DE2611135A1

DE2611135A1 - Zuendung und betrieb von gasentladungsstrecken mittels piezokeramischen elementen

Info

Publication number: DE2611135A1
Application number: DE19762611135
Authority: DE
Inventors: Kurt Dipl Phys Handschuh; Konrad Ing Grad Tzschentke; Anton Dr Zeibig
Original assignee: Ceramtec GmbH
Current assignee: Ceramtec GmbH
Priority date: 1976-03-17
Filing date: 1976-03-17
Publication date: 1977-10-06
Also published as: FR2345051B3; FR2345051A1; JPS52113578A

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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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 muß_o 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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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 dar_o 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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spannungen und Leistungen verschiedene geometrische und elektrische Ausführungsformen erhält. Zur Lösung des Problems, nämlich zur Herstellung eines Piezotrafos mit höherer Ausgangskapazität ₃ d. h_e 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 bzw_o 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 muß_e

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 B_auform

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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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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:

Beispiel 1

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 ist_e Daraus werden die ringförmigen Körper nach bekannten keramischen Verfahren hergestellt«. Die Abmessungen des Rohres betragen: Außendurchmesser 6l mm, Innendurchmesser 51 mm, Lange JO mm_o 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

Beispiel 2

In einer- Anordnung nach Fig«, 1 wurde ein piezokeramischer Wandler mit den gleichen Ahmessungen wie Beispiel l_s jedoch mit vier gleich großen Elektroden Fig_e 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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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 ca_e 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

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Patent- bzw_e Schutzansprüche

Vorrichtung 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- bzw_o rohrförmiges piezokeramisches Element (2) im Breitenschwingmodus arbeitet.

3· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein stab- bzw. rohrförmiges piezokeramisches Element (2) im Längsschwingmodus arbeitete

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein stab- bzw. rohrförmiges piezokeramisches Element (2) mit vier gleich gi^oßen Elektroden (l4, I5) ausgestattet is t_o

Vorrichtung 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,

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