<Desc/Clms Page number 1>
Schakelinrichting
De uitvinding heeft betrekking op een schakelinrichting voor het bedrijven van een ontladingslamp voorzien van - ingangsklemmen voor aansluiting op een voedingspanningsbron, - een belastingsketen B voorzien van klemmen voor het opnemen van de ontladingslamp en van inductieve ballastmiddelen, - middelen I gekoppeld met uiteinden van de belastingsketen B en de ingangsklemmen voor het uit een door de voedingspanningsbron geleverde voedingspanning opwekken van een hoogfrekwente spanning, - middelen II gekoppeld met de middelen I voor het instellen van het door de ontladingslamp opgenomen vermogen, waarbij de frekwentie van de hoogfrekwente spanning afhankelijk is van de ingestelde waarde van het opgenomen vermogen, een transformator voorzien van een primaire wikkeling en secundaire wikkelingen,
waarbij tijdens lampbedrijf elke secundaire wikkeling overbrugd is door een electrodeketen die een electrode van de ontladingslamp bevat.
Een dergelijke schakelinrichting is bekend uit US 5, 406, 174. In de bekende schakelinrichting maakt de primaire wikkeling deel uit van de inductieve ballastmiddelen. Het door de ontladingslamp in de ontlading opgenomen vermogen, verder aangeduid als het door de ontladingslamp opgenomen vermogen, wordt ingesteld door de frekwentie van de hoogfrekwente spanning in te stellen. Bij een toenemende frekwentie neemt de impedantie van de inductieve ballastmiddelen toe waardoor de stroom door de ontladingslamp en het door de ontladingslamp opgenomen vermogen afnemen. Tevens neemt de spanning over de primaire wikkeling van de transformator toe, waardoor eveneens de spanning over de secundaire wikkelingen toeneemt.
Hierdoor nemen de verwarmingsstromen die door de electrodes van de ontladingslamp vloeien toe en is bewerkstelligd dat de electrodes over een groot bereik van het door de
<Desc/Clms Page number 2>
ontladingslamp opgenomen vermogen op een temperatuur worden gehouden waarbij electronenemissie op een efficiente wijze plaatsvindt. Een belangrijk nadeel van de bekende schakelinrichting is dat de spanning over de primaire wikkeling van de transformator in belangrijke mate wordt beïnvloed door de spanning over de ontladingslamp. De spanning over de ontladingslamp is sterk afhankelijk van de omgevingstemperatuur, zodat een verandering in de omgevingstemperatuur aanleiding kan geven tot een te hoge of te lage verwarmingsstroom door de electrodes van de ontladingslamp.
Een tweede lampeigenschap van met name lagedrukkwikontladingslampen die aanleiding kan geven tot een afwijking van de gewenste relatie tussen ontladingsstroom en verwarmingsstroom is dat bij een afnemende hoeveelheid vermogen die door de ontladingslamp wordt opgenomen, de spanning over de ontladingslamp eerst toeneemt doch vervolgens afneemt.
Het is een doel van de uitvinding om een schakelinrichting te verschaffen waarmee tijdens lampbedrijf over een relatief groot bereik van het door de ontladingslamp opgenomen vermogen en van de omgevingstemperatuur een effectieve electrodeverwarming wordt gerealiseerd.
Een schakelinrichting zoals in de aanhef genoemd is daartoe volgens de uitvinding gekenmerkt doordat de primaire wikkeling deel uitmaakt van een keten C die tevens een frekwentie-afhankelijke impedantie bevat en die de belastingsketen overbrugt.
Doordat de primaire wikkeling en de ontladingslamp in verschillende ketens zijn geplaatst wordt de spanning over de primaire wikkeling niet beïnvloed door de spanning over de ontladingslamp en is daardoor slechts in relatief geringe mate afhankelijk van de omgevingstemperatuur. Doordat bij een verandering van het door de ontladingslamp opgenomen vermogen tevens de frekwentie van de hoogfrekwente spanning verandert terwijl de amplitude nagenoeg constant blijft, verandert eveneens de spanning over de frekwentie-afhankelijke impedantie. Als gevolg hiervan verandert de spanning over de primaire wikkeling en hierdoor ook de verwarmingsstroom.
Gevonden is dat het met behulp van een schakelinrichting volgens de uitvinding mogelijk is om een effectieve electrodeverwarming te realiseren, zelfs in geval het door de ontladingslamp opgenomen vermogen op een zeer geringe waarde wordt ingesteld.
De frekwentie-afhankelijke impedantie omvat bij voorkeur een
<Desc/Clms Page number 3>
condensator. Op deze wijze is de frekwentie-afhankelijke impedantie op een eenvoudige en tevens goedkope wijze gerealiseerd.
In geval de keten C voorts een ohmse impedantie bevat, is het door een geschikte keuze van deze ohmse impedantie mogelijk om de relatie tussen ontladingsstroom en verwarmingsstroom verder te beheersen. Deze ohmse impedantie beperkt de amplitude van de stroom in keten C. In geval het wenselijk is om de stroom door keten C eveneens te begrenzen indien een of beide electrodes van de ontladingslamp kortgesloten zijn, omvat de ohmse impedantie bij voorkeur een temperatuurafhankelijke weerstand van het type PTC. Indien als gevolg van het kortsluiten van een of beide electrodes de stroom door de temperatuurafhankelijke weerstand van het type PTC toeneemt, nemen door vermogensdissipatie eveneens de temperatuur en de weerstandswaarde van de temperatuurafhankelijke weerstand toe.
Door deze toegenomen weerstandswaarde blijft de stroom door keten C zelfs in geval van kortgesloten electrodes beperkt. Een probleem van het gebruik van een temperatuurafhankelijke weerstand van het type PTC in deze toepassing is dat de temperatuurafhankelijke weerstand veelal een relatief grote parasitaire capaciteit heeft.
Doordat de stroom die tijdens bedrijf van de schakelinrichting door keten C vloeit een hoogfrekwente stroom is vormt deze parasitaire capaciteit een voor deze stroom slechts relatief geringe impedantie, zelfs in geval de weerstandswaarde van de temperatuurafhankelijke weerstand relatief hoog is. In geval echter de keten C voorts een diodebrug bevat en de temperatuurafhankelijke weerstand van het type PTC uitgangsklemmen van de diodebrug met elkaar verbindt, wordt de hoogfrekwente stroom door de diodebrug gelijkgericht en vloeit in de temperatuurafhankelijke weerstand tijdens bedrijf van de schakeling een gelijkstroom. De parasitair capaciteit vormt voor deze gelijkstroom een in principe oneindig grote impedantie zodat de feitelijke impedantie van de temperatuurafhankelijke weerstand volledig wordt bepaald door de ohmse weerstands waarde.
Aldus kan in geval van een of meer kortgesloten electrodes ondanks de relatief grote parasitaire capaciteit van de temperatuurafhankelijke weerstand een effectieve begrenzing van de stroom in keten C gerealiseerd worden.
De middelen I voor het opwekken van een hoogfrekwente spanning omvatten bij voorkeur een keten A die een serieschakeling van twee schakelelementen bevat waarbij de belastingsketen B een van de schakelelementen overbrugt. De middelen I zijn aldus op relatief eenvoudige en betrouwbare wijze gerealiseerd.
<Desc/Clms Page number 4>
Het is voordelig, in geval de keten C en de electrodeketens die de secundaire wikkelingen L2 en L3 overbruggen zodanig gedimensioneerd zijn dat het faseverschil tussen de stroom door de secundaire wikkelingen L2 en L3 en de stroom door de ontladingslamp kleiner wordt naarmate de frekwentie van de hoogfrekwente spanning toeneemt. Een dergelijke faserelatie bewerkstelligt dat de stromen door de secundaire wikkelingen een sterkere bijdrage leveren aan de warmte-ontwikkeling in de electrodes naarmate het door de ontladingslamp opgenomen vermogen afneemt.
Het is voorts voordelig in geval de keten C voorts een schakelelement bevat voor het onderbreken van de stroom door de primaire wikkeling in geval de ontladingsstroom groter is dan een tevoren bepaalde waarde. Een ontladingstroom die groter is dan de tevoren bepaalde waarde veroorzaakt veelal een voldoende grote vermogensdissipatie in de electrodes om de electrodes op een temperatuur te houden waarbij electronemissie op een efficiente wijze plaatsvindt. Tevens kan, in geval van een relatief grote ontladingsstroom in afhankelijkheid van de dimensionering van keten C en de electrodeketens het faseverschil tussen de ontladingstroom en de verwarmingsstromen zodanig zijn dat deze elkaar ten dele compenseren en er feitelijk een koeling van de electrode wordt bewerkstelligd.
In geval het schakelelement bij een dergelijke relatief grote ontladingsstroom ongeleidend wordt gemaakt vloeit er geen verwarmingsstroom door de electrodes, wat een vermogensbesparing oplevert. Het schakelelement kan bijvoorbeeld gekoppeld zijn met de middelen n. Ook is echter denkbaar dat het schakelelement gekoppeld is met een verder circuitdeel dat bijvoorbeeld met behulp van een fotocel een signaal opwekt dat een maat is voor de lichtstroom van de ontladingslamp en dus ook voor de ontladingsstroom.
Uitvoeringsvormen van een schakelinrichting volgens de uitvinding worden in een tekening getoond. In de tekening is
Fig. 1 een schematische weergave van een uitvoeringsvoorbeeld van een schakelinrichting volgens de uitvinding met daarop aangesloten een ontladingslamp, en
Fig. 2 een schematische weergave van een verder uitvoeringsvoorbeeld van een schakelinrichting volgens de uitvinding met daarop aangesloten een ontladingslamp.
<Desc/Clms Page number 5>
In Fig. 1 zijn Kl en K2 ingangsklemmen voor aansluiting op een voedingspanningsbron. In dit uitvoeringsvoorbeeld dient de voedingspanningsbron een gelijkspanningsbron te zijn. Belastingsketen B bevat in dit uitvoeringsvoorbeeld condensatoren C3 en C4, spoel L4 en klemmen voor het opnemen van een ontladingslamp K3, K3', K4 en K4'. Spoel L4 vormt in dit uitvoeringsvoorbeeld inductieve ballastmiddelen. Op de klemmen K3, K3', K4 en K4'is een ontladingslamp LA voorzien van electrodes Ell en EI2 aangesloten. L2 en L3 zijn secundaire wikkelingen van een transformator T. Secundaire wikkeling L3 is overbrugd door een electrodeketen gevormd door een serieschakeling van klem K3', electrode Ell, klem K3 en condensator C5.
Secundaire wikkeling L2 is overbrugd door een electrodeketen gevormd door een serieschakeling van klem K4, electrode E12, klem K4'en condensator C6. De secundaire wikkelingen L2 en L3 en de electrodeketens die deze secundaire wikkelingen overbruggen maken eveneens deel uit van de belastingsketen B. Keten C wordt gevormd door een serieschakeling van condensator C2, ohmse weerstand R en primaire wikkeling L l van transformator T. Condensator C2 vormt in dit uitvoeringsvoorbeeld een frekwentie-afhankelijke impedantie. Schakelelementen Sl en S2 en stuurcircuits Sei en Sc2 vormen middelen I voor het uit een door de voedingspanningsbron geleverde voedingspanning opwekken van een hoogfrekwente spanning.
Circuitdeel TI vormt middelen n voor het instellen van het door de ontladingslamp opgenomen vermogen.
Ingangsklem Kl is via een serieschakeling van schakelelementen S l en S2 verbonden met ingangsklem K2. Respectieve uitgangen van het stuurcircuit Sei zijn verbonden met een stuurelectrode en een hoofdelectrode van schakelelement S l.
Respectieve uitgangen van het stuurcircuit Sc2 zijn verbonden met een stuurelectrode en een hoofdelectrode van schakelelement S2. Een uitgang van circuitdeel n is verbonden met een ingang van stuurcircuit Scl. Een tweede uitgang van circuitdeel 11 is verbonden met een ingang van stuurcircuit Sc2. Schakelelement S2 wordt overbrugd door keten C en door een serieschakeling van condensator C3, spoel L4 en condensator C4 zodanig dat een zijde van condensator C4 is verbonden met ingangsklem K2. Klem K3'is verbonden met een gemeenschappelijk punt van spoel L4 en condensator C4. Klem K4' is verbonden met ingangsklem K2.
De werking van de in Fig. 1 getoonde schakelinrichting is als volgt.
<Desc/Clms Page number 6>
EMI6.1
In geval op de ingangsklemmen Kl en K2 een voedingspanningsbron is aangesloten en de schakelinrichting in bedrijf is, maken de stuurcircuits Sei en Sc2 de schakelelementen S en S2 afwisselend geleidend en ongeleidend. Als gevolg hiervan is tussen de uiteinden van de ketens B en C een hoogfrekwente spanning aanwezig. Als gevolg van deze hoogfrekwente spanning vloeit in elk van de ketens B en C een hoogfrekwente wisselstroom met een frekwentie die gelijk is aan de frekwentie van de hoogfrekwente spanning. Een deel van de hoogfrekwente wisselstroom die vloeit in keten B vormt de ontladingsstroom door de ontladingslamp LA. De hoogfrekwente stroom die vloeit in keten C doorvloeit de primaire wikkeling Ll, als gevolg waarvan er zowel tussen de uiteinden van de secundaire wikkeling L2 alswel tussen de uiteinden van secundaire wikkeling L3 een hoogfrekwente spanning aanwezig is.
Deze hoogfrekwente spanningen over de secundaire wikkelingen veroorzaken hoogfrekwente verwarmingsstromen in de electrodeketens die de secundaire wikkelingen overbruggen en dus door de electroden Ell en E12 van de ontladingslamp LA. Zowel de ontladingsstroom alswel de verwarmingsstromen veroorzaken warmteontwikkeling in de electrodes EU en E12 waardoor deze op een voor electronenemissie geschikte temperatuur worden gehouden. Met behulp van circuitdeel II is het mogelijk om het tijdsinterval gedurende hetwelk elk van de schakelelementen in elke hoogfrekwente periode stroom voert, en zodoende tevens het door de lamp opgenomen vermogen in te stellen. In geval het tijdsinterval gedurende hetwelk elk van de schakelelementen stroom voert wordt verkleind neemt de ontladingsstroom door de ontladingslamp LA af.
Tevens neemt de frekwentie van de hoogfrekwente spanning toe terwijl de amplitude van de hoogfrekwente spanning ongewijzigd blijft. Als gevolg hiervan neemt in keten C de spanningsval over condensator C2 af en de spanningsval over primaire wikkeling Ll toe. Door de toename van de spanningsval over primaire wikkeling Ll nemen tevens de verwarmingsstromen door de electrodes Ell en E12 toe. Aldus wordt bij het dimmen van de ontladingslamp de verminderde warmteontwikkeling in de electrodes als gevolg van de geringere ontladingsstroom althans ten dele gecompenseerd door grotere verwarmingsstromen. De warmte-ontwikkeling in de electrodes wordt echter niet uitsluitend bepaald door de amplituden van de ontladingsstroom en de verwarmingsstroom doch tevens door hun faserelatie.
Deze faserelatie is, evenals de relatie tussen de amplituden van de ontladingsstroom en de verwarmingsstromen, een functie van de frekwentie van de hoogfrekwente spanning. De gedaante van deze
<Desc/Clms Page number 7>
EMI7.1
faserelatie als functie van de frekwentie van de hoogfrekwente spanning wordt bepaald door de componenten van keten C en van de beide ketens die de secundaire wikkelingen L2 en L3 overbruggen en hun dimensionering. In de schakelinrichting getoond in Fig. 1 zijn de componenten en de dimensionering zodanig gekozen dat bij de grootste instelbare ontladingsstroom (en dus bij de laagste waarde van de frekwentie van de hoogfrekwente spanning) de ontladingsstroom en de verwarmingsstroom nagenoeg in tegengestelde fase zijn.
Bij de laagste instelbare waarde van de ontladingsstroom (en dus bij de hoogste waarde van de frekwentie van de hoogfrekwente spanning) zijn de verwarmingsstroom en de ontladingsstroom echter nagenoeg in fase. Door middel van deze faserelatie is bewerkstelligd dat, in geval de grootste ontladingstroom door de electrodes van de ontladingslamp LA vloeit, de verwarmingsstroom deze ontladingsstroom ten dele compenseert, waardoor de warmte-ontwikkeling in de electrodes lager is dan bij afwezigheid van de verwarmingsstroom het geval zou zijn.
De electroden worden, in geval de ontladingslamp de grootste instelbare ontladingsstroom voert, in feite door de verwarmingsstromen gekoeld. In geval echter de ontladingsstroom door de electroden van de ontladingslamp LA relatief klein is, zijn de verwarmingstromen en de ontladingsstroom nagenoeg in fase, waardoor in elke electrode de verwarmingsstroom en de ontladingsstroom elkaar versterken en de verwarmingsstroom de warmte-ontwikkeling in de electrodes sterk doet toenemen.
Dankzij deze faserelatie is het mogelijk om de warmteontwikkeling in de electrodes over een relatief groot bereik van het door de ontladingslamp opgenomen vermogen op een gewenst niveau te beheersen.
In Fig. 2 zijn circuitdelen en componenten die overeenkomen met circuitdelen en componenten van het in Fig. 1 getoonde uitvoeringsvoorbeeld van een overeenkomstige aanduiding voorzien. Het in Fig. 2 getoonde uitvoeringsvoorbeeld verschilt uitsluitend van het in Fig. 1 getoonde uitvoeringsvoorbeeld in de opbouw van keten C. In het in Fig. 2 getoonde uitvoeringsvoorbeeld wordt keten C gevormd door condensator C2, primaire wikkeling Ll, diodebrug D1-D4, temperatuurafhankelijke weerstand R van het type PTC en schakelelement S3. Een eerste zijde van condensator C2 is verbonden met een gemeenschappelijk punt van schakelelement SI en schakelelement S2. Een tweede zijde van condensator C2 is verbonden met een eerste uiteinde van primaire wikkeling Ll. Een tweede uiteinde van primaire wikkeling LI is verbonden met een eerste ingang van de diodebrug D1-D4.
Een eerste uitgang van
<Desc/Clms Page number 8>
diodebrug D1-D4 is verbonden met een tweede uitgang van diodebrug D1-D4 door middel van temperatuurafhankelijke weerstand R van het type PTC. Een tweede ingang van diodebrug DI-D4 is verbonden met een eerste hoofdelectrode van schakelelement S3. Een tweede hoofdelectrode van schakelelement S3 is verbonden met ingangsklem K2. Een stuurelectrode van schakelelement S3 is gekoppeld met een derde uitgang van circuitdeel II. Deze koppeling is in Fig. 2 aangegeven met behulp van een stippellijn.
De werking van het in Fig. 2 getoonde uitvoeringsvoorbeeld is goeddeels overeenkomstig de werking van het in Fig. 1 getoonde uitvoeringsvoorbeeld. Het in Fig. 2 getoonde uitvoeringsvoorbeeld is tevens voorzien van een kortsluitbeveiliging en de mogelijkheid om de electrodeverwarming uit te schakelen.
In geval klem K3 direct is verbonden met klem 1 (3' enlof ingeval klem K4 direct is verbonden met klem K4'viocit als gevolg hiervan in de electrodeketen die secundaire wikkeling L3 overbrugt en/of de electrodeketen die secundaire wikkeling L2 overbrugt een zeer hoge stroom. Als gevolg hiervan vloeit in keten C eveneens een zeer hoge stroom. Deze laatste stroom veroorzaakt vermogensdissipatie in de temperatuurafhankelijke weerstand R en daardoor een temperatuurstijging. Door deze temperatuurstijging neemt de weerstandswaarde van de temperatuurafhankelijke weerstand R sterk toe waardoor de stroom in keten C afneemt. Aldus is de schakelinrichting effectief beschermd tegen het kortsluiten van een of meer electrodes.
In geval de ontladingsstroom groter is dan een tevoren bepaalde waarde maakt het circuitdeel 11 het schakelelement S3 ongeleidend. De electrodeverwarmstroom wordt hierdoor gereduceerd tot nagenoeg nul, waardoor een vermogensbesparing kan worden gerealiseerd bij relatief hoge waardes van de ontladingsstroom. De ontladingsstroom is bij deze relatief hoge waardes van het opgenomen vermogen voldoende groot om de electrodes van de ontladingslamp op een geschikte emissietemperatuur te houden.
In een concrete uitvoering van het in Fig. l getoonde uitvoeringsvoorbeeld van een schakelinrichting volgens de uitvinding voor het bedrijven van een lagedrukkwikontladingslamp met een nominaal vermogen van 58 Watt, was de dimensionering van keten C en de electrodeketens als volgt. De electrodes van de lagedrukkwikontladingslamp zijn in eerste benadering ohmse weerstanden met een weerstandswaarde (in warme toestand) van ongeveer 5, 6 0. De capaciteit van C5 en C6 bedroeg 470 nF. De capaciteit van condensator C2 bedroeg 680 pF. Ohmse weerstand
<Desc/Clms Page number 9>
R werd gevormd door de ohmse weerstand van de primaire wikkeling en de weerstandswaarde bedroeg 200 n. De spreidingsinductie van transformator T bedroeg ongeveer 1, 35 mH.
Gevonden is dat het mogelijk was om het door de ontladingslamp in de ontlading opgenomen vermogen te doen afnemen tot slechts 1 procent van het nominale vermogen van de ontladingslamp, waarbij over het gehele bereik van het door de lamp opgenomen vermogen de warmteontwikkeling in de electrodes zodanig is dat de electrodes op een geschikte temperatuur voor electronenemissie zijn.