Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungsanlage mit einer Anzahl Gasentladungslampen mit heizbaren Elektroden und einem stromkreismässig in Reihe mit der Anzahl Gasentladungslampen geschaltetes Längsstellglied und ein Verfahren zum Betrieb dieser Anlage.
Nach dem derzeitigen Stand der Technik wird die Lichtsteuerung von Gasentladungslampen mit heizbaren Elektroden, insbesondere Leuchtstofflampen, nach folgendem Prinzip durchgeführt, das in Fig. 1 gezeigt ist.
Der Mittelwert der Lampenströme und damit der Mittelwert der Lichtströme wird durch ein Längsstellglied 1 gesteuert, das stromkreismässig in Reihe mit der Lampengruppe 3a, b, . .
einschliesslich der Vorschaltgeräte zur Strombegrenzung 2a, b, . . . liegt. Die Steuerung wird entweder durch Veränderung der Impedanz des Längsstellgliedes (Siemens-Zeitschrift 29. Jahrgang, 1955, Seite 4-11) oder durch ein nach der Phasenanschnittmethode arbeitendes Stellglied bewirkt.
(Zeitschriften: BBC-Nachrichten 42. Jahrgang, März/April
1960, Seite 10Q-107; BBC-Nachrichten 50. Jahrgang, 1968, Heft 7, Seite 347-357; Lichttechnik 22. Jahrgang, 1970, Seite 96. 98-100).
Dabei ist es allerdings nötig, für jede Entladungslampe einen Heiztransformator mit zwei getrennten Sekundärwicklungen 4a, b, .. . vorzusehen, damit die Lampenelektroden auch bei Dunkelsteuerung ausreichend geheizt werden. Die Heizleistungen für die Elektroden sind abhängig von der Lichtsteuerung, weil bei dunklen Lampen nur über die Heiztransformatoren, bei Hell steuerung jedoch zusätzlich durch die Lampenströme geheizt wird. Ferner sind die Lichtsteuereigenschaften nicht voll befriedigend, so dass Zündhilfen wie Metallstrümpfe über sämtliche Lampen und unter Umständen besondere Vorschaltgeräte, die periodische Zündimpulse erzeugen, erforderlich sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die der Elektrodenheizung der Gasentladungslampen dienenden Heiztransformatoren einzusparen, die Heizleistungen für die Elektroden nahezu unabhängig von der Lichtsteuerung zu machen und die Lichtsteuereigenschaften zu verbessern.
Die erfindungsgemässe Anlage zeichnet sich dadurch aus, dass die Gasentladungslampen über individuelle Vorschaltgeräte am Längsstellglied parallel angeschlossen sind, dass die einzelnen Lampenstromkreise über individuelle Brückengleichrichter geschlossen sind, dass die Gleichstromklemmen gleicher Polarität der Brückengleichrichter parallelgeschaltet und mit einem elektronischen Schalter verbunden sind, und dass ein Steuerteil sowohl mit dem Längsstellglied, als auch mit dem elektronischen Schalter verbunden ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren zum Betrieb dieser Anlage zeichnet sich dadurch aus, dass der von den Lampen abgegebene Lichtstrom durch Verändern des Verhältnisses zwischen Schliessungsdauer des elektronischen Schalters und Halbperiodendauer des speisenden Wechselstroms zwischen einem Minimalwert bei dauernd geschlossenem Schalter und einem Maximalwert bei praktisch dauernd offenem Schalter verändert wird, und dass das Längsstellglied, das nach der Phasenausschnittmethode arbeitet, durch den Steuerteil derart gesteuert wird, dass die Elektroden der Gasentladungslampen über den gesamten Lichtsteuerungsbereich mit annähernd gleichbleibender Leistung geheizt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Die Fig. 2 ein Prinzipschema der Parallellichtsteuerung für Gasentladungslampen mit heizbaren Elektroden;
Die Fig. 3 Zeitdiagramme der in Fig. 2 eingetragenen Spannungen und Ströme und der Stellglieder im Falle der Dunkelsteuerung;
Die Fig. 4 Zeitdiagramme wie Fig. 3, aber für den Fall der
Steuerung auf grösste Helligkeit;
Die Fig. 5 Zeitdiagramme wie Fig. 3, aber für den Fall der
Steuerung auf mittlere Helligkeit und mit einer Schaltfrequenz von 2 X Netzfrequenz; und
Die Fig. 6 Zeitdiagramme wie Fig. 5, aber mit einer Schaltfre quenz von 4 x Netzfrequenz.
Anhand des Schemas von Fig. 2 und der Zeitdiagramme von Fig. 3-6, bei welchen idealisierte Strom- und Spannungsformen gezeigt sind, wird nun die Wirkungsweise der Lichtsteuerschaltung näher erläutert. Gasentladungslampen 3 sind in beliebiger Anzahl über individuelle Vorschaltgeräte 2 parallel an Sammelschienen angeschlossen, die über ein Längsstellglied 1 mit dem speisenden Netz verbunden sind. Parallel zu den Elektroden der Gasentladungslampen 3 ist ein elektronischer Schalter 7 vorgesehen, wobei die einzelnen Gasentladungslampen durch Brückengleichrichter 6 entkoppelt sind.
Dieser parallelliegende elektronische Schalter (in Frage kommen hierfür Transistoren, Thyristoren, Triacs usw.) wird synchron zur Netzwechselspannung periodisch geöffnet und geschlossen, wobei seine Schaltfrequenz ein ganzzahliges Vielfaches (vorzugsweise das Doppelte oder das Vierfache) der Frequenz des speisenden Wechselspannungsnetzes beträgt. Die Lichtsteuerung ist dadurch möglich, dass das Verhältnis Oeffnungszeit zu Schliessungszeit des parallelliegenden Schalters 7 kontinuierlich verändert wird.
Ist der Schalter 7 ständig geschlossen, so fliesst der Wechselstrom I ausschliesslich durch die Elektroden der Gasentladungslampen und dient deren Fremdheizung (doppelt schraffierte Strom-Zeitflächen in Fig. 3). Die Entladungsräume der Lampen sind stromlos, und der erzeugte Lichtstrom ist abgesehen vom Glühen der Elektroden Null (Dunkelsteuerung gemäss Fig. 3). In der Betriebsweise wird auch das Vorheizen der Elektroden nach dem Einschalten der Lampengruppe erreicht, so dass ein Kaltstart vermieden wird.
Ist der Schalter 7 ständig offen, so fliesst der Wechselstrom I ausschliesslich durch die Entladungsräume der Lampen (einfach schraffierte Strom-Zeitflächen in Fig. 4) und der erzeugte Lichtstrom hat seinen Grösstwert. Die Lampenströme bewirken zugleich die Eigenheizung der Elektroden (Fig. 4).
Zwischen diesen beiden Extremen lassen sich die Zeitabschnitte für einen Stromfluss nur über die Elektroden (Schalter 7 geschlossen) und für einen Stromfluss über die Entladungsräume der Lampen (Schalter 7 offen) im gegenläufigen Sinne kontinuierlich steuern. Damit erstreckt sich der Steuerbereich des Mittelwertes vom Lichtstrom zwischen Null und einem Grösstwert (Fig. 5 bzw. 6). Dabei dienen die in Fig. 5 bzw. 6 einfach schraffierten Strom-Zeitflächen der Lichterzeugung in den Entladungsräumen und die doppelt schraffierten Flächen der Fremdheizung der Elektroden. Der Zeitpunkt, zu dem der parallelliegende Schalter 7 periodisch öffnet, kann gegenüber dem Nulldurchgang des Wechselstromes beliebig phasenverschoben werden.
Auf diese Weise lässt sich die beim Öffnen des Schalters 7 in den induktiven bzw. den induktiv-kapazitiven Vorschaltgeräten 2 entstehende Induktionsspannung zwischen einem I(leinstwert (Schalter 7 öffnet im Strom-Nulldurchgang) und einem Grösstwert (Schalter 7 öffnet im Strommaximum) kontinuierlich verändern und an die erforderliche Wiederzündspannung der Gasentladungslampen anpassen.
Hierauf beruhen die verbesserten Lichtsteuereigenschaften.
Stromkreismässig in Reihe mit der Lampengruppe 3a, b, c, . . . einschliesslich der Vorschaltgeräte 2a, b, c, . . . wird ein Stellglied 1 vorgesehen, das nach der Methode des Phasenanschnitts arbeitet. Es dient hier jedoch gegenüber dem derzeitigen Stand der Technik nicht mehr unmittelbar der Lichtsteuerung, sondern hat die Aufgabe, dafür zu sorgen, dass die Lampenelektroden über dem gesamten Lichtsteuerbereich mit annähernd gleichbleibender Leistung geheizt werden und somit stets ihre optimale Betriebstemperatur besitzen.
Mit der vorliegenden Lichtsteuerschaltung werden folgende Vorteile erzielt:
1. Bei der Parallel-Lichtsteuerungsschaltung sind keine Hei:ztransformatoren für die Elektrodenheizung erforderlich.
2. Die Elektroden der Gasentladungslampen werden im gesamten Lichtsteuerbereich mit annähernd gleichbleibender Leistung geheizt. Hieraus folgt eine lampenschonendere Betriebsweise.
3. Die bei der Parallel-Lichtsteuerungsschaltung in induktiven bzw. den induktiv-kapazitiven Vorschaltgerären periodisch auftretenden Induktionsspannungen lassen sich in einem weiten Bereich in der Amplitude einstellen und an die Wiederzündspannungen der Gasentladungslampen anpassen. Die Lichtsteuereigenschaften sind dadurch verbessert. Besondere Zündhilfen können im allgemeinen entfallen.
PATENTANSPRUCH I
Beleuchtungsanlage mit einer Anzahl Gasentladungslampen mit heizbaren Elektroden und einem stromkreismässig in Reihe mit der Anzahl Gasentladungslampen geschaltetes Längsstellglied, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasentladungslampen (3) über individuelle Vorschaltgeräte (2) am Längsstellglied parallel angeschlossen sind, dass die einzelnen Lampenstromkreise über individuelle Brückengleichrichter (6) geschlossen sind, dass die Gleichstromklemmen gleicher Polarität der Brückengleichrichter parallel geschaltet und mit einem elektronischen Schalter (7) verbunden sind, und dass ein Steuerteil (9) sowohl mit dem Längsstellglied. als auch mit dem elektronischen Schalter verbunden ist.
PATENTANSPRUCH II
Verfahren zum Betrieb der Anlage nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der von den Lampen abgegebene Lichtstrom durch Verändern des Verhältnisses zwischen Schliessungsdauer des elektronischen Schalters (7) und Halbperiodendauer des speisenden Wechselstroms zwischen einem Minimalwert bei dauernd geschlossenem Schalter und einem Maximalwert bei praktisch dauernd offenem Schalter verändert wird, und dass das Längsstellglied, das nach der Phasenausschnittmethode arbeitet, durch den Steuerteil derart gesteuert wird, dass die Elektroden der Gasentladungslampen über den gesamten Lichtsteuerungsbereich mit annähernd gleichbleibender Leistung geheizt werden.
The present invention relates to a lighting system with a number of gas discharge lamps with heatable electrodes and a longitudinal actuator connected in series with the number of gas discharge lamps and a method for operating this system.
According to the current state of the art, the light control of gas discharge lamps with heatable electrodes, in particular fluorescent lamps, is carried out according to the following principle, which is shown in FIG. 1.
The mean value of the lamp currents and thus the mean value of the luminous currents is controlled by a longitudinal actuator 1, which is connected in series with the lamp group 3a, b,. .
including the ballasts for current limitation 2a, b,. . . lies. The control is effected either by changing the impedance of the longitudinal actuator (Siemens-Zeitschrift 29th year, 1955, pages 4-11) or by an actuator that works according to the phase control method.
(Magazines: BBC News Volume 42, March / April
1960, p. 10Q-107; BBC-Nachrichten Volume 50, 1968, Issue 7, Pages 347-357; Lichttechnik 22nd year, 1970, page 96. 98-100).
In this case, however, it is necessary to use a heating transformer with two separate secondary windings 4a, b, .. for each discharge lamp. provided so that the lamp electrodes are sufficiently heated even with dark control. The heating power for the electrodes depends on the light control, because with dark lamps only the heating transformers are used, with light control, however, the lamp currents additionally heat. Furthermore, the light control properties are not completely satisfactory, so that ignition aids such as metal socks over all lamps and, under certain circumstances, special ballasts that generate periodic ignition pulses are required.
The invention is based on the object of saving the heating transformers used for the electrode heating of the gas discharge lamps, of making the heating power for the electrodes almost independent of the light control and of improving the light control properties.
The system according to the invention is characterized in that the gas discharge lamps are connected in parallel via individual ballasts to the longitudinal actuator, that the individual lamp circuits are closed via individual bridge rectifiers, that the DC terminals of the same polarity of the bridge rectifiers are connected in parallel and connected to an electronic switch, and that a control unit is connected to both the longitudinal actuator and the electronic switch.
The inventive method for operating this system is characterized in that the luminous flux emitted by the lamps is changed between a minimum value when the switch is permanently closed and a maximum value when the switch is practically permanently open by changing the ratio between the closing time of the electronic switch and the half-cycle duration of the supplying alternating current , and that the longitudinal actuator, which works according to the phase cut-out method, is controlled by the control part in such a way that the electrodes of the gas discharge lamps are heated with an approximately constant power over the entire light control range.
An embodiment of the invention is explained in more detail with reference to the drawing. In the drawing shows:
2 shows a basic diagram of the parallel light control for gas discharge lamps with heatable electrodes;
3 shows time diagrams of the voltages and currents entered in FIG. 2 and of the actuators in the case of dark control;
FIG. 4 timing diagrams like FIG. 3, but for the case of
Control to maximum brightness;
5 timing diagrams like FIG. 3, but for the case of
Control to medium brightness and with a switching frequency of 2 x mains frequency; and
Fig. 6 timing diagrams as in Fig. 5, but with a switching frequency of 4 x mains frequency.
The mode of operation of the light control circuit will now be explained in more detail with the aid of the scheme of FIG. 2 and the timing diagrams of FIG. 3-6, in which idealized current and voltage forms are shown. Any number of gas discharge lamps 3 are connected via individual ballasts 2 in parallel to busbars which are connected via a longitudinal actuator 1 to the feeding network. An electronic switch 7 is provided parallel to the electrodes of the gas discharge lamps 3, the individual gas discharge lamps being decoupled by bridge rectifiers 6.
This parallel electronic switch (transistors, thyristors, triacs, etc. are suitable for this) is periodically opened and closed synchronously with the AC mains voltage, its switching frequency being an integral multiple (preferably twice or four times) the frequency of the AC supply voltage. The light control is possible in that the ratio of opening time to closing time of the parallel switch 7 is continuously changed.
If the switch 7 is permanently closed, the alternating current I flows exclusively through the electrodes of the gas discharge lamps and serves to heat them externally (double-hatched current-time areas in FIG. 3). The discharge spaces of the lamps are currentless and the luminous flux generated is zero, apart from the glowing of the electrodes (dark control according to FIG. 3). In the operating mode, the electrodes are also preheated after the lamp group has been switched on, so that a cold start is avoided.
If the switch 7 is constantly open, the alternating current I flows exclusively through the discharge spaces of the lamps (single hatched current-time areas in FIG. 4) and the luminous flux generated has its maximum value. The lamp currents also cause the electrodes to heat themselves (Fig. 4).
Between these two extremes, the time segments for a current flow only via the electrodes (switch 7 closed) and for a current flow via the discharge spaces of the lamps (switch 7 open) can be continuously controlled in opposite directions. The control range of the mean value of the luminous flux thus extends between zero and a maximum value (Fig. 5 or 6). The current-time areas with single hatching in FIGS. 5 and 6 serve to generate light in the discharge spaces and the double hatched areas for external heating of the electrodes. The point in time at which the parallel switch 7 opens periodically can be phase shifted as desired with respect to the zero crossing of the alternating current.
In this way, the induction voltage that arises in the inductive or inductive-capacitive ballasts 2 when the switch 7 is opened can be continuously changed between an I (initial value (switch 7 opens when the current passes through zero) and a maximum value (switch 7 opens at the current maximum) and adapt to the required re-ignition voltage of the gas discharge lamps.
The improved light control properties are based on this.
Circuits in series with the lamp group 3a, b, c,. . . including the ballasts 2a, b, c,. . . an actuator 1 is provided which works according to the phase control method. However, compared to the current state of the art, it is no longer used directly for light control, but has the task of ensuring that the lamp electrodes are heated with almost constant power over the entire light control area and thus always have their optimal operating temperature.
The following advantages are achieved with the present light control circuit:
1. No heating transformers are required for the electrode heating with the parallel light control circuit.
2. The electrodes of the gas discharge lamps are heated with an almost constant output in the entire light control area. This results in a more lamp-friendly operation.
3. The induction voltages that occur periodically in the parallel light control circuit in inductive or inductive-capacitive ballasts can be adjusted in amplitude over a wide range and adapted to the re-ignition voltages of the gas discharge lamps. The light control properties are thereby improved. Special starting aids can generally be omitted.
PATENT CLAIM I
Lighting system with a number of gas discharge lamps with heatable electrodes and a longitudinal actuator connected in series with the number of gas discharge lamps, characterized in that the gas discharge lamps (3) are connected in parallel via individual ballasts (2) to the longitudinal actuator, and that the individual lamp circuits are connected via individual bridge rectifiers (6 ) are closed, that the DC terminals of the same polarity of the bridge rectifiers are connected in parallel and connected to an electronic switch (7), and that a control part (9) is connected to both the longitudinal actuator. and connected to the electronic switch.
PATENT CLAIM II
Method for operating the system according to claim 1, characterized in that the luminous flux emitted by the lamps is changed by changing the ratio between the duration of the closing of the electronic switch (7) and the half-cycle duration of the alternating current supply between a minimum value when the switch is permanently closed and a maximum value when the switch is practically continuously open Switch is changed, and that the longitudinal actuator, which works according to the phase cut-out method, is controlled by the control part in such a way that the electrodes of the gas discharge lamps are heated over the entire light control range with approximately constant power.