DE3010417A1

DE3010417A1 - Abdunkelbare sef-lampe und verfahren zu ihrem abdunkeln

Info

Publication number: DE3010417A1
Application number: DE19803010417
Authority: DE
Inventors: Armand Pasquale Ferro
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1979-03-22
Filing date: 1980-03-19
Publication date: 1980-09-25
Also published as: DE3010417C2; JPS55128300A; JPS5917520B2; US4219760A; CA1115765A

Description

Abdunkelbare SEF-Lampe und Verfahren zu ihrem

Abdunkeln

(quellenfreiem) Die Erfindung bezieht sich auf Lampen mit solenoidalem/elektrischem Feld (SEF-Lampen) und betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Anordnung zum Abdunkeln von SEF-Lampen.

SEF-Lampen sind leistungsfähige Leuchtstofflampen, die so aufgebaut sind und so betrieben werden, daß sie als Ersatz für herkömmliche Glühlampen dienen können, die mit niedrigen energetischen Wirkungsgraden arbeiten; insbesondere ist bei einer Glühlampe eine Lichtausbeute von 15 lm/W typisch, während die Lichtausbeute bei SEF-Lampen 50 lm/W übersteigen kann. Darüber hinaus haben Glühlampen, selbst im Vergleich zu herkömmlichen Leuchtstoffröhren, eine relativ kurze Lebensdauer. SEF-Lampen haben jedoch einen hohen energetischen Wirkungsgrad und eine lange Lebensdauer. Solche SEF-Lampen sind beispielsweise in den US-PSen 4 128 785 und 4 117 378 beschrieben. Diese SEF-Lampen

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haben zwar eine hohe Lichtausbeute und eine lange Lebensdauer, bislang ist aber noch kein wirksamer Weg gefunden worden, um diese Lampen abzudunkeln, d. h. zu dimmen, in der Helligkeit herunterzuregeln, ohne die Lichtausbeute der Lampe nachteilig zu beeinflussen. Da das Abdunkeln von Lampen sowohl ein ästhetisch erwünschtes Merkmal ist als auch durch verringerte Leistungsaufnahme zur Energieeinsparung führen kann, ist es sehr erwünscht, SEF-Lampen auf diese Weise zu betreiben.

Alle SEF-Lampen enthalten ein ionisierbares Medium, durch das ein elektrischer Strom fließt. Dieses ionisierbare Medium weist eine negative Widerstandscharakteristik auf, d. h. wenn der Ent-Ia dungsstrom durch das Plasma ansteigt, nimmt der Spannungsabfall längs des Entladungsweges zu. Das Verringern der Spitzenströme in SEF-Lampen führt daher zu einer erhöhten Betriebsspannung, die einen entsprechenden Anstieg, nahezu mit der dritten Potenz, der Flußdichte in dem Ringkern der Lampe verursacht. Das führt zu übermäßigen Kernverlusten und geringerem Wirkungsgrad und erhöht die Möglichkeit, daß die Curie-Temperatur des Kerns überschritten wird. Ebenso ist das Abdunkeln auf der Basis der Verwendung von vollweg- oder halbweggleichgerichteten Sinusströmen nicht wirkungsvoll, da SEF-Lampen erst einschalten, wenn sie sich deutlich in der Stromwelle befinden, was insbesondere für Lampen gilt, die mit einem hohen Leistungsfaktor arbeiten. Wenn solche Lampen bei einem hohen Leistungsfaktor arbeiten, ändert sich die Lampenspannung während des "Ein"-Teils des Lampenzyklus vom Spitzenwert auf null und die Sinusfrequenz nimmt daher über jeden dieser selben Spitzenströme ab. Eine solche Lampe schaltet daher von sich aus zu irgendeiner beliebigen Zeit ab, wenn die angelegte Spannung kleiner als die Rückwirkungslampenspannung ist. Zur Erzielung eines bestimmten mittleren Leistungswertes müssen die augenblicklichen oder periodischen Leistungswerte während der frühen Teile der Periode beträchtlich höher sein. Da sich Lampen- und Ballastunwirksamkeiten ergeben, ist es erwünscht, mit einem konstanten Leistungswert zu fahren, was einen Betrieb mit niedrigem Leistungsfaktor bedeutet. Bei dem Lampenbetrieb

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mit niedrigem Leistungsfaktor besteht daher die einzige Methode, die der Lampe zuqeführte Leistung zu verringern, darin, die Spitzen- oder Effektivstromwerte zu verringern. Das führt jedoch, wie oben dargelegt, zum Erhitzen des Kerns und zur Verschlecnterung des Wirkungsgrades und außerdem zur Plasmasättigung, die zu einer Verringerung des Wirkungsgrades 'um ungefähr 12% führt. Außerdem führt das Abdunkeln bei SEF-Lampen, die bei hohem Leistungsfaktor mit sinusförmigen Wellen arbeiten, zu einem Verlust an voller Lampensteuerung und zu einer geringeren Lichtausbeute. Ein Betrieb mit niedrigem Leistungsfaktor ist zwar einem Betrieb mit hohem Leistungsfaktor vorzuziehen, das Abdunkeln bei einem Betrieb mit niedrigem Leistungsfaktor ist aber bei herkömmlichen Abdunkelungsverfahren uneffizient und demgemäß mildert die Erfindung dieses Problem.

Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine SEF-Lampe wirksam abgedunkelt, indem die Lampe mit im wesentlichen konstanten Stromimpulsen mit einer ersten, relativ hohen Frequenz gespeist wird, wobei diese Impulse mit einer niedrigeren Frequenz in einem Zeitverhältnis wiederholt unterbrochen werden, damit die über der Zeit gemittelte Leistung, die der Lampe zugeführt wird, verringert wird. Die Unterbrechungsfrequenz wird vorzugsweise so gewählt, daß die Plasmaentionisierung zwischen dem Zuführen aufeinanderfolgender Impulsstösse nicht erfolgt. Auf diese Weise wird dann das Wiederstarten der Lampe ohne weiteres erreicht. Dieses Verfahren des Betreibens einer SEF-Lampe ist in Verbindung mit jedem Stromrichter (Inverter) anwendbar, der auf ein Steuersignal hin durchgeschaitet und gesperrt werden kann, und ist daher in Verbindung mit sämtlichen Stromrichtern anwendbar, die herkömmlicherweise für den wirksamen Ballast von SEF-Lampen benutzt werden. Die Modulationsfrequenz wird außerdem unter Berücksichtigung von Tonfrequenzresonanzen ausgewählt, die beispielsweise in dem Lampenferrit auftreten können. Minimales Geräusch ist ein erwünschtes Merkmal und die Frequenzauswahl sollte dieses Ziel berücksichtigen.

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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Diagramm, in welchem die Lampenspan

nung über der Zeit für sinusförmige Erregung von SEF-Lampen mit hohem Leistungsfaktor dargestellt ist,

Fig. 2 ein Diagramm, in welchem die Stromrich

terausgangsspannung über der Zeit gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist, und

Fig. 3 das Blockschaltbild einer Schaltung nach

der Erfindung zum Abdunkeln von SEF-Lampen .

Fig. 1 zeigt eine herkömmliche Lampenspannungskurve, die sich bei Abdunkelungsverfahren ergibt, bei denen eine vollwellengleichgerichtete Sinusstromquelle modifiziert wird. Die vollwellengleichgerichteten Aspekte dieser Kurve ergeben sich aus dem herkömmlichen 60 Hz-Netzstrom. Die in Fig. 1 gezeigte Lampenspannung zeigt, wie erwähnt, eine Abdunkelungsmodalität für eine SEF-Lampe, die mit hohem Leistungsfaktor betrieben wird. Wiederstartimpulse A und B werden verzögert, bis ein beträchtlicher Teil der Periode vollendet ist. Wenn nicht so vorgegangen würde, würde im Anschluß an die Wiederstartimpulse eine nicht ausreichende Spannung für den Be- ■ trieb der Lampe vorhanden sein. Daher geht eine wirksame Steuerung über einen beträchtlichen Teil des Lampenbetriebszyklus verloren. Darüber hinaus nimmt, wie erwähnt, die Frequenz ab, damit dieselben Spitzenströme erreicht werden. Unter diesen Betriebsbedingungen schaltet die Lampe von sich aus zu willkürlichen Zeiten ab. Wieder ist eine volle Lampenleistungssteuerung nicht möglich.

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Fig. 2 zeigt die Spannung, die gemäß der Erfindung an eine SEF-Lampe angelegt wird. Demgemäß werden Stromimpulse mit einer Periode T' in Bündeln veränderlicher Breite an die Lampe angelegt. Die Impulsfrequenz 1/T' ist aus akustischen Gründen typischerweise größer als 25 kHz, sie kann aus Bereichssteuergründen aber unter diesem Wert legen. Diese Impulse werden periodisch unterbrochen und dann wiedergestartet. Die Zeitperiode T.. stellt das Intervall zwischen aufeinanderfolgenden Wiederstarts der Impulse dar, die die Frequenz 1/T' haben. Gemäß Fig. 2 stellt die Zeitperiode T_Q die Zeit dar, während der die Stromimpulse an die Lampe angelegt werden. Der Bruch T₀ZT₁ stellt das Tastverhältnis dar und daher kann durch Verändern der Größe T_n zwischen 0 und T₁ die mittlere Leistung, die der Lampe zugeführt wird, zwischen 0 bzw. 100% der vollen Leistung verändert werden. Die Zeitperiode, für die der Lampe keine Leistung zugeführt wird,nämlich T₁ -T_n, ist vorzugsweise kleiner als die Plasmaentionisierungsperiode des in der SEF-Lampe enthaltenen ionisierbaren Mediums. Notwendigerweise ist dann gemäß Fig. 1 T- kleiner als oder gleich T₁ und T' ist typischerweise um wenigstens eine Größenordnung kleiner als T₁. Je größer die Differenz zwischen T' und T₁ ist, umso größer ist die Auflösung, mit der die Lampe abgedunkelt werden kann. In Fig. ist der Startimpuls A typischerweise etwas größer als die Wiederstartimpulse B und C, insbesondere wenn die Größe T₁ - T_n beträchtlich kleiner als die Plasmaentionisierungsperiode ist. Mit der· Spannungskurve von Fig. 2 kann die mittlere Leistung, die der Lampe zugeführt wird, leicht von kleinen Werten auf der Basis der Betriebsfrequenz bis zu 100% Leistung gesteuert werden. Die Stromimpulse, die an die Lampe angelegt werden, sind im wesentlichen konstant und es besteht keine Gefahr, daß die Lampe vorzeitig abschaltet oder daß Teile des Speisezyklus, während denen eine Steuerung nicht möglich ist, vergeudet werden. Ebenso fördert die Spannungskurve von Fig. 2 weder die Sättigung und das überhitzen des Ferrits noch die Sättigung des Plasmas, mit denen ein entsprechender Abfall der Lichtausbeute verbunden wäre. Die Spannungskurve, die in Fig. 2 gezeigt ist, ist insbesondere bei SEF-Lampen anwendbar,

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die mit niedrigem Leistungsfaktor arbeiten, wobei der Strom in mehr oder weniger kontinuierlichen Impulsen geliefert wird. Die Lampe nach der Erfindung arbeitet daher, während sie in Abdunkelungsbetriebsart betrieben wird, auf einem Teil der Leistungskurve, auf welchem der Strom hoch und die Spannung niedrig ist. Diese relativ niedrige Betriebsspannung führt zu geringer überschüssiger Kernerhitzung oder Plasmasättigung. Diese Gefahren bestehen bei herkömmlichen Leuchtstofflampen nicht, denn bei diesen ist es unerheblich, ob die Spannung tatsächlich ansteigt, wenn der Strom verringert wird. Es gibt offensichtlich alternative Wege zum Einstellen der Zeitperioden in Abhängigkeit von den Einzelheiten der gewählten Schaltung.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltung zum Implementieren der Erfindung. Ein aus einer herkömmlichen Wechselstromquelle gespeister Stromrichter (Inverter) 11 erzeugt Impulse,die eine Frequenz 1/T' haben. Das Ausgangssignal eines monostabilen Multivibrators 13 kann benutzt werden, um den Stromrichter über eine Steuerschaltung 11a ein- und auszuschalten. Die tatsächlichen Schaltungen, mit denen das erreicht werden kann, lassen sich unter Verwendung von integrierten Standardniederspannungsschaltungselementen leicht herstellen und die Schaltungseinzelheiten sind nicht gezeigt. Grundsätzlich kann der Stromrichter 11 ein Standard-IS-Stromrichter sein, wie beispielsweise ein spxtzenstromgesteuerter Stromrichter, der typischerweise gestartet wird, indem ein Thyristorschalter getriggert wird, damit Ladungen in einen der Stromrichterleistungstransistoren verschoben werden. Das Abschalten des Stromrichters kann erfolgen, indem die Basis eines der Steuertransistoren wirksam an Masse gelegt wird, um das Arbeiten des Stromrichters su blockieren» Diese Steuerung ist leicht mit den Signsien möglich, die von einem monostabilen Multivibrator 13 geliefert werden, der Signalsfceuerimpulse erzeugt, die eine Periode T- und ein Tastverhältnis T~/T* haben. Das Tastverhältnis e das direkt von T- abhängig ist, wird mittels einer Steuervorrichtung 14 festgelegt, bei der es sich typisclier-

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— Q —

weise um ein Schleif- oder Drehpotentiometer handelt. Das Ausgangssignal des Stromrichters, das auf diese Weise gesteuert wird, wird an die SEF-Lampe 12 angelegt.

Als Beispiel, ohne daß darunter eine Beschränkung zu verstehen ist, ist eine SEF-Lampe nach der Erfindung ohne Verlust an Lichtausbeute leicht in der Helligkeit regulierbar, wie es die folgende Tabelle zeigt, in der die erste Spalte die Lampenspannung, die zweite Spalte der Lampenstrom, die dritte Spalte die der Lampe zugeführte mittlere Leistung, die vierte Spalte der abgegebene Lichtstrom der Lampe und die fünfte Spalte die Lichtausbeute in Lumen pro Watt ist:

V	7	A	W	,8	Im	Lichtausbeute lm/W
120	4	0,59	40	,9	2048	51,2
120	0,20	11	,9	609	51 ,6
119,	0,338	19	1036	52,1
119,	0,482	29	1553	51,9

Die der obigen Tabelle zugrundeliegende Lampe arbeitet mit einem Leistungsfaktor, der einem Phasenwinkel von ungefähr 56° zwischen dem Strom und der Spannung entspricht. Es ist somit zu erkennen, daß die Lampe von einem abgegebenen Lichtstrom von 2048 Im auf 609 Im wirksam abgedunkelt werden kann, ohne daß es zu einem Abfall in der Lichtausbeute der Lampe kommt.

Obige Darlegungen zeigen, daß das Verfahren und die Schaltung nach der Erfindung das Herstellen und den Betrieb einer abdunkelbaren SEF-Lampe gestatten, so daß diese einen wirksamen Ersatz für die Glühlampe bilden kann und außerdem die Eigenschaft hat, ästhetisch angenehm zu sein und durch das Abdunkeln Energie einzusparen. Diese Eigenschaft einer SEF-Lampe beseitigt in zufriedenstellender Weise die mit herkömmlichen Hellig-

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keitsregulierverfahren, wie beispielsweise einer Stromverringerung/ die zu einer übermäßigen Kernerhitzung und zu einem potentiellen Lampenausfall führt, verbundenen Probleme-

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Claims

Patentansprüche

1 J Verfahren zum Abdunkeln einer Lampe mit solenoidalem elektrischen Feld (SEF-Lampe), dadurch gekennzeichnet, daß Stromimpulse an die Lampe mit einer ersten Frequenz 1/T¹ angelegt werden und daß die Stromimpulse wiederholt alle Sekunden unterbrochen werden, wobei die Unterbrechung

eine Zeit T₁-T_n Sekunden andauert und wobei T' kleiner als

ist und

nicht größer als

ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 1/T' größer als 25 kHz ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß T₁ - T_Q kleiner als die Plasmaentionisierungsperiode ist.
4. Abdunkelbare SEF-Lampe mit einem evakuierbaren, lichtdurchlässigen, phosphorbeschichteten Kolben, der ein ionisierbares Medium enthält, das elektromagnetisch über einen Ferritringkern gekoppelt ist, der mit einer IIF-Stromimpulsquelle gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die HF-Inpulse eine erste Frequenz 1/T' haben und durch eine Unterbrechungseinrichtung (11a, 13, 14) alle 1/

unterbrochen werden, wobei T' kleiner als

Sekunden für eine Zeit von T - T Sekunden

ist und wobei

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T_ nicht größer als T ist.
5. T.ampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß 1/T₁ größer als 25 kHz ist.
6. Lampe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß T₁ - T_n kleiner als die Plasmaentionisierungsperiode ist.

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