CH686390A5

CH686390A5 - Verfahren zum betrieb einer gasentladungs- oder fluoreszenzlampe und vorschaltgeraet zu dessen ausfuehrung

Info

Publication number: CH686390A5
Application number: CH318092A
Authority: CH
Inventors: Juerg Nigg
Original assignee: Juerg Nigg
Priority date: 1992-10-12
Filing date: 1992-10-12
Publication date: 1996-03-15
Also published as: DE4234358A1

Description

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CH 686 390 A5

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, ein elektronisches Vorschaltgerät nach demjenigen von Anspruch 6 eine Metall-Halogendampflampe nach Anspruch 15, einen Adapter nach Anspruch 16 sowie eine Handlampe nach Anspruch 17, je mit einem derartigen Gerät versehen.

Für Gasentladungslampen werden heute in zunehmendem Masse elektronische Vorschaltgeräte (EVG) eingesetzt. Die Arbeitsfrequenz bzw. Grundharmonische, auf welcher diese Geräte arbeiten, wird üblicherweise oberhalb der Hörschwelle gewählt und liegt im Bereich von 15 bis über 100 kHz. Die gebräuchlichste Schaltung an solchen elektronischen Vorschaltgeräten ist in Fig. 1 dargestellt und umfasst einen Halbbrückeninverter mit Resonanzzündung. Die Betriebsfrequenz wird im wesentlichen durch den Sättigungstransformator T1 bestimmt, der gleichzeitig die beiden Transistoren Q1, Q2, Bipolar, MOS-Fet oder IGBT in Gegenphase ansteuert.

Solche EVG's werden direkt mit der Lampe zusammengebaut als integrierter Lampenteil oder werden bevorzugterweise als Adapter mit einem netzseitigen Schraubsockel ausgebildet für Gasentladungslampen bis ca. 25 W als direkter Ersatz für Glühlampen.

Für grössere Leistungen bis über 100 W werden die EVG's als separate Vorschaltgeräte angeboten. Die Vorteile solcher bekannten elektronischen Vorschaltgeräte sind:

- bessere Lichtausbeute dank höheren Betriebsfrequenzen,

- kleineres Gewicht (kleine Drossel, da höhere Frequenzen),

- kleinere Volumina,

- höherer elektrischer Wirkungsgrad.

Um insbesondere im höheren Leistungsbereich über 25 W den Vorschriften einzelner Netzbetreiber an die Oberwellenströme gerecht zu werden, werden Vordrosseln oder aktive Oberwellenfilter eingesetzt.

Metall-Halogendampf-Entladelampen haben eine noch höhere Lichtausbeute als Fluoreszenzlampen. Sie wurden bis vor kurzem hauptsächlich in Film, Theater, Fernsehen und als Grossscheinwerfer eingesetzt. Nachdem sie neuerdings auch im Leistungsbereich von 35 bis 400 W und grösser erhältlich sind, wird ihre Verwendung für Ausstellungen, Schaufenster und in Form von Batteriegeräten bei Polizei und Feuerwehr sowie Militär zunehmend interessant. Ihr grösster Nachteil ist die hohe Zündspannung für Wiederzündung im heissen Zustand im zweistelligen kV-Bereich.

Bei Betrieb von Gasentladungslampen oder Fluoreszenzlampen generell zeigt sich beim Betrieb mit den erwähnten höheren Frequenzen im Mittenfrequenzbereich oft eine Instabilität der Entladung und/ oder Probleme beim Zünden, insbesondere Wiederzünden solcher Lampen im Betrieb. Dies ist ganz ausgesprochen beim Betrieb von Metall-Halogendampf-Entladelampen bei den erwähnten hohen Frequenzen kritisch. Resonanzerscheinungen im Innern des Kolbens lassen den Bogen unstabil werden. Der Bogen bricht unregelmässig nach allen Seiten aus, was sich deutlich sichtbar an einem Flackern des Lichtes zeigt. Im Extremfall kann die Lampe sogar löschen. Dies stand bis anhin dem Einsatz von insbesondere Metall-Halogendampf-Entladeiampen mit elektronischen Vorschaltgeräten, welche im höheren Frequenzbereich und mit Resonanzzündung arbeiten, im Wege.

Die vorliegende Erfindung setzt sich mithin zum Ziel, ausgehend vom eingangs erwähnten Verfahren bzw. Vorschaltgerät, eine Lösung zu suchen, mit welcher die erwähnten Probleme behoben werden und insbesondere für die erwähnten Metall-Halogendampf-Entladelampen ein weites Einsatzgebiet eröffnet.

Zu diesem Zweck zeichnet sich das erfindungsgemässe Verfahren nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 aus, das erfindungsgemässe Vorschaltgerät nach demjenigen von Anspruch 6.

Erstaunlicherweise ergibt sich mit der erfindungsgemäss eingesetzten Frequenzmodulation sowohl eine optimale Stabilisierung der Lampenentladung, insbesondere auch der Bogenentladung bei Metall-Halogendampf-Entladelampen, insbesondere auch betrieben nach dem Prinzip des Halbbrückeninver-ters und mit Resonanzzündung, indem betreffs Zündung die erwähnte erfindungsgemässe Frequenzmodulation in jedem Fall eine zuverlässige Zündung sicherstellt. Damit wird der Einsatz derartiger Metall-Halogendampf-Entladelampen mit sieben- bis zehnmal höherer Lichtausbeute, und mithin mit beträchtlichen Energieeinsparnissen einhergehend, und mit einer besseren Farbwiedergabe für viele Applikationen möglich, die bislang nicht möglich erschienen. Dies, weil nun die hierzu notwendigen Vorschaltgeräte dank höherem Frequenzbetrieb zudem noch kompakt und leicht werden.

Sogar der Einsatz derartiger Metall-Halogendampf-Entladelampen im Heimbereich als Ersatz für beliebige Halogenlampen wird nun möglich.

Bevorzugte Ausführungsvarianten des erfindungsgemässen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 5, solche des erfindungsgemässen Vorschaltgerätes in den Ansprüchen 7 bis 14 spezifiziert.

Die Erfindung wird anschliessend beispielsweise anhand von Figuren erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisch die gebräuchlichste Halbbrückeninverter-Schaltung mit Resonanzzündung,

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Fig. 2 ein Funktionsblock-Signalflussdiagramm "eines erfindungsgemässen Vorschaltgerätes, nach dem erfindungsgemässen Verfahren arbeitend, vorzugsweise mit dem Halbbrückeninverter nach Fig. 1 aufgebautem Betriebsoszillator,

Fig. 3 in Analogie zur Darstellung von Fig. 2 ein erfindungsgemässes Vorschaltgerät für Batterieoder Akkumulatorbetrieb,

Fig. 4 und 5 in Analogie zu Fig. 2 zwei Ausführungsvarianten des erfindungsgemässen Vorschaltgerätes für Netzbetrieb,

Fig. 6 über der Zeitachse ein dem von einer HQI 70-W-Lampe abgegebenen Lichtstrom proportionales Signal bei erfindungsgemässem frequenzmoduliertem Betriebssignal und nicht frequenzmoduliertem Betriebssignal.

In Fig. 2 ist in Form eines Signalfluss-Funktionsblockdiagrammes die Basisstruktur eines erfindungsgemässen elektronischen Vorschaltgerätes, welches nach dem erfindungsgemässen Verfahren arbeitet, dargestellt.

Einem Mittenfrequenzoszillator 1 wird als Speisespannung am Eingang Ei eine Gleichspannung zugeführt. Der als Gleichspannungs/Wechselspannungswandler wirkende Oszillator 1 weist einen Frequenzmodulationseingang Emod auf und gibt an seinem Ausgang Ai ein Signal mit der Mittenfrequenz f0, welche mit einer Modulationsfrequenz fmod und einem Modulationshub Af moduliert ist. Modulationsfrequenz fmod sowie Frequenzhub Af werden durch das Modulationssignal Af (fmod) an Eingang Emod gegeben. Das Modulationssignal erscheint seinerseits am Ausgang A3 einer Modulationssignal-Erzeugereinheit, welche, wie dargestellt, aus einem Gleichspannungs/Wechselspannungswandler, mithin als Oszillator ausgebildet ist oder als Wechselspannungs/Wechselspannungswandler. Die Modulationssignal-Erzeugereinheit 3 wird eingangsseitig an ihrem Eingang E3 je nach Ausbildung durch ein Gleichspannungssignal oder ein Wechselspannungssignal auf Niedrigfrequenz gespiesen.

Dem Ausgang Ai des Mittenfrequenzoszillators 1 ist ein gleichzeitig als Strombegrenzung wirkender Zündresonanzkreis 5 nachgeschaltet, letzterem ein Zündgerät 7 bekannter Bauart und schliesslich die zu betreibende Gasentladungslampe bzw. Fluoreszenzlampe 9. Bei letzterer kann es sich beispielsweise um eine Fluoreszenzlampe handeln, aber insbesondere um eine Metall-Halogendampf-Entladelampe.

Die dargestellte Schaltung arbeitet wie folgt:

Die Mittenfrequenz des Mittenfrequenzoszillators 1 wird mit einstellbarem Frequenzhub und einstellbarer Modulationsfrequenz an der Einheit 3 frequenzmoduliert. Bevorzugterweise ist die Mittenfrequenz f0 am oberen Rande des Hörbereiches, vorzugsweise darüber, und beträgt bevorzugterweise zwischen 18k Hz und 100k Hz. Der Frequenzhub seinerseits beträgt vorzugsweise mehr als 3% der Mittenfrequenz f0, vorzugsweise zwischen 5 und 10%. Die Modulationsfrequenz fmod ihrerseits, Niederfrequenz, ist relativ unkritisch, ist vorzugsweise höher als Netzfrequenz, beträgt weiter vorzugsweise 100 Hz und mehr.

Die Lampe 9, generell eine Gasentladungslampe, wie eine Fluoreszenzlampe, bevorzugterweise aber eine Metall-Halogendampf-Entladelampe, wird mit dem frequenzmodulierten Ausgangssignal des Oszillators 1 betrieben. Dadurch wird ihr Entladebogen stabilisiert und mithin der Lichtstrom. Aufgrund der Tatsache, dass das Lampenbetriebssignal frequenzmoduliert ist, ist auch das Zünden der Lampe über den Zündresonanzkreis 5 unkritisch. Dies, weil lediglich sichergestellt werden muss, dass die modulierte Frequenz die Resonanzfrequenz des Zündresonanzkreises durchläuft, womit erreicht wird, dass die Auslegung der Zündresonanzfrequenz an der Einheit 5 unkritisch wird und selbst bei alterungsbedingter oder betriebsbedingter Änderung das Zündverhalten der Lampe 9 nicht beeinflusst.

In Fig. 3 ist, ausgehend vom Prinzip von Fig. 2, wiederum in Form eines Funktionsblock-Signalfluss-diagrammes, die Auslegung des erfindungsgemässen elektronischen Vorschaltgerätes, welches nach dem erfindungsgemässen Verfahren arbeitet, für Batteriebetrieb dargestellt.

Es sind für gleiche Funktionsblöcke die bereits in Fig. 2 eingeführten Bezugsziffern und Bezeichnungen verwendet.

Von einer Batterie oder Akkumulatoreinheit 11 wird dem Eingang Ei eine in bekannter Art und Weise hochtransformierte Gleichspannung zugespiesen. Die Modulationssignal-Erzeugereinheit 3 gemäss Fig. 2 ist hier als Oszillatoreinheit 3a ausgebildet und liefert als Modulationssignal Af (fmod) das niederfrequente Eingangssignal zum Modulationseing Emod des Oszillators 1. Gespiesen wird der Modulationsoszillator 3a mit gegebenenfalls in bekannter Art und Weise gewandelter Gleichspannung der Batterie bzw. Akkumulatoreinheit 11.

Der Oszillator 1 kann dabei durch Venwendung eines integrierten Oszillators, wie eines entsprechend beschalteten IC's 555, realisiert werden und bei der Ausbildung gemäss Fig. 3 ein Doppel-IC entsprechenden Typs mit zwei als Oszillatoren zu beschaltende Timerschaltungen.

Wird mit der Anordnung nach Fig. 3 beispielsweise eine Handlampe mit Metall-Halogendampf-Entladelampe 9 aufgebaut, letztere über eine flexible Kabelverbindung mit der Speiseeinheit verbunden, so wird bevorzugterweise an der Speiseeinheit ab Batterie oder Akkumulator erst die relativ tiefe Gleichspannung von beispielsweise 300 V erzeugt, dann mit dem Oszillator 1, frequenzmoduliert, in ein AC-Signal gewandelt, nur letztere durch das Kabel zum Lampengriff übertragen, und im Lampengriff die Hochspannung von beispielsweise 5 bis 25 kV, wie beschrieben wurde, erzeugt. Mithin werden im Lampengriff mindestens Teile der Zündresonanzkreis-Einheit 5 und Zündgerät 7 integriert.

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Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass durch das Kabel nur relativ tiefe Wechselspannungswerte (150-300 V) zu übertragen sind.

In Fig. 4 ist, wiederum ausgehend vom Prinzip nach Fig. 2, der Aufbau eines erfindungsgemässen elektronischen Vorschaltgerätes, welches nach dem erfindungsgemässen Verfahren arbeitet, dargestellt, zum Netzbetrieb. Es sind wiederum die bereits anhand von Fig. 2 erläuterten Funktionsblöcke gleich beziffert bzw. angeschrieben.

Wie sofort ersichtlich, wird hier die Modulationssignal-Erzeugereinheit 3 nach Fig. 2 wiederum als Oszillator 3a ausgebildet, wie anhand von Fig. 3 erläutert wurde, und, verglichen mit Fig. 3, lediglich die Batterie bzw. Akkumulatoreinheit 11 durch einen Wechselspannungs/Gleichspannungswandler 11a ersetzt, welcher das Netzwechselsignal in das den Oszillatoren bzw. 3a entsprechend gewandelt zuzuführende Gleichspannungssignal wandelt.

Damit ist völlige Freiheit gegeben, unabhängig von der netzseitigen Frequenz fN die Modulationsfrequenz fmod zu wählen.

Wie eingangs im Zusammenhang mit Fig. 2 erläutert wurde, ist die Modulationsfrequenz fmod relativ unkritisch, sollte aber höher als Netzfrequenz, vorzugsweise 100 Hz und mehr betragen.

In Fig. 5 ist eine Ausbildungsvariante dargestellt, bei welcher dies ausgenützt wird und bezüglich der Ausbildungsvariante nach Fig. 4 zu einer wesentlichen Vereinfachung führt. Es sind wiederum die bereits anhand von Fig. 2 erläuterten Funktionsblöcke gleich bezeichnet.

Verglichen mit Fig. 4 wird anstelle des Modulationsoszillators 3a zur Realisation der Modulationssignal-Erzeugereinheit 3 von Fig. 2 ein Wechselspannungs/Wechselspannungswandler 3b eingesetzt. Das Netzsignal der Frequenz fN wird diesem Wandler 3b zugeführt, welcher an seinem Ausgang A3b ein Modulationswechselsignal vorgebbaren Hubes mit einer Modulationsfrequenz kfn abgibt. Nun wird ohne weiteres ersichtlich, dass der Wandler 3b beispielsweise durch eine Zweiweg-Gleichrichterschaltung realisiert werden kann, mit anschliessender Bandpass-Filterstufe, um direkt aus der Netzfrequenz fN das Modulationssignal mit doppelter Frequenz 2fn zu erzeugen, mithin mit k = 2.

An allen dargestellten Ausführungsvarianten wird der Modulationshub Af durch entsprechende Beschattung an der Einheit 3 vorgegeben.

In Fig. 6 ist über der Zeit der relative Lichtstrom o dargestellt, bei modulierter und nicht modulierter Betriebsspannung einer HQI 70 W Metall-Halogendampflampe. Die Lampe wurde wie folgt betrieben:

Deutlich ist der Stabilisierungseffekt ersichtlich, welcher mit Zuschalten der erfindungsgemässen Frequenzmodulation erzielt wird.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Betrieb einer Gasentladungs- oder Fluoreszenzlampe mit einem Betriebs-Wechsel-stromsignal, dessen Grundharmonische (f0) bei einer Frequenz liegt, die wesentlich höher ist als die Netzfrequenz, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Betriebswechselsignals mit einem Frequenzhub von über 3% moduliert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundharmonische zwischen 15 kHz und 100 kHz beträgt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationsfrequenz höher ist als die Netzfrequenz, vorzugsweise höher oder gleich doppelter Netzfrequenz ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurcn gekennzeichnet, dass die Frequenzmodulation mit einem solchen Hub (Af) vorgenommen wird, dass Zündresonanz (frz) eines der Lampe zugeschalteten Zündkreises (5, 7) durchlaufen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lampe ab einem gewandelten netzfrequenten Signal betrieben wird und die Modulationsfrequenz aus der Netzfrequenz (kfN) abgeleitet wird.

6. Elektronisches Vorschaltgerät zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Oszillatorkreis (1), dessen Ausgangssignal mit Oszillationsfrequenz (f0) auf Anschlüssen für die Lampe (9) wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillatorkreis (1) einen Frequenzmodulationseingang (Emod) aufweist, welchem eine Modulationssignal-Erzeugereinheit (3) vorgeschaltet ist.

7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationssignal-Erzeugereinheit (3) ein Oszillator (3a) ist.

8. Gerät nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationssi-

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Modulationshub Af: Modulationsfrequenz fmod: Effektivwert des Lampenstromes: Effektivwert der Lampenspannung:

20k Hz 1,5k Hz 100 Hz 860 mA 80 V

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gnal-Erzeugereinheit (3) als Wechselsignal/Wechselsignalwandler ausgebildet ist und vorzugsweise eingangsseitig mit einem Anschluss für das Netz versehen ist, ausgangsseitig ein Modulationssignal mit einem ganzzahligen Vielfachen der Netzfrequenz, vorzugsweise mit doppelter Netzfrequenz, abgibt.

9. Gerät nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät gleichspan-nungsbetrieben ist, von einer Batterie- oder von einer Akkumulatoreinheit.

10. Gerät nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es netzgespiesen ist.

11. Gerät nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator (1) und/ oder die Modulationssignal-Erzeugereinheit (3, 3a) mittels eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) realisiert ist.

12. Gerät nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationserzeugereinheit ein Modulationssignal mit einer Amplitude entsprechend einem Frequenzhub am modulierten Oszillator (1) von mehr als 3% abgibt, vorzugsweise von 5% bis 10%.

13. Gerät nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationssignal-Erzeugereinheit (3) ausgangsseitig ein Modulationssignal mit einer Frequenz abgibt, die höher als Netzfrequenz ist, die vorzugsweise doppelte Netzfrequenz oder mehr beträgt.

14. Gerät nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zündresonanzkreis (5) für die Lampe (9) vorgesehen ist, dessen Resonanzfrequenz (frz) innerhalb des Frequenzbereiches der modulierten Frequenz des Oszillatorkreises (1) liegt.

15. Metall-Halogendampflampe mit einem Gerät nach einem der Ansprüche 6 bis 14.

16. Adapter mit einem Gerät nach einem der Ansprüche 6 bis 14 zwischen Netzanschluss und auswechselbarer Lampe.

17. Handlampe mit einem Gerät nach einem der Ansprüche 6 bis 14 sowie mit Batterie- oder Akkumulatoreinheit, Verbindungskabel und Lampe.

18. Handlampe nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Lampe an einem Handgriff angeordnet ist, wobei vorzugsweise das Gerät ganz oder teilweise im Handgriff oder in der Lampe integriert ist.

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