Gleichstromwandlers 18 darstellt, mittels eines Transformators T2B gemessen, der eine in Reihe mit der Induktanz L2 und dem Kondensator C28 geschaltete Primärwicklung aufweist. Eine Sekundärwicklung des Transformators T2B ist mit einer Reihenkombination aus einer Diode D6 und einem Widerstand R5 verbunden. Die Transformatoren T2A und T2B setzen jeweils die Ströme I2 und I3 um einen Faktor 100 herunter. Die Signale von den Widerständen R4 und R5 sind über die Widerstände R3 und R6 am Stift 3 auf U1 angeschlossen. Der Stift 3 auf U1 ist ferner durch die Diode D3 mit einem Aufwärm-Steuerschaltkreis 44 verbunden, der später beschrieben wird.

Der Halbleiterschalter Q2 des Gleichstromwandlers 18 besitzt ein mit dem Ausgang eines Impulsbreitenmodulators (PWM) 24 verbundenes Gatter mit einer integrierten Schaltung U1, die einen internen Oszillator aufweist. Die Ausgangsfrequenz von U1, die 100 kHz betragen kann, ist durch geeignete Auswahl eines Widerstands R1 und eines Kondensators C8 vorbestimmt. Durch den PWM wird am Stift 8 von U1 eine Referenzspannung von 5 V Gleichstrom zur Verfügung gestellt. Zwischen dem Stift 7 von U1 und Erde G1 ist ein Nebenschlußkondensator C34 geschaltet. Eine Reihenschaltung eines Widerstands R2 und eines Kondensators C11 ist zwischen die Stifte 1 und 2 von U1 geschaltet. Ein Nebenschlußkondensator C9 verbindet eine Stromabtastung (Stift 3) von U1 mit der Erde G1. Ein Transistor Q1 mit einem mit dem Stift 8 verbundenen Kollektoranschluß und einem mit dem Widerstand R18 verbundenen Emitteranschluß wird dazu verwendet, um ohmisch eine Fraktion einer Oszillatorrampe am Stift 3 von U1 mit einem Strombestimmungssignal zu summieren, um eine Kompensation des Abfalls zu gewährleisten. Wenn U1 unterbrochen ist, gewährleistet ein Widerstand R8 einen Entladungsweg für das Gatter des Halbleiterschalters Q2.

Ein aus einer Reihenschaltung eines Kondensators C14 und eines Widerstandes R27 beststehender Leistungsstoß-Schaltkreis 26 ist mittels eines die Leitung VFB steuernden Impulsbreitenmodulators mit dem Stift 2 von U1 verbunden. Der Kondensator C14 und der Widerstand R27 erzeugen einen momentanen, maximalen Leistungsstoß für etwa 50 ms zur Lampe während des Lampenstarts.

Eine Reihenschaltung aus Dioden D11, D12, D13, D14 und D34 bildet eine Ausgangsspannungsklemme 28. Sobald die Ausgangsspannung einen vorbestimmten Pegel (beispielsweise 600 V) übersteigt, wird typischerweise mit der Diode D33 ein Abschaltsignal zur Leitung VFB an U1 des Pulsbreitenmodulators gesandt.

Der Ausgang des Gleichstromwandlers 18 ist mit einem Energiespeicherschaltkreis 30 verbunden, der aus einem Ladewiderstand R12, einem Kondensatorpaar C25, C26 und einem Entladewiderstandspaar R13, R14 besteht. Der Energiespeicherschaltkreis 30 stellt eine Energiequelle hoher Spannung und hohen Anfangsstroms dar, wie sie für den Übergang einer Bogenentladungslampe vom Glühen zum Bogen erforderlich ist.

Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, ist mit dem Ausgang des Gleichstromwandlers 18 ein Radiofrequenz-Interferenzfilter 32 (RFI) verbunden, daß aus Induktanz LF2, Kondensatoren C44, C46 und einem Ferritkorn FB1 besteht. Der Ausgang dieses RFI-Filters ist an einen hohe Spannungsspitzen erzeugenden Schaltkreis 34 angeschlossen, der eine Funkenstrecke SG1 umfaßt, deren eines Ende mit dem Knotenpunkt eines Ladewiderstands R60 und eines Kondensators C48 verbunden ist, die in Reihe geschaltet sind.

Das andere Ende der Funkenstrecke SG1 ist mit einer Impulswicklung W1 eines Triggertransformators T5 verbunden. Sobald erstmals Gleichstrom an den Eingangsanschlüssen IN1 und IN2 angelegt wird, lädt der Kondensator C48 über den Widerstand R60, bis die Durchschlagsspannung der Funkenstrecke SG1 erreicht ist. Die Funkenstrecke SG1 kann eine Durchschlagsspannung von beispielsweise 350 V besitzen. Sobald die Durchschlagsspannung erreicht ist, leitet die Funkenstrecke SG1 zur Vervollständigung der den Kondensator C48 und die Wicklung W1 des Transformators T5 aufweisenden Schleife. Die im Kondensator C48 vorhandene Energie entlädt sich über die Funkenstrecke SG1 und die Impulswicklung W1. Die Impulsspannung wird von den Wicklungen W2 und W3 des Transformators T5 auf einen Wert von näherungsweise 25-30 kV verstärkt und an die Anoden-und Kathodenanschlüsse der Bogenentladungslampe angelegt. Diese Spitze von 25-30 kV erzeugt einen Glühzustand in der Lampe. Eine Folge dieser Hochspannungsspitzen wird nur so lange erzeugt, bis Lampenzündung stattfindet, nachdem die über den Kondensator C48 während des normalen Lampenbetriebs hervorgerufene Spannung nicht ausreicht, um ein weiteres Durchschlagen der Funkenstrecke SG1 hervorzurufen.

Vorzugsweise sind die Wicklungen W1, W2 und W3 des Triggertransformators T5 eingephast, wie in Fig. 2 dargestellt, derart, daß eine negativ gerichtete Hochspannungsspitze über die Lampe erzeugt und dabei ein Angriff auf den Quarzglasbereich rund um die Kathode vermieden und ein Widerzünden in heißem Zustand verbessert wird.

Wie in Fig. 1 dargestellt, weist ein Spannungsteilernetz Widerstände R15, R16, und R17 auf. Dieses Spannungsteilernetz besitzt ein Knotenpunktpaar, daß Eingänge für einen Ausgangsspannungs-Abtastschaltkreis 36 bildet. Der Ausgangsspannungs-Abtastschaltkreis 36 umfaßt einen ersten Komparator U3 (Stifte 10, 11 und 13) für die Wahrnehmung einer Ausgangsspannung größer als 200 V. Ein zweiter Komparator U3 (Stifte 8, 9 und 14) nimmt eine Ausgangsspannung wahr, die kleiner als 10 V ist. Zwischen die Eingangsanschlüsse des ersten Komparators ist eine Diode D26 geschaltet. Mit dem ersten und dem zweiten Komparator sind eine Diode D27, ein Kondensator C18 und Widerstände R52, R55 und R56 verbunden. Die Ausgänge des ersten und des zweiten Komparators sind jeweils mittels der Dioden D23 und D25 mit dem Eingang eines Signalspeichers bzw. eines Auffang- Flipflops (latch) verbunden, der bzw. das einen Komparator U3 (Stifte 2, 4 und 5) umfaßt. Der Eingangsstift 5 des Signalspeichers ist an einen RC-Zeitgeber angeschlossen, der einen Kondensator C17 und ein Widerstandspaar R53, R54 umfaßt. Der Ausgang des Signalspeichers (Stift 2) ist über einen Widerstand R38 mit der Basis eines Transistors Q3 verbunden. Die Basis des Transistors Q3 ist über eine Parallelschaltung eines Widerstands R58 und eines Kondensators C41 an Erde angeschlossen. Im Betrieb sendet der Signalspeicher ein Signal über den Transistor Q3 zum Stift 1 des Impulsbreitenmodulators U1, wenn die Ausgangsspannung größer als 200 V oder kleiner als 10 V ist, und zwar für eine verlängerte Zeitspanne (beispielsweise größer als 10 Sekunden), wie von dem RC-Zeitgeber vorgegeben. Dieses Signal vom Signalspeicher schaltet durch Unterbrechung des Impulsbreitenmodulators den Strom zur Lampe ab. Die Start- und Betriebsschaltung kann durch kurze Unterbrechung der Gleichstromeingangsspannung rückgestellt werden.

Die Steuerung der Lampenleistung wird durch Summierung zweier Signale in einem Leistungssteuerungs-Summierverstärker 40 erzielt, entsprechend der folgenden Gleichung:

Leistungssignal = K₁I + K₂V,

wobei K₁ und K₂ Konstanten sind.

Der Leistungssteuerungs-Summierverstärker 40 umfaßt einen Betriebsverstärker U4 (Stifte 1, 2 und 3) mit einem Eingang, der über einen Widerstand R31 mit dem Lampenstrom-Abtastwiderstand R10 verbunden ist. Der andere Eingang des Betriebsverstärkers ist an einen Lampenspannungs-Abtastschaltkreis 42, der ein Widerstandspaar R11, R34 umfaßt, und an den Ausgang der Aufwärmleistungs-Steuerschaltkreise 38 und 44 angeschlossen. Der Ausgang des Betriebsverstärkers U4 (Stifte 1, 2 und 3) ist über einen Widerstand R28 an die PWM-Steuerleitung VFB angeschlossen. Der Leistungssteuerungs-Summierverstärker 40 umfaßt ferner Kondensatoren C15, C39 und Widerstände R29, R30 und R33.

Um ein schnelles Aufwärmen einer kalten Lampe zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, die Lampe für eine kurze Zeitspanne während des Startens auf einem erhöhten Leistungspegel zu betreiben, und zwar unabhängig von der Lampenspannung. Dementsprechend verwendet die Start- und Betriebsschaltung Aufwärmleistungs-Steuerschaltkreise 38 und 44, die mit ihnen assoziierte, getrennte RC-Zeitgeber besitzen. Der RC-Zeitgeber des Aufwärmleistungs- Steuerschaltkreises 38 besitzt einen Kondensator C21, der sich über eine Diode D18 auflädt, und ein Widerstandspaar R36, R37. Der Zeitgeber ist mit einem der Eingangsanschlüsse eines Spannungsverstärkers U4 verbunden (Stifte 8, 9 und 10). Der Ausgang des Spannungsverstärkers ist über einen Widerstand R32 mit dem Eingang des Leistungssteuerungs-Summierverstärkers 40 verbunden. Verwendet man beispielsweise eine 30 Watt-Lampe, dann gestattet es der Aufwärmleistungs-Steuerschaltkreis 44 einer kalten Lampe, für eine Zeitspanne von etwa 1-2 Sekunden bei etwa 70 Watt zu arbeiten. Die Lampenleistung wird sodann über eine Zeit von näherungsweise 40 Sekunden abgesenkt, bis die Betriebsleistung erreicht wird. Die Form der Kurve der Leistung über die Zeit wird an die Aufwärmcharakteristiken der Lampe angepaßt.

Ein weiterer wichtiger Aspekt der Erfindung besteht in der Tatsache, daß die Start- und Betriebsschaltung nach der Erfindung sich daran erinnert, wie lange die Lampe abgeschaltet gewesen ist und die anfängliche Lampenleistung bei einem heißen Wiederstart entsprechend einstellt. In dieser Hinsicht verfolgt der Betriebsverstärker U4 (Stifte 1, 2 und 3) des Aufwärmleistungs- Steuerschaltkreises 38 die Zeitspanne, die die Lampe abgeschaltet gewesen ist, durch Überwachung der am Beginn eines heißen Wiederstartversuchs an den Kondensatoren C19 und C21 verbleibenden Spannung. Wird die Lampe beispielsweise nach einer kurzen Abschaltzeit heiß wiedergestartet, wird die der heißen Lampe anfänglich zugeführte Leistung auf einen Pegel zwischen der normalen Lampenleistung und der maximalen Kaltstartleistung eingestellt werden. Der spezielle Leistungspegel wird durch die tatsächlich über den Kondensatoren C19 und C21 zur Zeit des Wiederstarts verbleibende Spannung bestimmt.

Der Eingangsstrom I1 wird daran gehindert, während des Starts eine Grenze von 10 A für mehr als 5 Sekunden und anschließend eine Grenze von 5 A zu überschreiten, und zwar durch den Schaltkreis 44, der einen RC-Zeitgeber mit einem Zeitkondensator C19 aufweist. Der Zeitkondensator C19 lädt über einen Widerstand R49, eine Diode D28 und einen Widerstand R48. Die Spannung über den Kondensator C19 wird mit hoher Impedanz mittels eines Spannungsverstärkers U4 (Stifte 12, 13 und 14 gemessen). Der Spannungsverstärker ist auf den Knotenpunkt eines Widerstandspaares R50 und R51 bezogen, um die erforderliche Leistung/Zeit-Kurve bezüglich der Lampe zu erhalten.

Es ist festzustellen, daß die Spannung über den Kondensator C19 das Laden nicht bei 5 Volt abbricht, vielmehr bis 13 Volt weiter lädt. Um das Eingangssignal zum Leistungssteuerungs- Summenverstärker 40 auf 5 V zu begrenzen, wird der Ausgang des Spannungsverstärkers des Schaltkreises 44 über einen Widerstand R45 an einen der Eingangsanschlüsse einer Präzisions- Spannungsklemme angeschlossen, die einen Betriebsverstärker U4 (Stifte 5, 6 und 7) umfaßt. Der andere Eingangsanschluß der Präzisionsklemme ist an 5 Volt angelegt.

Eine mit dem Ausgang der Präzisions-Spannungsklemme verbundene Diode D20 begrenzt das Spannungssignal und hindert den Lampenstrom daran, unter einen bestimmten Wert zu fallen.

Die Gleichstrom-Eingangsspannung wird von einem Schaltkreis 46 überwacht, der einen Komparator U3 (Stifte 1, 6 und 7) aufweist. Einer der Eingangsanschlüsse des Komparators ist an den Gleichstrom-Eingangsfilter (Kondensatoren C4 und C5) mittels eines Widerstands R23 angeschlossen. Der Ausgang dieses Komparators ist über eine Diode D16 an U1 des Impulsbreitenmodulators mittels der Leitung VFB angeschlossen. Der Überwachungsschaltkreis 46 für die Gleichstrom-Eingangsspannung umfaßt ferner einen Kondensator C12 und Widerstände R24, R25 und R26. Ist die Gleichstrom- Eingangsspannung größer als ein vorbestimmter Wert (beispielsweise 19 Volt), schaltet im Betrieb ein Signal vom Schaltkreis 46 den Impulsbreitenmodulator 24 ab. Als Folge davon wird der Strom zur Lampe abgeschaltet, bis die Eingangsspannung auf den vorgesehenen Eingangsbereich abgefallen ist, wodurch die Schaltung vor hohen Spannungseingängen geschützt wird.

Der Betrieb einer Bogenentladungslampe in Abhängigkeit von einer Start- und Betriebsschaltung gemäß vorliegender Erfindung wird im folgenden beschrieben.

Für eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung sind die folgenden Komponenten geeignet, die als spezielles Beispiel unter Hinweis auf die Fig. 1 und 2 angegeben werden, jedoch nicht als Beschränkung zu verstehen sind:

Es wurde somit eine verbesserte Start- und Betriebsschaltung gezeigt und beschrieben, die für Niedervolt-Anwendungen geeignet ist, beispielsweise als Vorschaltgerät für HID-Scheinwerferlampen für Kraftfahrzeuge. Es handelt sich dabei um eine Start- und Betriebsschaltung, bei welcher der Lichtausgang von einer in Abhängigkeit von der Schaltung betriebenen Lampe nicht von der Lampenspannung abhängig ist.

Während gezeigt und beschrieben wurde, was derzeit als bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung angesehen werden, ist es für den Fachmann doch klar, daß verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne dadurch den Bereich der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise können die meisten der Komponenten auf einem speziell angepaßten, integrierten Chip bzw. auf Chips hergestellt sein, um die Größe der Schaltung zu minimieren. Es ist deshalb das Ziel der beigefügten Ansprüche, sämtliche derartigen Änderungen und Modifikationen, als innerhalb des wahren Geistes und des Bereichs der Erfindung fallend, zu erfassen.

Claims

1. Schaltung für den Start und den Betrieb einer Bogenentladungslampe, bestehend aus:
ersten und zweiten Eingängen für Gleichstrom;
einem an die ersten und zweiten Gleichstromeingänge angeschlossenen Gleichstromwandler mit einem Halbleiterschalter, einem ersten Transformator mit einer an einen ersten Kondensator angeschlossenen Primärwicklung und einer an einen zweiten Kondensator angeschlossenen Sekundärwicklung, sowie einer ersten Diode, deren eines Ende mit dem zweiten Kondensator verbunden ist;
einem Impulsbreitenmodulator, der einen Hochfrequenzerzeuger für die Ausbildung eines Signals zum Betreiben des Halbleiterschalters des Gleichstromwandlers aufweist;
einem Sperrverzögerungselement mit einer zweiten Diode, einem Filterkondensator und einem zweiten Transformator, der eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung aufweist, wobei die Primärwicklung des zweiten Transformators in Reihe mit der ersten Diode des Gleichstromwandlers geschaltet ist, und wobei die Sekundärwicklung des zweiten Transformators an die zweite Diode und den Filterkondensator angeschlossen ist, während der Ausgang des Sperrverzögerungselements mit dem Eingang des Gleichstromwandlers verbunden ist;
einem Leistungssteuerungs-Summenverstärker, der mit dem Gleichstromwandler verbunden ist und erste und zweite Eingänge aufweist;
Abtastelementen für die Spannung und den Strom zur Ausbildung eines Paars Kontrollsignale, sowie Elementen zum Ankoppeln der Kontrollsignale jeweils an den ersten und zweiten Eingängen des Leistungssteuerungs-Summenverstärkers;
einem Aufwärmleistungs-Steuerelement für den Betrieb einer Bogenentladungslampe auf erhöhtem Leistungspegel während einer vorbestimmten Zeitspanne während des Starts der Lampe, wobei die Aufwärmleistungs-Steuereinrichtung Mittel aufweist, um die Zeitspanne, während welcher die Lampe abgeschaltet ist, zu verfolgen, sowie Mittel zur Einstellung der anfänglichen Lampenleistung, die einer heißen Lampe zugeführt wird, auf einen Betrag zwischen der Betriebs-Lampenleistung und einer maximalen Kaltstartleistung; und
einem Eingangsstrom-Abtastelement mit einem dritten Transformator, der eine Primärwicklung in Reihe mit einem Halbleiterschalter des Gleichstromwandlers aufweist, und einem vierten Transformator mit einer Primärwicklung in Reihe mit dem ersten Kondensator des Gleichstromwandlers, wobei der erste Transformator und der zweite Transformator Sekundärwicklungen besitzen, die an die Aufwärmleistungs-Steuereinrichtung angeschlossen sind.

2. Start- und Betriebsschaltung nach Anspruch 1, bei welcher ein Ende der zweiten Diode der Sperrverzögerungseinrichtung mit einem Ende der zweiten Wicklung des zweiten Transformators verbunden ist, wobei das andere Ende der zweiten Diode mit einem Ende des Filterkondensators verbunden ist und das andere Ende des Filterkondensators wiederum an dem anderen Ende der Sekundärwicklung des zweiten Kondensators angeschlossen ist.

3. Start- und Betriebsschaltung nach Anspruch 1, bei welcher die Aufwärmleistungs-Steuereinrichtung ein Zeitgeberpaar besitzt, wobei jeder dieser Zeitgeber einen Widerstand und einen Kondensator aufweist.

4. Start- und Betriebsschaltung nach Anspruch 1, bei welcher der zweite Transformator und der dritte Transformator der Eingangsstrom-Abtasteinrichtung ein Verhältnis primär zu sekundär von 1 : 100 aufweist.

5. Schaltung für den Start und den Betrieb einer Bogenentladungslampe, bestehend aus:
ersten und zweiten Eingangsanschlüssen für Gleichstrom;
einem mit diesen ersten und zweiten Eingangsanschlüssen für Gleichstrom verbundenen Gleichstromwandler, der einen Halbleiterschalter, einen ersten Transformator mit einer mit einem ersten Kondensator verbundenen Primärwicklung und mit einer mit einem zweiten Kondensator verbundenen Sekundärwicklung und eine erste Diode aufweist, deren eines Ende an dem zweiten Kondensator angeschlossen ist;
einem Impulsbreitenmodulator, der einen Erzeuger hoher Frequenz für die Ausbildung eines Signals zum Betreiben des Halbleiterschalters des Gleichstromwandlers aufweist;
einer Sperrverzögerungseinrichtung mit einer zweiten Diode, einem Filterkondensator und einem zweiten Transformator, der eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung aufweist, wobei die Primärwicklung des zweiten Kondensators in Reihe mit der ersten Diode des Gleichstromwandlers geschaltet ist, die Sekundärwicklung des zweiten Transformators an die zweite Diode und den Filterkondensator angeschlossen ist, und wobei der Ausgang der Sperrverzögerungseinrichtung mit dem Eingang des Gleichstromwandlers verbunden ist;
einem Leistungssteuerungs-Summierverstärker, der mit dem Gleichstromwandler verbunden ist und erste und zweite Eingänge aufweist;
Abtasteinrichtungen für die Spannung und den Strom zur Ausbildung eines Paars Kontrollsignale, sowie Einrichtungen zum Anschluß der Kontrollsignale jeweils an die ersten und zweiten Eingänge des Leistungssteuerungs-Summierverstärkers; und schließlich einer Aufwärmleistungs-Steuereinrichtung für den Betrieb einer Bogenentladungslampe bei erhöhtem Leistungspegel für eine vorbestimmte Zeitspanne während des Startens der Lampe, wobei diese Aufwärmleistungs-Steuerungseinrichtung Mittel zur Verfolgung der Zeitspanne, während derer die Lampe abgeschaltet ist, und Mittel zur Einstellung der einer heißen Lampe zugeführten anfänglichen Lampenleistung auf einen Pegel zwischen der Betriebsleistung der Lampe und einer maximalen Kaltstartleistung aufweist.

6. Start- und Betriebsschaltung nach Anspruch 5, bei welcher ein Ende der zweiten Diode der Sperrverzögerungseinrichtung mit einem Ende der Sekundärwicklung des zweiten Transformators verbunden ist, wobei das andere Ende der zweiten Diode mit einem Ende des Filterkondensators verbunden ist, während das andere Ende des Filterkondensators mit dem anderen Ende der Sekundärwicklung des zweiten Transformators verbunden ist.

7. Schaltung für den Start und den Betrieb einer Bogenentladungslampe, bestehend aus:
ersten und zweiten Eingangsanschlüssen für Gleichstrom;
einem mit den ersten und zweiten Eingangsanschlüssen für Gleichstrom verbundenen Gleichstromwandler, der einen Halbleiterschalter, einen ersten Transformator mit einer mit einem ersten Kondensator verbundenen Primärwicklung und mit einer mit einem zweiten Kondensator verbundenen Sekundärwicklung aufweist, sowie einer ersten Diode, deren eines Ende mit dem zweiten Kondensator verbunden ist;
einem Impulsbreitenmodulator mit einer Hochfrequenz erzeugenden Einrichtung für die Ausbildung eines Signals zum Treiben des Halbleiterschalters des Gleichstromwandlers;
einem Leistungssteuerungs-Summenverstärker, der mit dem Gleichstromwandler verbunden ist und erste und zweite Eingänge aufweist;
Abtasteinrichtungen für Spannung und Strom zur Ausbildung eines Kontrollsignalpaars, sowie Einrichtungen zur Verbindung dieser Kontrollsignale jeweils mit den ersten und zweiten Eingängen des Leistungssteuerungs-Summenverstärkers;
einer Aufwärmleistungs-Steuereinrichtung für den Betrieb einer Bogenentladungslampe bei erhöhtem Leistungspegel für eine vorbestimmte Zeitspanne während des Startens der Lampe, wobei die Aufwärmleistungs-Steuereinrichtung Elemente zum Verfolgen der Zeitspanne aufweist, in welcher die Lampe abgeschaltet ist, sowie Elemente für die Einstellung der einer heißen Lampe zugeführten Anfangslampenleistung auf einen Pegel zwischen der Lampenbetriebsleistung und einer maximalen Kaltstartleistung; und
einer Einrichtung zur Abtastung des Eingangsstroms mit einem zweiten Transformator, der eine Primärwicklung in Reihe mit dem Halbleiterschalter des Gleichstromwandlers aufweist, und einem dritten Transformator, der eine Primärwicklung in Reihe mit dem ersten Kondensator des Gleichstromwandlers besitzt, wobei der erste und der dritte Kondensator Sekundärwicklungen aufweisen, die an die Aufwärmleistungs-Steuereinrichtung angeschlossen sind.

8. Start- und Betriebsschaltung nach Anspruch 7, bei welcher der zweite und der dritte Transformator der Abtasteinrichtung für den Eingangsstrom ein Primär-zu-Sekundär-Verhältnis von 1 : 100 aufweisen.

9. Start- und Betriebsschaltung nach Anspruch 7, bei welcher die Aufwärmleistungs-Steuereinrichtung ein Zeitgeberpaar aufweist, wobei jeder Zeitgeber einen Widerstand und einen Kondensator besitzt.