DE3010417A1 - Abdunkelbare sef-lampe und verfahren zu ihrem abdunkeln - Google Patents
Abdunkelbare sef-lampe und verfahren zu ihrem abdunkelnInfo
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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 TQ 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 Tn 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 -Tn, 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 - Tn
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 (6)
- Patentansprüche1 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 Unterbrechungeine Zeit T1-Tn Sekunden andauert und wobei T' kleiner alsist undnicht größer alsist.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 1/T' größer als 25 kHz ist.
- 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß T1 - TQ 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 alsSekunden für eine Zeit von T - T Sekundenist und wobei030039/0647T_ 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 - Tn kleiner als die Plasmaentionisierungsperiode ist.030039/0847
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