專利名稱：啟動氣體放電燈的方法和控制電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種按權利要求I前序部分所述的方法，并涉及一種按獨立的裝置權利要求的前序部分所述的控制電路。
背景技術：
這種方法和這種控制電路分別是已知的。在運行氣體放電燈時，尤其在運行用在機動車的照明裝置中的氣體放電燈時，在兩個電極之間在充滿了氣體的玻殼中產生電弧。當從無電弧的閉合狀態轉換到穩定地產生光線的狀態時，可區分為多個階段，它們稱為點火、接續、開動。接在后面的是電弧穩定燃燒的正常運行。為了點火，點火電壓脈沖首先施加到電極上。該點火電壓脈沖非常短，并且使氣體 微團在電極之間的電場進行離子化。在商業上通用的用于機動車前大燈的氣體放電燈中，脈沖狀的點火電壓的高度在20和30千伏。隨后在稱為接續的階段中，存儲在升壓電容器中的能量用來如此強烈地加速離子化的氣體微團，使得通過沖擊離子化在電極之間產生雪崩狀的載流子擊穿，它點燃并保持電弧。在此，先前充電達約400伏的升壓-電容器C2的電壓下降至在穩定的運轉狀態下出現的燃燒電壓。對于含汞的燈來說，該燃燒電壓約為80伏。無汞燈以43伏的燃燒電壓來運轉。通常適用的是，燃燒電壓按燈的規格可在30伏和120伏之間。該接續階段例如長幾百微秒。接在接續階段后面的是氣體放電燈16的開動以及短暫的直流運行，該直流運行用來快速地加熱電極。直流電階段的典型長度約為50微秒。在第一直流電階段之后，通常是具有反向極性的長度相同的第二直流電階段。隨后，氣體放電燈在正常運轉中以頻率為250Hz至800Hz、尤其為400Hz的交流電壓運行，并以兩個電極之間的燃燒電壓運行，該燃燒電壓的值與燈的規格有關并且在30和120伏之間。借助交流電壓的運轉用來限制電極燒損。在此上下文中，本發明涉及升壓電容器的被稱為接續的放電階段，借助此階段由于充電加速和沖擊離子化為雪崩式擊穿提供能量。接續這一概念指在電弧中的過渡。此外，氣體放電燈的接續性能還與在接續階段過程能量有關。為了實現安全可重復的接續，也就是說，為了可靠地構建電弧，必要的是，源自升壓電容器的放電電流的電流流動的持續時間超過預先設定的最小值，并且放電電流的電流強度在此持續時間內既不低于預先設定的最小值，也不超出預先設定的最大值。在最大值上的限定用來保護氣體放電燈和引導放電電流的電路元件，以免遭受高得不允許的電流負荷。相反，不低出最小值和最少的持續時間是必要的，以便避免在升壓電容器放電之后電弧的熄滅。當氣體放電燈從無電弧的閉合狀態轉換到穩定產生光線的狀態時，升壓電容器在緊接在點火電壓脈沖后面的接續階段中通過電路放電，該電路傳導了流經氣體放電燈的電流，并且在該電路中電感與至少一個開關串聯。在現有技術中，該電感由提供點火脈沖的點火變壓器的次級電感構成，并且放電電流通過與升壓電容器串聯的放電電阻流出。升壓電容器因此作為能源施加到由放電電阻和氣體放電燈構成的串聯電路上。該放電電阻因此提高了放電電流回路中的電阻,這在時間上拖延了放電，并且減少了放電電流的高度。在這種電路中，存儲在升壓電容器中的能量在放電時與放電電阻和氣體放電燈的阻抗成比例地分布在放電電阻和氣體放電燈上。放電電阻的一部分能量在該處轉換成熱量，并因此不能用來構建和保持電弧。在氣體放電燈冷起動時，它具有比放電電阻更小的值，因此放電電阻中大部分存儲的能量無用地轉化成熱量。尤其在電阻的環境溫度擴展為150°C時，在技術和經濟上很難為放電電阻設定適宜的尺寸。
發明內容
在此背景下，本發明的目的是，給出一種分別前述類型的方法和控制電路，它們確保，為實現成功接續，與其狀態、尤其是其類型、新舊、制造商以及由制造引起的性能波動無關地將所需的能量傳輸到氣體放電燈中，其中不會出現所述的與一個或多個放電電阻的尺寸設定有關的技術和經濟困難。此目的分別借助獨立權利要求中的一項的特征得以實現。在其方法角度上，本發明規定，升壓電容器通過開關的多次交替地閉合和開啟來有節奏地放電。相應地，本發明在它的裝置角度上規定，控制電路是這樣設計的，即升壓電容器通過開關的多次交替地閉合和開啟來有節奏地放電。因此，獲得了在開關控制的節奏中出現的、在放電電流強度的上升值和下降值之間的交替。通過交替，可產生期望的平均的放電電流強度，它位于預先設定的界限值以下。因此，電流限制的目的得以實現。與現有技術的放電電阻不同的是，電感將存儲于升壓電容器中的能量的落在該電感上的那部分不是不可逆轉地轉化成熱量，而是可逆轉地轉化成磁性的場能，該場能在開關斷開時的作用是，即使在開關斷開時也能保持穿過氣體放電燈的電流。因此，穿過燈的電流在開關斷開時只是延遲地衰減。因此結果是達到了這樣的優點，即盡可能大部分存儲于升壓電容器中的能量可用于接續，也就是說，用來觸發雪崩狀擊穿，并在氣體放電燈的電極之間產生穩定的電弧。換言之，與現有技術相比，通過本發明可使更大部分的存儲于升壓電容器中的能量傳遞到氣體放電燈上。與現有技術的放電電阻相比，參與的構件承受更小的熱負荷，并且尺寸可設定得用于更小的載流能力，并因此更小且更便宜。升壓電容器還可由于能量利用率更高而縮小。還可應用其它的電容器類型，例如電解質電容器或陶瓷層電容器，來代替在現有技術中所用的薄膜電容器。陶瓷電容器的缺點是，它的電容在高電壓下只有它在更低電壓值時電容的不到40%。這一點通過有節奏地放電的更高效率來補償。此外，與現有技術相比，放電電流直接在點火之后更快地上升。這一點對接續表現有積極影響。在熱點火時平均明顯更高的接續電流對熱點火表現有積極影響。通過改變節奏頻率和/或它的節奏比例來對影響接續電流的時間進程，同樣也是有利的。有節奏的升壓-放電的時間控制原則上已可通過時間控制的節奏器就能實現，而不需費時費力的額外布線。從獨立權利要求、說明書和附圖中得出其它的優點。應理解，以上提到的以及下面還將闡述的特征不僅可在各自說明的組合中應用，而且可在其它組合或者單獨地應用，而不會離開本發明的范圍。
在附圖中示出了本發明的實施例，并在以下描述中進行詳細闡述。在此，在不同附 圖中用相同的附圖標記分別表示相同的元件。其中分別以示意的形式示出了 圖I示出了按本發明的控制電路的第一實施例；圖2示出了按現有技術和按本發明的電路中的升壓電容器的放電電流的變化曲線，用來說明按本發明的方法；以及圖3示出了按本發明的控制電路的第二實施例。
具體實施例方式圖I詳細地示出了控制電路10，它通過接頭12、14連接到氣體放電燈16上，并通過接頭18、20連接到電能供應站22上。在優選的構造方案中，氣體放電燈16是指機動車照明裝置的氣體放電燈，尤其是指具有集成點火設備的類型為Dl或D3或D5的燈。但本發明還可用于具有外部點火設備的類型為D2、D4或D6的燈。電能供應站22在這種情況下是指電源或機動車整車電源中的電壓源，例如機動車電池。在所示的構造方案中，氣體放電燈16具有燃燒器24，即充滿了氣體的玻殼，其具有兩個電極和集成的點火設備，其中圖I示出了點火變壓器的次級電感26。此次級電感26與燃燒器24串聯連接地位于接頭12和14之間的電路中，并且設計為，作為對相應激勵的反應通過點火變壓器的未示出的初線線圈的磁場來產生高度為幾kV (高度尤其為20至30kV)的點火電壓脈沖。通過燃燒器24的電流由控制電路10的控制模塊27來控制，該控制模塊為此閉合了多個不同的通過開關SI至S5延伸的電路。在氣體放電燈16接通之前，DC/DC-變換器將電容器Cl和C2增壓到電壓Ul的第一數值，并在氣體放電燈16的電弧穩定燃燒時提供電壓Ul的穩定的第二數值。控制模塊27設計得用來控制按本發明的方法及其構造方案中的一個的流程。在構造方案中，控制模塊27是具有計算和存儲能力的集成開關電路，它的程序編制為，可控制這種方法。在優選的構造方案中，第一數值約為400V。第二數值，即燃燒電壓根據燈的規格各在30伏和120伏之間。在所示的實施例中，該電壓Ul相對于地電勢是負30。但是，所述電路的原理也可用于正電壓U1。但在這種情況下，自振蕩二極管Dl、D2、D3、D4和D5在相反的方向上連接。電容器C2是升壓電容器。電容器C2是濾波電容器。電阻Rl是用于升壓電容器C2的充電電阻，并在開關S5閉合時被橋接。因此，它不會承載放電電流，并且不與現有技術的放電電阻比較，該放電電阻在該處引導放電電流，并因此把存儲在升壓電容器2中的能量轉換成熱量。在按本發明的控制電路10的圖I所示的構造方案中，放電電阻在其功能方面通過電感LI以及與該電感LI串聯地位于放電電路中的開關S5 —起來替代，以及通過有節奏地開啟和閉合開關S5的控制模塊27來代替，所述功能是指限制放電電流并因此在時間上延緩放電的持續時間。下面描述了所示的控制電路10關于接續階段的表現。開關S5、S1和S4在第一方法步驟中在點火之前閉合。開關S2和S3是斷開的。在變換器輸出端上首先存在著約400伏的電壓。Ul相對于用三角形30表示的參考電勢是負的。升壓電容器C2充電至該電壓。沒有電流流經電感LI。
短的高電壓點火脈沖的結果是，氣體放電燈16可以使電流在它的兩個電極之間引導。電壓Ul由于該電流而耗散。電感LI的Ul側的上端部相對于C2側的下端部是正的，因此通過電感LI產生電壓。電壓驅使電流經過電感LI，此電流由升壓電容器C2供應。電荷會減少，因此升壓電容器C2的存儲的能量也會減少。升壓電容器C2的能量損失分布在氣體放電燈16和電感LI的磁場上。在現有技術中未流入氣體放電燈中的能量份額在歐姆式的放電電阻中不可逆地轉換成熱量，與之不同的是，能量在此是可逆地存儲在電感LI的磁場中。在放電電流的電流強度能夠上升到臨界數值之前，在另一方法步驟中再次斷開放電電流回路中的開關(例如開關S5)。然后，電感LI的磁場會瓦解，這通過電感效應導致電流通過電感LI只是延遲地返回，其中該電流在開關S5斷開時通過自振蕩二極管Dl在參考電勢上封閉。一旦返回的放電電流強度下降到足夠的程度，則開關S5在另一方法步驟中再次被閉合。放電電流再次上升，則形成磁場，等等。結果是，升壓電容器C2有節奏地放電，其中可在接續階段應用大部分電容存儲的能量，用來產生和穩定燃燒器24中的電弧。通過此方法，并通過選擇開關S5的相應的接通和閉合時間，流經該燈的接續電流
(LJbernahmestrom)可在預定的界限內自由調節，因此不會超過預先設定的最大值，并且不會低出依賴于時間范圍的最小值，該最小值對于電弧的維持是必要的。該基本原理可用于DC/DC-變換器的起始電壓Ul的正值和負值。所示的控制電路10設計得用于Ul的負值。對于Ul的正值來說，必須建造具有反向極性的自振蕩二極管D1、D2、D3、D4 和 D5。圖2以定性的形式中示出了在現有技術中放電電流隨時間變化的曲線32，并與曲線34比較，該曲線34是通過按本發明的控制電路并結合按本發明的方法實現的。在該曲線32中，放電電流首先上升到原則上不利的很高的最大值，以便隨后相對較速地下降。相反在曲線34中，在數值低于曲線32的最大值時，通過打開與電感LI串聯位于放電電路中的開關來中斷上升，該上升與圖2的視圖不同首先比上升32更陡且因此更快地進行。隨后，該開關有節奏地再次閉合和打開，因此產生了所示的電流曲線34，在該流動曲線中平均的電流強度比曲線32保持得相對更長時間。為了實現更可靠的接續表現，有利的是，該平均的電流強度保持最少約300μ S，并且在此流過約3安培的放電電流。從曲線32和34的比較中可以看出，電流曲線34比電流曲線32更能滿足這些要求。此外，在曲線34中沒有曲線32的不利的高起始最大值，其會在放電電阻通流中的放電電阻和其它元件(連同氣體放電燈16自身)產生強烈的熱負荷。
在與升壓電容器C2的放電聯系在一起的接續階段中，借助過去的直流電運行來實現氣體放電燈的開動。直流電階段的典型長度是50微秒。通常，長度相同的第二直流電階段以相反的極性接在第一直流電階段上。隨后，氣體放電燈在正常運行中以頻率為250Hz至800Hz、尤其約400Hz的交流電壓，并以燃燒電壓在兩個電極之間運行，該燃燒電壓按燈的規格在30伏和120伏之間。為此，在通過開關S4和SI實現的電流和備選電流之間交替地切換，該備用電流是通過由開關SI、S2、S3、S4構成的H-電橋的開關S3和S2實現。該切換是通過控制模塊27實現的，該開關相應地斷開和閉合。開關SI至S5優選是晶體管。借助交流電壓的運行用來限制電極燒損。這一點也類似地適用于圖3的內容。圖3示出了控制電路110，作為按本發明的控制電路的第二實施例。該控制電路110與圖I的控制電路10的區別在于，它沒有單獨的電感LI和單獨的開關S5也能有節奏地實現升壓電容器C2的放電。在此點火變壓器(Ziindiibertrager)的次級電感26以及構成H-電橋的開關SI、S2、S3、S4中的至少一個用來實現升壓電容器C2的放電，來代替圖I的控制電路10的電感LI。在接續階段，電路110以下述方式來工作。開關SI和S4在點火之前閉合。開關S2和S3是斷開的。在氣體放電燈16點火 之后，因為DC/DC-變換器的構建的電壓Ul由于電弧引起的電流通過燃燒器24擊穿該燈。這一點在脫耦二極管Dl上引起了電壓差，其開始引導。在實踐中，濾波電容器Cl和升壓電容器C2的并聯以及因此起始電壓Ul現在通過H-電橋直接施加到點火部件上。這一點通過燃燒器24和點火變壓器的次級電感26導致了隨時間上升的電流。在達到極限電流時，要么兩個引導電流的開關SI和S4都是斷開的，用來確保自振蕩并且防止DC/DC-變換器28的Cl側的輸出端上的超電壓，要么只有下面的引導電流的開關S4是斷開的。現在不再有電流流過H-電橋。下面首先觀察兩個引導電流的H-電橋開關S4和SI都斷開的情況。那么，次級電感26迫使電流通過上方斷開的H-電橋開關S2的自振蕩二極管D3到濾波電容器Cl上。通過次級電感26的電流下降，直到開關SI和S4再次接通。在濾波電容器Cl上可能出現超電壓。備選的是，下面觀察下述情況，即只有電勢上較高的、引導電流的H-電橋開關S4是斷開的，而電勢上較低的SI保持閉合。那么，次級電感26還通過電勢上較低的、斷開的H-電橋開關S2的自振蕩二極管D3和電勢上較低的、閉合的H-電橋開關SI運行電流再次經過氣體放電燈16。在該濾波電容器Cl上不會產生超電壓，因為電流回路是閉合的。經過氣體放電燈16的電流開始下降。在一定時間之后，H-電橋的先前打開的開關S4再次閉合。經過氣體放電燈16的電流開始再次上升，并因此經過燃燒器24以及經過次級電感26的電流也開始再次上升。另一構造方案規定，只有電勢上較低的、引導電流的H-電橋開關SI是斷開的。在這種情況下，次級電感26再次通過電勢上較高的、開啟的H-電橋開關S3的自振蕩二極管D4，并通過閉合的、電勢上較高的H-電橋開關S4運行電流再次經過氣體放電燈16。在該濾波電容器Cl上不會產生超電壓，因為電流回路是閉合的。經過電感26或經過燃燒器24的電流開始下降。在一定時間之后，H-電橋的先前打開的開關SI再次閉合。經過燃燒器24以及次級電感26的電流也開始再次上升。對于這三個描述的構造方案來說都適用的是，通過選擇開關S4或開關SI和S4的相應的接通和閉合時間，可在預定的界限內自由調節流經氣體放電燈16的接續電流。因此，不會超過最大值，并且不會低于依賴于時間范圍的最大值，該最大值對于電弧的保持是必要的。在構造方案中，通過各自所用的控制電路的相應編程或電路技術方面的實施，可實現這種時間控制。這一點與圖I所示的特殊構造形式無關。在應用了點火電路的次級電感26的控制電路110中，在控制電路10中所用的單獨的電感LI和開關S5都可以省略。控制電路10、110的基本原理既可用于DC/DC-變換器28的正的起始電壓U1，也可用于負的起始電壓U1。借助二極管Dl和D5的所示連接方向，所示的控制電路126設計得用于DC/DC-變換器28的起始電壓Ul的相對于接地30為負的數值。對于Ul的正值來說，脫耦二極管Dl和自振蕩二極管D2、D3、D4和D4以反向的流動和截止方向連接。此外，控制電路110按與控制電路10相同的基本原理來工作，該基本原理是指有節奏地結合電感的能量存儲器的放電。就此而言，用于圖I的控制模塊26的構造方案的實施形式也適用于圖3的控制模塊126。 本方法的構造方案規定，測量放電電流的電流強度，如果該電流強度超過預定的第一閾值，則斷開該至少一個開關；如果該電流強度低出預定的第二閾值，則將它閉合。在此，第一閾值確定為預先設定的參考值和以及預定的波動幅度的一部分的總和，而第二閾值確定為參考值和預先設定的第二閾值之間的差異。因此產生了滯后-特性。為了通過滯后調節器來控制，通過燈的接續電流由測量裝置來探測，并與參考信號進行比較。該測量裝置在圖3中通過測量電阻36并結合在測量電阻36上的電壓評估在控制模塊126中實現。另一構造方案相似地規定，按圖I的電路具有這種測量電阻36，并與用來測量電壓的控制模塊27結合起來。在達到了由參考值和滯后的一部分(例如一半)組成的總和時，圖I中的控制電路10的開關S5或開關S4或圖3中的控制電路110的開關SI和S4閉合。在低出有關滯后的一部分(例如一半)的參考值時，該開關或這些開關再次接通。平均會產生與參考值成比例的電流。該參考值可再次根據其它參數來形成，例如DC/DC-變換器28的起始電壓Ul和/或升壓電容器C2上的剩余電壓U2，或借助合適的控制軟件以任意的方式控制。因此，即使經過更長的時間段，也能確保有足夠的電流經過氣體放電燈16。另一構造方案規定，該至少一個開關以固定的頻率和固定的占空比來開啟和閉合。在對于滯后調節的備選方案中，控制電路10的開關S5或開關S4或控制電路110的開關SI和S4以合適的固定頻率和固定的占空比來控制。通過適當地選擇占空比和頻率，可把通過氣體放電燈16的電流限制在最大可能的數值上。通過在接續過程中擊穿的電壓U1，在頻率和占空比都是固定的情況下，接通的電流自動地下降，這使通過氣體放電燈16的接續電流隨時間下降。因此，即使經過更長的時間段，也能確保有足夠的電流經過氣體放電燈16。備選的構造方案規定了具有可變頻率和可變占空比的控制方式。在此構造方案中，控制電路10的開關S5或開關S4或控制電路110的開關SI和S4以可變頻率和/或適當的可變占空比來控制。通過適當地控制占空比和/或頻率，可在時間進程中任意地影響接續電流。因此，即使經過更長的時間段，也能確保有足夠的電流經過氣體放電燈。與具有固定頻率和固定占空比的控制方式相比，在頻率可變和占空比可變的情況下，在接續電流的時間進程中可實現更多的自由度。與具有固定頻率和固定占空比的控制方式相比，例如還可調節到放電電流 的時間方面怛定的數值。
權利要求
1.一種用來在從無電弧的閉合狀態轉換到穩定地產生光線的狀態時運行氣體放電燈(16)的方法，在此方法中升壓電容器(C2)在緊接著點火電壓脈沖后面的接續階段中通過電路放電，該電路傳導了流經氣體放電燈(16)的電流，并且在該電路中，電感(LI)與至少一個開關(S5)串聯，其特征在于，所述升壓電容器(C2)通過所述開關(S5)的多次交替地閉合和開啟來有節奏地放電。
2.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，所述至少一個開關(S5)為了實現有節奏的放電被時間受控制地閉合和開啟。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，為了實現有節奏地放電，要么僅操縱H-電橋的一個傳導電流的開關，要么同步地操縱H-電橋的兩個傳導電流的開關。
4.根據權利要求3所述的方法，第一備選方案，其特征在于，為了實現有節奏地放電，只操縱H-電橋電路在電勢上較高的、引導電流的開關。
5.根據權利要求3所述的方法，第一備選方案，其特征在于，為了實現有節奏地放電，只操縱H-電橋電路在電勢上較低的、引導電流的開關。
6.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，測量放電電流的電流強度，如果該電流強度超過預定的第一閾值，則打開該至少一個開關(S5);如果該電流強度低出預定的第二閾值，則將所述至少一個開關閉合。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一閾值確定為預先設定的參考值和預定的波動幅度的一部分的總和，而第二閾值確定為參考值和預先設定的第二閾值之間的差異。
8.根據權利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述參考值根據給升壓-電容器(C2)充電的DC/DC-變換器(28)的起始電壓和/或升壓電容器(C2)上的剩余電壓(U2)來預先設定。
9.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，該至少一個開關(S5)以固定的頻率和固定的占空比來開啟和閉合。
10.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，該至少一個開關(S5)以可變的頻率和/或可變的占空比來開啟和閉合。
11.一種控制電路(10)，其設置用于在從無電弧的閉合狀態轉換到穩定地產生光線的狀態時運行氣體放電燈(16)，所述控制電路具有升壓電容器(C2)并且這樣設計，S卩，將所述升壓電容器(C2)在緊接著點火電壓脈沖后面的接續階段中通過電路放電，該電路傳導了流經氣體放電燈(16)的電流，并且在該電路中，電感(LI)與至少一個開關(S5)串聯，其特征在于，所述控制電路(10)是這樣設計為使所述升壓-電容器(C2)通過所述開關(S5)的多次交替地閉合和開啟來有節奏地放電。
12.按權利要求11所述的控制電路(10)，其特征在于，所述控制電路(10)具有DC/DC-變換器(28)，并且電感(LI)與升壓電容器(C2)以及DC/DC-變換器(28)的兩個輸出接線柱之間的開關(S5)串聯，并且與由至少一個開關(S4)和氣體放電燈(16)構成的串聯電路并聯。
13.按權利要求11所述的控制電路(110)，其特征在于，所述控制電路(110)具有DC/DC-變換器(28)，并且所述電感(26)與氣體放電燈(16)串聯，并且與由升壓-電容器(C2)和該升壓-電容器的充電電阻(Rl)構成的串聯電路并聯。
全文摘要
本發明涉及一種方法，用來在從無電弧的閉合狀態轉換到穩定地產生光線的狀態時運行氣體放電燈(16)，在此方法中，升壓-電容器(C2)在緊接著點火電壓脈沖后面的接續階段中通過電路放電，該電路傳導了流經氣體放電燈(16)的電流，并且在該電路中，電感(L1)與至少一個開關(S5)串聯。該方法的特征在于，所述升壓電容器(C2)通過所述開關(S5)的多次交替地閉合和開啟來有節奏地放電。獨立權利要求涉及一種用來實施該方法的控制電路。
文檔編號H05B41/288GK102860135SQ201180021434
公開日2013年1月2日 申請日期2011年4月13日 優先權日2010年4月27日
發明者彼得·克魯茨, 魯迪格·勞本施泰因, 克里斯蒂安·約翰, 比約恩·莫斯曼, 邁克爾·赫爾曼, 馬蒂亞斯·羅德 申請人:汽車照明羅伊特林根有限公司