DE3211240A1 - Stabilisierungseinrichtung fuer gasentladungslampen - Google Patents
Stabilisierungseinrichtung fuer gasentladungslampenInfo
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- Circuit Arrangements For Discharge Lamps (AREA)
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Description
-:--"-·" 32 1 Ί
Gasentladungslampen/ wie Quecksilberdampflampen hoher
Intensität, Hochdruck-Natriumlampen und Niederdruck-Quecksilberlampen wie Leuchtstofflampen haben eine
negative Impedanzcharakteristik und müssen mit einer Vorschalt- bzw. Stabilisierungseinrichtung betrieben
werden, die einen konstanten Strom in der Lampe unabhängig von den Impedanzänderungen erzeugt. Wenn die Lampe altert,
ohne daß sich ihre Umgebungsbedingungen ändern, ändert sich auch die Impedanz. Wenn der Strom tatsächlich konstant
gehalten wird, nimmt die Leistung, d.h. die Lichtausbeute der Lampe infolge der Impedanzänderungen ab oder zu. Dies
ist eine unerwünschte Eigenschaft. Durch die Erfindung soll der Lampe unabhängig von der Impedanzcharakteristik
eine konstante Leistung zugeführt werden, so daß die Lichtausbeute der Lampe, wenn diese altert, relativ konstant
bleibt. Es ist auch möglich, über die Lebensdauer der Lampe eine geringe Leistungszunahme zu bewirken, um
den geringen Wirkungsgradverlust auszugleichen, der auftritt, wenn die Lampe altert, so daß eine konstante
Lichtausbeute während der Lampenlebensdauer erreicht wird.
Es ist bekannt, eine Stabilisierung von Gasentladungslampen mit einem Reaktanzelement zu erreichen, das den Stromfluß
begrenzt. Diese Elemente sind so ausgebildet, daß durch Verwendung einer Transformator- oder Spartransformatorsehaltung
mit einem Reaktanzelement hoher Streuung zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung in Verbindung
mit einem Kondensator zur Korrektur des nacheilenden Leistungsfaktors ein hoher Leistungsfaktor aufrechterhalten
werden kann. Die Reaktanz hoher Streuung erzeugt einen konstanten Strom bei der Entladung und begrenzt den
Primäreingangsstrom. Eine optimale Lichtausbeute mit dieser Art der Stabilisierung wird erreicht, wenn die
Lampenimpedanz gleich der ist, für die die Stabilisierung entworfen wurde, wenn sie mit der richtig bemessenen
-δ-1
Netzspannung betrieben wird. Änderungen der Eingangsnetzspannung, die normalerweise auftreten, verursachen
eine entsprechende Änderung des Stroms und der an die Gasentladungslampe abgegebenen Energie, so daß die
Lichtausbeute erhöht oder verringert wird.
Wenn die Lampe altert, nimmt die Impedanz zu. Bei Gasentladungslampen hoher Intensität ist dieser Effekt
sehr stark. Wenn die Lampe am Anfang in Betrieb genommen wird, hat sie eine sehr niedrige Impedanz, und da der
Strom, der von der Stabilisierungseinrichtung ausgehen kann, begrenzt ist, ist die Lichtausbeute normalerweise
geringer als berechnet. Wenn die Lampe altert, nimmt die Impedanz bei konstantem Strom zu, so daß die Lichtausbeute
ansteigt. Damit der Strom bei der Entladung konstant bleibt, wenn die Impendanz ansteigt, muß die Stabilisierungseinrichtung notwendigerweise eine höhere Ausgangsspannung
erzeugen. Die Größe, um die diese Spannung ansteigen kann, ist willkürlich durch die Stabilisierungstransformatorkonstruktion
begrenzt, um zu verhindern, daß eine zu hohe Leistung an die Lampe abgegeben wird. Diese notwendige
Spannungsbegrenzung jedoch bewirkt, daß der Strom durch die Lampe abnimmt, wenn die Lampe weiter altert und ihre Impedanz
ansteigt. An diesem Punkt der Lampenlebensdauer beginnt auch die Lichtausbeute abzunehmen. Diese Erscheinung tritt
vor allem bei Leuchtstofflampen auf, bei denen die Lampen in Beleuchtungskörpern angeordnet sind, die sehr heiß
werden. Dadurch wird die Lampenimpedanz über den Konstant-
^O strompunkt der Stabilisierungseinrichtung erhöht und die
Lichtausbeute verringert. Bei den bekannten HF-Stabilisierungseinrichtungen ist diese Erscheinung nicht berücksichtigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einer Gasentla-■dungslampe
unabhängig von Impedanzänderungen während der Lebensdauer der Vorrichtung eine konstante Leistung zuzu-
-δ-1
führen, und damit eine konstante Lichtausbeute unabhängig von Änderungen der Umgebungsbedingungen der Lampe zu
erreichen.
Es kann auch eine leichte Erhöhung der Lichtausbeute als
Funktion von Impedanzänderungen möglich sein, die durch Altern hervorgerufen werden, wenn der Lampenwirkungsgrad
mit der Lebensdauer abnimmt, so daß eine konstante Lichtausbeute erreicht wird.
Die Lösung dieser Aufgabe soll nicht nur auf Gasentladungslampen, sondern allgemein auf Gasentladungsvorrichtungen
anwendbar sein.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Zweckmäßige Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Durch die vorgeschlagene Ausbildung wird eine HF-Spannungsquelle geschaffen, die eine Spannung und einen Strom von
im wesentlichen sinusförmigem Verlauf an die Gasentladungsvorrichtung
derart abgibt, daß das Produkt der Spannung des Stroms konstant bleibt oder in bestimmter Weise als
Funktion der Gasentladungsimpedanzänderung infolge der Alterung der Gasentladungsvorrichtung etwas ansteigt.
Die Spannungsquelle bzw. Stabilisierungseinrichtung besteht aus fünf Hauptteilen:
1. Einer Gleichspannungsquelle mit
a. einem Filter zur Unterdrückung ein- und/oder ausgehender elektromagnetischer Störungen,
b. einem Netzgleichrichter, der einen pulsierenden Gleichstrom erzeugt, und
c. einem Sperrwandler, der diese pulsierende Gleichspannung in ein gleichförmig gesteuertes Gleichstromausgangssignal
umwandelt;
2. einem Schaltinverter zur Erzeugung eines HF-Signales
mit
a. Schaltelementen zu einer Voll- oder Halbbrückenschaltung und
b. einer Treiberstufe für die Schaltelemente;
b. einer Treiberstufe für die Schaltelemente;
3. aus einem Signalform- und Abstimmnetzwerk, das über die Rückkopplungsschaltung der Treiberstufe des
Sperrwandlers einen sinusförmigen Laststrom am Ausgang des Sperrwandlers erzeugt, um die Belastung von
Schalttransistoren zu verringern und der Gasentladungsvorrichtung eine Spannung und einen Strom mit
sinusförmigem Verlauf zuzuführen,
4. einer pulsierenden Vorrichtung, die in Verbindung mit einer der Netzwerkinduktivitäten arbeitet, um
Hochspannungszündimpulse zu erzeugen, die notwendig sind, um die Gasentladung einzuleiten, und
5. einem Strom- und Spannungssensor, der das Ausgangssignal des Sperrwandlers einstellt, um den Leistungsverbrauch in der Gasentladungsvorrichtung konstant
zu halten.
Der Sperrwandler kann ein Leistungsoszillator und Verstärker
sein, der die Last als integralen Teil umfaßt. Auf diese Weise kann die unter 5. erläuterte Einstellung
eine Verstärkungssteuerung sein.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 1 bis ■4 beispielsweise erläutert. Es zeigt:
321Ί 240
Fig. 1 eine graphische Darstellung der Arbeitsweise einer typischen Entladungslampe hoher Intensität,
aus der die Daten einer 400 Watt Hochdruck-Natriumlampe hervorgehen, wobei das Trapez die Grenzen
angibt, innerhalb der die Lampe betrieben werden kann, die gestrichelte Linie die Leistung dieser
Lampe, wenn sie mit einer typischen üblichen Kern- und Drosselstabilisierungseinrichtung betrieben
wird, und die.strichpunktierte Linie den
Betrieb angibt, wenn die Lampe mit der erfindungsgemäßen Stabilisierungseinrichtung verwendet wird,
Fig. 2 ein Blockschaltbild der Spannungsquelle zum Konstantleistungsbetrieb der Gasentladungsvor
richtung ,
Fig. 3 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung, mittels der das Sperrwandler-Ausgangssignal geändert
werden kann, um den Sperrwandler und damit die
Last mit konstanter Leistung zu betreiben, und
Fig. 4 ein Schaltbild einer weiteren Schaltungsanordnung, mittels der die in Fig., 1 dargestellte Arbeitsweise
erzielt werden kann.
Fig. 1 zeigt, daß der Bereich der Arbeitskennlinien, in dem eine Hochdruck-Natriumlampe liegen kann, sehr weit
■ ■ ist. Wenn z.B. eine Lampe in Betrieb genommen wird,
kann die Eingangs-Wattleistung und damit die Lichtausbeute nur 280 Watt betragen. Die gestrichelte Linie
zeigt, daß mit üblicher Stabilisierung die Lichtausbeute normalerweise 320 Watt beträgt. Dieser Wert
errechnet sich bei Nenn-Netzspannung. Bei niedriger Netzspannung ist die Wattleistung noch geringer. Es
ist ersichtlich, daß am Ende der Lebensdauer der Lampe die Lichtausbeute bis zu 475 Watt betragen kann und noch
innerhalb akzeptabler Lampenkennlinien liegt. Dies ist jedoch eine sehr unerwünschte Eigenschaft, und es ist
bei üblicher Stabilisierung ersichtlich, daß die Lichtausbeute wegen der durch die Stabilisierung bewirkten
Begrenzung wieder gefallen ist. Der einzige Zeitpunkt, zu dem die Lichtausbeute tatsächlich ihren
berechneten Wert von 400 Watt erreicht, ist die Mitte des Lebensdauerzyklus bei richtiger Eingangsnetzspannung.
Diese sehr große Abweichung der Lichtausbeute insbesondere am unteren Ende erfordert, daß eine angemessene Anzahl
von Beleuchtungskörpern vorgesehen wird, um die notwendige Beleuchtung am Anfang und am Ende der Lampenlebensdauer
und bei niedriger Netzspannung zu erreichen. Aus diesen Daten ist ersichtlich, daß für eine bestimmte Zeitdauer
eine bessere Stabilisierung erforderlich ist.
Die strichpunktierte Linie zeigt die erfindungsgemäße
Stabilisierung, die eine Arbeitskennlinie ergibt, die im wesentlichen eine flache, gerade Linie ist und zu
einer konstanten Lichtausbeute über die gesamte Lebensdauer der Lampe führt. Diese Linie verläuft unterhalb
einer Wattleistung von 4 00 Watt, die für die Lampe berechnet wurde, da der HS-Betrieb eine niedrigere
Eingangsleistung erfordert, um die gleiche Nennlichtaus-
-ΙΟΙ
beute zu erzeugen, die bei einer üblichen 60 Hertz-Kernspulenstabilisierung
erreicht wird. Bei vorhandenen Anlagen, bei denen mehr Beleuchtungskörper als bei der
erfindungsgemäßen Stabilisierung infolge des aufrechterhaltenen Lichtpegels installiert wurden, kann aufgrund
der erfindungsgemäßen Stabilisierung die Leistung der Lampe nötigenfalls auf 280 Watt verringert werden. Auf
diese Weise wird Energie gespart und die Lebensdauer der Lampe erhöht. Die konstante Beleuchtung einer Fläche
kann auch zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades führen.
Die gestrichelte Linie zeigt einen leichten Anstieg der Ausgangswattleistung, wenn die Lampenimpedanz zunimmt.
Dadurch wird ein leichter Abfall des Wirkungsgrades der Lampe bei der Alterung kompensiert und führt zu einer
"constant lumin maintenance". Die Wirkung der Anwendung rein sinusförmiger Hochfrequenz, kombiniert mit der
Wiaungsgradkonstanthaltung, die durch die gesteuerte
Leistung der Lampe errecht wird, kann zu Situationen führen, bei denen eine Hochdruck-Natriumlampe bei
sorgfältiger Anpassung an einen bestimmten Anwendungs- - fall zu einer Energieverbrauchseinsparung von bis zu
40 % geführt hat. Durch eine derartige Einsparung wird eine evtl. notwendige Erhöhung der Kosten der erfindungsgemäßen
Stabilisierung gegenüber der üblichen Kern-Spulen- und Kondensator-Konstruktion mehr als gerechtfertigt.
Bei der Schaltungsanordnung gemäß der Fig. 2 wird die Netzeingangsleistung auf Leitungen 1a und 1b über ein
Filternetzwerk 2 zugeführt. Dieses Netzwerk bewirkt eine Stoßspannungsdämpfung zum Schutz der nachfolgenden
Schaltungskomponenten. Das Filter ist außerdem so konstruiert, daß es verhindert, daß Schaltstöße, die in
der Stabilisierungseinrichtung erzeugt werden, auf die - Netzleitung in Form einer elektromagnetischen Störung
(EMI) übertragen wird. Die so gefilterte Netzspannung
wird über Leitungen 3 und 4 einem Brückengleichrichter und HF-Filter 5 zugeführt. Hier wird das Signal von
einem Wechselstrom in einen pulsierenden Gleichstrom , umgewandelt. Das Ausgangssignal erscheint auf Leitungen
6 und 7 als pulsierender Gleichstrom von 120 Hertz. Durch einen Sperrwandler 8 in Verbindung mit einem
großen Filterkondensator 13 wird der pulsierende Gleichstrom in einen gefilterten Gleichstrom umgewandelt,
dessen Pegel mittels außerhalb des Sperrwandlers 8 liegender Einrichtungen gesteuert werden kann.
Der gefilterte Gleichstrom, der an einem Kondensator 13 auftritt/ wird von einer Leitung 11 und über einen
Stromsensor 14 über eine Leitung 15 einem Schaltinverter
16 zugeführt. Der Schaltinverter überträgt über Leitungen 17 und 18 eine abwechselnd polarisierte Rechteckspannung
zu einem Netzwerk 19. Ein Rückkopplungssignal auf einer Leitung 23 steuert die Frequenz des Schaltinverters,
damit das Netzwerk in Verbindung mit einer Last 22 stets in Resonanz ist.
Das Netzwerk 19 führt eine Impedanztransformation durch.
Wie zuvor erläutert, muß der Laststrom konstant gehalten werden. Die Transformation erfolgt derart, daß der
Strom eine direkte Funktion der Eingangsspannung ist und nicht von der Lastimpedanz abhängt. Wenn die Eingangsspannung des Schaltinverters 16 somit konstant gehalten
wird, wird der Lampenstrom konstant gehalten. Wenn die die Last 22 bildende Lampe altert, steigt ihre Impedanz.
Der Leistungsverlust in der Last ist gleich dem Stromquadrat mal dem Lastwiderstand, und daher muß bei dieser
Widerstandserhöhung die Leistung notwendigerweise ansteigen. Wenn die Spannung konstantgehalten wird, benötigt
das Netzwerk mehr Strom vom Inverter, um dieses Ergebnis 'zu erreichen. Dieser Strombedarf wird vom Stromsensor 14
ermittelt.
■:- ". . 32Ί 1
Das Ausgancjssignal des Stromsensors 14, das die Größe des
Stromflusses anzeigt, wird mit der Eingangsspannung aus der Leitung 11 durch einen Leistungssensor 10 verglichen.
Das Ausgangssignal des Leistungssensors reguliert dann über die Leitung 42 die Ausgangsspannung des Sperrwandlers.
Das Produkt der Spannung und des Stroms ist gleich der vorbestimmten maximalen zuläffiigen Leistung, die bei der
Lichtbogenentladung verbraucht wird.
Fig. 3 zeigt ein Schaltbild, mit dem dies erreicht werden kann. Ein Funktionsverstärker 30 bildet einen Teil einer
integrierten Schaltung zum Betrieb von Sperrwandlern. Dem negativen Eingang wird der Spannungsabfall über einem
Stromsensorwiderstand auf einer Leitung 32 zugeführt. Durch Wahl des Wertes des Stromsensorwiderstandes wird
der maximale Strom, der ausgehend vom Sperrwandler fließen darf, bestimmt. Im normalen Betrieb liegt der positive
Anschluß dieses Verstärkers auf Massepotential, so daß, wenn die Schaltung einen übermäßigen Strom zu ziehen
beginnt, die Spannung auf der Leitung 32 ansteigt, bis das Ausgangssignal des Verstärkers 30 bewirkt, daß die
Spannung des Sperrwandlers soweit abfällt, daß der Strom unter den maximal vorbestimmten Wert fällt. Bei der in
Fig. 3 gezeigten Schaltung wird die Wandlerausgangsspannung von einer Leitung 33 Stromteilerwiderständen
23 und 25 zugeführt, deren Verbindungspunkt über einen Eingangswiderstand 24 mit dem Summierpunkt 36 eines
Funktionsverstärkers 27 verbunden ist. Der positive
Einga/ng 35 des Verstärkers ist mit einer Bezugsspannung
verbunden.
Das Ausgangssignal des Verstärkers 27 am Punkt 37 wird auf einen Spannungsteiler gegeben, der aus Widerständen
3 8 und 28 besteht, deren Verbindungspunkt über eine Leitung 39 mit dem positiven Eingang bzw. dem Bezugspunkt
des Verstärkers 30 verbunden ist. Der Punkt 39 liegt somit um eine bestimmte Größe über dem Massepotential,
so daß die Stromsensor-Rückkopplung auf der Leitung 32 gleich dieser Spannung sein muß. Wenn die Spannung am
Punkt 39 gehoben oder gesenkt wird, wird die maximale Größe des Stroms, der fließen darf, folglich gehoben
oder gesenkt.
Betrachtet man den gesamten Schaltungsbetrieb, dann ist ersichtlich, daß wenn die Wandlerausgangsspannung zunimmt,
die maximale Größe des Stroms, der fließen darf, verringert wird, und daß, wenn die geregelte Ausgangsspannung gesenkt
wird, mehr Strom fließen darf. Die Werte sind so eingestellt, daß das Produkt der Spannung und des Stroms eine
Konstante ist. Diese einfache Schaltung ist für die meisten HID-Anwendungsfalle völlig zufriedenstellend, bei
denen die Lampen mit oder nahe ihrer maximalen Lichtausbeute während ihrer gesamten Lebensdauer betrieben werden.
Wenn die Leistung auf unterschiedliche Werte voreingestellt werden soll, können die Widerstände 38 und 28 durch ein
gestrichelt gezeigtes Potentiometer 34 ersetzt werden.
Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild einer Leistungs-Oszillator/ Verstärker- und Konstantleistungs-Steueranordnung, die
den Schaltinverter und das Netzwerk an den Leitungen 15 und 12 in Fig. 1 ersetzt. Bei dieser Art der Erzeugung des . .
Ausgangssignals an der Lampenlast wird die Spannung des Sperrwandlers konstant gehalten, und die Verstärkung des
Verstärkers wird so eingestellt, daß die an die Last abgegebene Leistung gesteuert wird. Wenn die Spannung konstant
gehalten wird, ist die Leistung dem durch den Verstärker fließenden Strom direkt proportional. Eine Leistungssteuereinrichtung 5 0 ermittelt die Größe des fließenden
° Stroms und stellt die Verstärkung ein, um den Strom konstant zu halten. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß die in
Last 22 über die Leitungen 20 und 21 fließende Energie sich unabhängig von dieser Lastimpedanz nicht ändert.
Eine externe Einstelleinrichtung 9 kann der Leistungssteuereinrichtung zugeordnet sein, um die Energie und
- damit die Lichtausbeute der Lampe einzustellen.
Die Leistungssteuereinrichtung kann auch mit der Anzeige ]0 ^es Lampehstroms in einem Lampenstromsensor 60 und
einer Leitung 61 und der Lampenspannung auf einer Leitung 62 versorgt werden. Auf diese Weise kann der Leistungssensor die Impedanz der Lampe berechnen, die, wie zuvor
erläutert, mit dem Alter zunimmt. Wenn daher die Lampe altert, kann die Leistungssteuereinrichtung der Lampe
etwas mehr Energie zuführen und die Abnahme des· Lampenwirkungsgrades
kompensieren, so daß eine konstante Lichtausbeute aufrechterhalten wird.
Bei den Schaltungen der Fig. 2 und 3 kann das gleiche Ergebnis durch richtige Wahl der Größe der den Funktionsverstärker 27 umgebenden Bauelemente und der zugehörigen
Spannungsteiler erzielt werden. Dies ist möglich, da das Spannungs/Strom-Verhältnis, das auf den Schaltinverter
gegeben wird, sich mit dem Alter der Lampe ändert, selbst wenn das Produkt so berechnet wird, daß es konstant
gehalten wird. Durch Beobachtung der Änderung dieses Spannungs/Strom-Verhältnisses kann die geeignete
Wattleistung der Lampe zugeführt werden, um diese Abnahme des Lichterzeugungswirkungsgrades zu kompensieren.
Leerseite
Claims (8)
1. Stabilisierungseinrichtung für Gasentladungslampen, gekennzeichnet durch einen Sperrwandler
(8) mit dem Leistungsfaktor 1 für einen Netzeingang, einen Schaltinverter (16), der ein gleichförmiges gesteuertes
Gleichstromausgangssignal vom Sperrwandler (8) empfängt, ein Wandlernetzwerk (19), das zwischen dem Schaltinverter
(16) und der Gasentladungslampe (2 2) angeordnet ist, um
der Gasentladungslampe ein Hochfrequenzsignal zuzuführen, und ein Signalform- und Abstimmnetzwerk, das mit dem
Sperrwandler (8) zur Erzeugung eines sinusförmigen Laststroms am Ausgang des Sperrwandlers verbunden ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, g e k e η η zeichnet durch einen Strom- und Spannungssensor
zur Einstellung des Ausgangssignales des Sperrwandlers (8), um den Leistungsverbrauch in der Gasentladungslampe
(22) konstant zu halten.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Schaltinverter
]Q ein Leistungsoszillator und Verstärker ist, der die
Gasentladungslampe (22) als integralen Teil umfaßt.
4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Form- und
Abstimmnetzwerk Induktivitäten und eine pulsierende Vorrichtung aufweist, die mit einer ausgewählten Induktivität
verbunden ist, um Hochspannungs-Zündimpulse zu
erzeugen, die notwendig sind, die Gasentladung einzuleiten.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Form- und
Abstimmnetzwerk ein Rückkopplungsnetzwerk bildet.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Schaltinverter
(16) Schaltelemente der Voll- oder Halbbrückenart aufweist und daß die Schaltvorrichtungen deren Treiberteil
sind.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Gleichspannungsquelle mit
einem Filter (2) zur Unterdrückung eingehender und ausgehender elektromagnetischer Störungen, und einen
Gleichrichter (5) zur Erzeugung eines pulsierenden Gleichstroms, der an den Sperrwandler (8) angeschlossen
ist.
8. Hochfrequenz-Spannungsquelle zur Versorgung einer Gasentladungslampe, gekennzeichnet
durch eine Einrichtung zur Erzeugung einer Spannung und eines Stromes von im wesentlichen sinusförmigem Verlauf
für die Gasentladungslampe, bei denen das Produkt aus Spannung und Strom konstant bleibt bzw. in vorbestimmter
Weise als Funktion der Gasentladungsimpedanzänderung und der Alterung der Gasentladungslampe etwas ansteigt.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8131 | Rejection |