驱动高压放电灯的装置和方法

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的、用于驱动装 备有辅助点火电极的高压放电灯的装置以及一种用于驱动这种高压放 电灯的方法。

I.背景技术

还未公开的、官方案卷号为10 2004 052299.5的德国专利申请说 明了一种用于利用交变极性的电流来驱动装备有辅助点火电极的高压 放电灯的装置，其中借助串联谐振电路来产生用于对高压放电灯中的 气体放电点火所需的点火电压。该串联谐振电路包括自耦变压器，该 自耦变压器的、用作初级绕组的第一绕组组件构成谐振电感，在结束 高压放电灯的点火阶段之后，灯电流流过该谐振电感，并且该自耦变 压器的、用作次级绕组的第二绕组组件在点火阶段期间给高压放电灯 的辅助点火电极供给用于对高压放电灯中的气体放电点火所需的点火 电压。在上述点火阶段期间，给该串联谐振电路加载交流电压或交流 电流，该交流电压或交流电流的频率近似于该串联谐振电路地谐振频 率，以致在该点火阶段期间在该自耦变压器的第一绕组组件上以及在 该串联谐振电路的谐振电容上有由于谐振而增加的 (resonanzueberhoeht)交流电压可供使用，该由于谐振而增加的交 流电压借助该自耦变压器的第二绕组组件根据第二绕组组件和第一绕 组组件的匝数比来放大，以致在该高压放电灯的辅助点火电极上施加 用于对气体放电点火所需的点火电压。在实现对该高压放电灯中的气 体放电点火之后，该高压放电灯的主电极之间的放电间隙能导通，以 致该串联谐振电路的谐振电容通过该高压放电灯的主电极之间的导通 的放电等离子体而被近似短路，并且该灯电流流过该自耦变压器的第 一绕组组件。在高压放电灯高频运行的情况下，尤其是在用于汽车前 灯的高压放电灯中，为了避免放电介质中的声共振，该高频运行是必 要的，高频的灯电流在该自耦变压器的、用作谐振电感的第一绕组组 件中引起相当大的电压降，并因此引起大的无功功率，该大的无功功 率导致该装置的效率差。

在还未公开的、官方案卷号为10 2004 05600.2的德国专利申请 中所说明的装置在根据图3和4的实施方案中具有同样的缺点。在最 后提及的专利申请中所说明的装置同样用于利用交变极性的电流来驱 动装备有辅助点火电极的高压放电灯，可是与前面提及的专利申请不 同，借助脉冲点火装置来产生用于对高压放电灯中的气体放电点火所 需的点火电压。该脉冲点火单元的供电以及该高压放电灯的两个主电 极之间的、用于点火高压放电灯的足够高的电压借助根据图3和4中 所述的实施方案的串联谐振电路来实现。如针对前面提及的专利申请 已经在上面阐述的那样，在利用高频灯电流驱动灯时，该串联谐振电 路的谐振电感导致同样的缺点。

II.发明内容

本发明的任务在于，在通用类型的装置中避免上述缺点，并提供 用于高压放电灯的相对应的驱动方法，在该方法中避免了这些缺点。

根据本发明，该任务通过权利要求1或7的特征来解决。本发明 的特别有利的实施形式在从属权利要求中被说明。

根据本发明的、用于利用交变极性的电流来驱动装备有辅助点火 电极的高压放电灯的装置包括串联谐振电路和点火装置，该串联谐振 电路具有在灯运行期间灯电流流过的谐振电感，该点火装置用于给辅 助点火电极加载用于对该高压放电灯中的气体放电点火所需的点火电 压，其中设置有容性构件，该容性构件与该谐振电感串联连接并被确 定大小，以致该容性构件在实现对该高压放电灯中的气体放电点火之 后引起对灯电流流过的谐振电感的电感进行至少部分补偿。也就是 说，前述容性构件的电容与该谐振电感的电感值相协调并与灯电流的 频率相协调，以致灯电流流过的谐振电感的电感通过该容性构件而至 少部分被补偿。根据补偿的程度，由灯电流引起的无功功率在该谐振 电感中以及在与其串联的容性构件中被降低，并提高了该装置的效 率。

该串联谐振电路的谐振频率有利地大于300kHz，尤其是大于600 kHz，以便避免在灯运行期间激励高压放电灯的放电介质中的声共振。 对于如在普通照明中所采用的灯，对于频率大于220kHz、额定功率 为70W或对于频率大于340kHz、额定功率为35W，不再期待由于声共 振而产生负面影响，如E.Statnic在“Technisch wissenschaftliche Abhandlungen der OSRAM-Gesellschaft(OSRAM公司的科技论文)” 中的文章“Zum Hochfrequenzbetrieb von Halogen- Metalldampflampen kleiner Leistung(小功率卤素金属蒸气灯的高 频运行)”(第12卷，Springer出版社，柏林，1986年，第394至 407页)中所说明的那样。因而，对于很多灯，300kHz能被视为极限。 对于如在汽车中所采用的高压放电灯(所谓的D灯)，该极限为600 至800kHz，如借助专用测量所确定的那样。

该容性构件的电容有利地位于12pF至470pF的范围中，以便一方 面保证在灯电流中对谐振电感的电感进行足够的补偿，该灯电流的频 率位于数百千赫兹至数兆赫兹的范围中，而另一方面用于避免严重的 过补偿并因此避免供电交流电压源负载感性无功功率。

所考虑的高压放电灯是交流灯。通过这些灯的直流电流导致对电 极的严重负荷，并随之导致寿命大大缩短。此外，直流电流可以导致 在高压放电灯运行期间沿着放电管(Entladungsgefaess)分离不同 的填充成分，这导致差的光学特性。通过根据本发明的与灯串联的容 性构件可靠地阻止了直流电流通过该灯，该容性构件首先的任务是补 偿该谐振电感的电感。

根据本发明的装置有利地包括至少一个电压互感器，以便能够调 节灯电流或灯功率。

根据本发明的优选实施例，该点火装置或者被构造为脉冲点火装 置，或者包括感性部件，该感性部件被耦合到该串联谐振电路的谐振 电感上，以便在第一情况下经由该谐振电感的由于谐振而增加的电压 通过该辅助点火电极在该高压放电灯的两个主电极之间提供足够高的 电压用于对气体放电点火，或者在第二情况下将(放大该感性部件和 该谐振电感的匝数比的)谐振电感的由于谐振而增加的电压直接转到 该辅助点火电极。在第一情况下，该谐振电感的由于谐振而增加的电 压此外还可以作为供电电压而被转到该脉冲点火装置。根据本发明 的、用于利用交变极性的电流来驱动装备有辅助点火电极的高压放电 灯的方法包含借助串联谐振电路来驱动高压放电灯，在实现对该高压 放电灯中的气体放电点火之后，灯电流流过该串联谐振电路的谐振电 感，并且该串联谐振电路至少在该高压放电灯的点火阶段期间给该高 压放电灯的主电极提供由于谐振而增加的电压，其中在实现对该高压 放电灯中的气体放电点火之后，该串联谐振电路的、灯电流流过的谐 振电感的电感借助与其串联的容性构件而至少部分被补偿。通过对灯 电流流过的谐振电感的电感进行至少部分补偿，在谐振电感和容性构 件的串联电路中的无功功率在灯运行期间被降低，并且根据补偿的程 度来提高效率。

为了实现尽可能高的效率，并且为了将用于电磁屏蔽该装置以及 该高压放电灯的花费保持得尽可能小，给用于对该高压放电灯中的气 体放电点火的串联谐振电路加载交流电流，该交流电流的频率位于接 近该串联谐振电路的谐振频率的第一频率范围内，并且在实现对该高 压放电灯中的气体放电点火之后，给该串联谐振电路的谐振电感和该 高压放电灯加载交流电流，该交流电流的频率位于到目前为止所观察 到的、近似无衰减的串联谐振电路的谐振频率之下的第二频率范围 中。

该第二频率范围优选地位于300kHz之上，尤其是位于600kHz之 上，以便避免在灯运行期间激励高压放电灯的放电介质中的声共振。

该第一频率范围优选地延伸到位于该串联谐振电路的谐振频率之 上的频率，并优选地还包括该串联谐振电路的谐振频率。由此保证了 在降低该交流电流或该交流电压的频率的情况下，在点火阶段期间以 及在随后的灯运行期间以足够的精确度达到该串联谐振电路的谐振频 率，以便保证该串联谐振电路的谐振电感和谐振电容上的电压的足够 的谐振增加。在灯点火之后，该串联谐振电路严重被衰减，以致确保 在结束点火阶段之后停止在灯运行期间通过该辅助点火电极耦合输入 其他的点火电压脉冲。

根据本发明的装置优选地是高压放电灯的、尤其是卤素-金属蒸 气-高压放电灯的电子镇流器，该高压放电灯、尤其是卤素-金属蒸 气-高压放电灯在汽车前灯中被用作光源。该装置的至少一些部件、 尤其是该点火装置的承载高压的部件优选地被安放在该高压放电灯的 灯座中。由此，从灯座中引出的、高压放电灯的电气端子不必被构造 为耐高压的。

为了产生用于驱动该串联谐振电路以及该高压放电灯所需的交流 电压，有利地使用了单级电压互感器，该电压互感器直接由汽车的电 网电压生成交流电压。该单级电压互感器仅由可被安放在灯座中的数 个部件组成。

图1示出了根据本发明装置的第一、第二和第三实施例的电路布 局，

图2示出了根据本发明装置的第四和第六实施例的电路布局，

图3示出了根据本发明装置的第五和第七实施例的电路布局，

图4示出了用于汽车前灯的高压放电灯的示意图。

III.优选实施例说明

下面借助两个优选实施例来详细解释本发明。其中：

在图4中示意性示出的高压放电灯Lp是用于汽车前灯的卤素-金 属蒸气-高压放电灯，该高压放电灯Lp借助根据该优选实施例的装置 被驱动。

该高压放电灯Lp具有由石英玻璃构成的放电管1，在该放电管1 中气密地封闭可电离的填充物。可电离的填充物包括氙和金属卤化物 化合物，优选地包含金属钠、钪、锌和铟的碘化物，并且可电离的填 充物优选地不包括汞。氙的冷填充压力约为10巴。该放电管1的两端 1a、1b分别借助钼箔熔融装置(Molybdaenfolien-Einschmelzung) 2a、2b来密封。在该放电管1的内腔中有两个电极E1、E2，在这两个 电极之间，在灯运行期间构造负责光发射的放电电弧。主电极E1、E2 分别通过钼箔熔融装置2a、2b导电地与从放电管1所引出的电流引线 3a、3b相连接。该放电管1由玻璃外电罩5包围。在此，在本发明的 这个实施例中，该辅助点火电极ZE由该外电罩5的内表面上的薄的金 属涂层来构成。但是可替换地，该涂层也可被安放在该放电管1的外 侧上或被安放在外电罩5的外侧上。薄的金属涂层ZE具有拉长的条的 形状，该拉长的条从该外电罩5的靠近底座的一端大致延伸直至该放 电管中点的高度。该灯管1、5被固定在灯座4的、由塑料构成的上部 411中。灯座4的长方六面体部分由两部分的金属外壳41、42包围， 该金属外壳用于对被安放在该灯座4的内腔中的脉冲点火装置进行电 磁屏蔽。该高压放电灯La的电气端子40用于给该高压放电灯供电以 及用于给在灯座4中所布置的脉冲点火装置供电。该电气端子40通过 被屏蔽的连接电缆(未示出)与该高压放电灯的驱动设备EVG(未示出) 相连接。该连接电缆的屏蔽编织物与该驱动设备的电路内部的地电位 相连接，并通过该电气端子40的接点与该金属外壳41、42相连接， 以致该金属外壳41、42同样处于地电位。

在根据图4的高压放电灯Lp的另一实施方案中，电压互感器连同 根据本发明的、用于驱动高压放电灯的装置一起被安放在金属外壳 41、42中，并通过电气端子40输送汽车的电网电压。这种实施方案尤 其是在单级电压互感器的情况下由于其部件数量很少而特别有利。

在图1中示意性示出的、本发明装置的第一实施例由自耦变压器 L11、L12和电容器C1组成。该自耦变压器具有一绕组，该绕组具有 被构造为初级绕组的第一绕组组件L11和被构造为变压器的次级绕组 的第二绕组组件L12。该电容器C1和该初级绕组组件L11作为串联谐 振电路相连接，该串联谐振电路被连接到交流电压源Q。该串联谐振电 路的谐振频率优选地被选择为高于800kHz、尤其是高于1MHz，这导致 小的结构尺寸和辅助点火电极上的特别小的必需电压。该供电电压或 该供电电流的频率在点火阶段选择得近似于该串联谐振电路的谐振频 率，或被选择，以致该供电信号的谐波在点火阶段期间导致该串联谐 振电路的激励。

两个绕组组件L11、L12之间的中间抽头既与电容器C2的第一端 子相连接又与电容器C1的第一端子相连接，该中间抽头被构造为绕组 组件L11、L12的公共的第一端子。该初级绕组组件L11的第二端子与 交流电压源Q相连接，而该次级绕组组件L12的第二端子与该高压放 电灯Lp的辅助点火电极ZE相连接。电容器C1的第二端子与该交流电 压源Q和该高压放电灯Lp的第二电极E2相连接。电容器C2的第二端 子与该高压放电灯Lp的第一电极E1相连接。电容器C1与电容器C2 和灯Lp的放电间隙组成的串联电路相并联。该灯Lp例如是被设置为 汽车前灯中的光源的无汞卤素-金属蒸气-高压放电灯，其具有35W 的额定功率和42V的额定电压。该高压放电灯Lp的放电管或者由透明 的陶瓷(例如由氧化铝陶瓷)或者由石英玻璃来构成。谐振电容器C1 具有94pF的电容(在1kHz的频率和小振幅的情况下测量)。该初级 绕组组件L11具有70匝绕组和100μH的电感(在1kHz的频率和小振 幅的情况下测量)。该次级绕组组件L12具有95匝绕组。该电容器C2 具有270pF的电容(在1kHz的频率和小振幅的情况下测量)。

为了驱动上述的具有由石英玻璃构成的放电管的高压放电灯Lp而 使用了交流电压源Q，该交流电压源Q具有近似正弦形的、有效值为 195V的交流电压以及1234MHz的频率。为了对高压放电灯Lp中的气 体放电点火，由该交流电压源Q所提供的交流电压被协调到该串联谐 振电路C1、L11的谐振频率上，以致在构件C1和L11上建立峰值为 1500伏特的、由于谐振而增加的交流电压。该电压也施加到该高压放 电灯Lp的两个电极之间的放电间隙上，因为该谐振电容器C1与该灯 Lp的放电间隙并联。借助该次级绕组组件L12，给辅助点火电极ZE输 送峰值为4000伏特的交流电压。因而，在该辅助点火电极Z与该高压 放电灯Lp的、与交流电压源Q和该谐振电容器C1的一端子相连接的 电极之间存在4000伏特的电压差，该电压差与电极之间的电压差一起 足以对灯Lp中的气体放电点火。在实现对该高压放电灯Lp中的气体 放电点火之后，该点火装置自动被去活，因为该高压放电灯然后使该 谐振电路严重衰减。由该交流电压源Q所生成的交流电压的频率在点 火之后被调节，以致出现期望的灯功率或期望的灯电流。在高压放电 灯Lp的运行期间，该初级绕组组件L11被用于使放电稳定，也就是被 用于限制灯电流。电容器C2引起对在结束点火阶段之后灯电流流过的 初级绕组组件L11的电感进行部分补偿。如果交流电压源Q提供了近 似正弦形的、有效值为128V的交流电压，那么该交流电压源Q的频率 可被调节到约710kHz，以便在金属卤化物蒸发之后保证高压气体放电 灯以额定功率来运行。

为了保证由该交流电压源所生成的交流电压的频率在点火阶段期 间足够接近由于其高品质而非常窄带的串联谐振电路的谐振频率，可 以在该点火阶段期间对该交流电压执行频率调制。对此，例如在 1230MHz的中频的情况下，50kHz的频移和500Hz的正弦形调制信号是 合适的。

第二实施例同样具有图1中所示的结构，并使用了已经说明的高 压放电灯，该高压放电灯但是在约216MHz的频率下被点火并接着在约 136MHz的频率下运行。该元件L11、C1和C2在此具有78μH、7pF和 12pF的值。

第三实施例同样具有图1中所示的结构。作为高压放电灯使用了 具有70W的额定功率和85V的额定电压的含汞灯。该交流电压源Q的 频率既在点火时又在随后的灯运行时都约为308kHz。可是，该电压不 是正弦形的，并因此借助在该交流电压源Q的电压信号中所包含的三 次谐波来实现灯的点火，而在随后的运行中，灯电流近似为正弦形并 具有308kHz的频率。该交流电压源Q通过半桥电路来构成，以致电容 器C2除了引起对结束点火阶段之后灯电流流过的初级绕组组件L11的 电感进行部分补偿以外，此外还阻止直流电流流过该灯。元件L11、C1 和C2在此具有670μH、45pF和470pF的值。

在图2中示意性示出了根据本发明的、用于驱动高压放电灯Lp的 装置的第四实施方案，该高压放电灯Lp包括被安放在灯座4中的、脉 冲点火装置的构件D、R、FS、C4、T以及串联谐振电路L、C3在内。 该串联电路的构件L、C3同样被安放在该灯座4中。该谐振电容C3与 由电容器C5和该高压放电灯Lp的放电间隙组成的串联电路相并联。 该点火变压器T的次级绕组n2的第一端子与电路内部的地参考电位相 连接。该点火变压器T的次级绕组n2的第二端子与该辅助点火电极ZE 相连接。在该高压放电灯Lp的点火阶段期间，该串联谐振电路L、C3 谐振运行，以致在该谐振电容C3上并因此也在该高压放电灯Lp的放 电间隙两端以及在该脉冲点火装置的电压输入端上提供由于谐振而增 加的交流电压，该交流电压具有比该交流电压源Q所生成的交流电压 高2至10倍的振幅。借助该脉冲点火装置的构件D、R、FS、C4、T， 由此产生电压在约5kV至30kV的范围中的辅助点火电极ZE的高压脉 冲。该脉冲点火装置以及用于产生约30kV的点火电压或约7kV的点火 电压的串联谐振电路的电气构件的合适的大小确定在表1或2中公 开。

驱动设备EVG是电压互感器Q，该电压互感器Q由汽车的电网电压 在该高压放电灯的点火阶段期间生成近似正弦形的、振幅为约100V至 500V以及频率为约27MHz的交流电压，以及在结束点火阶段之后生成 频率为约18MHz的交流电压。电容器C5引起对在结束高压放电灯Lp 的点火阶段之后灯电流流过的谐振电感L进行部分补偿。该高压放电 灯Lp在其电气数据上对应于已经在实施例1中说明的高压放电灯。

在图3中示意性示出的、本发明的第五实施例与在图2中所示的 第四实施例的不同之处仅在于，该点火变压器T的次级绕组n2的第一 端子与处于高电位的电极E1相连接，而不是与电路内部的地参考电位 相连接。在其他所有细节中，图2和3中所示的实施例都相一致。因 而，在这些图中相同的构件装备有相同的参考符号。

在实现对该高压放电灯Lp的放电管1中的气体放电点火之后，在 两个电极E1、E2之间的、现在导通的放电间隙形成了对谐振电容C3 和脉冲点火装置的电压输入的分路，以致该放电间隙上的电压以及因 此也是该脉冲点火装置的电压输入端上的电压具有明显更小的值。由 此，在该点火电容器C4上不再达到该火花间隙FS的击穿电压，并且 该脉冲点火装置不为该高压放电灯Lp生成其他的点火脉冲。因此，无 需其他部件花费就实现了该脉冲点火装置的断开。电容器C5引起对在 结束高压放电灯Lp的点火阶段之后灯电流流过的谐振电感L的电感进 行部分补偿。为了给该高压放电灯Lp以及被安放在灯座4中的脉冲点 火装置进行供电，该驱动设备EVG与该高压放电灯Lp的端子40之间 的双导线连接就足够了，因为该脉冲点火装置直接由施加在该高压放 电灯Lp上的交流电压来供电。

第五实施例具有图2中所示的结构。作为高压放电灯使用了如在 汽车中所采用的、额定功率为35W以及额定电压为85V的含汞灯。该 交流电压源Q的频率在点火时为约638MHz，而在随后的灯运行时为约 31MHz。元件L、C3和C5在此具有30μH、21pF和105pF的值。在正 常运行期间，也就是在启动期间在金属卤化物蒸发结束之后，该交流 电压源Q提供有效值为117V的、近似正弦形的交流电压，并因此使得 高压放电灯能够以额定功率来运行。

在图3中示意性示出的、本发明的第七实施例与第六实施例的不 同之处仅在于，该点火变压器T的次级绕组n2的第一端子与处于高电 位的电极E1相连接，而不与电路内部的地参考电位相连接。在其他所 有细节中，该第六实施例和第七实施例相一致。

根据图1的实施例可以补充与点火电极相串联的直流电压隔离电 容器，如在官方案卷号为10 2004 052299.5的还未公开的德国专利申 请中在对应于图4的实施例(此处用C42来表示)中所描述的直流电 压隔离电容器那样。根据图2和3的实施例可以补充与点火电极相串 联的直流电压隔离电容器，如在官方案卷号为10 2004 05600.2的还 未公开的德国专利申请中在对应于图6的实施例(此处用C0来表示) 中所描述的直流电压隔离电容器那样。

表1：在图2和3中所示出的、用于产生约30kV的 点火电压的电气构件的大小确定

C3    120pF

C4    10nF

C5    270pF

D     串联的碳化硅二极管

FS    2000V

L     30μH

R     33千欧姆

T     n1＝2匝，n2＝40匝

表2：在图2和3中所示出的、用于产生约7kV的 点火电压的电气构件的大小确定

C3    120pF

C4    33nF

C5    270pF

D     串联的碳化硅二极管

FS    800V

L     30μH

R     10千欧姆

T     n1＝3匝，n2＝29匝