DE1489327C - Anordnung zur Steuerung des penodi sehen Betriebes einer Gasentladungslampe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Steue- die Zündung der Gasentladungslampe mit der Oszil-

rung des periodischen Betriebes einer Gasentladungs- latorschwingung zu synchronisieren. Diese Anordnung

lampe, die über einen Speicherkondensator gespeist besitzt eine Automatikschaltung, die verhindert, daß

wird, mit einer aus einem Zündkreis und einem Impuls- der Speicherkondensator auf eine höhere Spannung

geber bestehenden Steuereinheit, die sowohl die Zün- 5 als die Nennspannung aufgeladen wird. Hierzu wird

dung der Gasentladungslampe auslöst als auch über beim Erreichen. der Nennspannung der Schwingvor-

ein im Ladekreis des Speicherkondensators angeord- gang und damit die Aufladung unterbrochen. .

netes elektronisches Bauelement die erneute Aufladung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

des Speicherkondensators um die Entionisierungszeit Anordnung zur Steuerung des periodischen Betriebs

der Gasentladungslampe verzögert. .. . io einer Gasentladungslampe zu schaffen, die auch bei

Eine derartige Anordnung ist. aus der deutschen Berücksichtigung.der Entionisierungszeit der Gasent-

Patentschrift 1079 738 bekannt. ■ ladungslampe eine möglichst hohe Blitzfrequenz

Beim periodischen Betrieb von Gasentladungs- ergibt. ^: . ,
lampen unterliegt die Frequenz der einzelnen Zün- Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadungen einer Begrenzung durch die Entionisierungs- 15 durch, daß die Aufladung ,des Speicherkondensators zeit der Lampe. Wenn an die Lampe vor Ablauf ihrer über einen Transformator und eine mit seiner Sekun-Entionisierungszeit eine bestimmte kritische Spannung därwicklung in Reihe geschalteten Diode erfolgt, daß gelegt wird, entsteht eine Daue^entladung, so daß der das elektronische Bauelement aus einem Schalttrannormale Betrieb der Lampe nicht niehr möglich ist. sistor besteht, dessen Schaltstrecke in Reihe an die Bei bestimmten Arten von Lampenschaltungen kann 20 Primärwicklung des Transformators angeschlossen ist der während einer solchen Bauentladung .fließende und mittels eines von einem Zündimpuls des Zünd-Strom die Röhre zerstreuen. . kreises ausgelösten und durch den Impulsgeber er-Aus dejr Veröffentlichung »Bulletin des Schweizeri- zeugten Steuerimpulses, dessen Impulsdauer gleich sehen Elektrotechnischen Vereins«, 1961, Nr. 17, oder größer als die Entionisierungszeit der Gasent-S. 672, ist ein Transistor-Spannungswandler zur 25 ladungslampe ist, mindestens für die Dauer der EntSteuerung des Betriebs einer Gasentladungslampe ionisierungszeit leitend gehalten wird und daß die bekannt, die über einen Speicherkondensator gespeist Diode in bezug auf die während des leitenden Zustands wird, bei dem die Aufladung des Speicherkondensators des Schalttransistors in der Sekundärwicklung induüber einen Transformator und eine mit seiner Sekun- zierte Spannung in Sperrichtung gepolt ist.
därwicklung in Reihe geschalteten Diode erfolgt, bei 30 Durch diese Ausbildung wird erreicht, daß die für dem die Schaltstrecke eines Schalttransistors in Reihe die Ladung des Speicherkondensators erforderliche an die Primärwicklung des Transformators angeschlos- Energie bereits während der Entionisierungszeit in den sen ist und bei dem die Diode in bezug auf die während Transformator übertragen und darin gespeichert wird des leitenden Zustands des Transistors in der Sekun- und nach Ablauf der Entionisierungszeit sofort in den därwicklung induzierte Spannung in Sperrichtung 35 Speicherkondensatpr übertragen werden kann. ~
gepolt ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der oben beschriebe-' Mit dieser Anordnung kann der Speicherkondensa- nen Anordnung sind in den Unteransprüchen getor stufenweise auf die für die Zündungen der Gasent- kennzeichnet.

ladungslampe erforderliche Soll-Spannung aufge- Im folgenden wird die oben beschriebene Anord-

laden werden. Sobald die Soll-Spannung erreicht ist, 40 nung an Hand zweier in den F i g. 1 bis 4 dargestellter

wird der Oszillator außer Betrieb gesetzt. Ein periodi- Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt

scher Betrieb,dieser Anordnung ist nicht möglich, da Fig. 1 ein Schaltbild der oben beschriebenen An-

es dazu erforderlich wäre, die Zündung der Gasent- Ordnung in einer ersten Ausführungsform,

ladungslampe mit der Schwingung des Oszillators zu. F i g. 2 ein Diagramm, aus dem die Arbeitsweise

synchronisieren. Dies würde jedoch bei einer aus- 45 der Anordnung der F i g.l hervorgeht,

reichend hohen Zündfrequenz dazu führen, daß der F i g. 3 ein Schaltbild der oben beschriebenen An-

Speicherkondensator noch innerhalb der Entionisie- Ordnung in einer weiteren Ausführungsform und

rungszeit geladen würde, wodurch eine Dauerentladung Fig. 4 ein Diagramm, aus dem die Arbeitsweise

der Gasentladungslampe verursacht würde. der Anordnung der F i g. 3 hervorgeht.

Bei der aus der deutschen Patentschrift 1079 738 5° F i g. 1 zeigt ein Äusführungsbeispiel der oben bebekannten Anordnung wird eine derartige Dauerent- schriebenen Anordnung, das mit der maximalen Blitzladung dadurch verhindert, daß die Ladung des frequenz ..

Speicherkondensators um die Entionisierungszeit ver- ..\" >;;vv- ^; :'■ y"\^. ;!■ ·_;\ ■ / ^;

zögert wird. Dies wird dadurch erreicht, daß während . ; . ⁿ ~ ΰ

der Entionisierungszeit der aus einer Drossel und dem 55

Speicherkondensator bestehende Ladekreis unter- betrieben werden kann, wobei ta die Entionisierungsbrochen wird. Diese Ausbildung führt jedoch zu einer zeit der Gasentladungslampe der Anordnung ist. Die weiteren Verzögerung, da die zur Ladung des Speicher- Anordnung besitzt einen Transformator Γ mit einer kondensators erforderliche Energie erst nach Ablauf Primärwicklung Lp und einer Sekundärwicklung L_s, der Entionisierungszeit in die Drossel übertragen 60 deren Windungsverhältnis 1 :« beträgt,
werden kann. Die Sekundärwicklung L₁, ist an einen Speicher-Aus der Zeitschrift »Elektronik«, 1959, Nr. 4, S. 107 kondensator C und eine Aufladediode D angeschlosbis 110, ist ein weiterer Transistor-Oszillator-Span- sen. Parallel zum Speicherkondensator C liegt die nungswandler zur Steuerung des Betriebs einer Gas- Gasentladungslampe FT. Ein NPN-Schalttransistor S entladungslampe bekannt, bei dem der Speicherkon- 65 ist so angeordnet, daß seine Schaltstrecke in Reihe densator ebenfalls stufenweise aufgeladen wird. Ein zu der Primärwicklung Lp und der Gleichstromquelle E periodischer Betrieb dieser Anordnung ist ebenfalls geschaltet ist. Die Basis des Schalttransistors S ist an nicht möglich, da es dazu wieder erforderlich wäre, einen Impulsgeber 4 angeschlossen, der positive Jm-

pulse erzeugt, deren Dauer gleich der oder etwas größer als die Entionisierungszeit ta ist. Der Impulsgeber 4 wird durch den Zündkreis 2 betätigt, der auch die Gasentladungslampe zündet; ,.

Diese Anordnung arbeitet wie folgt: Es sei angenommen, daß die Gasentladungslampe FT soeben gezündet wurde und daß der Kondensator C völlig entladen ist. Der normalerweise nicht leitende Schalter S wird durch einen Impuls mit der Dauer /,; des Impulsgebers 4 durchgeschältet. Dadurch wird eine Spannung iiE in der Sekundärwicklung L₄- des Transformators T induziert. Diese Spannung sperrt die Diode D, so daß kein Strom in den Speicherkondensator C fließt. Somit bleibt also die Spannung E an der Gasentladungslampe FT für die Dauer der Entionisierungszeit ta auf Null. Während dieser Zeit steigt der Strom / in der Primärwicklung Lp linear bis auf

Eta

ι —

Die in der Primärwicklung Lp gespeicherte Energie erreicht den Wert

1/2 Lp i* =

E* $

Nach Ablauf der Entionisierungszeit ta schaltet der Schalttransistor S ab. Das in dem, Transformator T zusammenbrechende Magnetfeld induziert in der Sekundärwicklung L_s eine Spannung, die die Diode öffnet. Die im Transformator Γ gespeicherte Energie wird jetzt in den Kondensator C übertragen, so daß dieser auf die erforderliche Betriebsmindestspannung E₀ aufgeladen wird. Folglich ist

F1

1/2Lp/²= --^- = 1/2 CE₀ ² ι 2 Lp

..·'·■■ ■_'_' E'td ■■_ «·£·/(/ worin L_s = n²Lp. Die Ladezeit beträgt

■/„

π ■
ta = —

C,

wobei t_Q die Zeit zum Erreichen der Betriebsmindestspannung E₀ am Kondensator C ist.

Die Kapazität des Speicherkondensators C wird durch die Betriebsdaten der Gasentladungslampe bei maximaler Zündfolge bestimmt. Die Lädezeit t₀ — ta läßt sich jedoch durch Verkleinern von L_s so klein wie erforderlich machen. Wenn L_s halbiert und das Windungsverhältnis η konstant gehalten wird, so wird auch Lp halbiert. Um die gespeicherte Energie

konstant zu halten, muß £um - - verringert werden,

so daß der Spitzenstrom um Ji erhöht wird. Die maximale Zündfolge ist dann

Dadurch wird eine Annäherung an die maximale theoretische Zündfolge und dennoch eine Verhinderung von Datierentladungen möglich. ■

Für einen Betrieb über einen weiten Frequenzbereich läßt sich die Gasentladungslampe FT nicht nahe bzw. bei ihrem maximalen Nennwert betreiben, sofern der Speicherkondensator C nicht verändert werden kann und nicht mehrere Bereiche vorgesehen sind. Bei einer praktischen Anordnung können vier 6: 1-Bereiche mit einer Kapazitätsveränderung von 216: 1 vorgesehen werden. Für NF-Betrieb kann der Speicherkondensator C auf einen größeren Wert geschaltet und die Energie pro Blitz proportional gesteigert, werden.

ίο Bei einer Energieübertragung der vorstehend beschriebenen Art muß auch die in dem Transformator Γ gespeicherte Energie proportional zunehmen.' Dazu ist eine entsprechende Abänderung der Schaltung erforderlich.

Sofern die Öffnungszeit des Schalttransistors 5 und die -Induktivitäten des Transformators im gleichen Verhältnis wie die Steigerung der Entladungskapazität erhöht werden, bleiben alle Spannungen und Strome gleich, und die Energie pro Blitz wird wie gewünscht vermehrt. Die erhöhte Aufladezeit ist kein Problem, da die Zeitspanne zwischen den Zündungen der Gasentladungslampe für geringere Zündfolgen proportional verlängert wird. Eine Veränderung der Induktivität des Transformators über einen weiten Bereich (z. B. 216 : 1) ist jedoch nicht zweckmäßig. .

Die erhöhte Energie pro Zündung läßt sich auch durch Erhöhung der Speisespannung oder durch Verlängerung der Öffnungszeit des Schalttransistors 5 um die Quadratwurzel des Verhältnisses der Kapazitätssteigerung (d. h. um 15 : 1) erreichen. Diese Veränderungen bewirken, daß der Spitzenstrom um die Quadratwurzel der Veränderung des Kapazitätsverhältnisses (d. h.'um 15 : 1) erhöht wird. Beschränkungen des Schalttransistors S machen solche Strom- oder Spannungserhöhungen unerwünscht.

In F i g. 3 ist eine Anordnung zum Speichern von mehr Energie pro Zündung gezeigt, ohne daß Veränderungen der Speisespannung, des Stromes oder an . dem Transformator erforderlich, sind. Ein Impulsgeber 6 für Impulse mit einer Zeitdauer/,/ zum Einschalten des Schalters S wird von dem Zündkreis 2 _ betätigt, der auch die Gasentladungslampe FT zündet. Weiterhin ist. eine Rückkopplungsschleife FL und eine Verzögerungsschaltung 12 vorgesehen. Die Rückkopplungsschleife weist ein Gatter 8 auf, das von einem Flip-Flop 10 gesteuert wird, das durch den Zündkreis in den einen und durch die Aufladung des Kondensators C auf die gewünschte Spannung in den anderen Zustand geschaltet wird. Zu dem letztgenannten Zweck wird eine Zenerdiode Z)₂ verwendet. Die Zenerdiode D₂ ist zwischen den einen Eingang des Flip-Flops 10 und die Anschlußstelle den Kollektor des Schalttransistors 5 bzw. die Primärwicklung Lp geschaltet. · '

w Die Anordnung nach F i g. 3 arbeitet wie folgt: Ein Impuls des Zündkreises zündet die Gasentladungs-_; lampe FT. Gleichzeitig führt der Zündkreis 2 dem Impulsgeber 6 einen Impuls zu, so daß dieser einen Impuls mit einer Dauer/,/ erzeugt, wobei außerdem das Flip-Flop 10 in seinen Ausgangszustand zurückgestellt wird, so daß das Gatter 8 geöffnet wird. Der Impuls des Impulsgebers 6. schaltet den Schalttransistor S für die Dauer/,j durch. Während dieser Zeit ist die Diode D gesperrt, so daß an der Lampe FT keine Spannung auftritt und sie sich völlig entionisieren kann. Am Ende des Impulses /,/ wird der Transistor S abgeschaltet, so daß die in dem Transformator T gespeicherte Energie in den Kondensator C übertragen

wird. Wie durch die Entladungskennlinie nach F i g. 4 veranschaulicht ist. wird die Spannung des Kondensators C schrittweise bis auf einen Wert c\ erhöht, der wesentlich niedriger sein kann als die erforderliche .Betriebsspannung E₀. Der Kondensator wird für eine mit Hilfe der Verzögerungsschaltung 12 festgelegte Zeitspanne aufgeladen. Am Ende dieser Verzögerungszeitspanne wird durch das offene Gatter 8 dem Eingang des Impulsgeberso ein Impuls zugeführt, der bewirkt, daß dieser einen zweiten Impuls mit einer ·. Zeitdauer t,i erzeugt, der den Schalttransistor 5 erneut durchschaltet und vorübergehend Energie in dem Transformator T speichert. Die Verzögerung ist so bemessen, daß zwischen den Impulsen ta ein Zwischenraum entsteht, der zum Übertragen der Energie aus dem Transformator Γ in den Kondensator C Zeit,läßt. Nach dem zweiten Impuls /,; wird die Spannung des Kondensators C, wie in Fi g. 4 gezeigt ist. auf den Wert c₂ erhöht. Durch den Impulsgeber 6 werden in gleicher Weise aufeinanderfolgende Impulse erzeugt, wobei das Ende jedes Verzögerungsimpulses die Erzeugung des nächsten Impulsesdes Impulsgeberso einleitet. Dieser Vorgang dauert an, bis die Spannung

■"in. dein Kondensator C den erforderlichen VZeTtE₀ erreicht. Diese Spannung wird durch die ZenerdiodeD₂ bestimmt. Da die Sekundärspannung mit Hilfe des Windimgsverhältnisses zu der Primärspannung in Beziehung steht, läßt sich die Kondensatorspannung in dem Niederspannungs-Primärkreis bestimmen. Wenn der Primärkreis die Spannung der Zenerdiode D_z überschreitet, wird diese leitend und schaltet das Flip-Flop 10 um. das das Gatter 8 schließt. Darauf werden durch den' Impulsgeber 6 keine Impulse mehr erzeugt, und das System bleibt bei vollständig aufgeladenem Kondensator C in Ruhe, bis ein Zündimpuls die Gasentladungslampe FT zündet, das Flip-Flop 10 in seinen Ausgangszustand zurückstellt und den .Impulsgeber 6 erneut einschaltet. ,.

Die Arbeitsweise der Anordnung nach F i g. 3 ist ohne Rücksicht auf den Nennwert des Kondensators im wesentlichen die'gleiche.'Wenn der Kondensator zum Erhalten einer maximalen Lichtausbeute der .Gasentladungslampe FT verändert wird, ändert sich die Anzahl der Aufladeraten, wobei jedoch der Betrieb stets weitergeht, bis der Kondensator bis auf den erforderlichen Spaniiungswert E₀ aufgeladen ist.

':· Bei Erhöhung der Kapazität kann die feststehende -..,. Verzögerungszeit zum Ermöglichen des vollständigen ; Übertragens der Energie im Verlaufe jedes Über-

■ vtragiingsintervalls aus dem Transformator T in den

■ Kondensator C unzureichend werden; so daß bei ■;; Beginn des nächsten Übertragungsintervalls in den ■■'■'■•Transformator·Γ etwas' Strom einfließen kann. Dies :^; beeinträchtigt den Betrieb der. Schaltung jedoch nicht. ; -Während des nächsten ÜbertragungsintervaHs wird der Strom aus dem vorherigen Intervall lediglich v'addiert und somit die Energieübertragung pro Zyklus ; vermehrt. Die einzige Auswirkung besteht in eirer 'Erhöhung¹ des Spitzenstromes über den Schalttran- ·.·■;■ sistor S. Sofern dies unerwünscht ist. hält eine Strom-T begrenzungsvorrichtung in dieser Schaltung den Auf- ^; iladespitzenstrom auf einem feststehenden Wert. Dann sind zum Erreichen der endgültigen Betriebsspannung "des Kondensators einige zusätzliche Aiifladeteilbeträge

'erforderlich. - - ■ ■

^? Bei dieser Schaltung ist eine Dauerentladung nicht • möglich, solange die Dauer der Impulse /,/ mindestens ,so groß ist wie die F.ntionisierungszeit der Gasent-Iadungslampe, da an dem Entladungskondensatdr ta. Sekunden nach einer Entladung keine Spannungsvermehrung auftreten kann.

Die oben beschriebene Anordnung arbeitet bei geeigneten Gasentladungslampen bei einer Frequenz von 7000 Hz, was bedeutet, daß sie sich der theoretischen Arbeitshöchstfrequenz der Lampe sowie dem theoretischen maximalen Wirkungsgrad nähert. Es kann eine die Verwendung eines Schalttransistors S ίο zulassende niedrige Speisespannung und ein kleiner Transformator mit z. B. Lp = 3 mH und Ls = 1,2 H verwendet werden. De Ausgangsspannung wird durch die Zenerdiode D₂ genau reguliert.

Claims (5)

Patentansprüche; : ·

1. Anordnung- zur Steuerung des periodischen Betriebes einer Gasentladungslampe, die über einen Speicherkondensator gespeist wird, mit einer aus einem Zündkreis und einem Impulsgeber bestehenden Steuereinheit, die sowohl die Zündung der Gasentladungslampe auslöst als auch über ein im Ladekreis des Speicherkondensators angeordnetes elektronisches Bauelement die erneute Auf-. ladung des Speicherkondensators um dieEntioni-. sierungszeit der Gasentladungslampe verzögert, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufladung des Speicherkondensators (C). über ^: · einen Transformator (T) und eine mit seiner Sekundärwicklung (Ls) in Reihe geschalteten Diode (D) . erfolgt, daß das elektronische Bauelement aus einem Schalttransistor (S) besteht, dessen Schaltstrecke in Reihe an die Primärwicklung (Lp) des Transformators angeschlossen ist und mittels eines von einem Zündimpuls des Zündkreises (2) ausgelösten und durch den Impulsgeber erzeugten Steuerimpulses (/<;), dessen Impulsdauer gleich oder größer als die Entionisierungszeit der Gasentladungslampe (FT) ist, mindestens für die Dauer der Entionisierungszeit leitend gehalten wird und daß die Diode (D) in bezug, auf die während des leitenden Zustands des Schalttransistors in der Sekundärwicklung induzierte Spannung in Sperr-

■■.··. richtung gepolt st. .

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei relativ langsamen Zündfolgen eine stufenweise Aufladung des Speicherkondensators (C) mittels einer von dem Schalttransistor (S) zu dem Impulsgeber (6) geführten Rückkopplungsschleife erzielt wird, die eine Zenerdiode (D₂) ein Flip-Flop (10) und ein Gatter (8) aufjveist, und mittels der nach Ablauf des Steuerimpulses (/</) der Impulsgeber (6) zur Erzeugung eines weiteren Steuerimpulses (/,f) veranlaßt wird.

3. Anordnung nach Anspruch2. dadurch ge-kennzeichnet, daß zur Zurückstellung des Flip-Flops (K)) bei Zündung der Gasentladungslampe

... (FD ein.zweiter Eingang des Flip-Flops (10) mit dem Zündkreis (2) verbunden ist.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgang des Impulsgeber (6) und einen zweiten Eingang des Gatters (8) eine einstellbare Verzögerungsschaltung (12) zur Einstellung der Impulsfolgefrequenz des Impulsgebers ((>) geschaltet ist. ■ ■ · ■

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4.

dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherkondensator (C) eine auf unterschiedliche W'erte einstellbare Kapazität aufweist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen