DD293242A5 - Verfahren und schaltungsanordnung zum betrieb von entladungslampen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Betrieb von Entladungslampen und bezweckt das Verhalten einfacher Vorschalttechnik so einzustellen, dasz Bogeninstabilitaeten wirksam vermieden werden, so dasz ein ruhiger Betrieb der Entladungslampe gewaehrleistet wird. Als Loesung ist vorgesehen, dasz ein breites Band von hoeheren Frequenzen durch Resonanzwechselwirkung zwischen Entladungslampe und einem aeuszeren bezueglich seiner Parameter abgestimmten Schwingkreis selbst generiert wird. Schaltungstechnisch ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, dasz die einen differentiell negativen, nichtlinearen Widerstand aufweisende Entladungslampe in einem schwingungsfaehigen Schaltkreis angeordnet ist. Fig. 1{Entladungslampe; Hochdruckentladungslampe; Bogeninstabilitaeten; akustische Resonanzen; Hochfrequenzbetrieb; Vorschalttechnik; nichtlinearer Schwingkreis; Selbstgenerierung}

Description

Anwendungsgebiet aer Erfindung

Die Erfindung ist vorteilhaft anwendbar beim periodischen Betrieb von Entladungslampen, insbesondere Hochdruckentladungslampen, die z. B. bei der Großraumbeleuchtung (Hallen, Straßen etc.) eingesetzt werden.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Der periodische Betrieb von Entladungslampen wird durch das Auftraten von Bogeninstabilitäten erschwert. Sie äußern sich in Verformungen des Bogens wie Einschnürungen, wellenförmigen Bewegungen und Auslenkungen aus der Mittellage, die einen sehr unruhigen Betrieb der Lampe verursachen und bis zur Zerstörung der Lampe führen können. Solche Instabilitäten werden a jf die Ausbildung stehender akustischer Wellen im Entladungsgefäß zurückgeführt. Sie treten sowohl in Niederdruck-Dampfentladungslampen, als auch besonders in Hochdruck-Metalldampfentladungslampen wie Hochdruckhatriumdampfentladungslampen, -Quecksilberdampfentladungslampen und -Metallhalogenidentladungslampen auf. Es sind bereits Lösungen bekannt, die auf eine Unterdrückung dieser Bogeninstabilitäten gerichtet sind. Diese laufen alle auf eine Modulation der an sich sinusförmigen Betriebsspannung hinaus.

So sieht die Lösung nach der DE-PS 3122183 ein Verfahren zum Botrieb einer Hochdruckentladungslampe nebst zugehöriger Schaltungsanordnung zur Ausübung dieses Verfahrens vor, bei dem die Phase der periodischen Betriebsspannung konstanter Fiequenz ständig sprunghaft geändert wird. In Erweiterung dieses Verfahrens ist nach der DE-OS 3202499 vorgesehen, daß die Betriebsspannung darüber hinaus noch gleichzeitig in ihrer Frequenz gewobbelt wird. Es hat sich hierbei herausgestellt, daß durch das allein praktisch wirkungslose Wobbein der Frequenz der Botriebswechselspannung bei gleichzeitigen Phasenänderungen der von akustischen Instabilitäten freie Frequenzbereich gegenüber dem Stabilitätsbereich bei alleiniger ständiger Phasenändorung nicht nur erweitert, sondern auch von bogeninstabilen Zwischenbändern befreit wird. Die Vermeidung der akustischen Resonanzen ist in diesen bekannten Lösungen damit verknüpft, daß die spektrale Zerlegung der Betriebsspannung neben der Grundfrequenz noch ein breites Band von höheren Frequenzen aufweist. Bogeninstabilitäten benötigen zur Anregung einen gewissen Schwellwert (Einstellzeit). Die zusätzlichen Schwingungen stören die Einstellung der akustischen Resonanz und verhindern so das Auftreten der Bogeninstabilitäten. Diese Sicht auf den Effekt wird auch durch verschiedene andere Veröffentlichungen (R. Schäfer, H.-P. Stormberg, J.Appl. Phys.53 [1982] 3476 und H.-P. Stormberg, R.Schäfer, Lighting Research & Technology 15 [1983] 127) gestützt. Auf derselben Idee beruhtauch die Lösung,die in der DE-PS 3111561 angegeben wird. Sie sieht einen Betrieb der Hochdruckentladungslampe vor, bei dem die Betriebswechselspannung im wesentlichen nur die Grundfrequenz und deren dritte Oberwelle enthalt. Die Beimischung einer höheren Frequenz verhindert die Ausbildung akustischer Resonanzen und unterbindet somit Bogeninstabilitäten. Darüber hinaus ist nach der US-PS 3890537 bekannt, akustische Resonanzen bei mit einem pulsierenden Strom betriebenen Quecksilberdampfentladungslampeii zu vermeiden, indem die Zerhackerfreqiienz automatisch gewobbelt wird. Wie aber bereits in der DE-PS 31 22138, der Di-OS 3202499 und der DE-PS 3111 561 festgestellt wird, gibt es Resonanzfrequenzen, bei denen ein Wobbein der Zerhackerfrecuenz versagt. Insbesondere bei kleinen Hochdruck-Metalldampfentladungslampen hat sich ein alleiniges Wobbein der Betriposspannung als wirkungslos erwiesen. Weiterhin ist nach der DE-OS 2335589 bekannt, die hochfrequente Betreiberspannung mit einer zusätzlichen Frequenz zu modulieren, die diesmal jsdoch unter der Grundfrequenz liegt (niederfrequente Modulation). Der Autor spricht jedoch nur von einer Reduktion der Resonanzen und gibt selber zu, daß selbst ein hoher Grad von Frequenzmodulation nicht ausreicht, um Resonanzeffekte vollständig zu unterdrücken. Der offensichtliche Nachteil aller genannten Lösungen besteht in der komplizierten und aufwendigen Struktur der notwendigen elektronischen Vorschalttechnik. Die vorgeschlagenen vielgliedrigen Schaltungen sind relativ (euer und nicht zur Miniaturisierung geeignet.

Die Gebiete mit Bogeninstabilitäten durch eine optimale Form des Entladungsgefäßes, der Elektrodenkonfiguration und der Füllgaszusammensetzung einzuengen, ist durch die Lösungen nach der US-PS 4170746 und der DE-OS 2847840 bekannt. Dadurch tuen sich im Frequenzbereich von 20 kHz bis 50 kHz instabilitätsfreie Frequenzbänder einer Breite von 3 kHz bis 5 kHz auf.

Die beiden genannten Schriften stellen eine sehr instruktive Studie über die verschiedenen Arten und das Auftreten von Bogeninstabilitäten dar' Jiverse Diagramme), erscheinen als Lösung allerdings sehr unbefriedigend, da die Bogeninstabilitäten generell nicht beseitigt werden (siehe auch J. M. Davenport, R. J. Petti, J. IES, April 1985, S. 633 ff.).

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens und einer Schaltungsanordnung zum wirtschaftlichen Betrieb von Entladungslampen, die über einen längeren Zeitraum einen stabilen Lampenbetrieb ermöglichen.

Darlegung des Wesens der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Betrieb von Entladungslampen zu

schaffen, wodurch das dynamische Verhalten einfacher Vorschalttechnik so eingestellt werden kann, daß Bogeninstabilitätenwirksam vermieden werden und so ein ruhiger Betrieb der Entladungslampen gewährleistet wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nunmehr dadurch gelöst, daß ein breites Band von höheren Frequenzen durch

Resonanzwechselwirkung zwischen Entladungslampe und einem äußeren bezüglich seiner Parameter abgestimmten Schwingkreis selbst generiert wird. Die Schaltungsanordnung zum Betrieb von Entladungslampen zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß die einen

differentiell negativen, nichtlinearen Widerstand aufweisende Entladungslampe in einem schwingungsfähigen Schaltkreisangeordnet ist.

In konkreter Ausgestaltung der Erfindung ist dabei als vorteilhafte Variante vorgesehen, daß die Drossel mit der Induktivität L in

Reihe zur Entladungslampe und der Kondensator mit der Kapazität C parallel zu beiden geschaltet ist, wobei parallel zum Kondensator der Schwingkreis über die Vorschaltdrossel mit der Induktivität D mit einer Wechselspannungsquelle verbunden Ausfuhrungsbeispiel Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen: Fig. 1: eine in einem Schwingkreis angeordnete Hochdruckentladungslampe;

Fig. 2: ein Diagramm über den zeitlichen Spannungs- und Stromverlauf an der Hochdruckentladungslampe;

Fig. 3: das Diagramm des Frequenzspektrums des zeitlichen Stromverlaufs zu Fig. 2;

Fig.4: ein Diagramm gemäß Fig.2 mit anders gewählter Dimensionierung der Schaltungselemente; Fig. 5: das Diagramm des Frequenzspektrums des zeitlichen Stromverlaufs zu Fig.4; Fig. 6: ein Diagramm gemäß Fig. 2 mit weiterer Veränderung der Dimensionierung der Schaltungselemente und Fig. 7: das Diagramm des Frequenzspektrums des zeitlichen Stromverlaufs zu Fig.6.

Wie in Fig. 1 dargestellt, ist die Hochdruckentladungslampe 1 in einem Schwingkreis angeordnet, der aus einer strombegrenzenden Vorschaltdrossel 2 mit der Induktivität D, einer weiteren Drossel 3 mit der Induktivität L und einem Kondenstor 4 mit der Kapazität C besteht. Die Drossel 3 ist in Reih« zur Hochdruckentladungslampe 1 geschaltet und der Kondenr ator 4 parallel zu beiden. Parallel zum Kondenstor 4 ist der ί chwingkreis über die Vorschaltdrossel 2 mit einer Wechselspannungsquelle 5 verbunden. Damit ist die Hochdruckentladungslampe 1 Glied eines schwingungsfähigen Systems, das sich von gewöhnlichen Schwingkreisen dadurch unterscheidet, daß durch die Lampe selbst ein nichtlinearer, differentiell negativer Widerstand hinzugekommen ist, der das Verhalten dieses schwingungsfähigen Systems prinzipiell ändert. Dieser technische Sachverhalt ist dadurch untersetzt, daß die entsprechenden Gleichungen

L dl_L/dt = Uc - Ul (1) C dU_c/dt = IU₀ sinfwt + α) - U_c)/(wD) - I_L (2)

nichtlinearen Charakter annehmen, wobei

I_L - den durch die Hochdruckentladungslampe 1 fließenden Strom, Ul- die an der Hochdruckentladungslampe 1 abfallende Spannung,

Uc- die am Kondensator 4 abfallende Spannung und

Uo sin(wt) - die äußere Versorgungsspannung darstellen (w = 2nf). Dabei ist die Abhängigkeit des durch die Hochdruckentladungslampe 1 fließenden Stroms I_L vom Spannungsabfall an der Hochdruckentladungslampe 1 Ul stark nichtlinear. Die Verknüpfung von Strom und Spannung an der Lampe wird u.a. durch den Verlauf der statischen Kennlinie und die Trägheitseigenschaften der Lampe bestimmt. Über das Verhalten dieses nichtlinearen Schwingkreises kann aus der Theorie der dynamischen Gleichungen abgeleitet werden, daß in ihm neben der von außen

angelegten Betriebsfrequenz f komplexe Schwingungen mit einem breiten Band anderer Frequenzen angeregt werden können.

Darin unterscheidet sich dieser Schwingkreis wesentlich von einem linearen Schwingkreis. Verfahrensgemäß wird nunmehr das breite Band von höheren Frequenzen, die durch Resonanzwechselwirkung zwischen der Lampe und dem äußeren bezüglich seiner Parameter abgestimmten Schwingkreis erzeugt werden, zur Unterdrückung der Bogeninstabilitäten ausgenutzt. Im Gegensatz zu den bekannten Lösungen werden diese zusätzlicher: Frequenzen nicht durch

eine externe aufwendige Vorschalttechnik erzeugt, sondern in dem relativ einfachen Schwingkreis durch Resonanzeffekte bei

der Wechselwirkung des nichtlinearen Widerstandes der Hochdruckentladungslampe mit den restlichen Elementen selbstgeneriert.

Zur Verdeutlichung des Effektes wird im Ausführungsbeispiel dreimal der gleiche Schaltungsaufbau zugrunde gelegt, wobei im Modell für eine Hochdruckentladungslampe NA 70 (hergestellt im VEB Kombinat NARVA) folgende Parameter der Elemente

ermittelt wurden (siehe Tabelle 1).

Für jeden dieser Fälle zeigen Fig. 2,4 und 6 in ihrem oberen Bereich den zeitlichen Spannungsverlauf an der Lampe und in ihrem

unteren Bereich den zeitlichen Stromverlauf an der Lampe. Darüber hinaus ist in den Fig.3,5 und 7 das Frequenzspektrum des Stroms dargestellt. Fall 1 entspricht dem herkömmlichen Betriebsverhalten der Lampe: alle Schwingungsvorgänge vollziehen sich vor allem mit der Betreiberfrequenz (im Ausführungsbeispiel f = 200Hz). Das in Fig.3 dargestellte Frequenzspektrum des Stroms weist im wesentlichen nur diese Grundfrequenz auf. Fall 2 und Fall 3 demonstrieren, wie sich das Verhalten des Lampenstroms wesentlich verändert, wenn man die Dimensionierung der Elemente anders festlegt. Im Fall 2 und im Fall 3 nehmen die Schwingungen ein komplexeres Aussehen an. Die Grundschwingung, die im wesentlichen mit der von außen angelegten Betreiberfrequenz f erfolgt, wird durch weitere Schwingungen moduliert. Die Ausbildung der entstehenden „kammförmigeii" Kurven im zeitlichen Strom verlauf ist in den Fig. 4 und 6 dargestellt. Das Frequenzspektrum des Stroms zeigt eine deutliche Anregung von Frequenzen oberhalb der Betriebsfrequenz (im Beispiel bis über 1000Hz), wobei deren Intensität mit der Intensität der Anregerfrequenz vergleichbar ist.

Tabelle 1 FaIH (Fig.2,3) Fall 2(Fig.4,5) Fall 3(Fig.6,7) Ruhe leichteAnregung starkeAnregung

D	0,3 H	0,3 H	0,3 H
L	0,1 H	0,5 mH	0,1 mH
C	1OuF	1OuF	1OuF

Die Erfindung ist nicht an den im Ausführungsbeispiel gewählten Schaltungsaufbau gebunden; dieser stellt nur eine der möglichen Varianten für einen einfachen schwingungsfähigen Schaltkreis dar. Ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen, sind auch andere einfache Kombinationen von Widerständen, Spulen und Kondensatoren, die einen schwingungsfähigen Schaltkreis bilden, denkbar. Das vorgeschlagene Verfahren ist auch nicht an die im Ausführungsbeispiel speziell gewählte Frequenz und an die speziellen Lampenparameter gebunden. Eine Änderung der Frequenz, die Verwendung eines anderen Lampentyps etc. ist durch eine entsprechend veränderte Dimensionierung der Schwingkreisparameter zu beantworten.

Claims (3)

1. Verfahren zum Betrieb von Entladungslampen im periodischen Betrieb durch Überlagerung der Grundtreiberfrequenz durch ein breites Band von höheren Frequenzen, gekennzeichnet dadurch, daß dieses breite Band von höheren Frequenzen durch Resonanzwechselwirkung zwischen Entladungslampe und einem äußeren bezüglich seiner Parameter abgestimmten Schwingkreis selbst generiert wird.

2. Schaltungsanordnung zum Betrieb von Entladungslampen, bestehend aus einer mit der Entladungslampe gekoppelten Vorschalttechnik, gekennzeichnet dadurch, daß die einen differentiell negativen, nichtlinearen Widerstand aufweisende Entladungslampe in einem schwingungsfähigen Schaltkreis angeordnet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Drossel (3) mit der Induktivität L in Reihe zur Entladungslampe (1) und der Kondensator (4) mit der Kapazität C parallel zu beiden geschaltet ist, wobei parallel zum Kondensator (4) der Schwingkreis über die

Vorschaltdrossel (2) mit der Induktivität D mit einer Wechselspannungsquelle (5) verbunden ist. Hierzu 7 Seiten Zeichnungen