DE2611135A1 - Zuendung und betrieb von gasentladungsstrecken mittels piezokeramischen elementen - Google Patents
Zuendung und betrieb von gasentladungsstrecken mittels piezokeramischen elementenInfo
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Description
Rosenthal Technik AG Selb, den 15«, März I976
Re/li/1307
RToP. I307
Zündung und Betrieb von Gasentladungsstrecken mittels piezokeramischen Elementen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zündung und
zum Betrieb von Gasentladungsstrecken, z» B. Gasentladungslampen mit unverzögerter Zündung und erhöhter Lichtausbeute,
mittels piezokeramischer Elemente und vereinfachter Elektroden»
Aus der Physik der Gasentladung ist der Effekt der höheren Lichtausbeute von Gasentladungslampen bei höherer Frequenz
der Betriebsspannung bekannt. Dabei unterscheidet man Gasentladungslampen mit und ohne Leuchtstoff; sie bestehen aus
gas- oder metalldampfgefüllten Gehäusen, durch die über Elektroden der elektrische Strom geleitet wird» Solche Gasentladungsstrecken
sind durch eine fallende Strom-Spannungs-Charakteristik gekennzeichnet. Aus diesem Grunde sind bei
der Speisung solcher Gasentladungsstrecken aus Netzen mit einem niedrigen Innen-Widerstand Vorschaltelemente zur
Strombegrenzung erforderliche In der Technik werden daher entweder Widerstände, Induktivitäten oder elektronische
Regelschaltungen zur Strombegrenzung eingesetzt«, Da meistens
die zur Verfugung stehenden Netzspannungen in ihrer Amplitude zur Zündung nicht ausreichen, müssen zusätzliche techni-
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Blatt 2 Selb, den 15«, März 1976
sehe Maßnahmen für die Einleitung der Zündung getroffen
werden«, Insbesondere bei den Leuchtstofflampen werden
Glühwendel verwendet, die in das Entladungsgefäß hineinreichen«,
Auch wird ein äußeres Schaltelement, der sogenannte Starter, notwendig. Ihm fällt die Aufgabe zu, die
Gasentladungslampe in kürzester Zeit in den Betriebszustand überzuführen, ohne daß die Lebensdauer der Lampe
infolge ungenügender Vorheizung beeinträchtigt wird. Abgesehen davon, daß der Starter ein zusätzliches Bauteil darstellt
und Kosten verursacht, bewirkt er weiterhin noch beim Einschaltvorgang das Lichtflackern bei den Gasentladungslampen»
Dies ist darauf zurückzuführen, daß bei unzureichender Ionisierung die Entladung abreißt und der Zündvorgang wiederholt
werden mußo Zur Behebung dieses Mangels sind aufwendige
elektronische Schaltungen entwickelt wordene Sie sind aber für den Hersteller als auch für den Verbraucher noch nicht
zufriedenstellend. Vor allem wird es als unangenehm empfunden, daß beim Brennen von Leuchtstofflampen ein Netzbrummen auftritt«
Insgesamt wird die Beleuchtung mit Glühfadenlampen als ruhiger und gemütlicher bezeichnet.
Auch ist bereits vorgeschlagen worden, relativ hohe Spannungen mit Hilfe von piezoelektrischen Bauelementen bzw. Transformatoren
zu erzeugen, wie aus der US-PS 2,830,274 und der
DT-OS 2 047 882 hervorgeht. Der in der Literatur beschriebene
Piezotrafo besteht dabei aus einem rechteckigen piezokeramischen Stab, der in der einen Hälfte in Dickenrichtung und in der
anderen Hälfte in Längsrichtung polarisiert ist. Vor allem die Form als auch die Halterung des Piezotrafos werfen praktische
Probleme für die verschiedenen Anwendungsgebiete auf.
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Blatt 3 Selb, den 15. März 1976
Die Aufgabe der Erfindung ist daher, eine Vorrichtung zur Zündung und zum Betrieb von Gasentladungsstrecken, insbesondere
Gasentladungslampen, mit unverzögerter Zündung und erhöhter Lichtausbeute zur Verfugung zu stellen.
Außerdem soll das Plackern des Lichtes beim. Einschalten
der Gasentladungslampe und auch das auftretende Netzbrummen während des Betriebes vermieden werden. Gesucht
wird hierfür ein selbststeuerndes Bauelementj das eine Impedanzanpassung von der Spannungsquelle an die Strom-Spannungs-Charakteristik
der Gasentladungsstrecke vornimmt ο
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
Erzeugung der Hochfrequenzspannung für die Gasentladungsstrecke mittels eines piezokeramischen Elementes erfolgt.
Solche piezokeramischen Elemente, insbesondere der Piezotrafo,
stellen eine Spannungsquelle mit hohem Innenwiderstand daro Dies hat zur Folge, daß sich die Ausgangsspannung
in Abhängigkeit von der Belastung ändert und somit eine Strombegrenzung zwangsläufig eintritt. Damit bietet
sich überraschenderweise insbesondere der Piezotrafo als Spannungsquelle zwischen Steuerelektronik und Gasentladungsstrecke
an, die bekanntlich eine fallende Strom-Spannungs-Charakteristik besitzto
Eine spezielle Ausführungsform der Erfindung besteht darin,
daß der verwendete Piezotrafo für unterschiedlich hohe Brenn-
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Blatt 4 Selb, den 15«, März 1976
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spannungen und Leistungen verschiedene geometrische und elektrische Ausführungsformen erhält. Zur Lösung des
Problems, nämlich zur Herstellung eines Piezotrafos mit höherer Ausgangskapazität 3 d. he niedriger Ausgangsiiapedanz
und kleinerem übersetzungsverhältnis, wird deshalb ein stab- bzw· rohrförmiges piezoelektrisches Bauteil
vorgeschlagen, das im Breitenschwingmodus arbeitet» Dadurch ergibt sich im Vergleich zu den üblichen rechteckigen
Piezotrafo eine wesentlich größere Ausgangskapazität bzw« kleinere Ausgangsimpedanz.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des stab— bzw, rohrförmigen
Piezotrafos besteht darin, daß ein solches Bauteil vier gleich große Elektroden aufweist. Im unbelasteten Zustand
tritt eine Resonanzüberhöhung ein, die zur Zündung von Gasentladungsstrecken ausgenutzt werden kann. Nach der
Zündung wird das piezoelektrische Bauelement zur Begrenzung des Stromes benutzt.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht darin,
daß die Halterung aus vier U-förmigen Winkeln besteht, die eine freie Beweglichkeit des Piezotrafos erlaubt.
Eine zweckmäßige Weiterbildung des erfinderischen Gedankens ergibt sich daraus, daß eine Helligkeitssteuerung der
Gasentladungslampe durch eine elektrische Steuerung der Eingangsspannung des Piezotrafos erreicht wird. Insbesondere
zur dekorativen lichtarchitektonischen Raumgestaltung von
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Zuschauerräumen bzwo in Privathaushalten, werden Leuchtstofflampen
wegen ihres milden, blendungsfreien Lichtes
und der guten Farbwiedergabe gerne angewendeto Bei Glühlampen macht die stufenlose Steuerung der Helligkeit im
weiten Bereich keine Schwierigkeiten. Die bewährten Steuermethoden sind aber für alle Gasentladungslampen
und' somit auch für Leuchtstofflampen bei Betrieb mit
50 Hz nicht ohne weiteres anwendbar. Hier bietet sich der Piezotrafο an, da sich Gasentladungslampen bei Betrieb
mit der hochfrequenten Ausgangsspannung des Piezotrafos
in einem großen Helligkeitsbereich ohne Flimmererscheinungen regeln lassen, indem man einfach die Eingangsspannung des
Piezotrafos über die Ansteuerelektronik herabregelte
Durch die erfindungsgemäße Verwendung des Piezotrafos
wird fernerhin die Konstruktion von Gasentladungslampen erleichtert, indem nur noch eine einpolige unbeheizte
Elektrode in das gas- oder metalldampfgefüllte Gehäuse geführt werden muße
Die oben beschriebenen und andere Merkmale der Erfindung
seien nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnungen erläutert, dabei zeigt:
Fig. 1: Vorrichtung zur Erzeugung von Hochspannungen
für Gasentladungsstrecken unter Verwendung eines piezokeramischen Elementes.
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Figo 2: Rechteckiger Piezotrafo, der in der einen Hälfte in Dickenrichtung und in der anderen Hälfte in
Längsrichtung polarisiert ist.
Fig« 3S- Stabförmiger Piezotrafo, der im Breitenschwingmodus
arbeitet.
Figo 4: Rohrförmiger Piezotrafo, der in der einen Hälfte in radialer Richtung in der Wandstärke und in der
anderen Hälfte in axialer Richtung polarisiert ist.
Fig.5a: Stabförmiges piezokeramisches Bauelement mit vier
gleich großen Elektroden.
Fig.5b: Rohrförmiges piezokeramisches Bauelement mit vier
gleich großen Elektroden.
Fig. 6: Perspektivische Ansicht der Halterung des piezokeramischen
Bauelementes bei stabförmiger Ausführung.
Fig. 7: Querschnitt einer einpoligen Elektrode im Gehäuse
(a,b+c) einer Gasentladungslampe.
In Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung, bestehend aus der Gasentladungsstrecke I^ dem piezokeramischen Element £ί
und der Ansteuerungselektronik 3.» schematisch dargestellt.
Ein solches piezokeramisches Element 2 kann beispielsweise ein
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üblicher in der Literatur beschriebener Piezotrafo sein, der aus einem rechteckigen piezokeramischen Stab besteht und
sich wiederum aus einem Primärteil 4_ und einem Sekundärteil
5. zusammensetzt«, Durch die Spannung Ui am Primärteil 4
wird der piezokeramische Stab zu Längsschwingungen angeregt.
Diese erzeugen an der Ausgangselektrode §_ die Spannung Uo.
Die"Polarisatiorisrichtungen im Primärteil 4 und Sekundärteil
5 stehen in diesem Fall, wie in Fig. 2 angegeben, senkrecht aufeinander. Dabei muß die Frequenz der Eingangsspannung mit der Eigenfrequenz des Keramikkörpers zusammenfallen.
Die Ausgangeskapazität dieser Bauform ist relativ klein und damit die Ausgangsimpedanz hoch. Wie aus der
graphischen Darstellung Abb. 1, Kurve 1 ersichtlich ist, besitzt diese Bauform ihren maximalen Wirkungsgrad bei
etwa 1 Μ-Ω-Belastungswiderstand. Diese Bauform eignet sich
daher nur für sehr hochohmige Gasentladungsstrecken.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht darin,
nicht die Längsschwingung der keramischen Platte gemäß
Fig» 2 auszunutzen, sondern ihre Breitenschwingung wie in Fig. 3 dargestellt. Damit erreicht man günstige Wirkungsgrade
bei etwa 100 k-flBelastunerswiderstand, wie es sich
aus der Kurve 2 iee4»P"JüWPP** ergibt. Eine weitere Erhöhung
der Ausgangskapazität und damit Erniedrigung der Ausgangsimpedanz bringt ein rohrförmiges, piezoelektrisches Bauteil
gemäß der Fig„ 4, das in der einen Hälfte in radialer Richtung
in der Wandstärke und in der anderen Hälfte in axialer Richtung polarisiert ist. Der maximale Wirkungsgrad dieser Bauform
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findet sich bei etwa 30 k-Q. Belastungswiderstande Dies
wird durch die Kurve 3 in der Abb, I dokumentiert.
Andererseits besteht eine andere erfinderische Bauform aus einem stab- oder rohrförmigen Bauteil gemäß Figw 5a
und 5b mit vier gleich großen Elektroden, von denen je
z.wei als Eingangs- jL4 und je zwei als Ausgangselektroden iJ5
dienen. Die Polarisation ist einheitlich in der Dicke» Diese Bauform hat den besten Wirkungsgrad bei Belastungs—
widerständen von etwa 400./2., wie aus der Abb, I durch
die Kurve 4 hervorgeht.
Nicht nur die verschiedenen geometrischen Formen mit ihren unterschiedlichen Metallisierungsflächen, sondern auch die
Halterung der piezokeramischen Bauelemente sind zur Zündung und zum Betrieb von Gasentladungsstrecken wichtig,
Wie aus der Literatur bekannt, dürfen schwingende piezoelektrische
Bauteile nur an den Schwingungsknoten gehaltert werden, um eine mechanische Bedämpfung und damit
Erhöhung der Verluste zu vermeiden. Die gemäß der Erfindung benutzte Halterung besteht, wie in Fig. 6 dargestellt ist,
aus vier U-förmigen Winkeln 7_, die das piezokeramische
Element in den Schwingungsknotenebenen halten. Ein Verschieben in Längsrichtung wird durch zwei Anschläge 8>
verhindert, die jedoch ein kleines Spiel zulassen, um das freie Schwingen zu ermöglichen.
Der elektrische Anschluß der Erregerspannung Ui geschieht durch zwei Litzen 9,, die in der Schwingungsknotenebene ange-
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lötet werden,. An der Ausgangselektrode 6 treten wegen der
hohen mechanischen Schwingungsamplitude Schwierigkeiten beim elektrischen Anschluß auf. Normal angelötete Litzen
und Drähte brechen nach kurzer Betriebsdauer ab. Dieses Problem wurde dadurch gelöst, daß ein dünner Stahldraht
in Form einer Wendel ^O senkrecht auf die Ausgangselektrode
gelötet wird. Die Halterungen und Anschlüsse bei den übrigen Bauformen werden entsprechend ausgeführt.
Da ein piezokeramischer Wandler seine Resonanzfrequenz
unter anderem mit der Belastung und der Temperatur ändert, muß dafür gesorgt werden, daß die Frequenz der Ansteuerungselektronik
3 immer der Eigenfrequenz des Wandlers angepaßt wird. Dazu dient eine selbstschwingende, rückgekoppelte
Schaltung wie sie in der Elektronik bekannt und üblich ist«
Die einpoligen Elektroden — wie sie in Fig. 7a - c schematisch
dargestellt sind - zeigen einfache geometrische Formen 12_
wie z. B. Platten, Gitter, Ringe oder Stifte. Eine Ausführungsform der Elektrode besteht auch darin - wie
in Fig. 7b schematisch dargestellt ist -, daß die Elektrode \\_
außen am Entladungsgefäß angebracht und nicht metallisch
durch das Entladungsgefäßgehäuse 1/5 geführt ist. Die
elektrodentragenden Bereiche lS_ der Entladungsgehäusewandung
zeigen dabei eine höhere elektrische Leitfähigkeit als die übrigen Gehäusewandungen auf. Eine weitere Aus —
führungsform besteht darin, daß die Elektrode 11 außen
am Entladungsgefäß angebracht ist — wie in Fig. 7c schema—
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Blatt 10 · Selb, den 15. März ?976
, den 15. März ft
tisch dargestellt ist - und die Energie rein kapazitiv übertragen wird,,
Nachfolgend wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zur
Zündung und zum Betrieb von Gasentladungsstrecken an zwei bevorzugten Beispielen beschrieben, ohne daß sich die
Erfindung auf diese beiden Ausführungsformen beschränkt:
In einer Anordnung nach Fig. 1 wurde eine handelsübliche 10 V
Leuchtstofflampe beschriebene Dazu wurde ein ringförmiger
Piezotrafo nach Fig« 4 verwendet«, Der Piezotrafo besteht aus
einer Blei-Zirkonat-Titanat-Masse wie sie für piezoelektrische
Hochleistungswandler üblich iste Daraus werden die ringförmigen
Körper nach bekannten keramischen Verfahren hergestellt«. Die Abmessungen des Rohres betragen: Außendurchmesser
6l mm, Innendurchmesser 51 mm, Lange JO mmo Das
piezokeramische Element besitzt Elektroden aus Einbrennsilber«.
Die Eingangselektroden bedecken die innere und äußere Mantelfläche über die halbe Länge des Rohres«, Die
Ausgangselektrode bedeckt die entgegengesetzt liegende Stirnfläche«, ¥ie aus Fig«, 2 ersichtlich ist, ist der Piezotrafo
in der einen Hälfte in Dickenrichtung, in der anderen Hälfte in Längsrichtung polarisiert» Die Polarisation wurde unter
Öl bei Temperaturen von I30 C mit Feldstärken von 3 kV/mm
durchgeführt«, In der folgenden Aufstellung sind Meßwerte aufgeführt,
wie sie an einer handelsüblichen 10 W Leuchtstofflampe bei Betrieb an 220 v/50 Hz mit der üblichen Vorschalt-
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drossel und andererseits in der geschilderten Anordnung hei jeweils gleicher Leuchtdichte gemessen wurden.
Betriehsart Gesamt Wirkleistung Licht-Wirkleistung der Lampe ausheute
220 V/50 Hz mit
Vorschaltdrossei 14,2 W 9,8 W 35 Lm/W
Piezotrafο
nach Beispiel 1 12,8 W 8,5 W 39 Lm/W
In einer- Anordnung nach Fig«, 1 wurde ein piezokeramischer
Wandler mit den gleichen Ahmessungen wie Beispiel ls jedoch
mit vier gleich großen Elektroden Fige 5a verwendete Der Wandler
ist einheitlich in Dickenrichtung polarisiert« Die Polarisation wurde wie in Beispiel 1 durchgeführt. In der folgenden
Aufstellung sind wieder Meßwerte hei 220 v/50Hz und hei Betrieh mit dem Wandler nach Beispiel 2 aufgeführt«
Betriehsart Gesamt Wirkleistung Lichtaus-Wirkleistung der Lampe heute
220 V/50 Hz mit
Vorschaltdrossel 14,2 W 9,8 W 35 Lm/W
Piezowandler
nach Beispiel 2 9,5 W 8,5 ¥ 53 Lm/W
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Blatt 12 Selb, den 15» März 1976
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß eine Sofortzündung der Gasentladungslampe erfolgt
als auch eine höhere Lichtausbeute eintritt. Ferner wird das lästig empfundene Netzbrummen bei dem Betrieb der Gasentladungslampe
ausgeschaltete Versuchsergebnisse zeigen, daß die Lichtausbeute mit zunehmender Frequenz ansteigt, und
zwar im Frequenzbereich von cae 20 - 30 kHz um etwa 15 - 20
Prozent«, Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, bei gleichem Lichtstrom den Verbrauch an elektrischer Energie im gleichen
Maße einzuschränken. Durch die Sofortzündung wird auch das
lästige Flackern durch mehrere Zündanläufe vermiedene
Vom wirtschaftlichen Interesse ist es besonders vorteilhaft, daß durch die spezifische Strom-Spannungs-Charakteristik des
piezielektrischen Bauelementes weder Strombegrenzungselemente noch Starter zur Zündung der Gasentladungsstrecke benötigt
werden» Für den Lampenhersteller ergeben sich fernerhin einfache und billige Anschlußelektroden an die Gehäuse der
Gasentladungslampen, die durch- die teueren Glühdrähte einen Großteil der Kosten bei der Lampenherstellung ausmachen«
Besonders interessant ist der erfinderische Gedanke für die Verwendung von Fahrzeuginnenbeleuchtungen mit Leuchtstofflampen«,
In diesem Zusammenhang sind auch die Möglichkeiten der direkten Einspeisung aus dem Bordnetz von Fahrzeugen und
der Betrieb von Notbeleuchtungslampen zu nennen.
Besonders durch die geringe Abmessung des piezokeramischen
Elementes ist die gesamte Schaltung in miniaturisierter Ausführung unterzubringen, womit die Möglichkeit der zweckmäßigen
und unaufdringlichen Installation gegeben ist·
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Claims (2)
- Selb, den 15. März 1976Patent- bzwe SchutzansprücheVorrichtung zur Zündung und zum Betrieb von Gasentladungsstrecken, insbesondere Gasentladungslampen, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung von Hochfrequenzspannung für eine Gasentladungsstrecke (l) mittels eines piezokeramischen Elementes (2) erfolgt«
- 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein stab- bzwo rohrförmiges piezokeramisches Element (2) im Breitenschwingmodus arbeitet.3· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein stab- bzw. rohrförmiges piezokeramisches Element (2) im Längsschwingmodus arbeiteteVorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein stab- bzw. rohrförmiges piezokeramisches Element (2) mit vier gleich gi^oßen Elektroden (l4, I5) ausgestattet is toVorrichtung nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die vom piezokeramischen Bauelement (2) abgegebene Spannung eine Frequenz besitzt, die über der Hörgrenze von. 20 kHz liegt«,6„ Vorrichtung nach Anspruch 1 - 5j dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung für das"piezokeramische Element (2) aus vier U-förmigen Winkeln (7) besteht.7a Vorrichtung nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Verbindung von piezokeramischen Elementen (2) zur einpoligen Elektrode der Gasentladungslampe (l) mit einem dünnen wendeiförmigen Stahldraht (lO) erfolgt,709840/0036 /lk
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JPS52113578A (en) | 1977-09-22 |
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