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1. Feld der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Starten und Betreiben einer Entladungslampe, beispielsweise eines Fahrzeugscheinwerfers, nachfolgend als Entladungslampen-Zündvorrichtung bezeichnet.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Wie beispielsweise in der offengelegten japanischen Patentanmeldung
JP 2000-156294 A offenbart, wird eine hohe Spannung bzw. Hochspannung, welche durch die Verwendung eines Startertransformators erzeugt wird, an eine Hochdruckentladungslampe angelegt, damit eine kapazitive Entladung zwischen den Elektroden der Entladungslampe stattfindet, dadurch wird ein Lichtbogen dazwischen gebildet. Danach wird die Entladungslampe in einen stabilen Leuchtzustand versetzt.
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Im Allgemeinen weist eine Zündvorrichtung dieser Art ein Metallgehäuse auf, das eine Leiterplatte und ein Sammelschienengehäuse bzw. Verteilergehäuse, das an der Leiterplatte befestigt ist, enthält. Dieses Sammelschienengehäuse enthält eine Sammelschiene bzw. Verteilerschiene und Schaltungsteile einschließlich eines Startertransformators, der eine Hochspannungsspule, Induktoren, einen Thyristor und Kondensatoren enthält. Anschlußflächen, welche auf der Leiterplatte ausgebildet sind, sind elektrisch mit den Anschlüssen der Schaltungsteile innerhalb des Sammelschienengehäuses durch Flachkabel oder dergleichen verbunden.
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Die
DE 198 31 042 A1 offenbart ein Beleuchtungssystem mit einer Hochdruckentladungslampe, bei dem eine Starterschaltung und eine Umrichterschaltung in zwei getrennten Gehäuseteilen angeordnet sind. Aus der
US 5,939,835 A ist eine Entladungslampen-Lichtvorrichtung mit einem Leistungssystem, einem Steuersystem und einem Leistungsquellensystem, die auf jeweils getrennten Leiterplatten angeordnet sind, bekannt. Problem hierbei ist, dass großes Rauschen und Wärmeaustausch zwischen den verschiedenen Leiterplatten auftritt.
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Versuche wurden durchgeführt, um die Gesamtgröße einer derartigen Zündvorrichtung zu verringern. Die Ergebnisse blieben jedoch weit hinter den Erwartungen zurück. Die Gründe hierfür werden nachfolgend erklärt.
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Erstens müssen die Schaltungselemente der Zündvorrichtung auf der Leiterplatte derart angeordnet werden, dass ausreichend Raum oberhalb der Anschlußflächen und oberhalb der Anschlüsse der Schaltungsteile innerhalb des Sammelschienengehäuses bereitgestellt wird, da die Flachkabel mit den Anschlußflächen und den Anschlüssen mittels einer Laserschweißvorrichtung während des Herstellungsprozesses der Zündvorrichtung verschweißt werden. Dies stellt eine Beschränkung bei der Verringerung der Größe der Zündvorrichtung dar.
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Zweitens entsteht ein Rauschen in der Schaltung der Zündvorrichtung wenn die Schaltungselemente wie beispielsweise ICs und das Hochspannungskabel nahe beieinander liegend innerhalb des Metallgehäuses angeordnet sind. Das stellt ebenfalls eine Beschränkung bei der Verringerung der Größe der Zündvorrichtung dar.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Entladungslampen-Zündvorrichtung mit einer möglichst kleinen Abmessung vorzusehen und gleichzeitig Rauschen und Wärmeentwicklung sowie deren Übertragen auf andere Bauteile zu vermeiden.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält:
eine Starterschaltung, welche eine hohe Spannung erzeugt, die an die Entladungslampe angelegt wird, um eine elektrische Entladung innerhalb der Entladungslampe auszulösen, um die Entladungslampe zu entzünden;
eine Umrichterschaltung welche eine Wechselspannung erzeugt, welche der Entladungslampe zugeführt wird, wenn diese gezündet worden ist;
eine Steuerungsschaltung welche die Umrichterschaltung und die Starterschaltung steuert, um die Entladungslampe zu entzünden, und welche die Entladungslampe in einem stabilen Leuchtzustand hält;
eine Umschließung bzw. Kapselung, die ein erstes Aufnahmegehäuse, welches die Umrichterschaltung und die Steuerungsschaltung enthält, sowie ein zweites Aufnahmegehäuse, welches die Starterschaltung enthält, aufweist;
eine Steuerungsleiterplatte auf der die Schaltungselemente, welche die Steuerungsschaltung bilden, angebracht sind; und
eine Leistungsversorgungsleiterplatte auf der die Schaltungselemente, welche die Umrichterschaltung bilden, angebracht sind.
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Die Steuerungs- und Leistungsversorgungsleiterplatten sind getrennt im ersten Gehäuse installiert, und das zweite Gehäuse ist über dem ersten Gehäuse angeordnet.
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Die Leistungsversorgungsleiterplatte besteht aus einer einlagigen Leiterplatte, an welcher wärmeverteilende Elemente einschließlich eines Leistungstransistors montiert sind, und sie ist auf der gleichen Ebene wie die Steuerungsleiterplatte positioniert.
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Mit dieser Anordnung ist es möglich, die auf die Steuerungsschaltung übertragene Wärme zu verringern, da die Steuerungsleiterplatte getrennt von der Leistungsversorgungsleiterplatte im ersten Gehäuse installiert ist.
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Darüberhinaus kann die Gesamtgröße der Zündvorrichtung der Erfindung im Vergleich zu der Zündvorrichtung aus dem Stand der Technik deutlich verringert werden, da die Schaltungselemente, welche die Steuerungsschaltung darstellen, und die Schaltungsteile, welche die Starterschaltung bilden, übereinander angeordnet sind.
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Die Steuerungsleiterplatte kann eine mehrlagige Leiterplatte sein, auf der Elemente mit geringer Wärmeleitung bzw -verteilung in hoher Dichte angebracht sind. In diesem Fall kann die Zündvorrichtung noch kleiner ausgeführt werden.
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Vorzugsweise befindet sich zumindest ein Teil der Starterschaltung oberhalb der Steuerungsleiterplatte.
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Vorzugsweise sind die auf der Leistungsversorgungsleiterplatte ausgebildeten Anschlußflächen in einem vorbestimmten Gebiet unterhalb der im zweiten Gehäuse ausgebildeten Anschlüsse konzentriert angeordnet, so daß ein leerer bzw. freier Raum ausgebildet wird, der groß genug ist, um effektiv eine Laserverschweißung der Drähte mit den Anschlußflächen auf der Leistungsversorgungsleiterplatte und den im zweiten Gehäuse ausgebildeten Anschlüssen durchzuführen.
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Die Leistungsversorgungsleiterplatte ist eine einlagige Leiterplatte, um die Herstellungskosten der Zündvorrichtung zu verringern.
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Ein verhältnismäßig großer Transformator zur DC-DC-Wandlung zur Erzielung der Gleichspannung, welche an die Umrichterschaltung angelegt wird, kann an der Leistungsversorgungsleiterplatte angebracht sein. In diesem Fall kann die Größe des zweiten Aufnahmegehäuses, im Vergleich zum Sammelschienengehäuse (das dem zweiten Aufnahmegehäuse entspricht) aus dem Stand der Technik, das den Transformator zur DC-DC-Wandlung enthält, verringert werden.
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Vorzugsweise sind die Steuerungs- und Leistungsversorgungsleiterplatten voneinander getrennt an der inneren Oberfläche des Bodens des ersten Aufnahmegehäuses eingebaut, und Anschlüsse, die an der Steuerungsleiterplatte ausgebildet sind, sowie Anschlüsse, die an der Leistungsversorgungsleiterplatte ausgebildet sind, sind mittels Draht-Bonding verbunden, um die Steuerungsschaltung elektrisch mit der Umrichterschaltung zu verbinden. In diesem Fall überträgt die Leistungsversorgungsleiterplatte nicht viel Wärme auf die Steuerungsleiterplatte, und dementsprechend können wärmeempfindliche Schaltungselemente, wie beispielsweise MICs (Monolithic Integrated Circuits), in einer höheren Temperaturumgebung betrieben werden.
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Vorzugsweise ist das zweite Aufnahmegehäuse rahmenförmig, ein Startertransformator zur Erzeugung der hohen Spannung der Starterschaltung ist derart angeordnet, dass er einen freien Raum entlang der Steuerungs- und Leistungsversorgungsleiterplatten innerhalb des ersten Aufnahmegehäuses belegt, und die hohe Spannung wird der Entladungslampe mit einem Hochspannungskabel, das mit einem Ende mit dem Startertransformator verbunden ist, entlang einer inneren Oberfläche des Rahmens des zweiten Aufnahmegehäuses geführt wird, und mit dem anderen Ende mit der Entladungslampe verbunden ist, zugeführt.
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Bei dieser Konfiguration können Schaltungselemente, die an der Steuerungsleiterplatte angebracht und anfällig für magnetische Störungen sind, wie beispielsweise MICs, relativ weit vom Startertransformator und dem Hochspannungskabel entfernt sein, so daß sie betrieben werden können, ohne durch magnetische Störungen beeinträchtigt zu werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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In den angefügten Zeichnungen zeigt:
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1 ein Blockschaltbild, das eine Anordnung der Entladungslampen-Zündvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
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2 eine Draufsicht auf ein Metallgehäuse der Zündvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, das eine Steuerungsleiterplatte mit einem Steuerungsglied, sowie eine Leistungsversorgungsleiterplatte mit einem Leistungsteil enthält;
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3 eine Draufsicht auf ein Sammelschienengehäuse mit Schaltungsteilen der Entladungslampen-Zündvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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4 eine Draufsicht auf eine Metallgehäuse, in welches das Sammelschienengehäuse eingesetzt ist;
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5 eine perspektivische Explosionszeichnung des Metallgehäuses und des Sammelschienengehäuse; und
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6 eine perspektivische Explosionszeichnung des Metallgehäuses in welches des Sammelschienengehäuse eingesetzt ist.
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BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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1 ist ein Blockschaltbild, das schematisch eine Anordnung eine Entladungslampen-Zündvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt. Wie in 1 dargestellt, enthält die Zündvorrichtung einen Gleichstromwandler 2 (DC-DC-Wandler), um die Spannung einer Batterie 1 zu erhöhen, und eine Umrichterschaltung 3, um die erhöhte Gleichspannung in eine Wechselspannung zur Zuführung an eine Entladungslampe 4 umzuwandeln.
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Die Zündvorrichtung enthält außerdem eine Starterschaltung 5, die von Schaltungsteilen gebildet wird, die einen Startertransformator 13, einen Kondensator 14, einen Thyristor 15 und eine Diode 26 enthalten. Die Starterschaltung 5 dient dazu, eine kapazitive Entladung zwischen den Elektroden der Entladungslampe zu verursachen, indem eine hohe Spannung an diese angelegt wird, die unter Verwendung des Startertransformators 13 erzeugt wurde, dadurch wird ein Bogen dazwischen gebildet. Die Entladungslampe 4 wird in einen stabilen Leuchtzustand versetzt, nachdem die kapazitive Entladung zwischen deren Elektroden verursacht wurde. Die Zündvorrichtung ist mit einer Beleuchtungssteuerungsschaltung bzw. Zündsteuerungsschaltung 6 ausgestattet, welche einen durch die Entladungslampe 4 fließenden Strom feststellt bzw. mißt, und eine Rückkopplungssteuerung auf Grundlage des ermittelten Stromes ausführt, um die Entladungslampe 4 in einem stabilen Leuchtzustand zu halten.
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Wie in den 2 bis 6 dargestellt, sind die Schaltungsteile und Schaltungselemente der Zündvorrichtung in einem Gehäuse enthalten, das aus einem Metallgehäuse 10, einem Sammelschienengehäuse 11 und einem Gehäusedeckel (nicht dargestellt) gebildet werden. Das Sammelschienengehäuse 11 dient dazu, um die Schaltungsteile aufzunehmen, welche die Starterschaltung 5 bilden. Das Metallgehäuse 10 weist eine niedrige Seitenwand auf, und ist an seiner Oberseite geöffnet. Wie in 2 dargestellt, sind eine Steuerungsleiterplatte 16 für ein Steuerungsglied (die Zündsteuerungsschaltung 6 enthaltend) sowie eine Leistungsversorgungsleiterplatte 17 für ein Leistungsteil (den Gleichstromwandler 2 und die Umrichterschaltung enthaltend), welche elektrisch miteinander mittels Draht-Bonding 21 verbunden sind, getrennt voneinander an die inneren Oberfläche eines Bodens des Metallgehäuses 10 mittels Isolationsschichten geklebt. Das Metallgehäuse 10 weist Befestigungsabschnitte 12 auf, welche darin ausgebildete Aufnahmeöffnungen aufweisen.
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Die Steuerungsleiterplatte 16 besteht aus einer mehrlagigen Leiterplatte, die eine keramische Platte als Basis aufweist. Ein Leiterbild ist sowohl an der Vorderfläche, als auch an der Rückfläche der Steuerungsleiterplatte 16 ausgebildet. Die leitfähigen Schichten an der Vorder- und Rückseite der Steuerungsleiterplatte 16 sind elektrische miteinander durch Durchgangsöffnungen verbunden. MICs 18 und 20, ein Transistor 19c, ein Widerstand 19a, ein Kondensator 19b, eine Diode 19d, etc. sind an der Steuerungsleiterplatte 16 in hoher Dichte als Schaltungselemente des Steuerungsglieds angebracht, die mit einer niedrigen Spannung betrieben werden und eine geringe Wärmeemission haben. Demgemäß wurde die Größe der Steuerungsleiterplatte 16 selbst wesentlich verringert.
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Auf der anderen Seite besteht die Leistungsversorgungsleiterplatte 17 aus einer einschichtigen Leiterplatte. Die Schaltungselemente des Leistungsteils, welche IGB-Transistoren 23 (Insulated Gate Bipolar Transistors), MOS-Transistoren 24, eine Diode 26, einen Transformator 25 des DC-DC-Wandlers beinhalten, jedes dieser Elemente ist relativ groß und produziert eine relativ große Menge an Wärme, sind an dieser Leistungsversorgungsleiterplatte 17 angebracht. Anschlußflächen 22 sind auch an der Leistungsversorgungsleiterplatte 17 ausgebildet. Die Anschlußflächen 22 sind in einem relativ engen Gebiet der Leistungsversorgungsleiterplatte 17 konzentriert angeordnet.
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Das Sammelschienengehäuse 11 ist durch Gehäuseanschlüsse 30 mit den Schaltungsteilen verbunden, welche die Starterschaltung 5 bilden. Die Anschlußflächen 22 sind elektrisch mit den Gehäuseanschlüssen 30 durch Flachkabel 31 verbunden.
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Das Metallgehäuse 10 weist einen leeren bzw. freien Raum entlang der Steuerungsleiterplatte 16 und der Leistungsversorgungsleiterplatte 17 auf. Der Startertransformator 13 im Sammelschienengehäuse 11 belegt diesen freien Raum, wenn das Sammelschienengehäuse 11 in des Metallgehäuse 10 eingefügt wird.
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Das Sammelschienengehäuse 11 besteht aus Kunstharz, der zu einem Rahmen geformt ist, der am Metallgehäuse 10 anbringbar ist. Die Gehäuseanschlüsse 30 und eine Sammelschiene 50 werden im Sammelschienengehäuse 11 durch Spritzgießen ausgebildet. Wie in 3 dargestellt, sind die Gehäuseanschlüsse 30 derart angeordnet, dass sie sich in einem freien Raum oberhalb der Leistungsversorgungsleiterplatte 17 befinden, wenn das Sammelschienengehäuse 11 in das Metallgehäuse 10 eingefügt wird. Dieser freie Raum ermöglicht es, die Flachkabel mit den Anschlußflächen 22 und den Gehäuseanschlüssen 30 mittels einer Laserschweißvorrichtung zu verschweißen.
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Der Startertransformator 13 der Starterschaltung 5, die den freien Raum entlang der Leiterplatten 16, 17 innerhalb des Metallgehäuses 10 belegt, wenn das Sammelschienengehäuses 11 in das Metallgehäuse 10 eingefügt wird, ist mit einem Hochspannungskabel 36 verbunden, das entlang einer inneren Oberfläche des Rahmens des Sammelschienengehäuses 11 hin zur Entladungslampe 4 geführt wird. Ein Niederspannungskabel 37, das mit einem Ausgangsseiteninduktor 33 verbunden ist, führt ebenfalls vom Sammelschienengehäuse 11 zur Entladungslampe 4, zusammen mit dem Hochspannungskabel 36.
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Ein Kanal ist an der inneren Oberfläche des Rahmens des Sammelschienengehäuses 11 ausgebildet, um darin das Hochspannungskabel 36 aufzunehmen. Der Ausgangsseiteninduktor 33, ein Eingangsseiteninduktor 32, der elektrisch mit der Batterie 1 verbunden ist, Elektrolytkondensatoren 14, 34, 35, und ein Thyristor 15 sind in ihren jeweiligen Abteilungen entlang des Rahmens des Sammelschienengehäuses 11 untergebracht.
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Die Größe des Metallgehäuses 10, das entspricht der Gesamtgröße der Zündvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung kann im Vergleich zu einer Zündvorrichtung aus dem Stand der Technik deutlich verringert werden, da die Schaltungsteile der Starterschaltung 5, wie beispielsweise der Kondensator 14, der Thyristor 15 und der Induktor 33 derart im Sammelschienengehäuse 11 beherbergt sind, das in das Metallgehäuse 10 eingefügt ist, dass sie sich oberhalb der Steuerungsleiterplatte 16 und der Leistungsversorgungsleiterplatte 17 befinden mit Rücksicht darauf, dass ein Raum notwendig ist, um das Laserverschweißen der Flachkabel mit den Anschlußflächen der Leistungsversorgungsleiterplatte 17 und mit den Gehäusesanschlüssen 30 innerhalb des Sammelschienengehäuses 11 durchzuführen.
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Nachfolgend wird beschrieben, wie eine Zündvorrichtung mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau in einer Produktionsanlage zusammengebaut wird. Was das Metallgehäuse 10 anbetrifft, werden die Steuerungsleiterplatte 16 und die Leistungsversorgungsleiterplatte 17, an welchen jeweils die Schaltungselemente für das Steuerungsglied und die Schaltungselemente für das Leistungsteil angebracht wurden, an vorherbestimmten Positionen auf der inneren Oberfläche des Bodens des Metallgehäuses 10 befestigt.
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Was das Sammelschienengehäuse 11 betrifft, werden der Startertransformator 13, das Hochspannungskabel 36, das Niederspannungskabel 37, der Eingangsseiteninduktor 32, der Ausgangsseiteninduktor 33, die Elektrolytkondensatoren 14, 34, 35 und der Thyristor 15 in ihren entlang des Rahmens des Sammelschienengehäuses 11 angeordneten Abteilungen eingesetzt. Anschließend werden ihre Anschlüsse, soweit notwendig, elektrisch mit der Sammelschiene 50 oder den Gehäuseanschlüssen 30 verbunden.
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Als nächstes wird, wie in den 5 und 6 dargestellt, das Sammelschienengehäuse 11 in das Metallgehäuse 10 eingefügt. Danach werden die Flachkabel 31 mit den Anschlußflächen 22 auf der Leistungsversorgungsleiterplatte 17 und mit den Gehäuseanschlüssen 30 innerhalb des Sammelschienengehäuses 11 verschweißt, so dass jede der Anschlußflächen 22 mit dem korrespondierendem Gehäuseanschluß 30 verbunden ist. Um eine Laserschweißung durchzuführen, ist es notwendig eine freien Raum um den Schweißpunkt herum bereitzustellen, durch den der Laserstrahl der Laserschweißvorrichtung durchtritt und den Schweißpunkt trifft. Bei dieser Ausführungsform kann das Laserschweißen ohne Schwierigkeiten durchgeführt werden, da ein solcher freier Raum oberhalb der Leistungsversorgungsleiterplatte 17, an welcher die Anschlußflächen 22 ausgebildet sind, bereitgestellt ist.
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Schließlich wird das Metallgehäuse 10 mit einem Silikongel gefüllt und dann mit einem Gehäusedeckel (nicht dargestellt) abgedeckt, um das Innere des Metallgehäuses 10 zu versiegeln.
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Als nächstes wird nachfolgend der Betrieb der Zündvorrichtung gemäß der Ausführungsform kurz erläutert. Wenn ein Leistungsschalter (nicht dargestellt) eingeschalten wird, fangen der DC-DC-Wandler 2, die Umrichterschaltung 3 und die Zündsteuerungsschaltung 6 an zu arbeiten. Als ein Ergebnis wird eine Wechselspannung, welche von der Umrichterschaltung 3 ausgegeben wird, durch eine Diode 26 an einen Kondensator 14 angelegt, und der Kondensator wird entsprechend geladen. Danach gibt die Beleuchtungssteuerungsschaltung 6 ein Gate-Ansteuerungssignal (gate drive signal) an den Thyristor 15 aus, um den Thyristor 15 einzuschalten. Der Kondensator 14 beginnt in dem Moment zu entladen, in dem der Thyristor 15 eingeschalten wird, und deshalb wird eine hohe Spannung über die zweite Spule des Startertransformators 13 erzeugt. Infolgedessen wird eine kapazitive Entladung zwischen den Elektroden der Lampe 4 ausgelöst, und die Lampe 4 fängt entsprechend an zu leuchten. Danach steuert die Beleuchtungssteuerungsschaltung 6 die Starterschaltung 5 an, um den Hochspannung erzeugenden Betrieb einzustellen, und sie steuert die Umrichterschaltung 3 an, um mit der Versorgung der Entladungslampe 4 mit einer Wechselspannung fortzufahren, so daß die Entladungslampe 4 weiter leuchtet.
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Ein Hochspannungsimpuls entsteht im Startertranformator 13 und dem Hochspannungskabel 36 während des Hochspannung erzeugenden Betriebs. Das verursacht eine magnetische Störung. Die Schaltungselemente, die für magnetische Störungen anfällig sind, beispielsweise MICs, sind jedoch an der Steuerungsleiterplatte 16 angebracht, die relativ weit vom Startertransformator 13 und dem Hochspannungskabel 36 entfernt ist, dementsprechend können sie betrieben werden, ohne von magnetischen Störungen beeinflußt zu werden.
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Darüberhinaus ist die Leiterplatte der Zündvorrichtung 10 in eine Steuerungsleiterplatte 16 für das Steuerungsglied, und eine Leistungsversorgungsleiterplatte 17 für das Leistungsteil aufgeteilt, welche jeweils voneinander getrennt innerhalb des Metallgehäuses 10 installiert sind. Insbesondere sind die Elemente, welche mit einer geringen Spannung betrieben werden und eine niedrige Wärmeemission aufweisen, beispielsweise MICs, HICs (Hybridschaltungen), Transistoren, Widerstände und Kondensatoren, derart auf der Steuerungsleiterplatte 16 installiert, dass ein bestimmter Raum für die Leistungsversorgungsleiterplatte 17 bleibt, die eine große Menge an Wärme erzeugt.
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Dementsprechend kann die Zündvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung normalerweise in einer höheren Temperaturumgebung betrieben werden.
