DE4436825C2 - Verfahren und elektronische Vorschalteinrichtung zum Betreiben einer Hochdruck-Gasentladungslampe - Google Patents
Verfahren und elektronische Vorschalteinrichtung zum Betreiben einer Hochdruck-GasentladungslampeInfo
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- DE4436825C2 DE4436825C2 DE4436825A DE4436825A DE4436825C2 DE 4436825 C2 DE4436825 C2 DE 4436825C2 DE 4436825 A DE4436825 A DE 4436825A DE 4436825 A DE4436825 A DE 4436825A DE 4436825 C2 DE4436825 C2 DE 4436825C2
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine elektronische
Vorschalteinrichtung zum Betreiben einer Hochdruck-Gasentla
dungslampe, wobei die elektronische Vorschalteinrichtung ei
nen Lampenleistungsfaktor von im wesentlichen 1,0 aufweist.
Elektronische Vorschalteinrichtungen werden an Hochdruck-
Gasentladungslampen betrieben, damit diese kompakter und
leichter als in Verbindung mit einer herkömmlichen indukti
ven Vorschalteinrichtung ausgebildet werden können. Darüber
hinaus ist es bekannt, daß eine elektronische Vorschaltein
richtung gegenüber einer herkömmlichen induktiven Vorschalt
einrichtung dahingehend vorteilhaft ist, daß eine Lampe mit
elektronischer Vorschalteinrichtung mit einem Lampenleistungs
faktor von im wesentlichen 1,0 weniger Lampenspannung und
weniger Lampenstrom benötigt, um eine Nennbetriebsleistung
zu erzielen wie eine Lampe mit herkömmlicher Vorschaltein
richtung mit einem Lampenleistungsfaktor von 0,9 oder weniger.
Dies ist aus den Diagrammen der Fig. 12A und 12B erkennbar,
in denen die Lastcharakteristik einer mit einer elektroni
schen Vorschalteinrichtung betriebenen Lampe mit durchgezo
genen Linien eingezeichnet ist, während die Lastcharakteri
stik einer mit einer herkömmlichen Vorschalteinrichtung be
triebenen Lampe mit gestrichelten Linien eingezeichnet ist.
Fig. 12A zeigt die jeweilige Lastcharakteristik mit der Lam
penleistung WLA entlang der Ordinate und der Lampenspannung
VLA entlang der Abszisse. Fig. 12B zeigt dieselbe Lastcha
rakteristik mit der Lampenspannung VLA entlang der Ordinate
und dem Lampenstrom ILA entlang der Abszisse. Wie es aus den
Figuren erkennbar ist, erfordert eine mit einer elektroni
schen Vorschalteinrichtung betriebene Lampe weniger Nennlam
penspannung V01 und -strom I01 zum Erzeugen der Nennlampen
leistung W0, als es der Nennlampenspannung V02 und dem
-strom I02 für die Lampe entspricht, die mit einer herkömm
lichen Vorschalteinrichtung betrieben wird. Daher ist anzu
nehmen, daß eine elektronische Vorschalteinrichtung zu einer
geringeren Temperaturbelastung einer Lampe führt als eine
herkömmliche Vorschalteinrichtung. Auch was die maximale
Lampenleistung betrifft, führt eine elektronische Vorschalt
einrichtung wegen der kleineren Lampenspannung und des klei
neren Stroms zu kleinerer Leistung als bei einer herkömm
lichen Vorschalteinrichtung, was ebenfalls die Temperatur
belastung verringert. Infolgedessen ist zu erwarten, daß
eine elektronische Vorschalteinrichtung die Lampenbetriebs
dauer verlängert.
Es stellte sich jedoch heraus, daß elektronische Vorschalt
einrichtungen zu verringertet Lampenbetriebsdauer füh
ren. Tatsächlich zeigt es sich, daß verschiedene mit einer
elektronischen Vorschalteinrichtung betriebene Lampen weni
ger als die halbe Lampenbetriebsdauer als solche aufweisen,
die mit einer herkömmlichen Vorschalteinrichtung betrieben
werden. Durch Untersuchungen konnten die Erfinder herausfin
den, daß innerhalb der Bogenröhre einer Lampe stärkere ört
liche Temperaturerhöhungen auftreten, wenn die Lampe mit
einer elektronischen statt einer herkömmlichen Vorschaltein
richtung betrieben wird. Die Untersuchungen konzentrierten
sich auf die Bogenentladungsdichte, die die örtliche Temperatur
einer Lampe repräsentiert. Die Bogenentladungsdichte wurde da
durch gemessen, daß eine horizontal angeordnete Lampe be
trieben wurde, wie in Fig. 14 dargestellt, und sie wurde als
Maximum der Entladungsdichte an einem Punkt X eines zwischen den
Elektroden 2 der Lampe aufgebauten Bogens mit sich entlang
der Länge des Bogens ändernder Entladungsdichte definiert; es ist
bekannt, daß die Entladungsdichte im allgemeinen direkt propor
tional zur örtlichen Temperatur der Lampe ist. Die Unter
suchung wurde ausgeführt, um Punkte mit gleicher Bogenentladungs
dichte dadurch auszumessen, daß die Lampenleistung WLA und
die Spannung VLA jeweils unter Verwendung einer elektroni
schen und einer herkömmlichen Vorschalteinrichtung für drei
Lampen, nämlich eine neue, eine alte, die gerade das Ende
der Lampenlebensdauer erreichte und maximale Lampenspannung
aufwies, und eine dazwischenliegende variiert wurden. Es
wurden Metallhalogenidlampen von 150 W verwendet, wie sie
unter dem Namen HQI-TS 150 W/NDL von Osram, Deutschland
verkauft werden. Für jede Lampe wurden drei Niveaus für die
Bogenentladungsdichte ausgewählt, um Äquientladungsdichtepunkte 1, 2
und 3 mit verschiedenen Niveaus mit zugehörigen verschiede
nen Lampenleitungen und -spannungen zu erhalten, wobei das
Bogenentladungsdichteniveau in der Reihenfolge 3 < 2 < 1 größer
wurde. Die so gemessenen Punkte wurden so aufgetragen, wie
es in Fig. 13 dargestellt ist, um die Linien Neu1, Neu2,
Mitt1 und Mitt2 sowie Alt1 und Alt2 für die neuen, mittleren
bzw. alten Lampen zu erhalten, die jeweils mit der elektro
nischen und der herkömmlichen Vorschalteinrichtung betrieben
wurden, wobei die durchgezogenen Linien und die gestrichel
ten Linien die sich ändernden Bogenentladungsdichte der Lampen
zeigen, die mit der elektronischen bzw. der herkömmlichen
Vorschalteinrichtung betrieben wurden.
Aus Fig. 13 ist erkennbar, daß dann, wenn die Lampenspannung
VLA um die Nennspannung V01 herum liegt, kein wesentlicher
Unterschied hinsichtlich der Lampenleistung vorliegt, wie
sie bei einer elektronischen und einer herkömmlichen Vor
schalteinrichtung erforderlich ist, um zur selben Bogen-
Entladungsdichte zu führen. Wenn jedoch die Lampenspannung auf
grund längerer Gebrauchsdauer der Lampe über die Nennspan
nung V01 ansteigt, sind beträchtliche Unterschiede zwischen
den Lampenleistungen erkennbar, wie sie dazu erforderlich
sind, dieselbe Bogenentladungsdichte der Niveaus 2 bzw. 3 zu er
zielen. Anders gesagt, ist es erkennbar, daß dann, wenn die
Lampenspannung über die Nennlampenspannung ansteigt und die
selben Lampen mit einer elektronischen und einer herkömm
lichen Vorschalteinrichtung so betrieben werden, daß diesel
be Lampenleistung, d. h. derselbe Beleuchtungsgrad erzielt
wird, eine mit einer elektronischen Vorschalteinrichtung be
triebene Lampe eine Bogenentladungsdichte zeigt, die deutlich
größer als diejenige einer mit einer herkömmlichen Vor
schalteinrichtung betriebenen Lampe ist. Dies bedeutet, daß
die elektronische Vorschalteinrichtung zu einer deutlichen
örtlichen Temperaturerhöhung im Vergleich zum Fall mit einer
herkömmlichen Vorschalteinrichtung führt, wenn die Lampen
mit derselben Lampenleistung betrieben werden. Es wird an
genommen, daß eine solche deutliche örtliche Temperatur
erhöhung dem verbesserten Lampenleistungsfaktor zuzuschreiben
ist, wie er mit einer elektronischen Vorschalteinrichtung
erzielbar ist. D. h., daß eine elektronische Vorschaltein
richtung weniger Lampenstrom als eine herkömmliche Vor
schalteinrichtung benötigt, um dieselbe Lampenleistung zu
erhalten, und daß sie einen schmaleren Bogen als eine her
kömmliche Vorschalteinrichtung ergibt, wenn dieselbe mitt
lere Bogentemperatur eingestellt wird.
Demgemäß wird angenommen, daß dann, wenn die Lampenspannung
die Nennspannung übersteigt, der Lampenstrom eine Konzentra
tion im Zentrum des Bogens erfährt, was die Bogenentladungsdichte
oder die maximale Entladungsdichte in der Mitte des Bogens be
trächtlich erhöht. Wenn der Temperaturanstieg in der Lampe
und damit die Bogenentladungsdichte größer wird, wird die aus
Quarzglas bestehende Bogenröhre in ihrer Mitte einer örtli
chen Wärmekonzentration ausgesetzt. Wenn diese ausgeprägt
wird, kommt es im Quarzglas zu Umkristallisierung, was zu
einem weiß eingetrübten Bereich führt. Es ist anzunehmen,
daß dieser weiß eingetrübte Bereich Licht und Wärme vom
Bogen in anderen Bereichen der Röhre reflektiert, wodurch
die Gesamttemperatur der Röhre ansteigt, was schließlich die
Lampe auf ein solches Niveau verschlechtert, daß sie nicht
weiter betreibbar ist. Es wird angenommen, daß bei einer mit
Natrium gefüllten Lampe der örtliche oder der Gesamttempera
turanstieg der Bogenröhre zu, einem Auslecken von Natrium
führt, wodurch sich die Lampeneigenschaften kritisch ver
schlechtern.
Um die vorstehende Schwierigkeit hinsichtlich der Lampen
betriebsdauer zu vermeiden, haben die Erfinder in der japa
nischen Patentveröffentlichung (Kokoku) Nr. 5-76158 ein Ver
fahren zum Betreiben einer Hochdruck-Gasenladungslampe unter
Verwendung einer elektronischen Vorschalteinrichtung mit
einem Lampenleistungsfaktor von ungefähr 1,0 vorgeschlagen.
Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß die Lampenlei
stung abhängig von einer Lampen-Äquientladungsdichtecharakteri
stik so verändert wird, daß die Bogenentladungsdichte über alle
sich ändernden Lampenspannungen auf konstantem Niveau gehal
ten werden soll. Die Äquientladungsdichtecharakteristik ist ana
log zu den drei durchgezogenen Kurven X1, X2 und X3 von Fig.
13, und zwar durch das Aufsuchen von Äquientladungsdichtepunkten,
jedoch ist sie so ausgewählt, daß sie das Bogenentladungsdichte
niveau repräsentiert, das demjenigen entspricht, das bei der
Nennlampenspannung erzeugt wird. Durch dieses Verfahren ist
es möglich, eine ungebührliche Erhöhung der Bogenentladungsdichte
auszuschließen, d. h. einen örtlichen Temperaturanstieg,
wenn die Lampe mit zunehmender Lampenspannung über die Nenn
lampenspannung hinaus betrieben wird, wodurch die Lampen
betriebsdauer verlängert wird.
Obwohl das Verfahren zum Verlängern der Lampenlebensdauer
wirkungsvoll ist, führt es zur neuen Schwierigkeit, daß die
Lampenleistung stark absinkt, mit einer zugehörigen Verrin
gerung des Leuchtflusses, wenn die Lampenspannung über die
Nennspannung ansteigt, wie es aus den Charakteristiken X1,
X2 und X3 in Fig. 13 erkennbar ist.
Aus der EP 0 104 687 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer
Hochdruck-Gasentladungslampe, welche eine Nennlampenspannung
aufweist, und deren Lampenspannung innerhalb der Lampen
lebensdauer ansteigt, bekannt, wobei die Lampenleistung zu
nächst gemäß eines ersten Kennlinienabschnitts durch Zunahme
der Lampenspannung bis zu einer Maximalleistung erhöht wird,
wonach gemäß eines zweiten Kennlinienabschnitts die Leistung
durch weitere Erhöhung der Spannung zurückgenommen wird. Eine
Berücksichtigung der Entladungsdichte der Lampe ist hier je
doch nicht vorgesehen.
In der DE-32 11 240 A1 wird eine Stabilisierungseinrichtung
für Gasentladungslampen vorgeschlagen, durch die der Lampe
unabhängig von einer altersbedingten Impedanzzunahme eine
konstante Leistung zugeführt werden soll. Eine Berücksichti
gung der Entladungsdichte der Lampe bei der Leistungsregelung
findet auch hier nicht statt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und
eine elektronische Vorschalteinrichtung zum Betreiben einer
Hochdruck-Gasentladungslampe zu schaffen, mit der eine lange
Lampenbetriebsdauer erzielt werden kann, ohne daß der Licht
fluß wesentlich absinkt.
Verfahren und Vorrichtung gemäß Erfindung sind durch die
Lehre von Anspruch 1 bzw. 5 gegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die dazugehörige Vorrichtung verlängern
die Lebensdauer einer Hochdruck-Gasentladungslampe und halten die Lampenlei
stung während der ganzen zu erwartenden Lebensdauer auf
einem beständigen Wert. Die Vorrichtung verwendet ein elek
tronisches Vorschaltgerät mit einem Lampenleistungsfaktor von
im wesentlichen 1,0, um die Lampe zu betreiben, die eine
Nennlampenspannung aufweist und eine Lampenspannung zeigt,
die über die gesamte erwartete Lebensdauer der Lampe hinweg
ansteigt.
Für ein erleichtertes Verständnis der Erfindung wird auf
Fig. 1 Bezug genommen. Die Erfindung stützt sich auf einen
schritt, gemäß dem eine Lampen-Äquientladungsdichtecharakteristik
X erhalten wird, entlang der sich die Lampenspannung VLA und
die Lampenleistung WLA auf solche Weise ändern, daß die
Bogenentladungsdichte eines zwischen den Elektroden der Lampe
entstehenden Bogens im wesentlichen auf konstantem Niveau
bleibt. Die Bogenentladungsdichte ist als die maximale Entladungs
dichte des Bogens definiert bei einer sich entlang der Länge des Bogens
verändernden Entladungsdichte. Der vorstehend ge
nannte konstante Pegel ist als diejenige Entladungsdichte defi
niert, die die Lampe ausgibt, wenn sie vom elektronischen
Vorschaltgerät mit der Nennlampenspannung V01 betrieben
wird. Die so erhaltene Lampencharakteristik X wird analy
siert, um eine spezifische Lampenspannung zu bestimmen, bei
der die Charakteristik einen Extrempunkt aufweist, der maxi
maler Lampenleistung Wa entspricht. Die Vorrichtung enthält
eine Einrichtung zum Realisierender Schritte des Betreibens
der Lampe mit einer ersten Lastcharakteristik für eine
Steuerung zum Erhöhen der Lampenleistung WLA im wesentlichen
entlang der Lampencharakteristik X, bis die Lampenspannung
VLA auf die spezifische Lampenspannung Va ansteigt, und des
Betreibens der Lampe, nachdem die Lampenspannung über die
spezifische Lampenspannung Va angestiegen ist, gemäß einer
zweiten Lastcharakteristik für Steuerung zum Halten der Lam
penleistung über der Lampencharakteristik X, ohne daß jedoch
die maximale Lampenleistung Wa überschritten wird, wie auch
zum Halten der Bogenentladungsdichte unter einem vorgegebenen
Grenzniveau.
Die maximale Lampenleistung Wa dient dazu, für eine Ober
grenze der Betriebslampenleistung zu sorgen, unter der die
Lampe mit verlängerter Lebensdauer betrieben werden kann,
praktisch ohne Verringerung des Leuchtflusses, und zwar aus
den unten erörterten Gründen. Durch weitere Untersuchung der
Lampencharakteristik X haben die Erfinder experimentell
herausgefunden, daß die Lampenlebensdauer verkürzt wird,
wenn die Lampenleistung über die maximale Lampenleistung Wa
ansteigt, wenn die Lampenspannung über die spezifische Lam
penspannung Va ansteigt. D. h., daß sich der Bogen dann
stärker biegt, wenn die Lampenspannung ansteigt, wodurch er
der Wand der Bogenröhre näher kommt, was zu einem örtlichen
Temperaturanstieg der Röhre mit zugehörigem ansteigendem
Lampenstrom, d. h. ansteigender Lampenleistung, führt. Es
zeigte sich, daß dieser Effekt des Anstiegs der örtlichen
Temperatur hinsichtlich einer Beschädigung der Lampe kri
tisch wird, wenn die Lampenspannung über die spezifische
Lampenspannung Va ansteigt, mit zugehörigem Ansteigen der
Lampenleistung über die maximale Lampenleistung Wa. Aufgrund
dieser Erkenntnis ist die zweite Lastcharakteristik so fest
gelegt, daß sie über eine Obergrenze der Lampenleistung ver
fügt, die der maximalen Lampenleistung Wa der Äquientladungs
dichtecharakteristik bei der spezifische Lampenspannung Va
entspricht, um eine Beschädigung der Lampe zu vermeiden und
um dadurch verlängerte Lampenbetriebsdauer sicherzustellen.
Auch ist die Obergrenze der Bogenentladungsdichte so festgelegt,
daß die Lampe sicher unter einer maximal zulässigen Lampen
temperatur betrieben wird, wie sie von einem Lampenherstel
ler angegeben wird. Im allgemeinen gibt der Lampenhersteller
die maximal zulässige Lampentemperatur als maximal zulässige
Lampenleistung an, die auf Grundlage eines Betreibens der
Lampe mit einer herkömmlichen Vorschalteinrichtung mit einem
Lampenleistungsfaktor von ungefähr 0,9 bestimmt wird. Daher
treten keine Schwierigkeiten auf, wenn die Lampe innerhalb
der vorgegebenen zulässigen maximalen Lampenleistung betrie
ben wird. Wenn jedoch eine elektronische Vorschalteinrich
tung mit einem Lampenleistungsfaktor von im wesentlichen 1,0
verwendet wird, kann die Lampe überhitzt werden, so daß sie
die maximal zulässige Temperatur überschreitet, wodurch die
Lampe selbst dann beschädigt wird, wenn die Lampenleistung
unter der spezifizierten zulässigen maximalen Lampenleistung
liegt. Unter Berücksichtigung dieser Möglichkeit gibt die
Erfindung eine Obergrenze für die Bogenentladungsdichte an, die
die Lampentemperatur so angibt, daß ein Überhitzen der
Lampe vermieden und eine dadurch verlängerte Lebensdauer
gewährleistet wird, wobei für eine Kompensation der Differenz
der Energiefaktoren für elektronische und herkömmliche Vor
schalteinrichtungen gesorgt ist. Die Obergrenze der Bogenent
ladungsdichte ist als diejenige Bogenentladungsdichte festge
legt, die eine mit einer herkömmlichen Vorschalteinrichtung
betriebenen Lampe kurz vor dem Ende der Lampenlebensdauer er
gibt, d. h. bei der maximalen Betriebslampenspannung Vb.
Vorzugsweise ist die zweite Lastcharakteristik durch eine
Linie mit negativem Gradienten für die Lampenleistung in
bezug auf ansteigende Lampenspannung repräsentiert, die sich
ausgehend vom Punkt der maximalen Lampenleistung Wa bei der
spezifischen Lampenspannung Va zu einem Punkt B der Lampen
leistung bei der Betriebsspannung einer anderen Lampencha
rakteristik Y erstreckt. Die Betriebsspannung ist diejenige,
wie sie erforderlich ist, um eine nahe an ihrer Lebensdauer
befindliche Entladungslampe mit einer herkömmlichen indukti
ven Vorschalteinrichtung zu betreiben, die einen Lampenlei
stungsfaktor von 0,9 oder weniger aufweist. Eine Entladungs
lampe nahe dem Ende ihrer Lebensdauer zeigt eine so hohe
Lampenspannung, daß die Tendenz besteht, daß sie erlischt,
wenn sie mit einer herkömmlichen induktiven Vorschaltein
richtung betrieben wird. Die Lampencharakteristik Y gilt für
eine sich ändernde Lampenleistung in bezug auf die Lampen
spannung, wenn Betrieb mit einer elektronischen Vorschalt
einrichtung erfolgt, während eine unveränderliche Bogenentla
dungsdichte beibehalten wird, die die nahe dem Ende ihrer Le
bensdauer befindliche Lampe bei der Betriebsspannung zeigt,
wenn sie mit einer herkömmlichen Vorschalteinrichtung be
trieben wird. Gemäß der so festgelegten zweiten Lastcharak
teristik erfolgt beständige Steuerung der Lampenleistung, um
verlängerte Lampenlebensdauer zu gewährleisten, wie auch um
ausreichende Lichtabgabe zu erzeugen. Dabei wird erwartet,
daß dann, wenn die Lampe mit der Lampenleistung B oder dar
unter betrieben wird, die der maximal zulässigen Lampen
spannung Vb entspricht, die Lampe verlängerte Lebensdauer
aufweist, die größer ist als oder zumindest gleich groß ist
wie die Lebensdauer einer Lampe, die mit einer herkömmlichen
Vorschalteinrichtung betrieben wird.
Die elektronische Vorschalteinrichtung ist vorzugsweise so
ausgebildet, daß sie die Lampenleistung begrenzt, wenn die
Lampenspannung bis über die maximale Betriebslampenspannung
Vb ansteigt, um die Lampe am Ende der Lampenlebensdauer
zwangsweise zu löschen, wodurch eine unbeabsichtigte Zerstö
rung der Lampe verhindert wird, wie sie auftreten würde,
wenn die Lampe selbst dann, wenn die Lampenspannung über die
maximale Betriebslampenspannung angestiegen ist, mit höherer
Lampenleistung betrieben würde.
Dementsprechend ergibt die elektronische Vorschalteinrich
tung eine zweite Lastcharakteristik, die zu keiner effekti
ven Lampenleistung führt, wenn die Lampenspannung einmal
über die maximale Betriebslampenspannung angestiegen ist,
was anzeigt, daß die Lampe ihr Lebensdauerende erreicht hat,
wodurch die Lampe mit Ablauf der Lampenlebensdauer zwangs
weise gelöscht wird.
Die elektronische Vorschalteinrichtung kann einen Wechsel
richter aufweisen, der eine hochfrequente Wechselspannung
zum Betreiben der Lampe erzeugt und eine Einrichtung zum
Realisieren der ersten und zweiten Lastcharakteristik ent
hält, oder sie kann einen Wechselrichter enthalten, der eine
Rechteckwechselspannung zum Betreiben der Lampe erzeugt und
eine Einrichtung zum Realisieren der ersten und zweiten
Lastcharakteristik enthält.
Die Er
findung wird anhand der folgenden Beschreibung der bevorzug
ten Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen verdeutlicht.
Fig. 1 ist ein Diagramm der Lampenleistung über der Lampen
spannung, das eine erste und eine zweite Lastcharakteristik
für eine Hochdruck-Gasentladungslampe zeigt wie durch die
Erfindung erzielt, nämlich Äquientladungsdichtecharakteri
stiken X und Y für einzelne Bogenentladungsdichtewerte, wobei
der eine für eine Lampe bei Netzspannung gilt und der andere
für eine Lampe am Ende deren Lebensdauer;
Fig. 2 ist ein Schaltbild einer elektronischen Vorschaltein
richtung, wie sie zum Betreiben einer Lampe bei einem ersten
Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet wird;
Fig. 3 ist ein Schaltbild einer in der elektronischen Vor
schalteinrichtung verwendeten Leistungssteuerung;
Fig. 4A bis 4C sind Signalverläufe, die den Strom veran
schaulichen, wie er an verschiedenen Funkten in der Schal
tung von Fig. 2 fließt;
Fig. 5A bis 5G sind Signalverläufe, die die Spannung an
Punkten in der Schaltung von Fig. 3 veranschaulichen, wenn
die Lampe bei einer Lampenspannung unter einer spezifischen
Lampenspannung Va betrieben wird;
Fig. 6A bis 6F sind Signalverläufe, die die Spannung an
Punkten in der Schaltung von Fig. 3 veranschaulichen, wenn
die Lampe bei einer Lampenspannung über der spezifischen
Lampenspannung Va betrieben wird;
Fig. 7 ist ein Schaltbild einer elektronischen Vorschaltein
richtung, wie sie zum Betreiben einer Lampe bei einem zwei
ten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet wird;
Fig. 8A bis 8D sind Signalverläufe, die den Betrieb der
Schaltung von Fig. 7 veranschaulichen;
Fig. 9 ist ein Schaltbild einer elektronischen Vorschaltein
richtung, wie sie zum Betreiben einer Lampe bei einem drit
ten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet wird;
Fig. 10A bis 10D sind Signalverläufe, die den Betrieb der
Schaltung von Fig. 9 veranschaulichen;
Fig. 11 ist ein Schaltbild einer Lampenlöscheinrichtung, die
zur Vorschalteinrichtung beim zweiten Ausführungsbeispiel
hinzugefügt werden kann;
Fig. 12A ist ein Diagramm der Lampenleistung über der Lam
penspannung, wobei eine durchgezogene Linie die Lastcharak
teristik für eine mit einer elektronischen Vorschaltcharak
teristik betriebene Lampe angibt und eine gestrichelte Linie
die Lastcharakteristik für eine mit einer herkömmlichen Vor
schalteinrichtung betriebene Lampe angibt;
Fig. 12B ist ein Diagramm der Lampenspannung über dem Lam
penstrom, wobei eine durchgezogene Linie die Lastcharakteri
stik für eine mit einer elektronischen Vorschalteinrichtung
betriebene Lampe angibt und eine gestrichelte Linie die
Lastcharakteristik für eine mit einer herkömmlichen Vor
schalteinrichtung betriebene Lampe angibt;
Fig. 13 ist ein Diagramm der Lampenleistung über der Lampen
spannung, die mehrere Kurven für die Bogenentladungsdichte
bei drei verschiedenen Niveaus dreier Lampen mit verschiede
nen Betriebslampenspannungen zeigt, wobei durchgezogene
Linien die Lampencharakteristiken für die mit einer elektro
nischen Vorschalteinrichtung betriebenen Lampen und gestri
chelte Linien die Lampencharakteristiken für die mit einer
herkömmlichen Vorschalteinrichtung betriebenen Lampen zei
gen; und
Fig. 14 ist eine schematische Ansicht betreffend der Ent
stehung eines Bogens zwischen den Elektroden einer Bogen
röhre der Lampe.
Es wird zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen, in der eine
erste und eine zweite Lampencharakteristik dargestellt ist,
gemäß denen eine Hochdruck-Entladungslampe unter Verwendung
einer elektronischen Vorschalteinrichtung durch Verändern
der Lampenleistung WLA mit ansteigender Lampenspannung VLA
während der erwarteten Lampenlebensdauer betrieben wird. Die
erste und die zweite Charakteristik werden durch Äquientla
dungsdichtekurven X und Y bestimmt, wie sie jeweils für eine
Standardlampe so erhalten werden, daß sich Punkte gleicher
Bogenentladungsdichte bei verändernder Lampenleistung ergeben.
Die Bogenentladungsdichte ist als maximale Entladungsdichte eines
Bogens definiert, der zwischen den Elektroden einer Bogen
röhre einer Standardlampe entsteht, wenn diese in horizonta
ler Lage von der elektronischen Vorschalteinrichtung betrie
ben wird. Wie es in Fig. 14 dargestellt ist, ergibt sich
maximale Entladungsdichte im Mittelpunkt X des zwischen den Elek
troden 2 entstehenden Bogens 3, mit sich ändernder Entladungs
dichte entlang der Länge des Bogens; die Entladungsdichte zeigt die
örtliche Temperatur der Bogenröhre an. Die verwendete Stan
dardlampe ist eine Metallhalogenidlampe "HQI-TS 150 W/NDL"
mit 150 W, wie von Osram, Deutschland erhältlich. Die ver
wendete elektronische Vorschalteinrichtung weist einen Lam
penleistungsfaktor von im wesentlichen 1,0 auf, und sie er
zeugt eine Nennlampenspannung V0 zum Erzeugen einer Nennlam
penleistung W0. Die Nennlampenspannung V0 ist kleiner als
die Nennlampenspannung, wie sie vom Lampenhersteller für die
Verwendung mit einer herkömmlichen, sogenannten induktiven
Vorschalteinrichtung, die einen strombegrenzenden Transfor
mator verwendet und einen Lampenleistungsfaktor von ungefähr
0.9 oder darunter aufweist, angegeben wird.
Die Äquientladungsdichtekurve X kennzeichnet Punkte der Bogenent
ladungsdichte, die derjenigen Bogenentladungsdichte entspricht,
die die Lampe bei der Nennlampenspannung V0 zeigt, und sie wird
durch Verändern der Lastimpedanz der Lampe bei sich ändernder
Lampenleistung erhalten. Die andere Äquientladungsdichtekurve Y
kennzeichnet Punkte einer Bogenentladungsdichte, die derjenigen
Bogenentladungsdichte entspricht, die die Lampe gerade am Ende
ihrer Betriebslebensdauer erreicht, d. h. mit maximaler Be
triebslampenspannung Vb bei Betrieb mit einer herkömmlichen
Vorschalteinrichtung; die Kurve wird durch Verändern der
Lastimpedanz der Lampe und der Lampenleistung erhalten. Da
her wird die Lampenentladungsdichte ausgehend von Punkten der
Kurve X zu solchen der Kurve Y größer. Die Äquientladungsdichte
kurve X weist bei einer spezifischen Spannung Va einen
Extrempunkt auf, der zu einer maximalen Lampenleistung Wa
führt. Die erste Lastcharakteristik, entlang der die Lampe
betrieben wird, ist durch ein Segment der Äquientladungsdichte
kurve X definiert, das bis zur maximalen Lampenleistung Wa
reicht, wie sie bei der spezifischen Lampenspannung Va gera
de über der Nennspannung V0 erreicht wird. Die zweite Last
charakteristik ist so definiert, daß sie sich über einen
schraffierten Bereich Z ausgehend vom Punkt der maximalen
Lampenleistung Wa bei der spezifischen Lampenspannung Va
erstreckt, wenn die Lampenspannung ausgehend von der spezi
fischen Lampenspannung Va weiter bis zur maximalen Betriebs
lampenspannung Vb ansteigt. Der Bereich Z ist über der Kurve
X ausgehend von dieser definiert und weist seine Obergrenze
bei der maximalen Lampenleistung Wa auf.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, in
dem die Begriffe "Step-down-Chopper" und "Step-up-Chopper"
für Tief- bzw. Hochsetzsteller verwendet sind, werden
die erste und zweite Lastcharakteristik durch eine elektro
nische Vorschalteinrichtung mit der Schaltungsanordnung von
Fig. 2 realisiert. Die elektronische Vorschalteinrichtung
weist einen Step-up-Chopper 10 auf, der so ausgebildet ist,
daß er dann, wenn er an eine Wechselspannungsquelle AC ange
schlossen wird, aus dieser eine geglättete, in Schritten an
steigende Gleichspannung erzeugt, die dann von einem Step
down-Chopper 20 abgesenkt wird, um eine sich ergebende
Gleichspannung über ein Filter 30 an einen Wechselrichter 40
auszugeben. Der Wechselrichter erzeugt aus der eingegebenen
Gleichspannung eine Wechselspannung zum Betreiben einer
Lampe 1. Zwischen den Step-down-Chopper 20 und das Filter 30
ist ein Spannung/Strom-Detektor 50 eingefügt, der eine Teil
spannung der eingegebenen Gleichspannung als die Lampenspan
nung VLA anzeigend an den Wechselrichter 40 ausgibt, wie
auch eine Spannung ausgibt, die den Lampenstrom ILA anzeigt.
Der Step-up-Chopper 10 weist eine Drossel 11, einen Brücken
gleichrichter 12 mit Dioden, einen Kondensator 13, eine
Drossel 14, einen MOSFET 15, eine Diode 16 und einen Glät
tungskondensator 17 auf. Der MOSFET 15 wird durch eine
Chopper/Wechselrichter-Steuerung 60 angesteuert, um die pul
sierende Gleichspannung vom Gleichrichter 12 mit einer Fre
quenz von 40 bis 50 kHz zu schalten, d. h. zu zerhacken, um
die schrittweise ansteigende Gleichspannung am Glättungskon
densator 17 zu erzeugen. Der Step-down-Chopper weist einen
MOSFET 21, eine Diode 22 und eine Drossel 23 auf. Der MOSFET
21 wird von einer Leistungssteuerung 70 so angesteuert, daß
er die schrittweise ansteigende Spannung mit einer hohen
Frequenz von 20 bis 60 kHz mit veränderlichem Tastverhältnis
zerhackt, um eine sich schrittweise verkleinernde Gleich
spannung auszugeben, um über die Drossel 23 einen Strom I1
mit dreieckigem Verlauf auszugeben, wie in Fig. 4A darge
stellt. Durch das Filter 30 aus einem Kondensator 31 und
einer Drossel 32 wird dann die Hochfrequenzkomponente aus
dem Strom I1 herausgefiltert, um an den Wechselrichter 40
einen geglätteten Gleichstrom I2 auszugeben.
Der Wechselrichter 40 weist zwei in Reihe geschaltete Paare
von MOSFETs 41 bis 44 auf, die als Vollbrücke angeordnet
sind, und vier Dioden 45 bis 48, die jeweils antiparallel zu
jedem MOSFET geschaltet sind. Der Eingang der MOSFET-Brücke
ist so angeschlossen, daß er den Strom I2 über das Filter 30
erhält, und ihr Ausgang ist mit der Lampe 1 verbunden. Die
MOSFETs werden auf solche Weise von der Chopper/Wechselrich
ter-Steuerung 60 betrieben, daß jeweils gleichzeitig das
diagonal gegenüberliegende Paar aus dem ersten und vierten
MOSFET 41 und 44 ein- und ausgeschaltet wird, während das
andere Paar aus dem zweiten und dritten MOSFET 42 und 43
aus- und eingeschaltet wird, um einen Lampenstrom ILA mit
rechteckigem Signalverlauf mit niedriger Frequenz von 60 bis
400 Hz auszugeben, wie in Fig. 4C dargestellt, um die Lampe
1 zu betreiben. Der Spannung/Strom-Detektor 50 weist einen
Spannungsteiler aus Widerständen 51 und 52 auf, die an den
Eingang des Wechselrichters 40 angeschlossen sind, um ein
Spannungssignal zu erzeugen, das die Lampenspannung VLA
anzeigt. Auch ist ein Strommeßwiderstand 53 vorhanden, der
den Lampenstrom ILA überwacht und ein entsprechendes Span
nungssignal ausgibt. Diese Spannungssignale werden Anschlüs
sen (h) und (g) der Leistungssteuerung 70 zugeführt, die
darauf so reagiert, daß sie das Tastverhältnis des MOSFETs
21 des Step-down-Choppers 20 auf rückgekoppelte Weise verän
dert, wie dies unten erörtert wird.
Wie in Fig. 3 dargestellt, weist die Leistungssteuerung 70
einen Lampenspannungsverstärker 80, einen Lampenspannungs
diskriminator 90, einen Lampenstromverstärker 100 und einen
Impulsbreitenmodulator 110 auf. Der Lampenspannungsverstär
ker 80 weist einen Operationsverstärker 81 auf, der so ange
schlossen ist, daß er die die Lampenspannung anzeigende
Teilspannung vom Anschluß (h) über einen Widerstand 82 er
hält und die Lampenspannung durch Widerstände 83, 84 und 85
verstärkt, um an einen Differenzverstärker 86 eine sich er
gebende Ausgangsspannung auszugeben. Der Differenzverstärker
86 liefert eine sich ändernde Spannung Vx, die größer wird,
wenn die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 81 klei
ner wird. Der Lampenspannungsdiskriminator 90 weist einen
Komparator 91 auf, dessen nichtinvertierender Eingang so
angeschlossen ist, daß er vom Anschluß (h) dieselbe die
Lampenspannung anzeigende Spannung erhält, und dessen inver
tierender Eingang so angeschlossen ist, daß er von einer
Spannungsquelle 92 eine Bezugsspannung V2 erhält. Die Be
zugsspannung V2 ist so ausgewählt, daß sie der spe zifischen
Lampenspannung Va (wie in Fig. 1 angegeben) entspricht, so
daß der Komparator 91 ein Ausgangssignal mit hohem Pegel
liefert, wenn die Lampenspannung die spezifische Lampenspan
nung Va übersteigt. Wenn dies auftritt, wird ein Transistor
93 eingeschaltet, um den Widerstand 85 parallel zum Wider
stand 84 zu schalten, um dadurch den Verstärkungsfaktor des
Operationsverstärkers 81 zu erhöhen und damit die Spannung
Vx vom Differenzverstärker 86 zu verringern. Der Lampen
stromverstärker 100 weist einen Operationsverstärker 101
auf, der so angeschlossen ist, daß er vom Anschluß (g) die
den Lampenstrom anzeigende Spannung empfängt, um diese durch
Widerstände 102, 103 und einen Kondensator 104 zu verstär
ken. Das sich ergebende Ausgangssignal Vy wird einem Kompa
rator 71 zugeführt und wird dort mit der Spannung Vx vom
Differenzverstärker 86 so verglichen, daß der Komparator 71
eine Ausgangsspannung Ve, wie sie in den Fig. 5E und 6E
dargestellt ist, ausgibt, die hoch ist, wenn Spannung Vy vom
Lampenstromverstärker 100 größer als die Spannung Vx vom
Lampenspannungsverstärker 80 ist. Das Ausgangssignal des
Komparators 71 wird einem NOR-Gatter 72 zugeführt. Der
Impulsbreitenmodulator (PWM) 110 weist einen Impulsgenerator
111 auf, der einen sägezahnförmigen Impuls VPL, wie er in
den Fig. 5A und 6A dargestellt ist, gemeinsam an die inver
tierenden Eingänge eines ersten und eines zweiten Kompara
tors 112 und 113 ausgibt. Der erste Komparator 112 ver
gleicht die Spannung Vy vom Lampenstromverstärker 100 mit
dem sägezahnförmigen Impuls VPL vom Impulsgenerator 110, um
ein sich ergebendes Ausgangssignal VCP1, wie es in den Fig.
5C und 6C dargestellt ist, an ein ODER-Gatter 73 auszugeben,
während der zweite Komparator 113 die Spannung VPL mit einer
von einer Spannungsquelle 114 gelieferten Bezugsspannung V1
vergleicht, um ein sich ergebendes Ausgangssignal VCP2, wie
es in den Fig. 5B und 6B dargestellt ist, an das ODER-Gatter
73 auszugeben. Das ODER-Gatter 73 reagiert so, daß es eine
sich ergebende Spannung Vd, wie sie in den Fig. 5D und 6D
dargestellt ist, an das NOR-Gatter 72 ausgibt, das seiner
seits eine Steuerspannung Vf mit sich änderndem Tastverhält
nis, wie in den Fig. 5F und 6F dargestellt, liefert. Die
Steuerspannung Vf wird über einen Treiber 120 so ausgegeben,
daß sie den MOSFET 21 im Step-down-Chopper 20 zum Verändern
der EIN-Periode ansteuert, um dadurch den Lampenstrom ILA
einzustellen und damit die Lampenleistung WLA abhängig von
der gemessenen Lampenspannung und dem Lampenstrom so zu
steuern, wie es von der Leistungssteuerung 70 bestätigt
wird.
Der Betrieb des Einstellens der Lampenleistung wird nun
unter Bezugnahme auf die Fig. 5A bis 5F und die Fig. 6A bis
6F erörtert. Wenn die Lampenleistung VLA unter derjenigen
liegt, die zur spezifischen Spannung Va gehört, wird der
Transistor 93 ausgeschaltet gehalten, wodurch der Verstärker
81 mit einem Verstärkungsfaktor arbeitet, was eine relativ
hohe Spannung Vx ergibt, wie in Fig. 5A dargestellt, die ab
nimmt, wenn die Lampenspannung zur spezifischen Lampenspan
nung Va hin ansteigt. Die Spannung Vx wird mit der Spannung
Vy verglichen, um die Spannung Ve zu ergeben, wie in Fig. 5E
dargestellt, die nur dann hoch ist, wenn Vx < Vy gilt.
Gleichzeitig wird die Spannung Vy im ersten Komparator 112
des PWMs 110 mit dem Sägezahnimpuls VPL verglichen, um die
Spannung VCP1 zu erhalten, wie in Fig. 5C dargestellt, deren
Periode mit hohem Pegel verkürzt wird, wenn die Lampenspan
nung ansteigt. Dies, weil dann, wenn die Lampenspannung so
ansteigt, daß sie zu einer entsprechend zunehmenden Impedanz
führt, die an den Ausgang des Step-down-Choppers 20 ange
schlossen ist, die Spannung Vy, die den vom Step-down-Chop
per an den Wechselrichter 40 gelieferten Strom I1 repräsen
tiert, eine verlangsamte ansteigende Flanke aufweist, wie
durch Vy' in Fig. 5G gekennzeichnet, wodurch die Dauer ver
kürzt wird, während der Vy den Pegel des Sägezahnimpulses
VPL übersteigt. Die sich ergebende Spannung VCP1 wird am
ODER-Gatter 73 mittels der Spannung VCP2 mit festgelegter
Dauer des hohen Pegels aufgetastet, um die Spannung Vd zu
ergeben, wie in den Fig. 5B bis 5D dargestellt. Anschließend
wird die Spannung Vd am NOR-Gatter 72 mit der Spannung Ve
aufgetastet, um die Spannung Vf zu ergeben, deren Dauer mit
hohem Pegel die EIN-Periode, d. h. das Tastverhältnis des
MOSFETs 21, festlegt. Auf diese Weise steigt die Spannung
VCP1 dann, wenn die Lampenspannung VLA zur spezifischen
Spannung Va hin ansteigt, später auf "hoch" um dadurch die
Dauer hohen Pegels der Spannung Vd zu verkürzen, was seiner
seits die Dauer hohen Pegels der Spannung Vf verlängert, wie
durch Pfeile in den Figuren gekennzeichnet. Dadurch wird
dafür gesorgt, daß der Lampenstrom mit zugehörigem Ansteigen
der Lampenleistung WLA gemäß der oben angegebenen ersten
Charakteristik, wie in Fig. 1 dargestellt, ansteigt. Dabei
werden der Verstärkungsfaktor des Lampenspannungsverstärkers
80 und des Lampenstromverstärkers 90 so gewählt, daß die
Spannung Vy kritischer als die Spannung Vx geändert wird,
wenn die Lampenspannung zur spezifischen Lampenspannung Va
ansteigt, so daß Vy im wesentlichen alleine dafür zuständig
ist, das Tastverhältnis des MOSFETs 21 zu verändern, um die
Lampenleistung WLA einzustellen. Es wird darauf hingewiesen,
daß die Bezugsspannung V1 so ausgewählt ist, daß sich eine
Ausgangsspannung VCP2 mit festgelegtem Tastverhältnis zum
Begrenzen der Einschaltdauer des MOSFETs 21 ergibt, um den
MOSFET 21 vor unerwünschten Belastungen zu schützen.
Wenn die Lampenspannung VLA während der Lampenlebensdauer
weiter über die spezifische Lampenspannung Va ansteigt, ar
beitet der Lampenspannungsdiskriminator 90 so, daß er den
Transistor 93 einschaltet, damit der Operationsverstärker 80
mit einem höheren Verstärkungsfaktor arbeitet, um eine wei
ter verstärkte Lampenspannung auszugeben, die ihrerseits die
Ausgangsspannung Vx des Differenzverstärkers 81 verringert.
Die Fig. 6A bis 6F veranschaulichen Signalverläufe für die
Spannung Vs, Vy, VCP2, VCP1, Vd, Ve und Vf, wenn die Lampen
spannung die spezifische Lampenspannung Va überschritten
hat. In Verbindung damit wird die Spannung Vx abgesenkt,
wenn die Lampenspannung in der Richtung einer verlängerten
Dauer mit hohem Pegel der Spannung Ve ansteigt, wodurch die
Dauer hohen Pegels der Spannung Vf verkürzt wird, d. h. die
Einschaltdauer des MOSFETs 21 verkürzt wird, wie durch Pfei
le in den Figuren gekennzeichnet. Indessen erfährt die an
den Wechselrichter 40 gegebene, den Strom I1 kennzeichnende
Spannung Vy andererseits eine weiter verlangsamte ansteigen
de Flanke, wodurch die Tendenz besteht, daß die Dauer hohen
Pegels (Vy < Vx) der Spannung Ve verkürzt wird und seiner
seits die Dauer hohen Pegels der Spannung Vf in Richtung
einer ansteigenden Einschaltdauer des MOSFETs 21 verlängert
wird, im Gegensatz zum Effekt der kleiner werdenden Spannung
Vx. Im Hinblick darauf wird der hohe Verstärkungsfaktor, mit
dem der Operationsverstärker 81 arbeitet, auf einen Wert
ausgewählt, daß der Verringerungseffekt von Vx den Effekt
der verzögerten ansteigenden Flanke von Vy überwiegt. So
wird der MOSFET 21 dann, wenn die Lampenspannung über die
spezifische Spannung Va ansteigt, so gesteuert, daß er mit
abnehmendem Tastverhältnis arbeitet, um dadurch den Lampen
strom, d. h. die Lampenleistung, abhängig von der oben
beschriebenen zweiten Lastcharakteristik, wie sie in Fig. 1
dargestellt ist, zu begrenzen, wodurch die Lampenleistung
WLA so eingestellt wird, daß sie die maximale Lampenleistung
Wa nicht überschreitet. Durch geeignetes Wählen der Verstär
kungsfaktoren für die Verstärker 80 und 100 ist es möglich,
das Tastverhältnis des MOSFETs 21 zu minimieren oder sogar
auf Null zu verringern, wenn die Lampenspannung auf die
maximale Lampenbetriebsspannung Vb ansteigt, um demgemäß die
Lampenleistung zu minimieren, um dadurch den Lampenbetrieb
zu beenden, wenn die Lampenspannung einmal die Lampenspan
nung Vb erreicht. Z. B. kann die Spannung Vx auf einen sol
chen Wert abgesenkt werden, daß immer Vy < Vx erfüllt ist,
damit sich keine Dauer mit hohem Pegel der Spannung Vf
ergibt, wenn die Lampenspannung die maximale Lampenbetriebs
spannung Vb erreicht hat.
Eine elektronische Vorschalteinrichtung bei einem zweiten
Ausführungsbeispiel der Erfindung weist einen Schaltungsauf
bau auf, der im wesentlichen mit dem der Schaltung von Fig.
2 übereinstimmt, jedoch eine Leistungssteuerung 70A verwen
det, die sich von der Schaltung von Fig. 3 unterscheidet.
Die Leistungssteuerung 70A analysiert die Lampenspannung,
wie sie als Teilspannung vom Detektor 50 geliefert wird, um
den MOSFET 21 auf rückgekoppelte Weise zu steuern.
Wie in Fig. 7 dargestellt, weist die Lampensteuerung 70A
einen Lampenspannungsverstärker 80A, einen Lampenspannungs
diskriminator 90A und einen Impulsbreitenmodulator 110A auf,
die über dieselbe Schaltungskonfiguration wie in der Schal
tung von Fig. 3 verfügen, die jedoch anders angeordnet sind.
Gleiche Komponenten sind mit den gleichen Zahlen bezeichnet,
jedoch mit dem Zusatzbuchstaben "A" versehen. Das Ausgangs
signal V80 des Operationsverstärkers 81A und das Ausgangs
signal V86 des Differenzverstärkers 86A werden über jeweili
ge Dioden 87 und 88 zugeführt, um eine gemeinsame Ausgangs
spannung Vx zu ergeben, die dem jeweils größeren Ausgangs
signal der Verstärker 81A und 86A entspricht. Bei diesem
Ausführungsbeispiel werden die Verstärkungsfaktoren des Ope
rationsverstärkers 81A und des Differenzverstärkers 86A so
ausgewählt, daß die Spannung V86 größer als die Spannung V80
ist, wenn die gemessene Lampenspannung VLA unter der spezi
fischen Lampenspannung Va liegt, und daß die Spannung V80
größer als die Spannung V86 ist, wenn die gemessene Lampen
spannung VLA die spezifische Lampenspannung Va übersteigt.
Demgemäß wird die Spannung Vx durch die Spannung V86 festge
legt, bis die Lampenspannung auf die Spannung Va angestiegen
ist, und sie wird durch die Spannung V80 festgelegt, nachdem
die Lampenspannung über die Spannung Va angestiegen ist. Der
Lampenspannungsdiskriminator 90A ist so ausgebildet, daß er
den Verstärkungsfaktor von niedrig auf hoch ändert, wenn die
gemessene Lampenspannung die maximal zulässige Lampenspan
nung Vb erreicht hat, was anzeigt, daß sich die Lampe so
verschlechtert hat, daß sie das Ende ihrer Lebensdauer er
reicht hat. D. h., daß die Bezugsspannung V2 des Lampen
spannungsdiskriminators 90A so ausgewählt ist, daß sie der
Spannung Vb entspricht, im Gegensatz zum Fall beim ersten
Ausführungsbeispiel, bei dem die Bezugsspannung V2 der spe
zifischen Lampenspannung Va entspricht. Die Spannung Vx wird
dem nichtinvertierenden Eingang des ersten Komparators 112A
des PWMs 110A zugeführt und mit der Spannung des Sägezahn
impulses vom Impulsgenerator 111A verglichen, um das Aus
gangssignal VCP1 zu ergeben. Das Ausgangssignal VCP1 des
ersten Komparators 112A und das Ausgangssignal VCP2 des
zweiten Komparators 113A werden dann, am ODER-Gatter 73A
durchgelassen, um eine Spannung zu ergeben, die über ein
NICHT-Gatter 74 invertiert wird, um eine Steuerspannung Vf
zu ergeben, um den MOSFET 21 zum Einstellen der Lampenlei
stung WLA ein- und auszuschalten.
Der Betrieb der Leistungssteuerung 70A wird nun unter Bezug
nahme auf die Fig. 8A bis 8D erörtert. So lange, bis die
Lampenspannung auf die spezifische Spannung Va, wie sie in
Fig. 1 angegeben ist, angestiegen ist, nimmt die Spannung
Vx, die durch die Spannung V86 vom Differenzverstärker 86A
festgelegt ist, ab, was die Dauer hohen Pegels der Ausgangs
spannung VCP1 des Komparators 112A verkürzt, was seinerseits
die Einschaltdauer der Steuerspannung Vf erhöht, wodurch der
MOSFET 21 mit zunehmendem Tastverhältnis eingeschaltet wird,
um die Lampenleistung WLA gemäß der ersten Lastcharakteris
tik zu erhöhen. Nachdem die Lampenspannung die spezifische
Lampenspannung Va überschritten hat, steigt die Spannung Vx,
die nun durch die Spannung V80 vom Operationsverstärker 81A
festgelegt ist, an, wenn die Lampenspannung weiter ansteigt,
um dadurch die Dauer hohen Pegels der Ausgangsspannung VCP1
des ersten Komparators 112A zu verlängern. Dadurch wird die
Einschaltdauer der Steuerspannung Vf in Richtung einer
Begrenzung des Lampenstroms zum Einstellen der Lampenleis
tung WLA gemäß der zweiten Lastcharakteristik, wie sie gemäß
Fig. 1 festgelegt ist, verringert. D. h., daß die Lampen
leistung WLA durch geeignetes Auswählen der Verstärkungs
faktoren der Verstärker 81A und 86A so gesteuert werden
kann, daß sie auf der maximalen Lampenleistung Wa gehalten
wird oder so abnimmt, daß sie durch den in Fig. 1 darge
stellten schraffierten Bereich geht, wenn die Lampenspannung
VLA auf die maximal zulässige Lampenspannung Vb ansteigt.
Wenn die Lampenspannung die Spannung Vb erreicht, arbeitet
der Operationsverstärker 81A mit dem hohen Verstärkungsfak
tor, um dadurch den Transistor 93A des Lampenspannungsdis
kriminators 90A einzuschalten, was eine sich entsprechend
erhöhende Spannung V80 und damit Vx ergibt, um dadurch den
Lampenstrom und damit die Lampenleistung WLA schnell abzu
senken, um den Betrieb der Lampe zu beenden, sobald die
Lampenspannung die Spannung Vb erreicht hat. Wenn die Lam
penleistung durch geeignetes Auswählen der Verstärkungsfak
toren der Verstärker 80A und 86A so ausgewählt wird, daß sie
entlang einer in Fig. 1 angegebenen Linie A-B abnimmt, kann
die Lampenleistung, nachdem die Lampenspannung dies Spannung
Vb überschritten hat, so begrenzt werden, daß der Betrieb
der Lampe praktisch beendet wird, ohne daß der Lampenspan
nungsdiskriminator 90A verwendet wird.
Fig. 9 veranschaulicht eine elektronische Vorschalteinrich
tung bei einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die elektronische Vorschalteinrichtung weist einen Step-up-
Chopper 10B mit derselben Konfiguration, wie beim ersten
Ausführungsbeispiel verwendet, auf, der von einer Chopper
steuerung 60B angesteuert wird, um eine schrittweise anstei
gende Gleichspannung von einer Spannungsquelle AC an einen
Wechselrichter 40B zu liefern. Der Wechselrichter 40B weist
ein Paar in Reihe an den Ausgang des Step-up-Choppers 10B
angeschlossene Kondensatoren 141 und 142 auf, um diese durch
die Ausgangsspannung zu laden. Ein Paar MOSFETs 143 und 144
ist so mit den Kondensatoren 141 und 142 verschaltet, daß
eine Halbbrücke gebildet ist. Dioden 145 und 146 sind je
weils antiparallel zu den MOSFETs 143 und 144 geschaltet.
Eine Entladungslampe 1 ist in Reihe mit Drosseln 147 und 148
zwischen den Verbindungspunkt zwischen den Kondensatoren 141
und 142 und den Verbindungspunkten zwischen den MOSFETs 143
und 144 geschaltet. Ein Kondensator 149 ist parallel zur
Reihenschaltung aus der Lampe 1 und der Drossel 148 geschal
tet. Die MOSFETs 143 und 144 werden auf solche Weise durch
eine Wechselrichtersteuerung 150 gesteuert, daß einer der
MOSFETs wiederholt innerhalb eines festgelegten Zyklus, in
dem der andere MOSFET ausgeschaltet ist, ein- und ausschal
tet, wie in den Fig. 10A und 10B dargestellt, um eine Wech
selspannung mit rechteckigem Signalverlauf an die Lampe 1
anzulegen. Während eines Zyklus, in dem der MOSFET 143 wie
derholt ein- und ausschaltet, während der MOSFET 144 ausge
schaltet gehalten wird, entlädt sich der Kondensator 141,
während der MOSFET 143 eingeschaltet ist, wodurch in einem
geschlossenen Kreis vom Kondensator 141 zum MOSFET 143, der
Drossel 148, der Lampe 1 und der Drossel 147 ein Strom
fließt, wehrend Energie entsprechend in die Drossel 147 ein
gespeichert wird. Wenn der MOSFET 143 ausgeschaltet wird,
wird Energie aus der Drossel 147 freigesetzt, um einen kon
tinuierlichen Strom durch einen zweiten geschlossenen Kreis
von der Drossel 147 zum Kondensator 142, der Diode 146, der
Drossel 148 und der Lampe 1 zu führen. Beim anschließenden
Zyklus, in dem der MOSFET 144 wiederholt ein- und ausge
schaltet wird, während der MOSFET 143 ausgeschaltet gehalten
wird, entlädt sich der Kondensator 142, wenn der MOSFET 144
eingeschaltet wird, um einen Strom durch einen geschlossenen
Kreis vom Kondensator 142 zur Drossel 147, der Lampe 1, der
Drossel 147 und zum MOSFET 144 zu führen, während zugehörige
Energie in der Drossel 147 abgespeichert wird. Wenn der
MOSFET 144 ausgeschaltet wird, wird Energie aus der Drossel
147 freigesetzt, um den Strom durch einen geschlossenen
Kreis von der Drossel 147 zur Lampe 1, der Drossel 148, der
Diode 145 und zum Kondensator 141 fortzuführen. Auf diese
Weise sieht die Drossel 147 einen Strom I147 mit dem in Fig.
10C dargestellten Signalverlauf, und zwar auf das Ein- und
Ausschalten der MOSFETs 143 und 144 hin, aus welchem Strom
I147 dann die Hochfrequenzkomponente durch die Kombination
aus der Drossel 148 und dem Kondensator 149 entfernt wird,
um einen Wechselrichterstrom IINV mit rechteckigem Signal
verlauf zum Betreiben der Lampe 1 zu erzeugen, wie in Fig.
10D dargestellt.
Die Wechselrichtersteuerung 150 enthält einen Integrierer,
bestehend aus einem Widerstand 152 und einem Kondensator 153, die
in Reihe an den Verbindungspunkt zwischen der Lampe 1 und
der Drossel 147 angeschlossen sind, um am Kondensator 153
eine Meßspannung auszugeben, die die an die Lampe 1 angeleg
te Lampenspannung anzeigt. Die so erfaßte Spannung wird
einer Leistungssteuerung 70B zugeführt, die identischen Auf
bau wie die beim zweiten Ausführungsbeispiel von Fig. 7 ver
wendete Steuerung 70A aufweist, um eine Ausgangsspannung Vf
mit hoher Frequenz mit einem Tastverhältnis, das sich abhän
gig von der gemessenen Lampenspannung ändert, auszugeben,
wie unter Bezugnahme auf die Fig. 8A bis 8D beim zweiten
Ausführungsbeispiel erläutert. In der Wechselrichtersteue
rung 150 ist ein Niederfrequenz-PWM 160 enthalten, der aus
einem einen niederfrequenten Impuls erzeugenden Impulsgene
rator 161, einem Flip-Flop 162 und einem Paar NAND-Gatter
163 und 164 besteht, die abwechselnd aktiviert werden, um
jeweils einen niederfrequenten Impuls mit einem Tastverhält
nis von ungefähr 50% auszugeben. Die sich ergebenden nie
derfrequenten Ausgangsspannungen der NAND-Gatter 163 und 164
werden jeweils UND-Gattern 154 und 155 zugeführt, wo sie mit
der Ausgangsspannung Vf der Leistungssteuerung 70B UND-ver
knüpft werden, um über einzelne Treiber 156 und 157 Steuer
signale zum Ein- und Ausschalten der MOSFETs 143 und 144 zu
erzeugen. D. h., daß während der Aktivierungsdauer jedes der
MOSFETs 143 und 144, wie sie durch die Periode hohen Pegels
des niederfrequenten Impulses vom PWM 160 festgelegt wird,
das Tastverhältnis der MOSFETs so eingestellt wird, daß es
sich abhängig von der gemessenen Lampenspannung VLA ändert,
um den Lampenstrom, d. h. die Lampenleistung WLA, abhängig
von der Ladecharakteristik auf dieselbe Weise zu verändern,
wie es beim zweiten Ausführungsbeispiel erläutert wurde.
Fig. 11 veranschaulicht eine Lampen-Zwangslöscheinrichtung
170, die in Kombination mit der Leistungssteuerung 70A des
zweiten Ausführungsbeispiels verwendet werden kann, um den
Betrieb der Lampe zu beenden, nachdem sie sich so ver
schlechtert hat, daß sie zu übermäßiger Bogenentladungsdichte
führen würde, was zu einer gefährlichen Zerstörung der Lampe
führen könnte. Die Löscheinrichtung 170 weist ein Paar eines
ersten und eines zweiten Komparators 171 und 172 auf, deren
Ausgangssignale über ein ODER-Gatter 175 durchgelassen wer
den, um ein Steuersignal an ein UND-Gatter 176 zu liefern.
Der erste Komparator 171 vergleicht die die Lampenspannung
anzeigende gemessene Spannung, die ihm an seinem nichtinver
tierenden Eingang zugeführt wird, mit einer ersten Bezugs
spannung V3, die durch eine mit seinem invertierenden Ein
gang verbundene Spannungsquelle 173 festgelegt wird. Der
zweite Komparator 172 vergleicht dieselbe gemessene Span
nung, die seinem invertierenden Eingang zugeführt wird, mit
einer zweiten Bezugsspannung V4, die durch eine mit seinem
nichtinvertierenden Eingang verbundene Spannungsquelle 174
festgelegt wird. Die Bezugsspannung V3 ist so ausgewählt,
daß sie einer Sekundärspannung entspricht, die der Wechsel
richter ohne Last ausgibt, während die Bezugsspannung V4 so
ausgewählt ist, daß sie der maximalen Lampenbetriebsspannung
Vb, wie sie in Fig. 1 angegeben ist, entspricht. Demgemäß
gibt das ODER-Gatter 175 dann, wenn sich die Lampe nach
fortgesetztem Betrieb so verschlechtert hat, daß sie eine
Lampenspannung über der Spannung Vb erfordert und gleichzei
tig die gemessene Spannung kleiner als die Sekundärspannung
ist, ein Ausgangssignal niedrigen Pegels aus, um die Steuer
spannung Vf am Durchlaufen durch das UND-Gatter zu hindern,
um dadurch den Betrieb des Wechselrichters einzustellen.
Andernfalls kann die Steuerspannung Vs durch den Treiber
120A geleitet werden, um die zugehörigen MOSFETs ein- und
auszuschalten, um den Wechselrichter auf gesteuerte Weise zu
betreiben, um die Lampenleistung WLA abhängig von der vor
stehend erläuterten Lastcharakteristik zu verändern.
Claims (7)
1. Verfahren zum Betreiben einer Hochdruck-Gasentladungs
lampe (1) mit einer elektronischen Vorschalteinrichtung mit
einem Lampenleistungsfaktor von ungefähr 1,0, wobei die Ent
ladungslampe eine Nennlampenspannung V0 aufweist und die Lam
penspannung innerhalb der Lampenlebensdauer ansteigt, mit den
Verfahrensschritten:
Festlegen einer Lanpe-Äquientladungsdichtekurve X ent lang der sich die Lampenspannung und die Lampenleistung auf solche Weise ändern, daß die Bogenentladungsdichte eines Ent ladungsbogens, der zwischen den Elektroden der Lampe ent steht, auf einen im wesentlichen konstantem Wert gehalten wird, wobei die Bogenentladungsdichte die maximale Entla dungsdichte des über seine Länge eine sich verändernde Entla dungsdichte aufweisenden Entladungsbogen ist, und wobei der konstante Wert so festgelegt ist, daß er derjenigen Entla dungsdichte entspricht, die die Lampe erzeugt, wenn sie mit der elektronischen Vorschalteinrichtung mit Nennlampenspan nung V0 bei einer Nennlampenleistung W0 betrieben wird;
Bestimmen einer spezifischen Lampenspannung Va aus der Lampe-Äquientladungsdichtekurve X als diejenige Spannung, bei der sich die maximale Lampenleistung Wa ergibt und
Betreiben der Lampe mit einer ersten Lastcharakteristik zum Einstellen eines Anstiegs der Lampenleistung im wesentli chen entlang der Lampe-Äquientladungsdichtekurve X, bis die Lampenspannung die spezifische Lampenspannung Va erreicht hat, und, nachdem die Lampenspannung über die spezifische Lampenspannung Va angestiegen ist, mit einer zweiten Lastcha rakteristik (A-B) zum Halten der Lampenleistung unterhalb der maximalen Lampenleistung Wa und zum Halten der Bogenentla dungsdichte unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes und oberhalb des die Lampe-Äquientladungsdichtekurve X definie renden konstanten Wertes.
Festlegen einer Lanpe-Äquientladungsdichtekurve X ent lang der sich die Lampenspannung und die Lampenleistung auf solche Weise ändern, daß die Bogenentladungsdichte eines Ent ladungsbogens, der zwischen den Elektroden der Lampe ent steht, auf einen im wesentlichen konstantem Wert gehalten wird, wobei die Bogenentladungsdichte die maximale Entla dungsdichte des über seine Länge eine sich verändernde Entla dungsdichte aufweisenden Entladungsbogen ist, und wobei der konstante Wert so festgelegt ist, daß er derjenigen Entla dungsdichte entspricht, die die Lampe erzeugt, wenn sie mit der elektronischen Vorschalteinrichtung mit Nennlampenspan nung V0 bei einer Nennlampenleistung W0 betrieben wird;
Bestimmen einer spezifischen Lampenspannung Va aus der Lampe-Äquientladungsdichtekurve X als diejenige Spannung, bei der sich die maximale Lampenleistung Wa ergibt und
Betreiben der Lampe mit einer ersten Lastcharakteristik zum Einstellen eines Anstiegs der Lampenleistung im wesentli chen entlang der Lampe-Äquientladungsdichtekurve X, bis die Lampenspannung die spezifische Lampenspannung Va erreicht hat, und, nachdem die Lampenspannung über die spezifische Lampenspannung Va angestiegen ist, mit einer zweiten Lastcha rakteristik (A-B) zum Halten der Lampenleistung unterhalb der maximalen Lampenleistung Wa und zum Halten der Bogenentla dungsdichte unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes und oberhalb des die Lampe-Äquientladungsdichtekurve X definie renden konstanten Wertes.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der vorgegebene Grenz
wert der Bogenentladungsdichte als diejenige Bogenentladungs
dichte definiert ist, die die Lampe erzeugt, wenn sie ihre
maximale Lampenbetriebsspannung Vb kurz vor dem Ende der Lam
penlebensdauer erreicht hat und mit einer induktiven Vor
schalteinrichtung betrieben wird, die einen Lampenleistungs
faktor von 0,9 oder weniger aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Last
charakteristik durch eine Gerade (A-B) mit einem negativen
Gradienten der Lampenleistung in bezug auf die ansteigende
Lampenspannung repräsentiert ist, wobei die Gerade sich vom
Punkt der maximalen Lampenleistung Wa bei der spezifischen
Lampenspannung Va zu einem Punkt einer Lampenleistung Wb bei
einer zweiten Lampenspannung Vb auf einer zweiten Lampe-
Aquientladungsdichtekurve Y erstreckt, wobei die zweite Lam
penspannung Vb diejenige Lampenspannung ist, die dazu erfor
derlich ist, eine sich nahe am Ende ihrer Lebensdauer befind
liche Entladungslampe mit einer induktiven Vorschalteinrich
tung bei einem Lampenleistungsfaktor von 0,9 oder weniger zu
betreiben, und die zweite Lampe-Aquientladungsdichtekurve Y
diejenige Lampenleistung zeigt, wie sie für eine sich ändern
de Lampenspannung erhalten wird, wenn die Lampe mit der elek
tronischen Vorschalteinrichtung betrieben wird, während eine
Bogenentladungsdichte aufrechterhalten wird, die derjenigen
entspricht, die sich bei einer nahe dem Ende ihrer Lebens
dauer befindliche Lampe bei der zweiten Lampenspannung Vb
zeigt, wenn sie mit der induktiven Vorschalteinrichtung bei
einem Lampenleistungsfaktor von 0,9 oder weniger betrieben
wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Lampe (1) abge
schaltet wird, wenn die Lampenspannung über die zweite Lam
penspannung Vb ansteigt.
5. Elektronische Vorschalteinrichtung mit einem Lampenlei
stungsfaktor von ungefähr 1,0 zum Betreiben einer Hochdruck-
Gasentladungslampe (1) gemäß einem der in den Ansprüchen 1
bis 4 wiedergegebenen Verfahren, mit
einem Gleichrichter (10; 10B) zum Erzeugen einer Gleich spannung aus dem Signal einer Wechselspannungsquelle (AC);
einem mit dem Gleichrichter (10; 10B) verbundenen Tief setzsteller (20) mit einer Schalteinrichtung (21; 143, 144) zum Unterbrechen der Gleichspannung, um einen begrenzten Gleichstrom zu erzeugen;
einem mit dem Tiefsetzsteller (20) verbundenen Filter (30) zum Glätten des Gleichstroms;
einem mit dem Filter (30) verbundenen Wechselrichter (40) zum Erzeugen einer Wechselspannung aus dem geglätteten Gleichstrom zum Betreiben der Lampe; und
einer mit dem Gleichrichter (10; 10B) und dem Tiefsetz steller (20) verbundenen Steuervorrichtung (50, 60, 70; 70A; 60B, 70B), die eine Leistungssteuerung (70; 70A; 70B) und ei ne Einrichtung (50) zum Messen der an der Lampe (1) anliegen den Lampenspannung aufweist,
wobei die Leistungssteuerung das Tastverhältnis der Schalteinrichtung des Tiefsetzstellers (20) entsprechend der gemessenen Lampenspannung so ändert, daß die Lampenleistung entsprechend der ersten und zweiten Lastcharakteristik angepaßt wird.
einem Gleichrichter (10; 10B) zum Erzeugen einer Gleich spannung aus dem Signal einer Wechselspannungsquelle (AC);
einem mit dem Gleichrichter (10; 10B) verbundenen Tief setzsteller (20) mit einer Schalteinrichtung (21; 143, 144) zum Unterbrechen der Gleichspannung, um einen begrenzten Gleichstrom zu erzeugen;
einem mit dem Tiefsetzsteller (20) verbundenen Filter (30) zum Glätten des Gleichstroms;
einem mit dem Filter (30) verbundenen Wechselrichter (40) zum Erzeugen einer Wechselspannung aus dem geglätteten Gleichstrom zum Betreiben der Lampe; und
einer mit dem Gleichrichter (10; 10B) und dem Tiefsetz steller (20) verbundenen Steuervorrichtung (50, 60, 70; 70A; 60B, 70B), die eine Leistungssteuerung (70; 70A; 70B) und ei ne Einrichtung (50) zum Messen der an der Lampe (1) anliegen den Lampenspannung aufweist,
wobei die Leistungssteuerung das Tastverhältnis der Schalteinrichtung des Tiefsetzstellers (20) entsprechend der gemessenen Lampenspannung so ändert, daß die Lampenleistung entsprechend der ersten und zweiten Lastcharakteristik angepaßt wird.
6. Elektronische Vorschalteinrichtung nach Anspruch 5, wo
bei der Wechselrichter (40) eine hochfrequente Wechselspan
nung zum Betreiben der Lampe (1) erzeugt.
7. Elektronische Vorschalteinrichtung nach Anspruch 5, wo
bei der Wechselrichter (40) ein niederfrequente Wechselspan
nung mit rechteckigem Signalverlauf zum Betreiben der Lampe
(1) erzeugt.
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