EP1420617A1 - Verfahren zum Betreiben einer Gasentladungslampe und Vorschaltgerät - Google Patents

Verfahren zum Betreiben einer Gasentladungslampe und Vorschaltgerät Download PDF

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EP1420617A1
EP1420617A1 EP03025840A EP03025840A EP1420617A1 EP 1420617 A1 EP1420617 A1 EP 1420617A1 EP 03025840 A EP03025840 A EP 03025840A EP 03025840 A EP03025840 A EP 03025840A EP 1420617 A1 EP1420617 A1 EP 1420617A1
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voltage
lamp
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brightness
operating
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EP03025840A
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Jürgen Ludwig
Christian Paul
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Diehl Aerospace GmbH
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Diehl Aerospace GmbH
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    • H05B41/14—Circuit arrangements
    • H05B41/36—Controlling
    • H05B41/38—Controlling the intensity of light
    • H05B41/39—Controlling the intensity of light continuously
    • H05B41/392—Controlling the intensity of light continuously using semiconductor devices, e.g. thyristor
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    • H—ELECTRICITY
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    • H05B41/00—Circuit arrangements or apparatus for igniting or operating discharge lamps
    • H05B41/14—Circuit arrangements
    • H05B41/26—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc
    • H05B41/28—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc using static converters
    • H05B41/282—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc using static converters with semiconductor devices
    • H05B41/285—Arrangements for protecting lamps or circuits against abnormal operating conditions
    • H05B41/2858—Arrangements for protecting lamps or circuits against abnormal operating conditions for protecting the lamp against abnormal operating conditions

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a gas discharge lamp according to the preamble of claim 1 or claim 2 and a ballast for performing this method.
  • Gas discharge lamps such as B. Fluorescent lamps can either use DC voltage or operated with AC voltage. Usually high-frequency AC voltages with frequencies between 20 and 50 kHz, in aircraft electrical systems used between 360 and 800 Hz.
  • the invention is therefore based on the object of a generic method for operating a gas discharge lamp and a ballast for implementation propose this method with which the gas discharge lamp flicker-free can be operated.
  • the lamp in the lower brightness range with DC voltage and this superimposed voltage pulses or also only with voltage pulses is operated while it is optional in the upper brightness range with DC voltage, with DC voltage and superimposed voltage pulses or operated with (preferably high frequency) AC voltage can be.
  • the voltage pulses have a decaying sinusoidal shape.
  • the repetition frequency of the Voltage pulses are above approximately 100 Hz, the natural frequency of the voltage pulses is again above the repetition frequency.
  • the lamp DC voltage component preferably reduced to zero
  • the repetition frequency of the voltage pulses are reduced, the voltage or the energy of the impulses are reduced or the natural frequency of the Impulses increased and thus their width reduced.
  • the lamp can be reversed.
  • the cathode of the lamp can also be heated becomes.
  • the heat output is only increased until the on the Lamp voltage applied is no longer reduced.
  • a ballast for performing the above method is characterized in that that a burning voltage source for supplying the DC voltage and a pulse source for supplying the voltage pulses in the ballast are available or can be connected to it. Furthermore, means for heating the lamp electrodes, for polarity reversal of the lamp and / or for measuring the Lamp lamp voltage can be provided or connected.
  • a fluorescent lamp 10 is dc voltage and superimposed with this, operated sinusoidal voltage pulses.
  • the voltage pulses (see lines 1 in Figure 1a-c) have the shape of a - very strongly decaying - sine.
  • the fluorescent lamp 10 in the upper brightness range (100% to 10% of the possible brightness or the possible lamp current) is operated Lamp DC voltage component on which the voltage pulses are superimposed, high (see envelope, dashed line 2 in Figure 1a). Because the lamp is in operation is very low-impedance with a high current (at high brightness), the Voltage with the decay of the superimposed voltage pulse immediately up to to the DC voltage component (strong damping).
  • the fluorescent lamp 10 in the medium brightness range (10% to 1% of the maximum brightness or the maximum lamp current) is the DC voltage component lower (see envelope, dash-dotted line 3 in Figure 1b).
  • the internal resistance of the lamp increases so that the voltage after decay the voltage pulse slows down to the DC voltage component (medium damping).
  • the fluorescent lamp 10 If the fluorescent lamp 10 is in an even lower brightness range (below of 1% of the maximum brightness or the maximum lamp current) operated, the DC voltage component is further reduced until it finally is brought back to zero. As the lamp current continues to decrease, the Internal resistance of the lamp continues to rise, the drop in voltage runs after the voltage impulses have subsided again more slowly (see envelope, dotted line 4 in Figure 1c; weak damping).
  • the repetition frequency can the voltage pulse is lowered, d. H. the time between two on each other following impulses can be increased. A further decrease in brightness the lamp is also due to a lowering of the voltage or the energy of impulses possible. It can also reduce brightness further still increases the natural frequency of the pulses, d. H. their temporal breadth is reduced become.
  • FIG. 2 shows a fluorescent lamp 10 connected to a ballast 11.
  • a pulse source 12, an operating voltage source, is also connected to the ballast 11 13 and an internal voltage measuring device 14, which (not shown) are operatively connected to and via control electronics to be controlled.
  • the ballast 11 comprises two heating sources 15.1 and 15.2 for heating the electrodes 16.1 and 16.2 of the fluorescent lamp 10 and one Polarity reversal unit 17 and current regulating devices 18.1, 18.2 and 18.3.
  • a toggle the switch 19.1 to 19.4 reverses the polarity of the fluorescent lamp 10 both with regard to the voltage of the burning voltage source 13 and also with regard to heating by heating sources 15.1 and 15.2.
  • the current regulator 18.1 and 18.3 provide the desired heating current through electrodes 16.1 and 16.2 Fluorescent lamp 10, while the current regulator 18.2 the desired current through the fluorescent lamp 10. Together with the current regulator 18.2
  • the fuel voltage source 13 forms a current source, which is used for the operation of the Fluorescent lamp 10 supplies the necessary electricity. This causes on the fluorescent lamp 10 a voltage drop, the lamp operating voltage.
  • the heating sources 5.1 and 5.2 can alternatively also directly on the electrodes 6.1 and 6.2 the lamp.
  • the polarity of the lamp will then only be two switches required.
  • the voltage pulse source 12 can also be in series with the fluorescent lamp 10 are located.

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  • Circuit Arrangements For Discharge Lamps (AREA)
  • Discharge-Lamp Control Circuits And Pulse- Feed Circuits (AREA)

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Gasentladungslampe, vorzugsweise einer Leuchtstofflampe (10), vorgeschlagen, bei dem die Lampe zumindest teilweise mit einem Gleichspannungsanteil betrieben wird und diesem bis auf Null absenkbarem Gleichspannungsanteil Spannungsimpulse überlagert werden. Ein Vorschaltgerät (11) zur Durchführung dieses Verfahrens ist derart ausgeführt, dass eine Brennspannungsquelle (13) zur Lieferung der Gleichspannung und eine Impulsquelle (12) zur Lieferung der Spannungsimpulse vorgesehen oder anschließbar sind. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Gasentladungslampe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 2 sowie ein Vorschaltgerät zur Durchführung dieses Verfahrens.
Gasentladungslampen wie z. B. Leuchtstofflampen können entweder mit Gleichspannung oder mit Wechselspannung betrieben werden. Meist werden hochfrequente Wechselspannungen mit Frequenzen zwischen 20 und 50 kHz, in Flugzeug-Bordnetzen zwischen 360 und 800 Hz verwendet.
Wird eine Gasentladungslampe nicht mit voller Helligkeit betrieben, sondern vielmehr stark gedimmt, wird sie sehr hochohmig. Dies führt dazu, dass ein Betrieb mit hochfrequenter Wechselspannung bei starken Dimmgraden nicht mehr möglich ist, da der Strom wegen des hohen Innenwiderstandes der Gasentladungslampe eher über parasitäre Kapazitäten fließt als über die Entladungstrecke der Lampe.
Bei einem Betrieb mit Gleichspannung sind zwar starke Dimmgrade möglich, es entstehen aber Anodenschwingungen, die ein unerwünschtes Flackern der Lampe verursachen.
Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Gasentladungslampe sowie ein Vorschaltgerät zur Durchführung dieses Verfahrens vorzuschlagen, mit dem die Gasentladungslampe flackerfrei betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 2 und ein Vorschaltgerät gemäß Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Überlagerung des Gleichspannungsanteils mit Spannungsimpulsen bzw. der Betrieb allein mit Spannungsimpulsen bewirkt, dass sich um die Anode keine Raumladungszonen bilden können und somit die oben genannten Anodenschwingungen verhindert werden.
Im Rahmen der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lampe im unteren Helligkeitsbereich mit Gleichspannung und dieser überlagerten Spannungsimpulsen oder auch nur mit Spannungsimpulsen (d. h. mit auf Null abgesenktem Gleichspannungsanteil) betrieben wird, während sie im oberen Helligkeitsbereich wahlweise mit Gleichspannung, mit Gleichspannung und überlagerten Spannungsimpulsen oder aber auch mit (vorzugsweise hochfrequenter) Wechselspannung betrieben werden kann.
Die Spannungsimpulse haben eine abklingende Sinusform. Die Folgefrequenz der Spannungsimpulse liegt oberhalb von ca. 100 Hz, die Eigenfrequenz der Spannungsimpulse liegt wiederum oberhalb der Folgefrequenz.
Um die Helligkeit der Lampe zu erniedrigen, kann wahlweise oder auch kombiniert der Lampengleichspannungsanteil (vorzugsweise bis auf Null) abgesenkt werden, die Folgefrequenz der Spannungsimpulse erniedrigt werden, die Spannung bzw. die Energie der Impulse erniedrigt werden oder die Eigenfrequenz der Impulse erhöht und damit ihre Breite verringert werden.
Um ein Entmischen der Lampengase (Kataphorese) zu vermeiden, kann die Lampe wiederholt umgepolt werden.
In Weiterbildung kann überdies vorgesehen sein, dass die Katode der Lampe beheizt wird. Dabei wird die Heizleistung nur soweit erhöht, bis sich die an der Lampe anliegende Brennspannung nicht mehr weiter erniedrigt.
Ein Vorschaltgerät zur Durchführung des obigen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Brennspannungsquelle zur Lieferung der Gleichspannung und eine Impulsquelle zur Lieferung der Spannungsimpulse in dem Vorschaltgerät vorhanden oder an dieses anschließbar sind. Weiterhin können Mittel zur Beheizung der Lampenelektroden, zur Umpolung der Lampe und/oder zur Messung der Lampenbrennspannung vorgesehen bzw. anschließbar sein.
Anhand der Figuren wird die Erfindung im folgenden weiter erläutert. Es zeigen:
Figur 1a
den zeitlichen Spannungsverlauf an der Lampe bei starker Dämpfung,
Figur 1b
den zeitlichen Spannungsverlauf bei mittlerer Dämpfung,
Figur 1c
den zeitlichen Spannungsverlauf bei schwacher Dämpfung und
Figur 2
ein Strukturschaltbild der Lampenbetriebselektronik.
Eine Leuchtstofflampe 10 wird mit Gleichspannung und mit dieser überlagerten, sinusförmigen Spannungsimpulsen betrieben. Die Spannungsimpulse (siehe Linien 1 in Figur 1a - c) haben die Form eines - sehr stark abklingenden - Sinus.
Wird die Leuchtstofflampe 10 im oberen Helligkeitsbereich (100 % bis 10 % der möglichen Helligkeit bzw. des möglichen Lampenstromes) betrieben, ist der Lampengleichspannungsanteil, dem die Spannungsimpulse überlagert werden, hoch (siehe Einhüllende, gestrichelte Linie 2 in Figur 1a). Da die Lampe bei Betrieb mit einem hohen Strom (bei hoher Helligkeit) sehr niederohmig ist, fällt die Spannung mit Abklingen des überlagerten Spannungsimpulses sofort wieder bis auf den Gleichspannungsanteil ab (starke Dämpung).
Wird die Leuchtstofflampe 10 im mittleren Helligkeitsbereich (10 % bis 1 % der maximalen Helligkeit bzw. des maximalen Lampenstromes) betrieben, ist der Gleichspannungsanteil geringer (siehe Einhüllende, strichpunktierte Linie 3 in Figur 1b). Mit abnehmender Helligkeit, d. h. mit abnehmendem Lampenstrom steigt der Innenwiderstand der Lampe an, so dass die Spannung nach Abklingen der Spannungsimpulse langsamer bis auf den Gleichspannungsanteil abfällt (mittlere Dämpfung).
Wird die Leuchtstofflampe 10 in einem noch niedrigerem Helligkeitsbereich (unterhalb von 1 % der maximalen Helligkeit bzw. des maximalen Lampenstroms) betrieben, so wird der Gleichspannungsanteil weiter erniedrigt, bis er schließlich ganz auf Null zurückgefahren wird. Da bei weiter sinkendem Lampenstrom der Innenwiderstand der Lampe weiter ansteigt, verläuft der Abfall der Spannung nach dem Abklingen der Spannungsimpulse nochmals langsamer (siehe Einhüllende, punktierte Linie 4 in Figur 1c; schwache Dämpfung).
Um die Helligkeit der Leuchtstofflampe 10 weiter zu erniedrigen, kann die Folgefrequenz der Spannungsimpulse erniedrigt, d. h. die Zeit zwischen zwei aufeinander folgenden Impulsen erhöht werden. Eine weitere Erniedrigung der Helligkeit der Lampe ist auch noch durch eine Erniedrigung der Spannung bzw. der Energie der Impulse möglich. Darüber hinaus kann zu einer weiteren Helligkeitsverringerung noch die Eigenfrequenz der Impulse erhöht, d. h. ihre zeitliche Breite verringert werden.
Um ein Entmischen der Lampengase (Kataphorese) durch den Gleichspannungsbetrieb der Lampe zu verhindern, kann die Lampe wiederholt umgepolt werden. Dieses Umpolen ist jedoch lediglich im oberen und mittleren Helligkeitsbereich (d. h. von 100 % bis ca. 1 %) notwendig, da darunter wegen des kleinen Lampenstromes keine Kataphorese mehr eintritt.
Im mittleren und oberen Helligkeitsbereich kann statt des Gleichspannungsbetriebs auch ein Betrieb mit Wechselspannung möglich sein. Ab einem bestimmten Dimmgrad (etwa 1 % der maximal möglichen Helligkeit) wechselt die Betriebsart auf mit Spannungsimpulsen überlagerte Gleichspannung, wobei auch ein Betrieb lediglich mit Spannungsimpulsen (d. h. mit auf Null reduzierten Gleichspannungsanteil) möglich ist.
Bei Gleichspannungsbetrieb ist nur die Beheizung der Katode notwendig, während die Anode nicht beheizt werden muss. In jedem Helligkeitsbereich wird gemessen, ob die Heizleistung ausreicht. Dabei wird die Heizleistung langsam erhöht und gleichzeitig die an der Leuchtstofflampe 10 anliegende, sogenannte Lampenbrennspannung gemessen. Solange die Heizleistung noch nicht ausreicht, vermindert sich die Lampenbrennspannung mit ansteigender Heizleistung. Ist eine ausreichende Heizleistung erreicht, führt eine weitere Erhöhung der Heizleistung zu keiner Änderung der Lampenbrennspannung mehr. Somit ist die optimal eingestellte Heizleistung der Wert, dessen Erhöhung gerade keinen Abfall der Lampenbrennspannung mehr bewirkt. Die Variation der Heizleistung erfolgt dabei im zulässigen Rahmen für die jeweilige Leuchtstofflampe. Dieses Verfahren erfordert zwar die Messung der Lampenbrennspannung; diese wird aber meist sowieso ermittelt. Die optimale Einstellung der Heizleistung hat die Vorteile, dass die Lebensdauer der Elektroden und damit der Lampe maximal wird, dass der Leistungsverbrauch des Vorschaltgeräts und der Lampe minimal ist und dass ein Leuchten von überheizten Elektroden vermieden wird.
Das obige Verfahren zur optimalen Einstellung der Heizleistung ist auch unabhängig von einem Betrieb mit Gleichspannung und dieser überlagerten Spannungsimpulsen möglich. Allerdings ist diese Methode gerade bei den niedrigen Dimmgraden, die mit dem Gleichspannungs-Impuls-Betrieb möglich sind, wichtig, da so ein zu starkes Elektrodenheizen und ein eventuell damit verbundenes Leuchten der Elektroden vermieden werden kann, was bei kleineren Helligkeiten der Lampe sehr stören würde. Bei mittleren und hohen Helligkeiten ist die Optimierung der Heizleistung weniger wichtig.
Figur 2 zeigt eine an ein Vorschaltgerät 11 angeschlossene Leuchtstofflampe 10. An das Vorschaltgerät 11 sind weiterhin eine Impulsquelle 12, eine Brennspannungsquelle 13 sowie ein Brennspannungsmessgerät 14 angeschlossen, welche (nicht gezeichnet) mit einer Steuerelektronik wirkverbunden sind und über diese gesteuert werden. Das Vorschaltgerät 11 umfasst zwei Heizquellen 15.1 und 15.2 zur Beheizung der Elektroden 16.1 und 16.2 der Leuchtstofflampe 10 sowie eine Umpoleinheit 17 und Stromregeleinrichtungen 18.1, 18.2 und 18.3. Ein Umschalten der Schalter 19.1 bis 19.4 bewirkt ein Umpolen der Leuchtstofflampe 10 sowohl bezüglich der Spannung der Brennspannungsquelle 13 als auch bezüglich der Beheizung durch die Heizquellen 15.1 und 15.2. Die Stromregler 18.1 und 18.3 stellen den gewünschten Heizstrom durch die Elektroden 16.1 und 16.2 der Leuchtstofflampe 10 ein, während der Stromregler 18.2 den gewünschten Strom durch die Leuchtstofflampe 10 einstellt. Mit dem Stromregler 18.2 zusammen bildet die Brennspannungsquelle 13 eine Stromquelle, die den für den Betrieb der Leuchtstofflampe 10 notwendigen Strom liefert. Dieser bewirkt an der Leuchtstofflampe 10 einen Spannungsabfall, die Lampenbetriebsspannung.
Die genannten Bauteile werden natürlich ebenfalls über die (nicht gezeichnete) Steuerelektronik angesteuert.
Die Heizquellen 5.1 und 5.2 können alternativ auch direkt an den Elektroden 6.1 und 6.2 der Lampe angeordnet sein. Zum Umpolen der Lampe werden dann nur zwei Umschalter benötigt.
Die Spannungsimpulsquelle 12 kann sich auch in Serie zur Leuchtstofflampe 10 befinden.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Gasentladungslampe, vorzugsweise einer Leuchtstofflampe (10), wobei die Lampe zumindest teilweise mit einem Gleichspannungsanteil betrieben wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass dem Lampengleichspannungsanteil Spannungsimpulse überlagert werden.
  2. Verfahren zum Betreiben einer Gasentladungslampe, vorzugsweise einer Leuchtstofflampe (10),
    dadurch gekennzeichnet, dass die Lampe im oberen Helligkeitsbereich mit Gleichspannung, mit Gleichspannung und überlagerten Spannungsimpulsen oder mit vorzugsweise hochfrequenter Wechselspannung betrieben wird, während sie im unteren Helligkeitsbereich mit Gleichspannung und überlagerten Spannungsimpulsen oder nur mit Spannungsimpulsen betrieben wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsimpulse sinusförmig und abklingend sind.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsimpulse eine Folgefrequenz von mindestens 100 Hz und eine Eigenfrequenz haben, die höher ist als die Folgefrequenz..
  5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass zur Erniedrigung der Helligkeit der Lampe der Gleichspannungsanteil abgesenkt wird, vorzugsweise bis auf Null.
  6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass zur Erniedrigung der Helligkeit der Lampe die Folgefrequenz der Impulse erniedrigt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass zur Erniedrigung der Helligkeit der Lampe die Spannung bzw. die Energie der Impulse erniedrigt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass zur Erniedrigung der Helligkeit der Lampe die Eigenfrequenz der Impulse erhöht wird.
  9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Lampe wiederholt umgepolt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode der Lampe beheizt wird, wobei die Heizleistung lediglich so groß gewählt wird, dass eine Erhöhung der Heizleistung keine weitere Erniedrigung der Brennspannung der Lampe bewirkt.
  11. Vorschaltgerät (11) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass eine Brennspannungsquelle (13) zur Lieferung der Gleichspannung und eine Impulsquelle (12) zur Lieferung der Spannungsimpulse vorgesehen oder anschließbar sind.
  12. Vorschaltgerät nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (15.1, 15.2) zur Beheizung der Lampenelektroden (16.1, 16.2), Mittel (17) zur Umpolung der Lampe und/oder Mittel (14) zur Messung der Lampenbrennspannung vorgesehen bzw. anschließbar sind.
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