DE3417794A1

DE3417794A1 - Schaltungsanordnung zur regelung der brennspannung von hochdruckgasentladungslampen

Info

Publication number: DE3417794A1
Application number: DE19843417794
Authority: DE
Inventors: Hans-Günther 5190 Stolberg Ganser; Ralf Dr. 5100 Aachen Schäfer; Hans-Peter Dr. 5190 Stolberg Stormberg
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1984-05-14
Filing date: 1984-05-14
Publication date: 1985-11-14
Also published as: US4891563A; HU191780B; DE3567788D1; CA1256935A; EP0164774B1; JPS60250596A; EP0164774A1; HUT38026A

Description

PHILIPS PATENTVERWALTUNG GMBH PHD 84-076

Schaltungsanordnung zur Regelung der Brennspannung von Hochdruckgasentladungslampen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Regelung der Brennspannung von Hochdruckgasentladungslampen auf einen vorgegebenen Nominalwert, bestehend aus einem der Lampe vorgeschalteten steuerbaren Strombegrenzer sowie einer diesen steuernden Regelschaltung, deren Ausgangssignal von der Differenz zwischen einem vorgegebenen, die nominale Lampenbrennspannung bestimmenden Sollwert und einem von der jeweiligen Lampenbrennspannung abhängigen Istwert bestimmt wird.

Beim Betrieb von Hochdruckgasentladungslampen treten Probleme auf durch Schwankungen der Lampenbrennspannung, z.B. infolge Änderung der Netzspannung, sowie durch Änderung der Lampenbrennspannung während der Lebensdauer der Lampe. Dies kann zu einer Überlastung der Lampe und damit zur Verkürzung ihrer Lebensdauer führen. Bei Natriumhochdruckentladungslampen mit erhöhtem Natriumdruck tritt darüber hinaus der unerwünschte Effekt auf, daß sich mit der Lampenbrennspannung auch die Farbeigenschaften der Lampe ändern. Unterschiede in der Lampenbrennspannung treten nicht nur durch die bereits erwähnten Alterungserscheinungen im Laufe der Lebensdauer auf, sondern können auch durch Fertigungstoleranzen verursacht sein. Vielfach erhöht sich die Lampenbrennspannung im Laufe ihrer Lebensdauer; es kann jedoch auch eine Verringerung der Brennspannung während dieser Zeit auftreten.

Unter einer Regelung der Lampenbrennspannung auf einen vorgegebenen Nominalwert sei daher auch zu verstehen, daß für alle Lampen eines Typs derselbe Wert der Brennspannung eingestellt wird. Dies ist nicht gleichbedeutend mit einer

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Leistungsstabilisierung, da aufgrund von Fertigungstoleranzen zur Erzielung der gleichen Lampenbrennspannung unterschiedliche Leistungsaufnahmen der einzelnen Lampen nötig sein können. Aus demselben Grunde ist es auch nicht möglich, nur den Lampenstrom zu stabilisieren.

Aus der EP-OS 0 104 687 ist eine eingangs erwähnte Schaltungsanordnung bekannt, bei der die Brennspannung von Hochdruckgasentladungslampen geregelt wird, wenn deren augenblickliche Brennspannung die gewünschte nominale Brennspannung um mehr als 10 % übersteigt. Hierfür wird eine komplizierte und aufwendige Regelschaltung verwendet. Bei einer Erniedrigung der Lampenbrennspannung wird hierbei jedoch nicht nachgeregelt. Je Volt Änderung der Lampenbrennspannung ist bei der bekannten Schaltung nur maximal 1,5 % Änderung der Lampenleistung zur Regelung der Lampenbrennspannung zulässig, da sonst Instabilitäten in der Lampe auftreten. Eine solche geringe Lampenleistungsänderung ist jedoch nicht bei allen Lampentypen ausreichend, um Änderungen der Lampenbrennspannung befriedigend ausgleichen zu können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Regelung der Brennspannung von Hochdruckgasentladungslampen, insbesondere von Natriumdampf-Hochdruckgasentladungslampen, zu schaffen, die eine genaue Regelung der Lampenbrennspannung auf einen vorgegebenen Nominalwert ermöglicht, ohne daß hierdurch Instabilitäten beim Lampenbetrieb auftreten. Dabei sollen sowohl Brennspannungen, die über dem Nominalwert liegen, als auch Brennspannungen unterhalb dieses Nominalwertes geregelt werden.

Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung eingangs erwähnter Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß

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parallel zur Lampe ein Heizelement geschaltet ist, das in Wärmekontakt mit einem temperaturabhangigen elektrischen Bauelement steht, das die von der jeweiligen Lampenbrennspannung abhängige Istwertspannung erzeugt. 5

Je nach Lampenbrennspannung wird hierbei das Heizelement mehr oder weniger aufgeheizt. Die Widerstandsverluste P des Heizelementes R hängen entsprechend der Gleichung P = Ul^/r mit der Lampenbrennspannung Ul zusammen und sind somit eine geeignete Größe zur Brennspannungsstabilisierung. Diese Verluste werden dann durch Aufheizen eines temperaturabhangigen elektrischen Bauelementes in ein elektrisch meßbares und damit elektronisch nachführbares Signal umgewandelt.

Bei z.B. sprunghafter Änderung des Lampenstromes, hervorgerufen durch Netzspannungsschwankungen, beträgt die thermische Zeitkonstante der Lampe, d.h., die Zeit zwischen der ebenfalls sprunghaften anfänglichen Änderung der Brennspannung und dem danach erfolgenden Durchlaufen des Ausgangswertes, je nach Lampentyp zwischen mehreren Sekunden und einigen Minuten. Für ein stabiles Regelverhalten ist es daher vorteilhaft, wenn die thermische Zeitkonstante der aus dem Heizelement und dem temperaturabhängigen elektrischen Bauelement bestehenden Einheit in der Größenordnung der thermischen Zeitkonstanten der Lampe liegt.

Würde man Spannungsänderungen mit derart großen Zeitkonstanten elektronisch regeln wollen, so wären für derartige Regelschaltungen hochwertige und teure Kondensatoren und Operationsverstärker notwendig, um Leckströme möglichst gering zu halten. Aus diesem Grunde wird bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung eine Regelschaltung verwendet, die keine elektronischen Integratoren auf-

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weist, sondern deren notwendige Regelzeitkonstante durch die thermische Trägheit der aus dem Heizelement und dem temperaturabhängigen elektrischen Bauelement bestehenden Einheit erreicht wird.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Schaltungsanordnung nach der Erfindung wird die Istwertspannung zusammen mit der Sollwertspannung einem Differenzverstärkersystem zugeführt, dessen Ausgangssignal den steuerbaren Strombegrenzer steuert.

Vorzugsweise ist das temperaturabhängige Bauelement mit einem weiteren elektrischen Bauelement sowie mit einer Spannungsquelle in Reihe geschaltet und wird die Istwertspannung an dem Verbindungspunkt der beiden Bauelemente abgegriffen.

Um die Regelung der Lampenbrennspannung von einer Änderung der Umgebungstemperatur unabhängig zu machen, wird gemäß einer Weiterbildung nach der Erfindung die Sollwertspannung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur gesteuert. Änderungen der Umgebungstemperatur lassen sich ebenfalls kompensieren, wenn das mit dem vom Heizelement beaufschlagten temperaturabhängigen Bauelement in Reihe geschaltete weitere elektrische Bauelement ebenfalls temperaturabhängig ist.

Das temperaturabhängige Bauelement kann ein temperaturabhängiger Widerstand (NTC- oder PTC-Widerstand), ein SiIiziumtemperatursensor oder eine Zenerdiode mit temperaturabhängiger Zenerspannung sein.

Einige Ausführungsbeispiele nach der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen: 35

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Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zur Regelung der Brennspannung einer Hochdruckentladungslampe mit einer den der Lampe vorgeschalteten Strombegrenzer steuernden Regelschaltung,
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Fig. 2 eine bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 anwendbare Regelschaltung mit einem temperaturabhangigen Widerstand und

Fig. 3 eine bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ebenfalls anwendbare Regelschaltung mit einer Zenderdiode mit temperaturabhängiger Zenerspannung.

Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 sind mit A und B Eingangsklemmen zum Anschließen an ein Wechselspannungsnetz von z.B. 220 V, 50 Hz, bezeichnet. An diese Eingangsklemmen ist eine aus einer Hochdruckentladungslampe 1 und einem steuerbaren Strombegrenzer 2 bestehende Reihenschaltung angeschlossen. Parallel zur Lampe 1, die insbesondere eine Natriumhochdruckentladungslampe ist, liegt eine Regelschaltung 3, der an ihrem ersten Eingang C, D die Lampenbrennspannung und an einem anderen Eingang F, G eine vorgegebene, die nominale Lampenbrennspannung bestimmende Sollwertspannung zugeführt wird, die von einer Gleich-Spannungsquelle 4 erzeugt wird. Die Regelschaltung 3 erzeugt an ihrem Ausgang H eine Spannung, wenn die zeitlich gemittelte Lampenbrennspannung von ihrem Nominalwert abweicht. Diese Ausgangsspannung wird dann dem steuerbaren Strombegrenzer 2 zugeführt, der die Lampenleistung verringert, wenn die Lampenbrennspannung oberhalb ihres Nominalwertes liegt, und erhöht, wenn die Brennspannung unterhalb ihres Nominalwertes liegt, so daß insgesamt immer eine Rückführung der Lampenbrennspannung auf ihren Nominalwert erfolgt.

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Als steuerbare Strombegrenzer sind Schaltungen mit Drosselspulen und Triacs geeignet, wie sie z.B. in den US-PS 4 162 429, 3 886 405 und 4 037 148 beschrieben sind. Ebenso können auch elektronische Schaltnetzteile, wie Durchfluß- oder Sperrwandler, benutzt werden.

Nunmehr wird die in Fig. 2 dargestellte Regelschaltung 3 beschrieben. Die am ersten Eingang C, D liegende Lampenspannung wird einem als Heizwiderstand 5 ausgeführten Heizelement zugeführt, das parallel zur Lampe 1 geschaltet ist und in Wärmekontakt mit einem temperaturabhängigen Widerstand 6, in diesem Fall einem NTC-Widerstand, steht. Derartige Baueinheiten sind unter der Bezeichnung "indirekt geheizte Heißleiter" im Handel erhältlich oder lassen sich in einfacher Weise aus Heizwiderständen und NTC-Widerständen herstellen. Diese Anordnung hat den Vorteil einer galvanischen Trennung zwischen dem mit der Lampe 1 verbundenen Heizwiderstand 5 und dem NTC-Widerstand 6, wodurch die Regelschaltung 3 auf ein beliebiges Potential gelegt werden kann, was die Ansteuerung des Strombegrenzers 2 erleichtert.

Die Zeitkonstante T, mit der der NTC-Widerstand 6 auf Änderungen der am Heizwiderstand 5 anliegenden Lampenspannung reagiert, kann durch Änderung der thermischen Kopplung in einfacher Weise zwischen einige Sekunden und einige Minuten eingestellt und damit der thermischen Zeitkonstanten der Lampe 1 angepaßt werden.

Der NTC-Widerstand 6 liegt mit einem ohmschen Widerstand sowie einer Gleichspannungsquelle von z.B. 10 V in Reihe und bildet somit einen Spannungsteiler, an dessen Verbindungspunkt 8 der beiden Widerstände 6 und 7 eine vom Istwert der Lampenbrennspannung abhängige Spannung abgegriffen wird. Diese Istwertspannung wird dann dem ersten

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Eingang Ei eines Differenzverstärkers 9 zugeführt, während auf dessen zweiten Eingang E2 eine die nominale Lampenbrennspannung bestimmende Sollwertspannung gegeben wird, welche von der Gleichspannungsquelle 4 stammt. Der Differenzverstärker 9 braucht nicht ein einzelner Verstärker zu sein, sondern kann auch aus einer geeigneten Kombination mehrerer Verstärker bestehen. Wenn die Lampenbrennspannung ihren Nominalwert übersteigt, so erfolgt eine größere Erwärmung des Heizwiderstandes 5 und damit des mit ihm thermisch gekoppelten NTC-Widerstandes 6. Infolgedessen erniedrigt sich desssen Widerstand mit der Zeitkonstanten T, wodurch die Spannung am Eingang E-| des Differenzverstärkers 9 den die nominale Lampenbrennspannung bestimmenden Sollwert überschreitet. Dies führt dann zu einer Änderung der Ausgangsspannung am Ausgang H des Differenzverstärkers 9, die ebenfalls mit der Zeitkonstanten T erfolgt. Diese Ausgangsspannung steuert den Strombegrenzer 2, der wiederum eine die Überspannung der Lampe herabsetzende Leistungsänderung bewirkt. Ein analoger Ablauf mit vertauschten Vorzeichen ergibt sich, wenn die Lampenbrennspannung ihren Nominalwert unterschreitet. Die Regelschaltung 3 verhält sich praktisch wie ein Integralregler.

Ein Nachteil der in Fig. 2 dargestellten Regelschaltung besteht darin, daß sich der Spannungsteiler aus dem NTC-Widerstand 6 und dem ohmschen Widerstand 7 auch bei Schwankungen der Umgebungstemperatur ändert, was insbesondere bei in einem Lampenfuß integrierten Vorschaltgeräten auftritt. Dieser Nachteil läßt sich jedoch vermeiden, wenn an Stelle des ohmschen Widerstandes 7 ebenfalls ein NTC-Widerstand benutzt wird, dessen Temperaturcharakteristik mit der des NTC-Widerstandes 6 übereinstimmt. Wenn man dann den zweiten NTC-Widerstand (7) weit genug entfernt vom Heizwiderstand 5 anordnet, bleibt das

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Spannungsteilerverhältnis bei Änderungen der Umgebungstemperatur konstant.

Anstelle des NTC-Widerstandes 6 kann auch ein Siliziumtemperatursensor (z.B. KTY 83 von Valvo) verwendet werden. Derartige Siliziumtemperatursensoren haben im allgemeinen eine geringere Streuung der Temperaturcharakteristik als NTC-Widerstände. Da Siliziumtemperatursensoren einen positiven Temperaturkoeffizienten haben, müßten in diesem Fall jedoch die Eingänge E-j und E2 des Differenzverstärkers vertauscht werden.

Bei der Regelschaltung nach Fig. 3 ist eine Reihenschaltung aus einem ohmschen Widerstand 7 und einer Zenerdiode 10 mit temperaturabhängiger Zenerspannung vorgesehen (z.B. TBDO135 von Thomson CSF). Wenn die Lampenbrennspannung steigt, so erfolgt über den Heizwiderstand 5 eine erhöhte Heizung der Zenerdiode 10, wodurch ihre Zenerspannung steigt. Dies führt analog zur Schaltung mit NTC-Widerständen (Fig. 2) zu einer Erhöhung der Spannung am Eingang Ei des Differenzverstärkers 9. Ferner ist in dieser Regelschaltung eine dem Eingang E2 des Differenzverstärkers zugeführte Sollwertspannung vorgesehen, die von der Umgebungstemperatur abhängt. Zu diesem Zweck ist eine weitere Reihenschaltung aus einer Zenerdiode 11 mit temperaturabhängiger Zenerspannung, einem ohmschen Widerstand 12 und einer Gleichspannungsquelle vorgesehen. Am Verbindungspunkt zwischen der Zenerdiode 11 und dem Widerstand 12 wird eine von der Umgebungstemperatur abhängige Sollwertspannung abgegriffen. Hierdurch erreicht man, daß bei Änderungen der Umgebungstemperatur sich die Spannungen an den Eingängen Ei und E2 des Differenzverstärkers 9 in etwa gleicher Weise ändern. Somit ist das am Ausgang H erzeugte Ausgangssignal annähernd unabhängig von der Umgebungstemperatur, so daß auch die geregelte Lampenbrennspannung nicht von der Umgebungstemperatur beeinflußt wird.

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

λί Schaltungsanordnung zur Regelung der Brennspannung von Hochdruckgasentladungslampen auf einen vorgegebenen Nominalwert, bestehend aus einem der Lampe vorgeschalteten steuerbaren Strombegrenzer sowie einer diesen steuernden Regelschaltung, deren Ausgangssignal von der Differenz zwischen einem vorgegebenen, die nominale Lampenbrennspannung bestimmenden Sollwert und einem von der jeweiligen Lampenbrennspannung abhängigen Istwert bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Lampe (1) ein Heizelement (5) geschaltet ist, das in Wärmekontakt mit einem temperaturabhängigen elektrischen Bauelement (6 bzw. 10) steht, das die von der jeweiligen Lampenbrennspannung abhängige Istwertspannung erzeugt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Zeitkonstante der aus dem Heizelement (5) und dem temperaturabhängigen elektrischen Bauelement (6; 10) bestehenden Einheit in der Größenordnung der thermischen Zeitkonstanten der Lampe (1) liegt.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Istwertspannung zusammen mit der Sollwertspannung einem Differenzverstärker (9) zugeführt wird, dessen Ausgangssignal den steuerbaren Strombegrenzer (2) steuert.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das temperaturabhängige Bauelement (6; 10) mit einem weiteren elektrischen Bau-

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element (7) sowie mit einer Spannungsquelle in Reihe geschaltet ist und die Istwertspannung an dem Verbindungspunkt (8) der beiden Bauelemente abgegriffen wird.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß die Sollwertspannung in
Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur gesteuert wird.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere elektrische Bauelement ebenfalls temperaturabhängig ist.
7. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das temperaturabhängige Bauelement ein temperaturabhängiger Widerstand (6) ist.
8. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das temperaturabhängige Bauelement ein Siliziumtemperatursensor ist.
9. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das temperaturabhängige Bauelement eine Zenerdiode (10) mit temperaturabhängiger
Zenerspannung ist.