DE2011663A1 - Start- und Betriebsschaltung für Gasentladungslampen - Google Patents

Start- und Betriebsschaltung für Gasentladungslampen

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DE2011663A1
DE2011663A1 DE19702011663 DE2011663A DE2011663A1 DE 2011663 A1 DE2011663 A1 DE 2011663A1 DE 19702011663 DE19702011663 DE 19702011663 DE 2011663 A DE2011663 A DE 2011663A DE 2011663 A1 DE2011663 A1 DE 2011663A1
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lamp
series
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saturable
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DE19702011663
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English (en)
Inventor
Joseph C. Pittsburgh; Elms Robert T. Monroeville; Pa.; Kappenhagen George A. Northfield Center Ohio; Engel (V.St.A.)
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CBS Corp
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Westinghouse Electric Corp
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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B41/00Circuit arrangements or apparatus for igniting or operating discharge lamps
    • H05B41/02Details
    • H05B41/04Starting switches
    • H05B41/042Starting switches using semiconductor devices

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  • Circuit Arrangements For Discharge Lamps (AREA)

Description

  • Start- und Betriebsschaltung für Gasentladungslampen Die Priorität der entsprechenden USA-Anmeldung Serial No. 807,710 vom 17.3.1969 ist in Anspruch genommen Die Erfindung betrifft eine Start- und Betriebs schaltung für Gasentladungslampen mit unterschiedlichen Zündeigenschaften, die über Anschlußklemmen an eine Wechselspannungsquelle bestimmter Größe angeschlossen sind.
  • Die bekannten Entladungslampen haben eine negative Volt-Ampere-Kennlinie. Für ihren Betrieb wird ein strombegrenzendes Vorschaltgerät verwendet, um eine vorzeitige ungeregelte Entl-adung zu verhindern. Es gibt Quecksilber-Metall-Halogen-Hochdruck-Entladungslampen und Natrium- oder Natrium-Quecksilber-Entladungslampen, die eine lichtdurchlässige Hülle aus polykristallinem Aluminiumdioxyd oder einem ähnlichen Material haben.
  • Außerdem sind Quecksilberdampf-Hochdruck-Entladungslampen bekannt. Diese angegebenen Lampentypen haben zwar etwa die gleiche Leistung, aber verschiedene Spannungs-Strom-Kennlinien.
  • Deshalb gehört zu jeder Lampentype ein spezielles Vorschaltgerät. Außerdem wird bei solchen Lampen eine Vielzahl unterschiedlicher Metall-Halogen-Zusätze verwendet, um verschiedene Beleuchtungseffekte zu erzielten. Auch dadurch ergeben sich veränderte Betriebskennlinien, die veränderte Vorschaltgeräte erfordern. Viele unterschiedliche Vorschaltgerätetypen verteuern aber die Kosten eing Beleuchtungsanlage.
  • Nach der Erfindung ist eine Verbesserung dadurch erzielt, daß ein auf die Lampe ansprechender Regler, der ein den Lampenstrom anzeigendes Signal sowie ein die Lampenspannung anzeigendes Signal erzeugt, mit der. Lampe über einen Transformator verbunden ist und einen Wechselstromschalter zur Begrenzung der Zeit zwischen den Halbwellen der Wechsel spannung betätigt und daß ein mit einem sättigbaren elektromagnetischen Mittel versehenes, zur Erzeugung eines Hochspannungsimpulses an der Lampe dienendes Vorschaltgerät eine Primärwicklung hat, die mit einem ersten Kondensator in Reihe geschaltet und ein zweiter Kondensator mit dem sättigbaren Mittel bzw. einer Sekundärwicklung des sättigbaren Mittels in Reihe und zur Lampe parallelgeschaltet sind, wobei nach der Sättigung der zweite Kondensator und eine Vorschaltdrossel des Vorschaltgerätes bzw. das sättigbare Mittel einen Reihen-Resonanz-Stromkreis bilden, der einen an der Lampe wirksamen Mittelspannungsimpuls hoher Energie erzeugt.
  • Durch die erfindungsgemäße Schaltung erzeugt das Vorschaltgerät zunächst einen Hochspannungsimpuls, um die Lampenzündung einzuleiten. Dieser Impuls kann bei gewissen Lampentypen ausreichen.
  • Wenn dies nicht der Fall sein sollte, so wird nach der Sättigung des elektromagnetischen Mittels durch den Reihen-Resonanz-Stromkreis mit verhältnismäßig kleinem Widerstand über den Kondensator an der Lampe der Mittelspannungsimpuls hoher Energie aufgebaut, der die Zündung bewirkt. Die erfindungsgemäße Schaltung ist für alle Lampentypen geeignet,deren Zündeigenschaften zwischen einem Hochspannungsimpuls und einem Mittelspannungsimpuls hoher Energie schwanken.
  • In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
  • Es zeigen: Fig. 1 die erfindungsgemäße Schaltung mit einem SE)artransformator, Fig. 2 die erfindungsgemäße Schaltung mit einem Vörschaltgerät und einem sättigbaren Transformator, Fig. 3 ein Spannungs-Zeit-Diagramm mit den Start- und Betriebsspannungen während der Halbwellen einer Wechselspannung und Fig. 4 ein Teilschaltbild eines Parallel-Zweiges des Wechselstromschalters.
  • In der in der Figur 1 dargestellten Schaltung liegen Anschlußklemmen 10 an einer Wechselspannungsquelle 12 bestimmter Größe.
  • Meist handelt es sich um Netze von 210 bis 270 V oder 242 bis 312 V. Diese Schaltung ist als Start- und Betriebsschaltung für Gasentladungslampen 18 mit unterschiedlichen Zündeigenschaften vorgesehen. Ein Wechselstromschalter 14, eine Vorschaltdrossel 16 und die Lampe 18 sind über die Anschlußklemmen 10 in Reihe geschaltet. Ein Kondensator 19 liegt in bekannter Weise an den Anschlußklemmen 10. Beispielsweise hat der Kondensator 19 für eine Spannung von 210 bis 270 U eine Kapazität von 29 bis 33/uF.
  • Erflndungsgemäi3 erzeugt ein auf die Lampe 18 ansprechender Regler 20 ein den Lampenstrom anzeigendes Signal sowie ein die Lampenspannung anzeigendes zweites Signal und ist mit der Lampe 18 über einen Transformator 22 verbunden. Die Leitungen 24 gestatten eine Verbindung zur Lampe 18, wodurch der Regler 20 das die Lampenspannung anzeigende Signal geben kann. Der Regler 20 für den Lampenbetrieb betätigt den Wechselstromschalter 14, um den Zeitraum zwischen den Halbwellen der Wechselspannung zu begrenzen, in dem die Lampe 18 an der Wechselspannung liegt. Der Regler 20 ist vorzugsweise für die Lampe leistung verantwortlich.
  • Eine Vorschaltdrossel 16 ist ein Teil eines Spartransformators 26. Dieser Spartransformator 26 hat eine Primärwicklung 28, die mit einem ersten Kondensator 30 in Reihe geschaltet ist, wobei diese Primärwicklung 28 und der Kondensator 30 parallelgeschaltet sind zu der in Reihe geschalteten Vorschaltdrossel 16 (der Sekundärwicklung nach der Fig. 1) und der Lampe 18. Ein sättigbares elektromagnetisches Mittel 32, das eine sekundäre Transformatorwicklung oder einen Induktor enthalten kann, und ein zweiter Kondensator 34 liegen in Reihenschaltung an der Lampe 18. In einem Zeitraum von etwa 2 bis 100 Mikrosekunden nach dem Schliessen des Wechselstromschalters 14 ist das Mittel 32 gesättigt. In dem Beispiel nach der Figur 1 ist vor der Sättigung des Mittels 32 die an der Lampe 18 liegende Spannung gleich der, die vom Spartransformator 26 erzeugt wird und z.B. 4000 V ist. Dieser Spartransformator 26 erzeugt an der Lampe 18 einen Hochspannungsimpuls. Nach Eintritt der Sättigung wird der Spartransformator 26 aus den Stromkreis ausgeschaltet, da das Mittel 32 den Stromfluß durch dieeen Netzteil blockiert. Beispielsweise hat der erste Kondensator 30 eine Kapazität von etwa O,05/uF und der Kondensator 34 eine Kapazität von etwa 1/uF. Wenn die Lampe 18 eine Quecksilber-Natrium-Lampe mit einer polykristallinen Aluminiumoxydhülle ist, so leitet der anfängliche Hochspannungsimpuls von etwa 4000 V die Entladung zwischen den Lampenelektroden ein und der Lampenbetrieb beginnt. Wenn es sich bei der Lampe 18 aber um eine Quecksilber-Metall-Halogen-Type handelt, so hat der Anfangsimpuls nicht genügend Energie, um die Lampe 18 zu zünden. Vorteilhaft ist mit der Lampe 18 ein Shunt-Widerstand 31 von beispielsweise 30 KL verbunden.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel nach der Figur 1 ist das sättigbare elektromagnetische Mittel 32 zweckmäßig in etwa 20 Mikrosekunden gesättigt, obwohl eine Sättigungezeit zwischen etwa 2 bis 100 Mikrosekunden vorgesehen ist. Nach der Sättigung des Mittels 32 bilden zweckmäßigerweise die Vorschaltdrossel 16 und der zweite Kondensator 34 einen Reihen-Resonanz-Stromkreis mit verhältnismäßig kleiner Impedanz, wobei am Kondensator 34 das Potential etwa 450 V beträgt. Dies genügt, um an der Quecksilber-Metall-Halogen-Lampe 18 die Entladung anzuregen.
  • Sobald dies der Fall ist, wird die im 1/uF-Kondensator 34 gespeicherte Energie durch die Lampe 18 entladen, wodurch ein Impuls hoher Energie erzeugt wird, der zur Zündung der Lampe 18 erforderlich ist. Die gewöhnliche Quecksilberlampe wird entweder durch den Heizspannungsimpuls gezündet, der vom Spartransformator ausgeht oder durch den Mittelspannungsimpuls hoher Energie, der vom Reihen-Resonanz-Stromkreis erzeugt wird. Bei dieser Anordnung addieren sich die Impuls- und die Netzspannung.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel nach der Figur 2 ist der Spartransformator 26 nach der Figur 1 durch ein Vorschaltgerät 36 ersetzt. An dieses ist ein sättigbarer Transformator 38 angeschlossen, dessen Primärwicklung 40 mit dem ersten Kondensator 30 in Reihe geschaltet ist. Diese Reihenschaltung aus Primärwicklung 40 und Kondensator 30 liegt parallel zum Vorschaltgerät 36 und der Lampe 18. Nach dem Schließen des Wechselstromschalters 14 erzeugt der Transformator 38 an der Lampe 18 einen Hochspannungsimpuls. Sobald der Transformator 38 nach etwa 2 bis 100 Mikrosekunden gesättigt ist, wird er nicht mehr vom Strom durchflossen. Jetzt bilden das Vorschaltgerät 36 und der Kondensator 34 einen Reihen-Resonanz-LC-Stromkreis, dessen Strom durch eine Sekundärwicklung 42 des neu gesättigten Transformators 38 fließt, der auf diese Weise ein sättigbares elektromagnetisches Mittel enthält. Unter diesen Sättigungsbedingungen genügt die Mittelspannung, die am Kondensator 34 erzeugt wird, um die Lampe 18 zu zünden.
  • In der Figur 3 sind die allgemeinen Betriebskennlinien für beide Ausführungsbeispiele grafisch dargestellt. Bei jeder aufeinanderfolgenden Halbwelle des Wechselstromes wird nach dem Einschalten des Wechselstromschaltexs 14, anfargsin etwa 2 Mikrosekunden, ein Rochspannungsimpuls S kleiner Energie erzeugt, auf den ein Mittelspannungsimpuls DNS hoher energie folgt, der etwa der zweifachen Netzspannung gleich ist. Weiter folgt die normale Netzspannung NS, sobald sich der zweite Kondensator 34 entladen hat.
  • Durch die erfindungsgemäße Schaltung läßt sich auch der sogenannte "Lampenausfall" vermeiden. Dieser kann bei niedrigen Netzspannungen eintreten, aber auch bei hohen Netzspannungen, und zwar dann, wenn Natrium-Quecksilber-Lampen nur während eines kleinen Teils einer Halbwelle Energie zugeführt wird.
  • Auch beim Aufheizen einiger Quecksilber-Metall-Halogen-Lampentypen, bei denen Entladungsmaterie bei unterschiedlichen Bedingungen verdampft, kann ein Lampenausfall vorkommen. Nach der Erfindung wird beim Beginn jeder Halbwelle auf die Lampe ein Hochspannungsimpuls und ein Mittelspannungsimpuls hoher Energie ausgeübt, wodurch ein ununterbrochener Lampenbetrieb gesichert ist.
  • Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann sich am Wechselstromschalter 14, insbesondere bei hoher Netzspannung, eine vorübergehende Überspannung bilden. Vorzugsweise dienen zum Schutz dieses Wechselstromschalters 14 gegen zeitweilige Überspannungen in Reihe geschaltete Dioden 46, 48. In der Figur 4 ist ein paralleler Netzzweig 44 wiedergegeben, der eine kleine Impedanz hat, wenn eine Spannung an ihn gelegt wird, welche die Spannung des Wechselstromschalters 14 überschreitet, Drei Zener-Dioden 46 mit einer Spannung von je 150 V sind in Reihe geschaltet mit drei ähnlichen, gegenpolig verbundenen Zener-Dioden 48 und einem Widerstand 50 von 330 Ohm. Bei Verwendung eines Wechselstromschalters 14 für 600 V würde die Gesamtspannung der Zener-Dioden 46, 48 450 bis 520 V betragen. In einer ähnlichen Schaltungsanordnung können auch gegenpolige Lawinen-Dioden verwendet werden, die zum Schutz des Wechselstromschalters 14 gegen zeitweilige Überspannung dienen.
  • 4 Figuren 9 Patentansprüche

Claims (9)

  1. Patentansprüche 1. Start- und Betriebsschaltung für Gasentladungslampen mit unterschiedlichen Zündeigenschaften, die über Anschlußklemmen an eine Wechselspannungsquelle bestimmter Größe angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf die Lampe (18) ansprechender Regler (20), der ein den Lampenstrom anzeigendes Signal sowie ein die Lampenspannung anzeigendes Signal erzeugt, mit der Lampe (18) über einen Transformator (22) verbunden ist und einen Wechselstromschalter (14) zur Begrenzung der Zeit zwischen den Halbwellen der Wechselspannung betätigt und daß ein mit einem sättigbaren elektromagnetischen Mittel (32, 38) versehenes, zur Erzeugung eines Hochspannungsimpulses an der Lampe (18) dienendes Vorschaltgerät (26, 36) eine Primärwicklung (28, 40) hat, die mit einem ersten Kondensator (30) in Reihe geschaltet ist und ein zweiter Kondensator (34) mit dem sättigbaren Mittel (32) bzw. einer Sekundärwicklung (42) des agttigbaren Mittels (38) in Reihe und zur Lampe (18) parallel geschaltet sind, wobei nach der Sättigung der zweite Kondensator (34) und eine Vorschaltdrossel (16) des Vorschaltgerätes (26) bzw. das sättigbare Mittel (38) einen Reihen-Resonanz-Stromkreis bilden, der einen an der Lampe (18) wirksamen Mittelspannungsimpuls hoher Energie erzeugt.
  2. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da13 als Torschaltgerät (26) ein Spartransformatar mit der Primärwicklung (28) und der sekundären Vorschaltdrossel (16) dient.
  3. 3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Vorschaltgerät (36) ein sättigbarer Transformator (38) angeschlossen ist, der die Sekundärwicklung (42) enthält.
  4. 4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Sättigung des sättigbaren elektromagnetischen Mittels (32, 38) ein Zeitraum von etwa 2 bis 100 Mikrosekunden nach dem Schließen des Wechselstromschalters (14) erforderlich ist.
  5. 5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitraum zur Sättigung des sättigbaren Mittels (32) gleich 20 Mikrosekunden ist.
  6. 6. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schutz des Wechselstromschalters (14) gegen zeitweilige Überspannungen in Reihe geschaltete Dioden (46, 48) dienen, die in einem parallelen Netzzweig (44) von kleiner Impedanz angeordnet sind.
  7. 7, Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Netzzweig (44) drei Zener-Dioden (46) und drei gegenpolig angeordnete Zener-Dioden (48) sowie ein in Reihe geschalteter Widerstand (50) angeordnet sind.
  8. 8. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch geRennzeichnet, daß zum Schutz des Wechselstromschalters (14) Lawinen-Dioden verwendbar sind.
  9. 9. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampe (18) mit einem Shunt-Widerstand (31) verbunden ist.
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