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Vorschaltgerät für Leuchtstofflampen
Die Erfindung betrifft ein Vorschaltgerät für Leuchtstofflampen oder andere Entladungslampen mit vorgeheizten Elektroden, bei welchem die beiden Elektroden einer Lampe mittels eines nichtlinearen, spannung-un bzw. oder temperaturabhängigen Widerstandes überbrückt sind.
Bei Leuchtstofflampen muss bekanntlich die Zündspannung nach Einsetzen der Zündung auf eine we- sentlich geringere Betriebsspannungreduziertwerden. Ausserdem muss der Heizstrom für die Elektroden der
Lampe herabgesetzt oder unterbunden werden. Diese Aufgabe wird im allgemeinen von Vorschaltgeräten erfüllt, welche mechanisch arbeitende Schalter enthalten. Um die vielfältigen Nachteile der mecha- 'nischen Schalter zu vermeiden, wurde bereits vorgeschlagen, in dem Vorschaltger : 1t nichtlineare spannungs-und bzw. oder temperaturabhängige Widerstände, nämlich sogenannte"VDR-Widerstände"zu verwenden. Diese VDR-Widerstände werden dabei im allgemeinen zwischen die Lampenelektroden eingeschaltet.
Nach Beendigung der Vorheizung der Lampe fällt infolge der Begrenzung des Zündstromes auf den Betriebsstrom die Spannung an den Klemmen des VDR-Widerstandes ab. Bei diesem Spannungsabfall wird der ohmsche Wert des VDR-Widerstandes grösser, so dass dieser nur noch einen kleinen Parallelstrom durch die Lampenelektroden fliessen lässt. Der auf diesen Parallelstrom zurückführende Stromverlust soll dabei gegenüber dem Stromverbrauch der Lampe vernachlässigbar kleir sein.
Es zeigte sich nun in der Praxis, dass bei Speisung Jer Entladungslampen mit Wechselstrom die Differenz zwischen der Zündspannung und der Betriebsspannung bei Normallampen nicht ausreicht, um den ohmscre Wert des VDR-Widerstandes so hoch zu treiben, dass dessen Stromverbrauch tatsächlich gegen- über dem Gesamtstromverbrauch der Lampe vernachlässigbar klein ist. So liegen beispielsweise bei einer 22J Volt/40 Watt-Leuchtstofflampe während der Vorheizung an den Klemmen des VDR-Widerstandes 200 Volt und 100 Volt während des Betriebes. Der 200 Volt-Zündspannung entspricht ein Heizstrom von
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Spannungsverhältnis von 1 : 2 ein Verhältnis des Stromdurchflusses von 1 : 30 entspricht.
Obwohl die neuerdings zur Verfügung stehenden VDR-Widerstände in Gleichstromkreisen dieser Forderung nahekommen, zeigt es sich nun, dass in Wechselstromkreisen diese erwünschten Werte nicht erzielt werden können. Dementsprechend wird also bei Wechselstromvorschaltgeräten mit VDR-Widerständen der Heizstrom zu klein oder der Stromverlust im VDR-Widerstand während des Normalbetriebes zu gross.
Diese Schwierigkeit konnte an sich nach einem älteren eigenen Vorschlag überwunden werden, indem in den Parallelkreis zwischen den Lampenelektroden ein Bimetallkontakt eingeschaltet wird, der nach etwa 2-3 Sekunden Vorheizung mit einem etwas kleineren Heizstrom, wie zuvor angegeben, z. B. mit etwa 450 Milliampere, öffnet und der dabei der Lampe eine Überspannung gibt, so dass die Zündung einsetzt. Obwohl es auf diese Weise möglich ist, eine einwandfreie Zündung bei durchaus tragbarem Parallelverlust zu erzielen, bleibt es jedoch nach wie vor wünschenswert, ein Vorschaltgerät so auszubilden, dass mechanisch arbeitende Schalter, Bimetallkontakte od. dgl. völlig vermieden werden. Weiterhin sollen Überspannungen vermieden werden, die die Lebensdauer der Lampe herabsetzen könnten.
Dervorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Einrichtungen der in Rede stehenden Art zu vermeiden und ein Vorscbaltgerät für wechselstromgespei- ste Entladungslampen ohne mechanische Schalter, Bimetallkontakte od. dgl. so auszubilden, dass grössere
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Stromverluste im Parallelkreis vermieden werden.
Gemäss der Erfindung enthält das Vorscl altgerät eine Serienschaltung aus den beiden Lampenelektroden, dem nichtlinearen Widerstand, mindestens einer überwiegend induktiven Impedanz und mindestens einer überwiegend kapazitiven Impedanz, dergestalt, dass die eine der Impedanzen und der nichtlineare Widerstand zwischen den beiden Lampenelektroden und die andere Impedanz zwischen einer der Netzklemmen und der dieser zugeordneten Lampenelektrode liegen.
Vorzugsweise sind die beiden Impedanzen möglichst rein induktiv bzw. kapazitiv. Ihre Serienresonanzfrequenz soll in der Nähe der Netzfrequenz liegen.
Die der Erfindung zugrundeliegenden Überlegungen werden irr folgenden an Hand der Fig. 1-4 erläutert, während die Fig. 5, 5a und 6,6a bevorzugte Ausführungsformen zeigen.
Im Einzelnen zeigen die Figuren : Fig. 1 das Schaltschema eines auf einem eigenen älteren Vorschlag beruhenden Vorschaltgerätes, Fig. 2 und 3 Messschaltungen, Fig. 4 die den Schaltungen gemäss Fig. 1-3 zugeordneten Spannungs-Stromkurven, Fig. 5 einen Schaltplan einer bevorzugten Ausführungsform eines Vorschaltgerätes gemäss der Erfindung, Ffg. 5a eine Abwandlung der Ausführungsform gemäss Fig. 5, Fig. 6 den Schaltplan einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines Vorschaltgerätes gemäss der Erfindung, Fig. 6a eine Abwandlung der Ausführungsform gemäss Fig. 6.
In Fig. l ist eine auf einen eigenen älteren Vorschlag beruhende Ausführungsform eines Vorschaltgerätes dargestellt. Die beiden Elektroden 1 einer Leuchtstoffröhre 2 werden von einem nichtlinearen VDR-Widerstand 3 überbrückt, dessen Charakteristik so ist, dass vor dem Zünden der Leuchtstofflampe über den Widerstand 3 ein relativ kräftiger Heizstrom durch die Elektroden 1 fliesst, während nach dem Zünden der Leuchtstofftöhre 2 unter der verringerten ffetriebsspannung erheblich kleinerer Verluststrom über den Widerstand 3 fliesst. Zwischen einer der Netzklemmen und einer der Lampenelektroden 1 liegt in üblicher Weise eine Drossel 4, welche den Betriebsstrom begrenzt.
Wenn man die in Fig. 1 dargestellte Schaltung mit Wechselstrom betreibt und die Charakteristiken des VDR-Widerstandes 3 durch Vornahme entsprechender Messungen genau überprüft, ergeben sich gewisse unerwartete Eigenheiten, zu deren Erläuterung die Fig. 2-4 dienen.
Mittels der in Fig. 2 dargestellten Messanordnung wurde unter Verwendungvon Effektivwertgeräten der Strom Ie und die Spannung Ue an den Klemmen des VDR-Widerstandes 3 ohne Verwendung eines Vorschaltwiderstandes gemessen. Die erhaltenen Messwerte lieferen die in Fig. 4 mit in "1" bezeichnete Kurve.
Wenn in ähnlicher Weise gemäss Fig. 3 die Spannungs- und Stromwerte an dem VDR-Widetstand 3 unter Vorschaltung eines komplexen Vorschaltwiderstandes"R"bestimmt werden, erhält man die in Fig. 4mit "2" bezeichnete Kurve. Es ist nun ersichtlich, dass die Kurve 1 in Fig. 4 wesentlich steiler ist wie die Kurve 2. Dieses Resultat ist unerwartet, da es scheinbar mit der Ohmschen Gesetzen in Widerspruch steht.
Die Erklärung für diese Eigenheit liegt darin.. dass der Vorschaltwiderstand"R"eine formfaktorverändernde Wirkung auf die Klemmenspannung des VDR-Widerstandes hat. Der Verzerrungsgrad der Sinusspannung an den Klemmen des VDR-Widerstandes ist jedoch der Grösse des Vorschaltwiderstandes proportional.
Unter der Voraussetzung, dass die übliche Näherungsformel der Strom-Spannungskurve 1= A. U, wobei A und k Konstanten sind, in einem Gleichstromkreis gültig ist, kann für die Bestimmung der Stromspannungskurve in einem Wechselstromkreis davon ausgegangen werden, dass die Näherungsformel nur für die Amplituden gilt. Für die Effektivwerte modifiziert jedoch der Formfaktor den Koeffizienten A in Abhängigkeit vom Verzerrungsgrad, also in Abhängigkeit von der Grösse des Vorschaltwiderstandes"R". Auf diese Weise wird also, wie in Fig. 4 dargestellt, die Steilheit der Kurve Ie = f (Ue) eine Funktion der Grösse des Vorschaltwiderstandes. Für die Verwendung eines VDR-Widerstandes 3 be.
Leuchtstofflampen entsprechend der in Fig. 1 dargestellten Schaltung ergeben sich also folgende Eigenheiten : Bei der Vorheizung der Leuchtstofflampe 2 ebenso wie bei dem Parallelstromverlust über den VDR-Widerstand 3 bei Normalbetrieb gehen in die Strombedarfsrechnung nur die Effektivstromwerte ein. In einem Wechselstromkreis wird also dieselbe Änderung der Effektivklemmenspannung eines VDR-Widerstandes eine kleinere Effektivstromänderung hervorrufen, wenn ein Vorschaltwiderstand eingeschaltet ist, im Vergleich zu dem Fall, in welchem ohne Vorschaltwiderstand gearbeitet wird. Wenn die Änderung der Effektivklemmenspannung mit AU bezeichnet wird, erhält man also bei der Schaltung gemäss Fig. 2 eine Änderung des Stromdurchflusses von A 1 und im Falle der Schaltung gemäss Fig. 3 von A I.. Diese Werte sind aus der graphischen Darstellung gemäss Fig 4 ersichtlich.
Diese Ableitung führt nun zu'folgender Problemstellung : Für eine gute Wirkungsweise des VDR-Widerstandes müsste bei der Schaltungsanordnung gemäss Fig. 1 auf einen Vorschaltwiderstand verzichtet werden. Dieser Vorschaltwiderstand ist jedoch für die Begrenzung der Stromstärke der Lampe im Betrieb unbedingt erforderlich.
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Gemäss der Erfindung wird nun als Vorschaltwiderstand. vor dem VDR-Widerstand 3 eine Serienschal- tung aus einer Induktivität und einer Kapazität verwendet. Für den VDR-Widerstand 3 kann der Widerstand der Serienschaltung sehr gering gehalten werden und im Falle der Resonanz Null erreichen, so dass dem- entsprechend eine Charakteristik gemäss der Kurve l in Fig. 4 oder, wie später erläutert wird, eine noch steilere Charakteristik erzielt wird. Die Schaltung wird jedoch so getroffen, dass einer der beiden Wider- stände, also entweder die Kapazität oder die Induktivität, zwischen einer der Lampenenelektroden und der zugeordneten Netzklemme liegt. Dieser Widerstand begrenzt dann im Betrieb den Stromdurchgang durch die Leuchtstofflampe 2.
Die verschiedenen Ausführungsformen gemäss der Erfindung ordnen sich nun diesem Hauptgedanken unter.
Bei der in Fig. 5 dargestellten Schaltung ist zwischen einer der Lampenelektroden 1 und der zugeord- neten Netzklemme eine induktive Impedanz 4 eingeschaltet. Zwischen den beiden Lampenelektroden 1 liegt eine kapazitive Impedanz 5 in Serienschaltung mit dem VDR-Widerstand 3. Die Induktivität 4 er- füllt in an sich bekannter Weise die Aufgabe, während des Betriebes der Leuchtstofflampe 2 den Strom- fluss durch dieselbe zu begrenzen. Die Kapazität 5 hat die Aufgabe, für den VDR-Widerstand 3 den Wi- derstand der Induktivität 5 zu kompensieren. Wenn die Serienschaltung aus der induktiven Impedanz 4 und der kapazitiven Impedanz 5 resonanzmässig etwa auf die Netzfrequenz abgestimmt ist, liegt wir- kungsmässig der VDR-Widerstand 3 über die Lampenelektroden 1 direkt an den Netzklemmen.
Während der Vorheizung ist also die formverändernde Wirkung des induktiven Widerstandes durch den kapazitiven Widerstand kompensiert. Die an den Klemmen des VDR-Widerstandes liegende Sinusspannung hat einen Strom entsprechend der Kurve 1 in Fig. 4 zur Folge. Nach der Zündung während des Betriebes der Lampe wirkt jedoch die Lampenspannung, die schon nicht mehr sinusförmig ist, auf den VDR-Wider- stand über den kapazitiven Vorschaltwiderstand 5. Infolge der Verzerrung seiner Klemmenspannung arbeitet also der VDR-Widerstand entsprechend der Kurve 2 in Fig. 4. Der zugeordnete Betriebsstromwert entspricht also dem tiefsten Punkt auf der Kurve 2. Es wird also wirkungsmässig eine zwischen den Kurven l und
Kurven 2 verlaufende Charakteristik erzielt, die jedoch steiler ist, wie die Kurve 2 oder die Kurve 1.
Infolge dieser Steilheit werden bei mit Wechselstrom gespeisten Lampenanordnungen sogar noch bessere Werte erzielt, wie bei den mit Gleichstrom gespeisten Anordnungen. Dementsprechend wird gemäss der Erfindung eine einwandfreie Zündung der Leuchtstofflampe mit einem Vorschaltgerät ohne irgendwelche mechanische Schalter erzielt, wobei der-Verlust durch den Parallelkreis vernachlässigbar klein ist.
Die grundlegende Funktion der Schaltungsanordnung bleibt dieselbe, wenn gemäss Fig. 5a die Induktivität 4 in zwei Teile aufgeteilt wird, von denen einer zwischen den Netzklemmen und der zugeordneten Lampenelektrode liegt, während der andere in Serie mit der kapazitiven Impedanz 5 und dem VDR- Widerstand 3 zwischen den Lampenelektroden 1 liegt. Durch diese Möglichkeit wird man jedoch in der entsprechenden Einstellung der Betriebsstrombegrenzung weitgehend unabhängig von der Wirkungsweise des VDR-Widerstandes wie zuvor beschrieben. Die beiden Teile der induktiven Impedanz 4 können auch miteinander magnetisch gekoppelt sein.
Bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform ist die kapazitive Impedanz 5 einer der Lampenelektroden 1 vorgeschaltet, während die induktive Impedanz 4 in Serie mit dem VDR-Widerstand 2 zwischen den Lampenelektroden 1 liegt. Hier übernimmt nun die kapazitive Impedanz 5 die Aufgabe der Strombegrenzung im Betrieb, während die unduktive Impedanz 4 die Wirkung der kapazitiven Impedanz 5 auf den VDR-Widerstand 3 kompensiert.
Bei der in Fig. 6a dargestellten abgewandelten Ausführungsform wurde, ähnlich wie in Fig. 5a, die induktive Impedanz 4 in zwei Teile aufgeteilt, von denen der eine der Lampenelektrode vorgeschaltet ist, während der andere in Serie mit dem VDR-Widerstand 3 zwischen den beiden Lampenelektroden 1 liegt.
Die beiden Teile der induktiven Impedanz können wiederum magnetisch miteinander gekoppelt sein. Zwischen der Netzklemme und der zugeordneten Lampenelektrode 1 liegt nun in Serie vor dem einen Teil der induktiven Impedanz 4 die kapazitive Impedanz 5.
Wenn zwei Leuchtstofflampen, von denen die eine mit einem Vorschaltgerät gemäss Fig. 5 oder 5a und die andere mit einem Vorschaltgerät gemäss Fig. 6 oder 6a versehen ist, parallel zueinander am selben Netz liegen, wird der Strom gegenüber der Spannung in dem einen Zweig nacheilen und in dem andern Zweig voreilen. Für den Gesamtstrom wirken also die beiden Vorschaltgeräte gegenseitig als Phasenausgleicher.
Auf diese Weise kann eine erhebliche Leistungsersparnis erzielt werden. Bei Aggregaten mit einer grösseren Anzahl von Leuchtstofflampen werden die Leuchtstofflampen dann in zwei Gruppen geteilt, von denen die eine Gruppe mit Vorschaltgeräten gemäss Fig. 5 oder 5a und die andere mit Vorschaltgeräten
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gemäss Fig. 6 oder Fig. 6a versehen wird.
Anstatt rein induktiver und rein kapazitiver Widerstände können verschiedene Kunstschaltungen mit
Drosseln, Transformatoren und Kondensatoren verwendet werden, um die der Erfindung zugrundeliegenden Überlegungen zu erfüllen.
Die angegebene Wirkungsweise gemäss der Erfindung wird in jedem Fall erreicht, wenn der zwischen dem Netz und der einen Elektrode liegende eine Teil der resultierenden Impedanzenvorwiegend induktiv und der zwischen den beiden Lampenelektroden liegende andere Teil vorwiegend kapazitiv ist oder um- gekehrt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorschaltgeräte für Leuchtstofflampen oder andere Entladungslampen mit vorgeheizten Elektroden, bei welchen die beiden Elektroden einer Lampe mit einem nichtlinearen spannung-un bzw. oder tem- peraturabhängigen Widerstand überbrückt sind. gekennzeichnet durch eine Serienschaltung aus den bei- den Lampenelektroden (1), dem nichtlinearen Widerstand (3), mindestens einer überwiegend induktiven
Impedanz (4) und mindestens einer überwiegend kapazitiven Impedanz (5) dergestalt, dass die eine der
Impedanzen (4, 5) und der nichtlineare Widerstand (3) zwischen den beiden Lampenelektroden (1) und die andere Impedanz (4,5) zwischen einer der Netzklemmen und einer der Lampenelektroden (1) liegen (Fig. 5, 5a, 6, 6a).