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Elektrischer Ballast
Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Ballasteinrichtungen und insbesondere auf verbesserte Ballasteinrichtungen für elektrische Entladungsvorrichtungen.
Eine elektrische Entladungsvorrichtung besteht in dem hier gebrauchten Sinne im wesentlichen aus zwei oder mehr Elektroden, die in einer mit einem ionisierbaren Gas gefüllten Hülle angeordnet sind. Die Entladung zwischen den Elektroden erzeugt-neben anderen bekannten Wirkungen-eine Strahlung, die sichtbar oder unsichtbar sein kann. Wird die Hülle aus Glas gemacht, so findet die Vorrichtung ganz allgemein als Leuchte Verwendung. Durch Belegen des Glaskörpers mit einer fluoreszierenden Schicht (Phosphor) wird die unsichtbare Strahlung in Licht umgewandelt, wie dies bei den bekannten Fluoreszenzleuchten der Fall ist. In elektrischer Hinsicht haben alle diese Vorrichtungen den unstabilen Charakter eines Lichtbogens und müssen daher mit einer als Ballast wirkenden passenden Reihenimpedanz oder einem Impedanznetzwerk ausgestattet werden.
Eine bekannte Art von Ballast ist ein Hoch- reaktanz-Transformator, in dessen Sekundärkreis eine reihengeschaltete Kapazität verlegt ist, so dass dieser Kreis nut voreilendem Strom arbeitet.
Unter Hochreaktanz-Transformator hat man einen Transformator zu verstehen, der speziell so gebaut ist, dass er eine höhere als die übliche
Streureaktanz hat. Das Spannungsverhältnis des Transformators wird so gewählt, dass er jede ihm zugeführte geeignete Spannung auf den für Be- trieb oder Zündung der Röhre erforderlichen Wert transformiert. Manche Röhre dieser Art, die ent- weder mit heisser oder mit kalter Kathode ar- beiten, sind mit einer gesonderten Zündeinrichtung versehen, die u. a. für das Zünden der Röhre kurzzeitig eine Überspannung erzeugt, so dass die
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Einer der Gründe, die für den Betrieb der Röhre mit voreilendem Strom sprechen, ist der, dass ein solcher Kreis stabiler ist als ein entsprechender Kreis mit nacheilendem Strom. Eine Erklärung hiefür liegt darin, dass der nicht sinusförmige Röhrenbetriebsstrom die Röhre selbst als mit nacheilendem Leistungsfaktor arbeitend erscheinen lässt, d. h. der Röhrenstrom scheint mit Bezug auf die Röhrenspannung nachzueilen, wobei die letztere gleich ist der Vektordifferenz der an den Kreis angelegten Spannung und der Ballastspannung. Um Gleichheit dieser beiden Spannungen zu erhalten, muss ein kapazitiv wirkender Ballast eine höhere Impedanz oder eine höhere Ballastspannung haben als ein entsprechender induktiver Ballast.
Es wird daher die gleiche Änderung der angelegten Spannung und der Röhrencharakteristik-auf Grund des verhältnismässig grösseren rein kapazitiven (mit voreilendem
Strom arbeitenden) Ballastes-nicht eine so grosse Änderung des Röhrenstromes bewirken, wie dies bei einem induktiven (mit nacheilendem
Strom arbeitenden) Ballast der Fall wäre. Mit einem solchen Kreis lassen sich daher sowohl
Heiss-wie Kaltkathodenröhren der gleichen
Grösse bei praktisch gleichem Strom betreiben.
Der Ausdruck"kapazitiv wirkend"wird hier ge- braucht, weil ein solcher Ballast nicht nur aus einem Kondensator besteht, sondern auch eine induktive Reaktanz enthält, die bei Verwendung eines Hochreaktanz-Transformators die Reaktanz des Transformators ist. Diese induktive Reaktanz beeinflusst die Wellenform des Röhrenbetriebs- stromes und liefert auch den die Zündung be- stimmter Röhren durch die Zündvorrichtung ein- leitenden Induktionsstoss.
Gegen die Verwendung von mit voreilendem
Strom arbeitenden Ballasteinrichtungen liesse sich deren kleiner Leistungsfaktor einwenden. Bisher ist man über diesen Übelstand so hinwegge- kommen, dass man zu dem mit Voreilstrom ar- beitenden Röhrenkreis einen zweiten Röhrenkreis hinzuschaltete, der mit Nacheilstrom arbeitet, wie dies bei einem üblichen als Einheit gebauten
Zweiröhrenballast der Fall ist.
Gemäss vorliegender Erfindung ist es jedoch möglich, den zweiten, mit nacheilendem Strom
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arbeitenden Röhrenkreis, der nur eine geringe Regulierungsfähigkeit aufweist, fortzulassen und mit einem oder mehreren mit voreilendem Strom arbeitenden Röhrenkreisen, die an sich einen kleinen Leistungsfaktor haben, eine mit hohem Leistungsfaktor arbeitende Betriebsweise zu erzielen. Dies wird erreicht, indem man den Hochreaktanz-Transformator so baut, dass er mit einem abnormal hohen Erregungsstrom arbeitet, der die wattlose Komponente des voreilenden Laststromes wirksam neutralisiert. Mit anderen Worten ausgedrückt : Ein hoher, dem Wert 1 nahekommender Primärleistungsfaktor wird erzielt, indem man im magnetischen Kreis der Primärwicklung des Transformators einen hohen magnetischen Widerstand (Reluktanz) vorsieht.
Obwohl es nun viele spezifisch verschiedene Möglichkeiten gibt, einen hohen Erregerstrom zu erzeugen, so beruhen sie doch alle auf dem Prinzip der Erhöhung der Reluktanz in jenem Teil des Transformatorkerns, der von seinem Magneti- sierungs-oder Erregungsfluss durchflossen wird.
Es ist ein besonderer Gegenstand vorliegender Erfindung, einen Hochleistungsballast für den Betrieb von Stromkreisen mit einer oder mehreren elektrischen Entladungsvorrichtungen vorzusehen, wobei diese Kreise an sich mit Voreilstrom von geringem Leistungsfaktor arbeiten.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist es, für Entladungsröhren einen ZweileiterkreisHochreaktanztransformator, der mit hohem Erregerstrom arbeitet, als Ballast vorzusehen.
Das Wesen der Erfindung wird aus der nun folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen klarer zu erkennen sein.
In Fig. 1 der Zeichnung ist das Schaltbild einer Ausfuhrungsform der Erfindung schematisch dar- gestellt ; Ftg. 2 ist ein Querschnitt durch einen im Rahmen der Erfindung verwendeten Transformator, während Fig. 3 die Arbeitsweise des Gegenstandes der Erfindung an Hand eines Vektor-Schaubildes erläutert ; in den Fig. 4,5 und 6 sind abgeänderte und für die Verwendung im
Rahmen der Erfindung geeignete Kernbauarten dargestellt, während Fig. 7 eine Abänderung der baulichen Anordnung der einzelnen Kreis- detente veranschaulicht.
Es sei nun zunächst auf die Fig. 1 der Zeichnung naher eingegangen. Der strichlierte Linienzug 1 deutet schematisch das Gehäuse der Ballast- anordnung an. Im vorliegenden Falle handelt es sich um einen Zweiröhren-Ballast, der für den
B tneb eines Paares von Entladungsröhren 2 und 3 bestimmt ist. Der Ballast besteht aus einem Hoch- reaktanz- Transformator 4 und aus zwei Kon- densatoren 5 und 6, die in Reihe mit den Röhren 2 bzw. 3 geschaltet sind. Der Transformator be- steht aus dem Magnetkern 7 und den auf diesen aufgebrachten Wicklungen 8, 9 und 1 (, Am Kern sind zur Vergrosserung des Streuflusss zwischen den Wicklungen magnetische Nebenschlüsse 1 : und 12 vorgesehen.
Die Emgangsklemmen 13 sind an die Enden der Wicklung 8 angeschlossen, die als Primärwicklung des Transformators dient. Die Wicklungen 9 und 10 sind im Verein mit der Primärwicklung 8 als Autotransformator geschaltet. Die Röhre 2 ist nun mit den Wicklungen N und 9 in Reihe geschaltet, wobei der Leiter 14 als Rückleitung dient ; in diese Reihenschaltung ist auch der Kondensator 5 mit einbezogen. In gleicher Weise ist auch die Röhre 3 über Wicklung 10, Kondensator 6 und Rückleitung 14 an den Eingangskreis 13 - dem gleichen, der an den Enden der Primärwicklung 8 liegt-angeschlossen.
Die Reaktanz der Kondensatoren 5 und 6 ist wesentlich höher als die Streureaktanz des Transformators, in vielen Fällen rund doppelt so gross, so dass die Sekundär-oder Röhrenkreise des Transformators mit voreilendem Strom arbeiten. Um diesen Voreilstrom im wesentlichen zu neutralisieren, ist der Kern 7 mit einem Abschnitt hohen magnetischen Widerstandes in Form eines Luftspaltes 15 versehen, der sich in dem von der Primärwicklung 8 umgebenden Kernteil befindet. Dieser Luftspalt hoher Reluktanz bewirkt, dass die Primärwicklung einen verhältnismässig hohen nacheilenden Erregungsstrom mit kleinem Leistungsfaktor führt.
Fig. 2 zeigt den Magnetkern eines Manteltransformators, bei dem im Wege der magnetischen Nebenschlüsse 11 und 12 Luftspalte 16 vorgesehen sind, um diesen emen verhältnismässig grossen magnetischen Widerstand zu verleihen, so dass sie den durch die Primärwicklung hervorgerufenen Magnetisierungsfluss nicht kurzschliessen können und die Leerlauf-Ausgangsspannung des Transformators im wesentlichen proportional seinem Windungsverhältnis bleibt.
Der Kern besteht aus drei lamellierten Einzelstücken, u. zw. aus dem geraden Mittelschenkelstuck 17 und den zwei untereinander gleichen vierschenkeligen Jochstücken 18. Anstatt mit einem einzigen Luftspalt 15 wie in Fig. 1 ist hier der mittlere Teil des Mittelschenkels 17 mit einer
Reihe von Luftspalten 15 versehen, die an ihren seitlichen Rändern bei 19 durch Kernmaterial überbrückt sind. Diese überbrückten Spalte können leicht durch Ausstanzen von Schlitzen in den einzelnen Blechen oder Lamellen hergestellt werden.
Die Arbeitsweise der erfindungsgemässen Ein- richtung kann am besten an Hand der Fig. 3 er- läutert werden, in der der Vektor Ep die Spannung der Primärwicklung 9 darstellt. Die Vektoren
IL, und IL, entsprechen den Betriebsströmen der
Röhren 2 und 3, deren Summe, dargestellt durch
Vektor IL, gleich dem totalen Laststrom ist.
In diesem Schaubild ist zu beachten, dass die
Stromvektoren auf die Primärseite des Transfor- mators bezogen sind. Weiterhin ist zu beachten, dass infolge der von den Röhren entnommenen nichtsinusförmigen Ströme das Schaubild nicht streng genau ist ; es ist aber hinreichend genau, um das Prinzip der Arbeitsweise des Gegenstandes der Erfindung erkennen zu lassen. Man wird sehen, dass der Laststrom IL der Netzspannung
Ep um den Winkel 9 vorauseilt. Dieser Voreil-
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Leistungsfaktorwinkel wird durch die Spannung Ec der Kondensatoren 5 und rs verursacht.
Der voreilende Laststrom bewirkt beim Durchfliessen durch die Reihenwicklungen 9 und 10 sowohl eine Änderung der Grösse wie auch der Phasenverschiebung der Reihenwicklungsspannung in bezug auf die Primärwicklungsspannung, so dass die Reihenwicklungsspannung durch den Vektor Es dargestellt werden kann. Die Betriebsspannung der Röhren wird durch den Vektor EL dargestellt.
Dem Schaubild ist zu entnehmen, dass Röhrenspannung und Röhrenstrom geringfügig phasenverschoben sind, wobei der Strom hinter der Spannung zurückbleibt. Dies ist nicht so sehr die Folge einer den Röhren selbst innewohnenden Reaktanz als vielmehr die Folge der verzerrten Wellenform des Stromes, die bewirkt, dass ein Wattmeter einen geringeren Wattverbrauch der Röhre anzeigt als dem Volt-Ampere-Verbrauch entspricht.
Der abnormal hohe Erregungsstrom des Trans formators, der durch den oder die Luftspalte 15 verursacht wird, ist durch den Vektor IE dar- gestellt, der hier als der Primärspannung Ep um 90'nacheilend gezeichnet ist. Die Grösse des Spaltes oder der Spalte 15 wird so gewählt, dass die Vek (orsumme IR aus IE und IL im wesentlichen in Phase mit der Netz-oder Primär- spannung Ep liegt. Wie das Diagramm zeigt, wirkt IE im Sinne einer Verminderung der Grösse des Laststromes von IL auf IR wie auch im Sinne
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Transformators verwendet einen sogenannten "e1Ogetriebenen" Kern, bei dem ein gerader Mittelschenkel 20 mit seinen beiden Enden in passende Auskerbungen eines im allgemeinen rechtwinkeligen.
Blech- oder Lamellenjoch- stückes 21 eingetrieben wird, das mit magnetischen Nebenschlüssen 11 und 12 versehen ist.
Nach dieser Abänderung ist der Jochquerschnitt bei 22 verringert, wodurch ein der Erhöhung des Magnetisierungsstromes dienender Querschnitt hohen magnetischen Widerstandes geschaffen wird.
Die abgeänderte Ausführung nach Fig. 5 unterscheidet sich von der in Fig. 2 gezeigten insofern, als hier an Stelle der überbrückten Spalte 15-19 in der Mitte des Mittelschenkels des Transfomatorkernes an den Enden desselben überbrückte Spalte 23 zu sehen sind.
Diese überbrückten Spalte können daher einen doppelten Zweck erfüllen ; sie erhöhen einerseits den Erregungsstrom und beschränken anderseits den als Folge des in den Reihenwicklungen 9 und 10 fliessenden voreilenden Stromes auftretenden Sekundärfluss des Transformators. Dix'set voreilende Strom hat das Bestreben, den Streuduss der Wicklungen 9 und 10 mehr oder weniger mit dem durch die Wicklung 8 erzeugten Magnetsierungsfluss in Phase zu bringen ; ohne die Spalte 23 könnten daher die von dem Streufluss der Wicklungen 9 und 10 durchflossenen Kern- abschnitte in ihren Hauptquerschnitten den Sättigungsgrad erreichen, was unerwünschte Harmonische hervorrufen würde.
Fig. 6 zeigt als weitere Ausführungsform den Kern eines sogenannten Kerntransformators, wogegen in den Fig. 2,4 und 5 Kerne von Manteltransformatoren dargestellt wurden. Jede Lamellenschicht dieses Kernes wird von zwei ausgestanzen Blechen 24 und 25 gebildet, wobei die Enden der äusseren Schenkel der Stücke 24 kürzer gehalten sind als die äusseren Schenkel der Stücke 25. Beide Arten von Blechen werden in aufeinanderfolgenden Schichten abwechselnd derart aufeinandergelegt, dass in den äusseren Schenkeln des Kernes ein überlappte Stoss gebildet wird.
Falls gewünscht, kann in den äusseren Schenkeln des Kernes auch ein überbrückter Spalt gebildet werden, indem man die äusseren Schenkel der mittleren Lagen im wesentlichen gleich lang macht und ihre Längen so bemisst, dass dertzi
Summe kleiner ist als die gesamte Länge der äusseren Schenkel. Dadurch werden Spalte ent- stehen, die in der Zeichnung durch die strich- lierten Linien 26 angedeutet sind, in der gleichen
Art, wie die Spalte 16 in den magnetischen Neben- schlossen 11 und 12 und (ie Spalte 15 im Mittel- kern gebildet werden.
In Fig. 1 waren die Kondensatoren 5 bzw. 6 an jenes Ende der Wicklung 9 bzw. 10 angeschlossen, das man das Röhrenende der Sekundärwicklung nennen könnte. In manchen Fällen mag es wirt- schaftlicher sein, sie gemäss Fig. 7 an die gegen- überliegenden oder inneren Enden der Sekundär- wicklungen 9 und 10 anzuschliessen. In diesem
Falle tonnen nämlich die Kondensatoren 5 und 6 die beiden Teile eines üblichen Doppelkonden- sators sein, der m einem einzigen Gehäuse 27 untergebracht ist. Solch ein Doppelkondensator m einem einzigen Gehäuse und mit einer Mittel- anzapfung ist normalerweise-bezogen auf die gleiche Gesamtkapazität-billiger als es zwei einzelne Kondensatoren wären.
Es ist auch nicht nötig, drei Ausgangsleitungen aus dem Ballast- gehäuse 1 herauszuführen ; der Leiter 14 kann eine gesonderte Leitung sein, die nicht einen inte- gralen Teil des Ballantes bildet und nur angeschlossen wird, wenn der Ballast zwischen Netz und die Röhren geschaltet wird.
Die Dichte des magnetischen Flusses ist im Hauptquerschnitt aller Teile des Kernes bei allen Ausführungsarten im wesentlichen die gleiche.
Die überbrückten Teile gewisser Luftspalte, die an sich eigentlich nichts anderes sind als geschwächte Querschnitte, ähnlich den geschwächten Querschnitten 22 in Fig. 4, werden natürlich mit höherer Flussdichte arbeiten als der übrige Teil des Kernes und unter Umständen sogar den Sättigungsgrad erreichen. Bei keiner Ausführungart aber wird die Dichte des magnetischen Flusses in dem die Re1henwicklungen 9 und 10 tragenden Hauptteil des Kernes eine wesentlich andere sein als in dem die Primärwicklung 8 tragenden Teil des Kernes.
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Infolge der mit vereilendem Strom von kleinem Leistungsfaktor arbeitenden Betriebe dz der Röhrenkreise ist die erfindungsgemässe Einrichtung in keiner Weise von Resonanzerscheinungen in den Röhrenkreisen abhängig.
Es ist natürlich auch offensichtlich, dass die Anwendbarkeit der Erfindung nicht auf die Verwendung von mehr als einer Röhre und einer Reihenwicklung beschränkt ist und dass daher, falls gewünscht, der eine oder der andere der beiden Röhrenkreise fortgelassen und die ganze Einrichtung als Einzelröhrenballast betrieben werden kann. DieZweiröhren-Bauart ist jedoch wirtschaftlicher als zwei Einze1röhren-Ballast- einrichtungen und ergibt im Endeffekt eine ausgeglichene und wirkungsvolle Einheit.
Wiewohl im vorstehenden besondere Ausführungsarten des Erfindungsgegenstandes gezeigt und beschrieben worden sind, ist es doch für den Fachmann klar, dass innerhalb des Rahmens der Erfindung liegende Abweichungen und Ab- änderungen des Erfindungsgegenstandes möglich sind.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektrischer Ballast für Entladungsröhren, der einen Transformator mit Primär-und Sekundärkreisen enthält, deren Spulen auf einem gemeinsamen magnetischen Kern angeordnet sind, welcher zur Bildung einer Streu-oder Reihenreaktanz zumindest einen magnetischen Nebenschluss zwischen diesen Spulen aufweist, wobei ein Kondensator in Reihe mit der Spule im Sekundärkreis liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktanz dieses Kondensators um soviel grosser ist als die Streureaktanz des Transformators, dass dessen Sekundärkreis in an sich bekannter Weise mit einem der Primärspannung voreilenden S.
rom arbeiten kann und dass ferner der von dem Fluss der Primärwicklung durch- setzte Kern einen damit in Reihe liegenden Ab- schnitt hohen magnetischen Widerstandes ent- hält, der einen hohen Primärleistungsfaktor von wenigstens angenähert Eins ergibt.