Elektrische Entladungslampe Die Erfindung betrifft eine elektrische Entladungs lampe mit einem Serie-Ballastwiderstand, die über eine wechselstromgespeiste Gleichrichter-Kondensatorbrücke ihren Betriebsstrom erhält. Eine solche Lampe ist erfin dungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass der äquiva lente Widerstandswert des Serie-Ballastwiderstandes we niger als 1 3a desjenigen der Entladungslampe beträgt.
Hierbei ist der äquivalente Widerstand einer Entla dungslampe durch folgende Beziehung gegeben:
EMI0001.0007
wobei R, = äquivalenter Widerstand E = Spannung über der Lampe W = Lampenleistung Bei gewissen Arten von Lampen, z. B. ummantelten HOClldruckmetallda mpflampen, kann der erforderliche Widerstand durch einen Glühfaden gebildet sein, der im Zwischenraum zwischen dem Entladungsrohr und der äusseren Hülle angeordnet ist; in solchen Fällen erzeugt der Glühfaden sofort nach Einschalten der Lampe Licht und beschleunigt ausserdem das Aufheizen der Lampe.
Bei Lampen, welche während des Aufheizens einen gros sen Spannungsabfall über der Entladungsstrecke aufwei sen, kann während des Normalbetriebs ein Teil oder auch der ganze Vorschaltwiderstand überbrückt werden.
Die erfindungsgemässe Entladungslampe eignet sich insbesondere für den Betrieb mit einer nicht zu der vor liegenden Erfindung gehörenden, aber für ihr Verständ nis nützlichen Schaltungsanordnung, welche dadurch ge kennzeichnet ist, dass zwischen die Wechselstrom-Ein- gangsklemmen der Schaltungsanordnung eine Brücken schaltung geschaltet ist, welche zwei Zweige aufweist, die je einen Gleichrichter und einen Kondensator in Serie enthalten, wobei die Gleichrichter in den beiden Zweigen für entgegengesetzte Stromrichtung gepolt sind, dass jeder Kondensator mit einem Nebenschlussgleich- richter überbrückt ist,
der entgegengesetzt zum Serie gleichrichter im selben Zweig gepolt ist, und dass die Verbindungspunkte des Seriegleichrichters und des Kon- densators in jedem Zweig die Anschlusspunkte für einen die Entladungslampe enthaltenden Laststromkreis bil den, das Ganze derart, dass der Laststromkreis jeweils während eines Teils der Periodendauer des Betriebs wechselstromes Energie von den Eingangsklemmen di rekt über die Gleichrichter erhält.
Bei einer Gleichrichter-Kondensatorbrücke der Ge nannten Art wird der Laststromkreis mit der Entla dungslampe mit gleichgerichtetem Strom von sehr gros- ser Welligkeit betrieben. Der Stromfluss durch die Lampe resultiert nicht nur aus der Entladung, sondern ebenso aus der Ladung der Kondensatoren in der Brük- kenschaltung. Der Lampenstrom hat eine der Gleich stromkomponente überlagerte, ausgeprägte Wechsel komponente, deren Grundfrequenz das Zweifache der Netzfrequenz beträgt. Diese Betriebsweise ist möglich, weil die Entladungslampe eine Belastung darstellt,
die zwei verschiedene Impedanzzustände bei spannungsab hängigem Übergangspunkt annehmen kann, woraus sich eine Energiezufuhr nach der Lampe bei hohem Wir kungsgrad ergibt.
Eine besondere Eigenschaft dieser Schaltung besteht darin, dass das Ausmass des zusätzlichen Ballastes bzw. der teilweisen Stromregulierung. die mit einer Serieimpe- danz zur Lampe im Laststromkreis erreicht werden kann, relativ gering ist. Die in einer solchen Impedanz umgesetzte Energie kann hier im allgemeinen weniger als einen Drittel der in der Lampe umgesetzten Energie be tragen.
Deshalb ist es durchaus angezeigt, hierfür einen ohmschen Widerstand, insbesondere einen Glühfaden, zu verwenden, wobei trotzdem der Gesamtwirkungsgrad gleich oder besser ist als bei Anwendung einer üblichen, reaktiven Ballast-Impedenz. Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstan des wird nachstehend im Zusammenhang mit der Zeich nung näher erläutert. Einander entsprechende Teile sind in den verschiedenen Filzuren mit gleichen Bezu-szahlen bezeichnet.
Fiz. 1 ist das Schaltschema einer Ballastschaltung in Verbindung mit einer Entladungslampe, Fig. 2a, b und c sind Ersatzschaltbilder für die Schal tung nach Fig. 1 während verschiedener Abschnitte des Wechselstromzvklus, und Fig. 3 veranschaulicht ein Beispiel einer Hochdruck- Quecksilberdampflampe in Verbindung mit der Ballast schaltun:; und mit teilneuem Widerstandsballast.
Die ausgleichende oder hybride Gleichrichter-Kon- densator-Brücke nach Fiu. 1 besteht aus zwei Zweigen, von denen jeder einen Gleichrichter in Serie mit einem Kondensator zwischen den Eingangspunkten j1, j2 und einen dem Kondensator überbrückenden Nebenschluss gleichrichter enthält. In den beiden Zweigen sind die Serie-Gleichrichter mit entgegengesetzter Durchlassrich- tung gepolt. Der Nebenschlussgleichrichter in jedem Zweigs ist entgegengesetzt zum @Serie-Gleichrichter im gleichen Zweig gepolt.
Wie dargestellt, sind die Klem men S1, S2 des Wechselstromnetzes mit den Eingangs punkten j1, j2 verbunden. Der eine Zweig enthält den Gleichrichter D1 in Serie zum Kondensator C1, wobei D1 so gepolt ist. dass er den Strom vom Punkt j1 ablei tet; der Nebenschlussgleichrichter D3 ist entgegengesetzt zum Serie-Gleichrichter D1 gepolt.
Der andere Zweig enthält den Gleichrichter D2 in Serie zum Kondensator C2, wobei D2 für den Stromfluss zum Punkt j1 hin ge polt ist; der Nebenschlussgleichrichter D4 ist entgegen gesetzt zum Serie-Gleichrichter D2 im gleichen Zweig gepolt. Die Gleichrichter sind vorzugsweise durch Halb leiterdioden mit gutem Wirkungsgrad, beispielsweise Siliziumdioden, gebildet, und als Kondensatoren können Elektrolytkondensatoren verwendet werden. Die Schal tung kann auch als Vollweg-Gleichrichterbrücke be zeichnet werden, bei welcher je ein Kondensator zwi schen jeder Ausgangsklemme und einer der Eingangs klemmen angeschlossen ist.
Die Verbindungspunkte j3 und j4 zwischen Serie- Diode und Kondensator in jedem Zweig bilden die Aus gangspunkte, zwischen denen der Laststromkreis ange schlossen ist. Der Laststromkreis enthält die eigentliche Belastung L und in Serie zu dieser gegebenenfalls eine Ballast-Impedanz Z zur Erzielung einer gewissen zu sätzlichen Stromreguli rung. Die eigentliche Belastung L wird durch eine Entladungslampe gebildet, welche im 12ez:indeten Zustand bekanntlich negative Impe- danzcharakteristik aufweist.
Da die Serie-Impedanz Z lediglich eine partielle Stromregulierung übernehmen muss, kann diese ohne weiteres durch einen Wolfram draht gebildet sein, beispielsweise in Form einer separa ten Glühlampe oder auch als Bestandteil der Entla- dungslampeneinheit.
Die Fig.2a, 2b und 2c stellen Ersatzschaltbilder dar, welche den Zustand der Brückenschaltung nach Fig. 1 während verschiedener Abschnitte der Wechsel stromhalbwelle veranschaulichen, in welcher der Mo mentanwert der Wechselspannung an der Klemme S1 positiv ist (die Polarität ist in üblicher Weise durch den Pfeil zwischen den Eingangsklemmen angedeutet). Wäh rend eines ersten Teils der Halbwelle sind D1 in Durch- lassrichtung und D2, D3 und D4 in Sperrichtung vor gespannt, und ein Strom fliesst durch C2.
Wird die zu Beginn der positiven Halbwelle an C2 herrschende Spannung mit (VC2)" die Spannung über der Lampe L mit VL, der Momentanwert des Lampenstromes mit i und der Momentanwert der angelegten Spannung mit E - sin cut bezeichnet, so gilt die Beziehung:
EMI0002.0061
Während dieses Intervalls der Halbwelle wird der Strom durch die Lampe durch den Kondensator C2, d. h. den Kondensator im andern Zweig bestimmt.
Im nächsten Abschnitt der Halbwelle sind Dl und D4 in Durchlassrichtung, D2 und D3 hingegen in Sperr- richtung vorgespannt; VL ist kleiner als E - sin oot, und es gilt die folgende Beziehung:
E - sin asst = 'Z -_ VL Während dieses Abschnitts der Halbwelle erhält die Lampe direkt über zwei Gleichrichter Energie aus dem Netz, nämlich über den Serie-Gleichrichter im einen Zweig und den Nebenschlussgleichrichter im andern Zweig. Nur während dieses Zeitabschnitts der Halb welle ist die Ballast-Impedanz, falls vorhanden, wirksam.
Im Schlussabschnitt der Halbwelle sind D4 in Durch- lassrichtung und Dl, D2 und D3 in Sperrichtung'vorge- spannt. Bezeichnet man mit (V.1)1 die Spannung an C1 mit dem Augenblick, da VL besser wird als E - sin cot, so wird die Situation durch die folgende Gleichung darge stellt:
EMI0002.0087
Während dieses Teils der Halbwelle wird die Energie der Lampe aus dem Kondensator C1 im einen Zweig bezogen und fliesst über den Nebenschlussgleichrichter D4 im andern Zweig ab.
Im Interesse geringer Ballast-Verluste und eines ho hen Wirkungsgrades ist es zweckmässig, die Lampen spannung nahe der Speisespannung zu wählen. Der Strom wird dann teilweise direkt aus dem Netz der Lampe zugeleitet, wobei er über den Serie-Gleichrichter im einen Zweig und den Nebenschlussgleichrichter im andern Zweig fliesst und nur eine kleine Ballast-Impe- danz erforderlich ist.
Die Vorteile eines solchen Betrie bes sind ein verbesserter Leistungsfaktor gegenüber dem Betrieb mit kapazitivem Ballastmund ein höherer Wir kungsgrad, verglichen mit der Anwendung üblicher Bal- last-Impedanzen, insbesondere verglichen mit dem Fall, bei dem die Ballast-Impedanz durch einen Widerstand gebildet ist.
In Fig. 3 ist eine Lampeneinheit, d. h. die Kombina tion einer Lampe mit einer Ballast-Schaltung der be schriebenen Art dargestellt, welche Einheit besonders im Hinblick auf hohen Wirkungsgrad, geringe Kosten. nied riges Gewicht und geringen Raumbedarf gestaltet ist. Die eigentliche Lampe 1 entspricht im allgemeinen einer 400-Watt-Hoclldruck-Quecksilberdampflampe mit der Handelsbezeichnung E400A33-1. Die Lampe weist eine äussere, eiförmige Hülle 2 aus Weichglas auf.
Der Hals 3 der Hülle ist in üblicher \''eise durch einen eingestülpten Stempel abgeschlossen, durch welchen sich die Durch führungsdrähte 4 und 5 erstrecken, von denen der er stere mit dem isolierten Mittelkontakt 6 und der letztere mit der Gewindehülse 7 des Sockels, beispielsweise eines üblichen Schraubsockels, verbunden ist. Das innere Ent ladungsrohr 11 aus Quarz enthält an den gegenüberlie genden Enden die Haupt-Entladungselektroden 12 und 13. die auf bandförmi,.yen Durchführun,len angeordnet sind, welche in den abgeflachten, gequetschten Enden des Rohres eingeschmolzen sind.
Jede Elektrode weist einen Doppelwendel aus Wolfram-Draht auf, der mit einer die Elektronenmission erleichternden Mischung von Erdalkali-Owden aktiviert ist. Eine Zünd- oder Hilfselektrode 14J befindet sich am sockelseitigen Ende des Entladungsrohres und ist über einen Strombegren- zunL,swiderstand U mit der Hauptelektrode 13 am 2e- genüberlie2enden Ende des Entladungsrohrs verbunden.
Das Entladungsrohr ist im Aussenkolben durch einen einseitigen, stabförmigen Bügel 16 zentriert, welcher sich von der Durchführung 4 zu einer Einbuchtung 17 im Scheitel der Aussenhülle erstreckt und diese mit einer federnden Klemme 18 umfasst. Das Entladungsrohr ist mit dem Bügel 16 dadurch verbunden, dass die flachge quetschten Rohrenden zwischen :Metallbänder 19 und 20 eingespannt sind, welche sich zwischen dem seitlichen Stab 16 und gegenüberliegenden Enden 21, 22 des Sta bes erstrecken. Der Stab 16 dient auch als leitende Ver bindung der Hauptelektrode 13 mit der Durchführung 4, welcher ihrerseits an den Mittelkontakt 6 des Sockels angeschlossen ist.
Das Entladungsrohr enthält Quecksil ber und ein inertes Gas, beispielsweise Argon, bei einem Druck von weniger als 100 mm Hg.
Die Lampe ist in einer Schraubfassung 24 von her kömmlicher Form eingesetzt, deren Fussteil 25 auf der Oberseite die Bestandteile der gemischten Gleichrichter- Kondensator-Brücke 26 enthält. Die Bestandteile und Verbindungspunkte der Brücke sind in der Fig. 3 gleich bezeichnet wie im Schema nach Fig. 1. Die Komponen ten der Brücke sind in einer Vertiefung des Fussteils 25 untergebracht, so dass die gesamte :Anordnung 26 in einer üblichen Anschlussdose 27 Platz findet.
Die Kapa zitäten C1, C2 sind durch je zwei Hochspannunas-Elek- trolvt-Kondensatoren gebildet, welche paarweise seitlich im Fussteil 25 angeordnet sind; die Halbleiterdioden D1 bis D4 sind im mittleren Raum zwischen den Konden satoren gruppiert.
Die Ballast-Impedanz Z ist in Form eines Wolfram- Glühfadens 28 vorhanden, der im Raum innerhalb der Aussenhülle 3, jedoch ausserhalb des Entladungsrohrs 11 montiert ist. Der Glühfaden ist in zwei Abschnitte 28a, 28b aufgeteilt, die in Serie mit Hilfe eines Leiter bandes 31 zwischen einer Verlängerung 29 der Durch führung 5 und dem Durchführungsdraht der Hauptelek trode 12 angeschlossen sind. Beim Start und während der Aufheizung der Lampe sind beide Glühfadenab- schnitte 28a und 28b in Serie mit der Lampe zwischen den Ausgangspunkten j3 und j4 der Brückenschaltung angeschlossen.
Dadurch wird der Strom wirksam be grenzt, und gleichzeitig erzeugt der Glühfaden bereits Nutzlicht und beschleunigt die Aufheizung des Entla dungsrohres. Mit zunehmender Erwärmung und anstei gendem Druck im Entladungsrohr ist es zweckmässig, einen Teil des Glühfadens kurzzuschliessen. Dies erfolgt durch einen U-förmigen Bimetallstreifen 32, welcher auf dem Zuführungsdraht zur Hauptelektrode 12 befestigt ist und dessen freies Ende mit einem Leiter 33 zusam- menwirkt, um bei Erwärmung des Bimetalls einen Kon takt zur Verbindungsstelle zwischen den Glühfadenab- schnitten 28a und 28b herzustellen.
Dabei wird der Ab schnitt 28b kurzgeschlossen, und es bleibt während des Normalbetriebs der Lampe nur der Abschnitt 28a des Glühfadens in Serie zum Entladungsrohr. Glasperlen 34 bilden isolierende Versteifungen zwischen den Halteorga nen für die Glühfadenabschnitte. Nachstehend sind bei spielsweise die Betriebsdaten einer Lampeneinheit nach Fig.3 bei Betrieb an einem Wechselstromnetz von 117,5 V, 60 Hz angegeben:
EMI0003.0041
Lampen-Nennspannung: <SEP> 130 <SEP> V
<tb> Lampenstrom: <SEP> 2,8 <SEP> A <SEP> (Gleichstrom mittelwert)
<tb> Kapazitäten: <SEP> 2 <SEP> v <SEP> 50 <SEP> ,eiF/150 <SEP> V
<tb> Dioden: <SEP> 4 <SEP> X <SEP> IN4142
<tb> Ballast-Glühfaden: <SEP> Entsprechend <SEP> einer <SEP> Lampe
<tb> von <SEP> 1000 <SEP> W, <SEP> 115-120 <SEP> V
<tb> Bimetallschalter: <SEP> 20 <SEP> V, <SEP> 3A
<tb> Ballastwirkungsgrad: <SEP> 95 <SEP> 0!o
<tb> Leistungsfaktor: <SEP> 88 <SEP> 0!o
<tb> Volumen: <SEP> 32,8 <SEP> cmo
<tb> Gewicht: <SEP> 142 <SEP> g Der äquivalente Xt'iderstand des Entladungsrohrs be trägt etwa 40 Ohm und derjenige des Glühfadens etwa 12 Ohm, wenn beide Abschnitte in Serie eingeschaltet sind.
Der Widerstand des Abschnittes 28a, bei kurzge schlossenem Abschnitt 28b, beträgt etwa 3 Ohm bei Betriebstemperatur. Obschon die Lampeneinheit nach Fig. 3 mit einem Ballastwiderstand versehen ist, tritt des sen Stromre2ulier < virkun(y gegenüber der Wirkung der eigentlichen Ausgleichsbrücke zurück.
Dieser Umstand ermöglicht einenVWirkuci,.zsUrad von 95 0'0, also in der Grössenordnung von bekannten Schaltungen mit reakti ver Ballast-Impedanz. Hingegen ergaben die bis anhin bekannten Kombinationen von Quecksiiberdampf-Ent- ladungslampe und Ballast-Glühlampe nur einen Ballast- Wirkungsorad in der Grössenordnung von 50 0.,'o, wes halb die hier beschriebene Anordnung eine vollständig neue Klasse begründet.
Die Lampe nach FiQ. 3 ist speziell gebaut mit einem wirksamen Glühdraht-@V'iderstand von weniger als 1%3 des äquivalenten Widerstandes der Entladungsstrecke und zum Betrieb mit einer ausgleichenden, gemischten Gleichrichter-Kondensator-Brücke. Würde diese Lampe an einer Netzspannung betrieben, die zur Ingangsetzung der Entladung ausreichen würde, so würde der Glühfa den sofort durchbrennen. Selbstverständlich kann die dargestellte Lampe mit der Ballast-SchaltunR auch zu einer konstruktiven Einheit verbunden werden, die wie eine Glühlampe direkt an einem Wechselstromnetz von z.
B. 115 bis 120 V, 60 Hz betrieben werden kann.