DE10005159A1 - Verbessertes Pulsbetriebsverfahren für eine Stille Entladungslampe - Google Patents

Abstract

Die Erfindung verbessert ein in der Voranmeldung 19839329.6 bereits dargestelltes Betriebsverfahren für eine stille Entladungslampe L, bei dem nach dem Flußwandlerprinzip aus einem Primärkreis P über einen Transformator T in einen die stille Entladungslampe L enthaltenden Sekundärkreis S ein eine Hinzündung bewirkender Spannungspuls eingeprägt wird und der Sekundärkreis S danach eine Teilschwingung ausführt, die infolge der Polarisation in der Entladungslampe L zu einer Rückzündung führt. Die Verbesserung besteht im wesentlichen darin, daß eine für einen Transformatorstrom maßgebliche Induktivität des Transformators T zeitlich verändert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Betriebsverfahren für eine sogenannte stille Entladungslampe. Darunter versteht man einen Entla­ dungslampentypus, in dem sogenannte dielektrisch behinderte Entladungen zur Lichterzeugung ausgenutzt werden. Die dielektrische Behinderung der Entladung entsteht durch eine dielektrische Schicht zwischen dem Entla­ dungsmedium der Entladungslampe und zumindest einer der Elektroden. Stille Entladungslampen an sich sind Stand der Technik und werden hier nicht im einzelnen erläutert.

Die vorliegende Erfindung baut auf auf einem von denselben Erfindern ent­ wickelten Betriebsverfahren zur gepulsten Wirkleistungseinkopplung in eine stille Entladungslampe. Hierzu wird verwiesen auf die WO 94/23442, deren Offenbarungsgehalt hier durch Inbezugnahme mit inbegriffen ist. Das dort dargestellte Betriebsverfahren bildet die Grundlage der im folgenden be­ schriebene Erfindung. Wesentlich ist vor allem, daß zwischen einzelnen Pul­ sen einer Wirkleistungseinkopplung in die Entladungslampe sogenannte Totzeiten ohne wesentliche Wirkleistungseinkopplung eingelegt werden, und die Länge dieser Totzeiten bis zu einem neuen Wirkleistungseinkopp­ lungspuls so bemessen wird, daß sich ein bestimmter in der zitierten Anmel­ dung dargestellter Entladungstypus mit besonders hoher Entladungseffi­ zienz ausbildet. Dazu dürfen die Totzeiten nicht zu lang sein, weil dann jeder Wirkleistungspuls quasi als Neuzündung zu bewerten ist und sich durch das Fehlen eines Zusammenhangs zwischen den einzelnen Wirkleistungspulsen keine gute Effizienz, keine ausreichende Lampenleistung und auch keine gute zeitliche und örtliche Stabilität erzielen läßt. Wenn die Totzeiten zwi­ schen den Wirkleistungspulsen andererseits zu kurz bemessen sind, so bil­ den sich fadenförmige Entladungen aus, die eine schlechte Effizienz und daneben eine schlechte zeitliche und örtliche Stabilität zeigen.

Eine bereits als Anmeldung eingereichte Erfindung derselben Erfinder hat ein Betriebsverfahren und ein Vorschaltgerät für eine stille Entladungslampe vorgeschlagen, mit denen sich das geschilderte Pulsbetriebsverfahren der WO 94/23442 besonders gut realisieren läßt. Die zugehörige Patentanmel­ dung mit dem Aktenzeichen 198 39 329.6 ist zum Anmeldetag der vorliegen­ den Erfindung noch nicht veröffentlicht, bildet jedoch eine bevorzugte tech­ nische Grundlage für die im folgenden dargestellte Erfindung. Daher wird auch auf den Offenbarungsgehalt dieser zweiten Voranmeldung vollinhalt­ lich Bezug genommen. Die vorliegende Erfindung ist aber auch unabhängig davon realisierbar.

Insbesondere ist in dieser Voranmeldung vorgeschlagen worden, ein Vor­ schaltgerät nach dem Flußwandlerprinzip einzusetzen, bei dem aus einem Primärkreis über einen Transformator ein Spannungspuls in einen die Entla­ dungslampe enthaltenden Sekundärkreis eingeprägt wird, der zu einer Zün­ dung (im folgenden Hinzündung genannt) in der Entladungslampe führt. Dabei ist das Betriebsverfahren so ausgelegt, daß nach der Hinzündung in der Entladungslampe eine Schwingung im Sekundärkreis einsetzt, durch die die die äußere Spannung an der Entladungslampe, die zuvor die Hinzün­ dung bewirkt hat, bewirkende Ladung von der Entladungslampe abgezogen wird. Daraufhin kann die verbleibende innere Gegenpolarisation in der Ent­ ladungslampe zu einer Rückzündung führen. Zu den Einzelheiten dieses Grundprinzips wird auf die zitierte Anmeldung verwiesen.

Insbesondere ist es bereits in der zitierten Anmeldung als bevorzugter Fall dargestellt worden, daß der zeitliche Abstand zwischen Hinzündung und Rückzündung so kurz ist, daß beide als einheitlicher Wirkleistungspuls im Sinne des gepulsten Betriebsverfahrens anzusehen sind. Die oben erwähnten Totzeiten treten also zwischen jeweils einer Rückzündung und der darauf folgenden Hinzündung, jedoch nicht zwischen dieser Hinzündung und der auf sie folgenden Rückzündung auf. Davon wird auch im folgenden ausge­ gangen. Das in der zweiten zitierten Anmeldung beschriebene Betriebsver­ fahren war unter der Zielsetzung entwickelt worden, einen günstigen Ge­ samtkompromiß hinsichtlich der Leistungseffizienz, des Bauvolumens und - gewichts des zugehörigen Vorschaltgeräts sowie der Herstellungskosten, Lebensdauer und Ausfallhäufigkeit zu erzielen.

Insgesamt liegt der vorliegenden Erfindung das technische Problem zugrun­ de, das beschriebene Betriebsverfahren nach dem Flußwandlerprinzip weiter zu verbessern. Insbesondere sollen bei kleinem Bauvolumen und -gewicht bei guter Effizienz möglichst hohe Lampenleistungen betrieben werden kön­ nen.

Erfindungsgemäß ist hierzu gemäß Anspruch 1 vorgesehen, daß bei dem beschriebenen Betriebsverfahren eine für die zeitliche Veränderung des pri­ märkreisseitigen Stroms durch den Transformator maßgebliche Induktivität innerhalb eines eine Zündung enthaltenden Zeitraums zeitlich so verändert wird, daß die veränderte Induktivität im Zeitpunkt des Maximums des pri­ märkreisseitigen Transformatorstromes wesentlich kleiner ist als in einer An­ fangsphase der Einprägung des zu der Hinzündung führenden Spannungs­ pulses.

Ebenso richtet sich die Erfindung auf ein für dieses Betriebsverfahren ausge­ legtes Vorschaltgerät sowie ein Beleuchtungssystem aus einem solchen Vor­ schaltgerät und einer stillen Entladungslampe.

Dabei liegen folgende Erkenntnisse zugrunde: Für die physikalische Natur und damit auch die Effizienz der stillen Entladung in der Entladungslampe ist das zeitliche Veränderungsverhalten der äußeren Spannung an der Entla­ dungslampe von Bedeutung. Insbesondere hat sich dabei herausgestellt, daß bei dem gepulsten Betriebsverfahren keine zu großen Pulsbreiten für eine Zündung gewählt werden sollten. Die besondere Effizienz des gepulsten Be­ triebsverfahrens baut vielmehr darauf auf, daß nach einem relativ kurzen Puls der Wirkleistungseinkopplung wieder eine Totzeit einsetzt. Dement­ sprechend muß der Spannungspuls an der Lampe und demzufolge auch der zugehörige Primärstrompuls in dem Transformator relativ kurz sein. Dazu ist es unter anderem erforderlich, daß die für die Schnelligkeit der zeitlichen Primärstromveränderung in dem Transformator (effektive Gesamt-)Induk­ tivität nicht zu groß ist.

Andererseits hat sich allerdings auch herausgestellt, daß übermäßig steile Anstiegsflanken der Spannung am Beginn eines zu einer Zündung führen­ den Pulses, also auch übermäßig steile Anstiegsflanken, am Beginn des Pri­ märstromanstiegs, die Entladungsphysik wiederum ungünstig beeinflussen können. Es ist offenbar so, daß dem Entladungsgeschehen ganz am Beginn des Feldaufbaus günstigerweise noch genügend Zeit gelassen werden sollte, eine optimale Form der durch das gepulste Betriebsverfahren ermöglichten Entladungsstrukturen vorzubereiten. Eine zu kleine Induktivität könnte hier ungünstig steile Anstiegsflanken verursachen. Damit könnte sich die Effi­ zienz der Entladung wiederum verschlechtern.

Es gibt also vor allem dann, wenn mit einem einzelnen Puls relativ viel Ener­ gie in die Entladungslampe eingekoppelt werden soll, einen Zielkonflik zwi­ schen der Vermeidung übermäßig steiler Anstiegsflanken am Beginn eines Pulses einerseits und dem Bestreben, den Puls insgesamt trotz seiner Ampli­ tudengröße relativ kurz zu halten. Hierzu sieht die Erfindung nun vor, die maßgebliche Induktivität zeitlich zu verändern. Sie soll zumindest in einem Teilbereich des Pulses kleiner sein, um die Pulsbreite zu begrenzen, in der Anfangsphase des Pulses jedoch einen etwas größeren Wert besitzen. Kon­ kret soll die Induktivität dazu zumindest im Zeitpunkt des Primärkreis­ strommaximums wesentlich kleiner sein als in der Anfangsphase des Pulses.

Beispielsweise können solche zeitlichen Induktivitätsveränderungen durch ein zeitlich veränderliches Hinzuschalten einer weiteren Induktivität erfol­ gen. Durch eine Parallelschaltung einer weiteren Induktivität wird eine vor­ gegebene Transformatorinduktivität dabei verringert, durch eine Serien­ schaltung wird sie vergrößert. Dies kann prinzipiell im Primärkreis und/oder auch im Sekundärkreis geschehen. Technisch einfacher ist dabei eine entsprechende Schaltung im Primärkreis. Als Schaltelemente können in gleicher Weise Transistorschalter verwendet werden, wie dies für die Tak­ tung im Primärkreis gemäß den Erläuterungen in der zitierten zweiten Vor­ anmeldung vorgesehen ist. Die Ansteuerung solcher Transistorschalter kann dabei synchron zu der und auch durch dieselbe Steuereinrichtung wie bei der Taktung des Primärkreisstroms erfolgen.

Ein besonders bevorzugter Aspekt der Erfindung betrifft jedoch eine gewis­ sermaßen selbsttätig zeitlich veränderliche Auslegung der Induktivität, in­ dem der Transformator in einem über im allgemeinen bei Leistungsübertra­ gern übliche Aussteuerungen hinausgehenden Sättigungsbetrieb verwendet wird. Dies bedeutet, daß der Transformator vorzugsweise so ausgelegt ist, daß er nicht nur "tolerierterweise" am Rand seiner Aussteuerung knapp in die Sättigung gerät, sondern ein wesentlicher Teil seiner Aussteuerung be­ reits im Sättigungsbereich liegt. Durch die bei der Sättigung des Transforma­ torkerns erfolgende deutliche Verringerung der relativen Permeabilität des Kernmaterials erfolgt dabei eine erhebliche Verringerung der Transforma­ torinduktivität im Sättigungsbereich.

Darüberhinausgehend hat sich bei den Versuchen der Erfinder herausge­ stellt, daß die Transformatorverluste bei einer weiteren Leistungssteigerung bei vorgegebener Größe des Vorschaltgeräts einen wesentlichen Problem­ punkt darstellen. Dies bewirkt in der Praxis, daß die thermischen Verluste im Transformator ab einer gewissen Leistung zu einer intolerablen Effizienzver­ schlechterung und thermischen Instabilität führen.

Die konventionelle fachmännische Konsequenz aus der Tatsache, daß die Transformatorenverluste mit höherer Aussteuerung zunehmen, wäre eine Vergrößerung des Transformators, um dabei die Aussteuerung verringern zu können. Es gilt nämlich bei Leistungsübertragung die allgemeine Faustre­ gel, höhere Aussteuerungen der Kernmaterialien über 150 mT zu vermeiden, um die Verluste beherrschbar zu halten. Denn die volumenspezifischen ma­ gnetischen Verluste in den Kernmaterialien nehmen mit zunehmender Aus­ steuerung sehr stark zu. Sie haben im übrigen auch noch eine Frequenzab­ hängigkeit, die hier jedoch nicht weiter interessiert. Bei den üblicherweise verwendeten Ferritmaterialien ist man bei 150 mT noch weit vom Sätti­ gungsbereich entfernt, wie sich aus den bei den Ausführungsbeispielen dar­ gestellten quantitativen Betrachtungen ergibt.

Die Erfindung geht hier genau den entgegengesetzten Weg, weil sich her­ ausgestellt hat, daß die Transformatorverluste bei einer sehr intensiven Aus­ steuerung eines vergleichsweise kleinen Transformators, durchaus be­ herrschbar sind. Schließlich treten die Transformatorverluste im wesentli­ chen im Hysteresebereich des Transformatorkerns auf. Ab einer an den Sät­ tigungsbereich herankommenden Aussteuerung des Transformators werden diese Hystereseverluste dann praktisch nicht mehr größer. Andererseits kann durch sehr starke Aussteuerung des Transformators ein entsprechend kleinvolumiger Transformator verwendet werden. Damit sind zwar die Transformatorverluste auf das Kernvolumen bezogen hoch, wegen des kleinen Kernvolumens jedoch absolut gesehen nicht übermäßig. Es hat sich ins­ gesamt herausgestellt, daß sich zusammen mit der weiteren Verbesserung der Entladungseffizienz insgesamt eine Effizienzsteigerung erzielen läßt, und dabei dennoch das Bauvolumen und -gewicht des Vorschaltgeräts, das we­ sentlich durch den Transformator bedingt ist, erheblich verringert werden kann.

An dieser Stelle ist anzumerken, daß sich die Ausführungen in dieser Be­ schreibung und der Wortlaut der Ansprüche natürlich in gleicher Weise auf die Verwendung von zwei oder mehreren Transformatoren anstelle eines einzigen bezieht. Dies stellt technisch gesehen nur eine Aufteilung des Trans­ formators, aber keine prinzipielle Veränderung dar.

Wie bereits erwähnt, bezieht sich diese Erfindung bevorzugt auf den in der älteren, jedoch zum Anmeldetag dieser Anmeldung unveröffentlichten Vor­ anmeldung ausgeführten Erfindungsaspekt, daß man eine Rückzündung in der Entladungslampe hervorruft. Im Sinne dieser Begriffsbildung ist die bis­ her erwähnte Zündung als Hinzündung zu bezeichnen. Gemeint ist, daß man nach dem Flußwandlerprinzip in der beschriebenen Weise einen Span­ nungspuls in den Sekundärkreis einprägt, der zu einer Hinzündung in der Entladungslampe führt, woraufhin man eine Schwingung des Sekundärkrei­ ses ablaufen läßt, die durch das Abziehen der äußeren Entladung an der Entladungslampe mit ausreichender Geschwindigkeit dafür sorgt, daß die durch die Hinzündung erzeugte innere Gegenpolarisation in der Entla­ dungslampe zu einer Rückzündung führt. Es hat sich nämlich hinsichtlich dieser Rückzündung gezeigt, daß sie zu einer umso effizienteren und voll­ ständigeren Umsetzung der bereits im Sekundärkreis gespeicherten Energie führt, je schneller die zu ihr führende Teilschwingung im Sekundärkreis zu einem Abziehen der äußeren Spannung und damit zu einem erneuten Durchzünden infolge der inneren Gegenpolarisation führt. Daher ist man bestrebt, die die Eigenfrequenz des Sekundärkreises bestimmenden Größen entsprechend zu optimieren. Eine wesentliche solche Größe ist die durch den Transformator im Sekundärkreis gegebene Induktivität.

Andererseits hat sich, wie gesagt, gezeigt, daß wenn die durch denselben Transformator im Primärkreis gegebene Induktivität zu klein wird, der Pri­ märkreisstromanstieg und somit der zeitliche Anstieg der äußeren Spannung einer Entladungslampe bei der Hinzündung so steil ausfällt, daß die Gefahr besteht daß sich die Effizienz der Entladungen hinsichtlich der Hinzündung verschlechtert.

Nun können die durch den Transformator im Primärkreis und dem Sekun­ därkreis bedingten Induktivitäten nicht ohne weiteres unabhängig vonein­ ander eingestellt werden. Also sieht die Erfindung auch in dieser Hinsicht eine zeitliche Veränderung der Induktivität vor. Und zwar kann auch die Transformatorinduktivität im Sekundärkreis erniedrigt werden in einer für die Rückzündung wesentlichen Phase, nämlich zumindest der Anfangsphase des für die Rückzündung wesentlichen Abziehens der äußeren Spannung von der Entladungslampe. Es hat sich auch dabei gezeigt, daß die Größe der Induktivität in dieser jeweiligen Anfangsphase von entscheidender Bedeu­ tung ist. Wenn durch eine ausreichend große Primärkreisinduktivität einer­ seits sichergestellt ist, daß die Hinzündung eine für eine sehr gute Effizienz geeignete physikalische Grundform hat, so wird an dieser Grundtatsache durch die Schnelligkeit des Primärstrom- bzw. Sekundärkreisspannungsan­ stiegs im weiteren Verlauf nichts Grundsätzliches mehr geändert. Es wird dann nämlich die von der letzten Rückzündung noch remanente Restionisa­ tion durch die sich aufbauenden elektrischen Felder geeignet für die neue Zündung vorgeprägt.

Andererseits sorgt ein ausreichend schneller Ladungsabfluß von der Entla­ dungslampe nach der Hinzündung für eine schnelle und kräftige Rückzündung, auch wenn die Sekundärkreisinduktivität im weiteren Verlauf noch vergrößert werden sollte. Das hat wohl im wesentlichen damit zu tun, daß die wieder beginnende Leitfähigkeit in dem Entladungsmedium und der damit rapide sinkende Ohmsche Widerstand ein schnelles Durchschwingen des Sekundärkreises unterstützen.

Im Hinblick auf die bereits angesprochene Möglichkeit einer Induktivitäts­ veränderung durch Transformatorsättigung gilt dabei natürlich, daß wenn der Transformator am Beginn der für die Rückzündung verantwortlichen Teilschwingung im Sättigungszustand ist, er bei dem vorhergehenden Pri­ märstrommaximum auch gesättigt gewesen sein muß, weil schließlich der Transformatorstrom für die Sättigung ursächlich ist.

Bezüglich der Ausführungen in der zitierten Voranmeldung ist noch anzu­ merken, daß auch bei der hier dargestellten Erfindung vorzugsweise vorge­ sehen ist, mit Hilfe der Rückzündung eine Restmagnetisierung am Trans­ formator abzubauen. Seinerzeit wurde argumentiert, daß man ohne Abbau dieser Restmagnetisierung eine Sättigung des Transformators befürchten müßte. Damit war allerdings eine Situation gemeint, in der Energiebeträge dauerhaft im Sekundärkreis verbleiben (nämlich der Restmagnetisierung entsprechend) bzw. zwischen Primärkreis und Sekundärkreis hin- und her­ geschoben werden, ohne in der Entladungslampe wirklich umgesetzt zu werden. Solche Energiebeträge treten zwar als Leistungen im Vorschaltgerät auf, so daß dieses entsprechend ausgelegt sein muß, erhöhen jedoch nicht die Leistung der Lampe. Sie sind daher möglichst zu vermeiden. Die im Rahmen der hier vorliegenden Erfindung beabsichtigte Sättigung des Transformators betrifft jedoch eine mit jedem Arbeitszyklus immer wieder neu aufgebaute Sättigung, d. h. ist mit Energien bzw. Leistungen verbunden, die vom Pri­ märkreis in den Sekundärkreis und weitestgehend in die Entladungslampe transportiert werden. Insoweit ist ein Sättigungszustand nicht an sich nachteilig, wie obenstehend bereits erläutert.

Auch bei dieser Erfindung ist es bevorzugt, daß der Sekundärkreis nach der Hinzündung als Schwingkreis isoliert ist, also nach Abschalten des Primär­ kreisstroms wegen der offenen Primärseite des Transformators einerseits und durch eine im übrigen gegebene galvanische Trennung vom Primärkreis andererseits. Vorzugsweise ist zum Abschalten des Primärkreisstroms ein Schalter, insbesondere ein Transistorschalter, vorgesehen, der die Primärseite nach der nach dem Flußwandlerprinzip erfolgten Hinzündung öffnet. Hin­ sichtlich des Vorschaltgeräts und des Beleuchtungssystems zeichnet sich die Erfindung somit durch diesen Schalter und die Auslegung seiner Ansteuer­ einrichtung aus, sowie durch die Auslegung des Transformators bzw. durch eine andere Einrichtung zur Erzielung der zeitlichen Veränderung der In­ duktivitäten.

Hinsichtlich des Sättigungsbetriebs des Transformators sollte der Primär­ kreisstrom bereits so früh unterbrochen werden, daß der Transformator noch im Sättigungszustand ist. Die günstigsten Zeitpunkte für die Unterbrechung des Primärkreisstroms liegen erfindungsgemäß in einem Bereich, in dem der Primärkreisstrom ein Minimum zeigen würde, wenn die Unterbrechung un­ terbliebe. Wenn nämlich nach der Hinzündung der Primärkreis geschlossen bleiben würde, so würde der Primärkreisstrom nach dem Maximum im Rahmen der Hinzündung, dem Verlöschen der Hinzündung, dem damit wieder stark ansteigenden Ohmschen Widerstand der Entladungslampe und der entsprechenden Stromabnahme ein Zwischenminimum zeigen, nach welchem der Primärkreisstrom wieder gemäß der durch die Primärkreisin­ duktivität des Transformators gegebenen Geradensteigung zeitlich ansteigen würde. Dieses Minimum liegt bei geeigneter Auslegung noch im Bereich der Transformatorsättigung und ist vor allem deswegen ein vorteilhafter Schaltzeitpunkt, weil durch den minimalen Primärkreisstrom auch die Schaltverlu­ ste etwa in dem Schalttransistor minimal sind.

Als Schalter eignet sich im übrigen besonders ein MOSFET. Wenn diesem eine Freilaufdiode parallel geschaltet ist, so können vorteilhafterweise auch bei Unterbrechung des eigentlichen Primärkreisstroms im Primärkreis Ent­ magnetisierungsströme (für die Entmagnetisierung des Transformators) flie­ ßen und z. B. einen Speicherkondensator der Leistungsversorgung des Pri­ märkreises aufladen. Somit wäre trotz galvanischer Trennung zwischen Pri­ märkreis und Sekundärkreis - mit den entsprechenden Sicherheitsvorteilen - eine Entmagnetisierungsvorrichtung realisiert.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung betreffen bevorzugte quanti­ tative Abgrenzungen in Zusammenhang mit der zeitlichen Induktivitätsver­ änderung. Die erste dieser Varianten betrifft die Transformatorinduktivität im Primärkreis, die vorzugsweise am Beginn des zu der Hinzündung füh­ renden Spannungspulses, also bei sehr kleinen Strömen, mindestens drei mal so groß ist, vorzugsweise mindestens fünf mal so groß und besonders bevor­ zugterweise mindestens zehn mal so groß ist wie zu dem Zeitpunkt der Un­ terbrechung des Primärkreisstroms zur Einleitung der Rückzündung. Dem­ gemäß bewirkt also der Sättigungseffekt im Bezug zu dem Zeitpunkt des Primärkreisstrommaximums, also nicht unbedingt im Bezug zu dem Zeit­ punkt der Primärkreisstromunterbrechung, eine Veränderung der Primär­ kreisinduktivität um zumindest einen Faktor 5 bzw. 10 bzw. 20. Entspre­ chendes gilt natürlich für die eingangs erwähnte schaltungstechnische Reali­ sierung der zeitlichen Induktivitätsveränderung (auch ohne Sättigungsbe­ trieb).

Die zweite quantitative Abgrenzungsvariante bezieht sich auf den Sätti­ gungsfall und verwendet zur Abgrenzung die magnetische Induktion bzw. Flußdichte (B-Feld) in dem Transformator. Hierbei soll der Maximalwert der magnetischen Induktion während des zur (Hin-)Zündung führenden Span­ nungspulses zumindest 80% der sogenannten magnetischen Sättigungsin­ duktion des Transformators betragen. Diese Abgrenzung gilt auch für ein Betriebsverfahren ohne Rückzündung. Die magnetische Sättigungsinduktion ist eine technische Kenngröße für den Transformatorkern und wird bei­ spielsweise von Herstellern von Transformatoren angegeben. Sie entspricht dem Schnittpunkt einer Tangente an dem Sättigungsteil der Magnetisie­ rungskurve, also des die magnetische Induktion abhängig vom magneti­ schen Feld darstellenden Graphen, mit der Induktionsachse, also für ein Nullfeld (H = 0). Physikalisch gesehen handelt es sich dabei also um die in der Sättigung des Kerns erzielbare Magnetisierung des Kerns ohne Feldbeitrag.

Bei Betriebsverfahren mit Rückzündung kommt als bevorzugte quantitative Abgrenzung zudem in Betracht, daß die magnetische Induktion zu dem Zeitpunkt der Unterbrechung des Primärkreisstroms zumindest 80% der Sättigungsinduktion beträgt. In beiden Fällen sind Werte von über 90%, bes­ ser noch über 95% und im günstigsten Fall über 100% der Sättigungsinduk­ tion noch stärker bevorzugt.

Bei für die Erfindung günstigen Kernmaterialien ergeben sich Sättigungsin­ duktionen von vorzugsweise zumindest 360 mT, woraus sich erkennen läßt, daß der Transformator unter günstigen Bedingungen weit über den eingangs genannten Wert von 150 mT ausgesteuert wird.

Die durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen erzielten Eigenfrequenzen des Sekundärkreises zu dem Zeitpunkt der Primärkreisstromunterbrechung liegen vorteilhafterweise in einem Bereich von über 500 kHz.

Der Transformatorkern ist vorzugsweise geschlossen, weist also keinen Luft­ spalt auf und kann vorzugsweise aus einem MnZn-Ferrit bestehen, wobei sich das Material N87 des Herstellers EPCOS AG bzw. ein äquivalentes Material eines anderen Herstellers anbietet. Dabei beträgt die Sättigungsinduk­ tion etwa 370 bis 375 mT.

Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren kann als Gegentaktverfahren reali­ siert sein, wobei die zur Hinzündung führenden Spannungspulse bipolar alternierend erfolgen. Als unipolares Verfahren werden also jeweils gleichge­ richtete Spannungspulseinprägungen bezeichnet, bei denen natürlich die Hinzündung und die Rückzündung in der Entladungslampe trotzdem ent­ gegengesetzt gerichtet sind. Jedoch ist ein bipolares Gegentaktverfahren von Vorteil hinsichtlich der in Entladungslampen prinzipiell unvermeidlichen Alkali-Ionenwanderungseffekte (Schwärzungseffekte). Durch ein symme­ trisch alternierendes Verfahren können diese grundsätzlich nicht zu einer Schädigung der Lampe führen. Hierbei ist jedoch zu berücksichtigen, daß bereits die erfindungsgemäße Verwendung einer Rückzündung bezüglich dieser Probleme eine erhebliche Verbesserung bringt. Allerdings sind Hin- und Rückzündung nicht unbedingt symmetrisch, so daß also im unipolaren Fall Resteffekte bleiben können.

Weitere bevorzugte elektrotechnische Einzelheiten betreffen zum einen die Verwendung eines keramischen Mehrschichtspeicherkondensators bei der Leistungsversorgung des Primärkreises, wie dies bereits in der zitierten Vor­ anmeldung ausgeführt war. Zum zweiten wird, wie ebenfalls dort ausge­ führt, vorzugsweise ein Mittenabgriff der Sekundärwicklung des Transfor­ mators als Bezugspotential des Sekundärkreises verwendet.

Wie bereits ausgeführt wurde, bietet die Erfindung nicht nur eine Effizienz­ verbesserung, sondern vor allem die Möglichkeit, mit sehr kleinen und leich­ ten Vorschaltgeräten relativ große Lampenleistungen zu treiben. Dies ist für manche Anwendungen von entscheidender Bedeutung, weil sich damit nämlich die Möglichkeit bietet, das Vorschaltgerät an Stellen einzubauen, an denen nur begrenzt Raum zur Verfügung steht. Beispielsweise könnte ein erfindungsgemäßes Vorschaltgerät mit einer stillen Entladungslampe in ei­ nem Fotokopierer oder einem Scanner in einer Bewegungseinrichtung der stillen Entladungslampe mitfahren, so daß längere und zudem bewegte hochspannungsführende Leitungen vermieden werden können. Ferner bietet sich die Möglichkeit, ein solches Vorschaltgerät in Lampensockeln zu inte­ grieren, so daß die Entladungslampe mit integriertem Vorschaltgerät als Einheit produziert und verkauft und unproblematisch vom Anwender ein­ gebaut werden kann, beispielsweise in einem Monitor. Diesbezüglich sieht die Erfindung vor, daß die Leitungen zwischen Vorschaltgerät und Entla­ dungslampe höchstens 10 cm Länge aufweisen, noch günstiger ist ein Wert von 5 cm. Ferner ist, wie erwähnt, vorzugsweise eine Integration im Sockel­ gehäuse der Entladungslampe vorgesehen. Unter einem Sockelgehäuse ver­ steht man im allgemeinen ein direkt an der Entladungslampe angebautes Gehäuse, das die elektrischen Anschlüsse, und im Fall dieser Erfindung zu­ dem auch das Vorschaltgerät, enthält.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele nä­ her erläutert, wobei die einzelnen Merkmale auch in anderen Kombinationen erfindungswesentlich sein können. Insbesondere wird darauf hingewiesen, daß die Erfindung sowohl Verfahrens- als auch Vorrichtungsaspekte hat und die gesamte vorstehende wie nachfolgende Beschreibung im Hinblick auf beide Kategorien zu verstehen ist. In den Figuren zeigt:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Beleuch­ tungssystems;

Fig. 2 eine optionale Einzelheit zu dem Blockschaltbild aus Fig. 1;

Fig. 3 ein schematisches Blockschaltbild eines weiteren erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems als zweites Ausführungsbeispiel;

Fig. 4 eine optionale Einzelheit zu dem Blockschaltbild aus Fig. 3;

Fig. 5 ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Beleuch­ tungssystem als dreittes Ausführungsbeispiel;

Fig. 6 schematische Zeitverlaufsdiagramme zu dem Betrieb des Ausfüh­ rungsbeispiels aus Fig. 5;

Fig. 7 eine schematische Darstellung der Verschaltung der Transistoren in den Schaltbildern nach Fig. 1 und Fig. 3;

Fig. 8 ein schematisches Diagramm zur Erläuterung des Hystereseeffekts in dem Transformatorkern der Schaltungen aus den Fig. 1 und 3;

Fig. 9 eine tatsächliche Hysteresekurve des praktisch verwendeten Trans­ formatorkernmaterials in Abhängigkeit von der magnetischen Feldstärke;

Fig. 10 ein Diagramm zur Darstellung der Temperaturabhängigkeit magneti­ scher Verluste in Transformatorkernmaterialien;

Fig. 11 eine Meßkurve mit einem typischen zeitlichen Primärstromverlauf in den Schaltungen aus den Fig. 1 und 3;

Fig. 12 Meßkurven des zeitlichen Primärstromverlaufs und Sekundärstrom­ verlaufs in der Schaltung gemäß Fig. 1;

Fig. 13 eine Ausschnittsdarstellung zur Fig. 12;

Fig. 14 und Fig. 15 in Entsprechung zu Fig. 12 den zeitlichen Primärstrom­ verlauf und Sekundärstromverlauf für die Schaltung aus Fig. 3.

In Fig. 1 ist ein schematisches Blockschaltbild für ein erfindungsgemäßes Be­ leuchtungssystem dargestellt. Darin ist zunächst mit L eine Entladungslampe dargestellt, die für dielektrisch behinderte Entladungen ausgelegt ist. Ein prinzipielles Ersatzschaltbild für die Entladungslampe L findet sich in der zweiten zitierten Voranmeldung in Fig. 2 und ist dort auch in Bezug auf die dortigen Fig. 3 und 4 im einzelnen erläutert. Für das Verständnis des erfin­ dungsgemäßen Betriebsverfahrens, Beleuchtungssystems und Vorschaltge­ räts ist der tatsächliche Aufbau der Entladungslampe L nicht entscheidend.

Die Entladungslampe L ist in einen Sekundärkreis S geschaltet, der neben der Entladungslampe L eine Sekundärwicklung W2 eines Transformators T enthält.

Die Primärwicklung W1 des Transformators T liegt in einem Primärkreis P, der aus einer Leistungsversorgung Q mit Leistung für den Transformator bzw. die Entladungslampe L versorgt ist.

Ferner liegt in einem der Äste zwischen der Leistungsquelle Q und der Pri­ märwicklung W1 ein schneller Schalter T_Q. Dabei handelt es sich um einen Leistungs-MOSFET, der von einer Steuereinrichtung SE geschaltet bzw. ge­ steuert ist.

Parallel zu der Reihenschaltung aus der Primärwicklung W1 und dem Schal­ ter T_Q liegt ein Speicherkondensator C_Q. Dieser Speicherkondensator C_Q wird von der Quelle Q nachgeladen, gehört im Grunde zu der Quelle Q und dient zum Anlegen einer Spannung an die Primärwicklung W1 abhängig von dem Schaltzustand des Schalters T_Q. Es handelt sich dabei um keramische Mehr­ schichtkondensatoren.

Bei dem Flußwandler wird in zunächst konventioneller Weise ein Stromfluß durch die Primärwicklung W1 erzeugt, wobei das Wicklungsverhältnis des Transformators T so ausgelegt ist, daß der Stromfluß durch die Primärwick­ lung W1 in der Sekundärwicklung W2 und damit mittelbar an der Entla­ dungslampe L eine Zündspannung induziert. Wird der Schalter T_Q durch die Steuereinrichtung SE geöffnet, so verbleibt im Sekundärkreis S Energie zu­ mindest in Form einer Restmagnetisierung des Transformators T.

Wie bereits in der Beschreibungseinleitung erläutert, sind zum Abbau dieser Restmagnetisierung konventionellerweise Entmagnetisierungsschaltungen verwendet worden, die z. B. aus einer dritten Wicklung des Transformators T und einer mit dieser Wicklung parallel zu der Reihenschaltung aus der Primärwicklung W1 und dem Schalter T_Q geschalteten Diode bestehen könn­ te. Über eine solche Entmagnetisierungsschaltung könnte dann in der Sperr­ phase des Schalter T_Q die Restmagnetisierung des Transformators T abge­ baut werden.

Aus Fig. 1 ergibt sich direkt, daß zwischen dem Primärkreis P und dem Sekundärkreis S eine vollständige galvanische Trennung vorliegt. Dies ist von erheblichem Sicherheitsvorteil im Hinblick auf die auf der Sekundär­ kreisseite vorliegenden hohen Spannungen. Ein weiterer Sicherheitsvorteil kann, wie in Fig. 2 dargestellt, dadurch erzielt werden, daß die Sekundär­ wicklung W2 einen (dritten) Mittenabgriff aufweist, der als geerdetes Be­ zugspotential des Sekundärkreises S dienen kann. Wenn demgegenüber an die jeweiligen Elektrodengruppen der Entladungslampe L die positiven und negativen Pulse aus der Sekundärwicklung W2 angelegt werden, liegt an der Entladungslampe L nach wie vor die volle Induktionsspannung an, obwohl in der Sekundärkreisschaltung gegenüber dem Mittenabgriffspotential je­ weils nur die halbe maximale Spannung als sicherheitsrelevante Spannung auftritt. Tatsächlich handelt es sich hier bei T eigentlich um zwei Transforma­ toren.

Diese Technik verbessert auch erheblich die elektromagnetische Verträglich­ keit hinsichtlich der Abstrahlung aus dem Sekundärkreis. Es wird verwiesen auf die DE 197 34 885.8.

Die Schaltdiagramme in den Fig. 3 und 4 entsprechen weitgehend denen in den Fig. 1 und 2 und zeigen eine optionale Ausführung der Erfindung nach einem Gegentaktprinzip. Daher sind die Schaltungszweige aus der Primärwicklung W1 und dem Schalttransistor T_Q mit der Steuereinrichtung SE doppelt ausgeführt. Dabei ist der Wicklungssinn der beiden Primärwicklun­ gen einander entgegengesetzt gerichtet. Somit können durch Betrieb dieser beiden Zweige Spannungspulse entgegengesetzter Polarität im Sekundär­ kreis S erzeugt werden. Natürlich können die beiden Steuereinrichtungen SE zusammengefaßt sein und geben alternierend Pulse an die beiden Schalttran­ sistoren T_Q.

Fig. 4 verdeutlicht, wie im bipolaren Fall die Wicklungsorientierungen bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 mit Mittenabgriff auf der Sekundärseite gewählt werden.

Die Fig. 5 und 6 dienen zur schematischen Illustration einer alternativen Realisierung der Erfindung durch periodisches Erhöhen der Primärkreisin­ duktivität mit Hilfe einer seriell zu der Primärwicklung W1 liegenden weite­ ren Induktivität L. Dazu dient eine zu der Induktivität L parallel geschaltete und diese im leitenden Zustand kurzschließende Schalteinrichtung, nämlich ein MOSFET T₁ mit einer entsprechenden Steuereinrichtung SE₁. Dement­ sprechend sind die den Schaltern T_Q und den Steuereinrichtungen SE aus den Fig. 1 und 3 entsprechenden Elemente mit T₂ und SE₂ bezeichnet. Der Speicherkondensator C_Q ist der Einfachheit halber weggelassen.

Aus Fig. 6 ergibt sich, daß durch entsprechendes Öffnen und Schließen des MOSFETS T₁ mit Hilfe der Steuereinrichtung SE₁, und zwar abgestimmt auf den Betrieb der Steuereinrichtung SE₂ eine entsprechende effektive Indukti­ vitätsvergrös-serung im Primärkreis in beispielsweise den ersten 100 ns der Pulse möglich ist. Dieses Ausführungsbeispiel dient dazu, klarzustellen, daß die Erfindung nicht nur durch einen Sättigungsbetrieb des Transformators T ausgeführt werden kann. Die folgende Beschreibung anhand der weiteren Figuren bezieht sich jedoch nur noch auf die ersten beiden Ausführungsbei­ spiele aus den Fig. 1-4.

Fig. 7 zeigt eine weitere Einzelheit, nämlich die Verschaltung eines der Schalttransistoren T_Q in den Schaltungen in Fig. 1 und Fig. 3. Dabei ist dem Leistungs-MOSFET eine sog. Freilaufdiode D parallelgeschaltet, d. h. zwi­ schen Source und Drain, wobei die Polarität so gewählt ist, daß die Freilauf­ diode D im leitenden Zustand, d. h. beim Fließen eines Primärkreisstromes durch den Transistor T_Q, sperrt.

Die Freilaufdiode D kann dann im sperrenden Zustand des Transistors T_Q einen Energierückfluß aus dem Sekundärkreis S in den Primärkreis P in Form eines umgekehrten Primärkreisstrom führen, der den Speicherkonden­ sator C_Q auflädt. Dadurch ist eine Entmagnetisierungsmöglichkeit gegeben, die die galvanische Trennung zwischen Primärkreis P und Sekundärkreis S beibehält.

Fig. 8 zeigt schematisch das typische Hystereseverhalten eines magnetischen Materials, also des Kernmaterials in dem Transformator T in den Fig. 1 und 3. Die durch den Wicklungsstrom vorgegebene magnetische Feldstärke H erzeugt eine Magnetisierung J in dem magnetischen Material, die bis zu einer bestimmten Sättigungsmagnetisierung J_S ansteigt. Für die magnetische In­ duktion (bzw. Flußdichte) B ergibt sich insgesamt

B = µ₀H + J

Die Magnetisierung J folgt der Feldstärke H mit einer gewissen Hysterese, weil die Weißschen Bezirke in dem Material ausgerichtet bzw. umorientiert werden müssen. Nach Ausrichtung aller Weißschen Bezirke kommt es zu einer Sättigung, wie sich in Fig. 8 deutlich ablesen läßt. Insgesamt ergibt sich die bekannte Hysteresekurve des Zusammenhangs zwischen der magneti­ schen Induktion B und Feldstärke H. Der Schnittpunkt einer in Fig. 8 einge­ zeichneten geraden Tangente an dem mit der Steigung µ₀ steigenden gesät­ tigten Teil der Hysteresekurve mit der B-Achse entspricht also ebenfalls der Sättigungsmagnetisierung J_S bzw. läßt sich auch als magnetische Sättigungs­ induktion auffassen. Ihre Bedeutung wird aus der folgenden Fig. 9 deutli­ cher, die eine tatsächliche Hysteresekurve des hier verwendeten Magnet­ kernmaterials darstellt. In Fig. 8 ist zur besseren Erkennbarkeit der physika­ lischen Zusammenhänge nämlich die Steigung µ₀ übertrieben groß einge­ zeichnet. Tatsächlich verläuft der gesättigte Teil der Hysteresekurve sehr flach.

In Fig. 9 erkennt man mit der tatsächlichen Hysteresekuve (für den Trans­ formatorbetrieb relativ realistische Temperatur von 100°C), daß magnetische Induktionen in der Größenordnung der Sättigungsinduktion und darüber nur durch im Vergleich zu schwächeren Aussteuerungen unverhältnismäßig große magnetische Feldstärken (H) erzeugt werden können. Bei dem hier verwendeten Material (EPCOS N 87, Transformatorkern ohne Luftspalt, was hier wesentlich ist) sind die Sättigungseffekte ab etwa 200-300 mT deutlich spürbar. Tatsächlich würde man nach klassischen Vorstellungen schon den Bereich von 150 mT nicht überschreiten. Bei den im folgenden noch darge­ stellten quantitativen Beispielen wird sich zeigen, daß dieser Bereich mit der Erfindung deutlich überschritten wird.

Man kann das Sättigungsverhalten aus den Fig. 8 und 9 auch als Feldabhän­ gigkeit der relativen Permeabilität µ_rel (B = µ_relµ₀H) auffassen, die ab be­ stimmten Magnetfeldstärken drastisch abnimmt. Jedoch bietet diese Dar­ stellung gegenüber dem B(H)-Zusammenhang aus den Fig. 8 und 9 keine zusätzliche physikalische Substanz.

Des weiteren bedeutet das Hystereseverhalten aus den Fig. 8 und 9 Ver­ luste im Transformatorkern, die sich durch eine Erwärmung des Transforma­ tors äußern. Gemäß Fig. 10 sind diese Verluste auch temperaturabhängig, wobei sich ein mit zunehmender magnetischer Induktion (Parameter an den Kurven) flacher werdendes und bei etwas niedrigeren Temperaturen liegendes Minimum zeigt. Der in Fig. 10 erkennbare starke Anstieg der Kernverlu­ ste Pv (Ordinate) mit zunehmender magnetischer Aussteuerung würde, wie bereits ausgeführt, den Fachmann zunächst dazu bringen, eine schwächere Aussteuerung anzustreben, um die Verluste zu minimieren. Die Erfindung hat nun gezeigt, daß durch eine Aussteuerung des Transformators deutlich in den Sättigungsbereich hinein die Verluste wegen des kleineren Transfor­ matorvolumens und der ab Eintritt der Sättigung nicht mehr zunehmenden Hystereseeffekte durchaus im Rahmen bleiben. Dabei strebt die Erfindung eine Auslegung an, bei der sich die Transformatortemperatur im Bereich des in Fig. 10 erkennbaren Minimums der Verlustkurve einpendelt. Typische Temperaturen sind bei einer (wie weiter unten noch näher ausgeführt) grö­ ßenordnungsmäßig auftretenden magnetischen Induktion von knapp 400 mT im Bereich von 80-100°C. Diese große magnetische Induktion ist in Fig. 10 nicht erfaßt, weil es sich dabei um einen technisch sonst nicht verwendeten Bereich handelt.

Fig. 11 zeigt einen typischen realen zeitlichen Verlauf des Primärkreisstroms in Abhängigkeit von der Zeit t. Nach dem Einschalten des Schalttransistors T_Q ergibt sich zunächst der typische Anstieg, der bereits aus der mehrfach zitierten Voranmeldung bekannt ist. Man erkennt, daß der Schalttransistor T_Q nach Durchlaufen des Maximums der Primärkreisstromkurve ausgeschal­ tet wird, nämlich dort, wo sich der Knick zu dem dann sehr schnellen Abfall des Primärkreisstroms I_W1 ergibt. Sowohl im Strommaximum als auch im Schaltzeitpunkt t_aus ist der Primärkreisstrom I_W1 noch im Sättigungsbereich. Zudem ist hier als Schaltzeitpunkt t_aus der Zeitpunkt ausgewählt, zu dem die Kurve des Primärkreisstroms I_W1, wenn nicht ausgeschaltet würde, wieder weiter ansteigen würde, wie gestrichelt dargestellt. Dieser gestrichelte An­ stieg entspricht einer weiteren Aufladung des Transformators nach Erlö­ schen der Hinzündung. Der mit dem Strommaximum verbundene Anstieg des Primärkreisstroms über die lineare Transformatoraufladung hinaus entsteht vermutlich durch die Hinzündung, die durch den starken Abfall des Ohmschen Widerstandes der Entladungslampe L gewissermaßen Strom aus der Sekundärwicklung W2 "zieht".

Dieser Schaltzeitpunkt ist auch hinsichtlich der Schaltverluste in der bzw. den Schalttransistoren T_Q optimal, weil mit minimalem Strom geschaltet wird. Ferner würde bei erneutem Anstieg des Stroms ein Teil der Hysterese­ kurve doppelt durchlaufen, wodurch unnötige magnetische Verluste auftre­ ten würden.

In Fig. 12 ist der Primärkreisstrom I_W1 im unteren Bereich dargestellt im obe­ ren Bereich findet sich der Sekundärkreisstrom I_W2. Die Stromnullpunkte sind dabei gegeneinander verschoben, um die Kurven besser miteinander in Beziehung setzen zu können. Entsprechendes gilt für die Darstellung in Fig. 13, die einen Puls des Primärkreisstroms I_W1 und des Sekundärkreisstroms I_W2 aus Fig. 12 vergrößert darstellt. In Fig. 13 erkennt man den steilen Abfall des Primärkreisstroms I_W1 nach dem Zeitpunkt t_aus. Gleichzeitig erkennt man, daß auf der Sekundärseite des Transformators T eine Rückschwingung einsetzt, die zu einem entgegengesetzt gepolten Puls des Sekundärkreis­ stroms I_W2 führt, nämlich zu der erfindungsgemäßen Rückzündung. Man erkennt sehr schön, daß der über einen vergleichsweise etwas längeren Zeit­ raum (im wesentlichen zwischen t_ein und t_aus) ablaufenden Hinzündung, also dem ersten Puls des Sekundärkreisstroms I_W2, ein sehr viel heftigerer und küzerer Rückzündungspuls folgt. Dies entspricht genau dem erfindungsge­ mäßen Mechanismus, gemäß dem die Hinzündung in der Nichtsättigungs­ phase des Transformators T vorbereitet wird, nämlich nach t_ein, während die Rückzündung bei stark ausgesteuertem Transformator T vorbereitet wird, nämlich mit t_aus beginnend.

Im übrigen hat sich für die Rückzündung eine abgebremste Flankensteilheit am Beginn auch nicht als Vorteil gezeigt. Die Rückzündung scheint durch die Hinzündung hinsichtlich der Entladungsstruktur vorgeprägt zu sein.

Schließlich wird erfindungsgemäß durch die Sättigung auch vermieden, daß der Hinzündungspuls insgesamt zu breit wird.

An die in der mehrfach zitierten Voranmeldung enthaltenen Diskussionen über die Unterschiede zwischen den Funktionsprinzipien Sperrwandler und Flußwandler anknüpfend ist noch zu bemerken, daß es bei dem in dieser Anmeldung behandelten Flußwandlerprinzip hinsichtlich der Rückzündung wegen der galvanischen Trennung durchaus zu einer zusätzlichen Sperr­ wandlerfunktion kommen kann. Der in den Fig. 7 und 13 erkennbare plötzliche Primärkreisstromabfall nach dem Ausschalten des Schalttransi­ stors T_Q bedingt nämlich einen entsprechenden Induktionsspannungspuls auf der Sekundärseite nach dem Sperrwandlerprinzip, jedoch wird die Hin­ zündung nach dem Flußwandlerprinzip erzeugt.

Entsprechende Stromverläufe zeigen auch die Fig. 14 (Primärkreisstrom I_W1) und Fig. 15 (Sekundärkreisstrom I_W2) für den Fall des Gegentaktverfahrens mit der Schaltung nach Fig. 3. Der einzige Unterschied zu den Stromverläu­ fen nach Fig. 12 besteht in der Alternierung der Vorzeichen zwischen aufein­ anderfolgenden Wirkleistungspulsen. Dadurch können durch Asymmetrien zwischen Hin- und Rückzündungen entstehende Alkali- Ionenwanderungseffekte (Schwärzungserscheinungen) ausgeschlossen wer­ den. Eine verbesserte Lebensdauer der Entladungslampe L ist die Folge.

Es ist natürlich nicht zwingend, daß die Totzeiten zwischen den Wirklei­ stungspulsen entgegengesetzter Polarität völlig symmetrisch sind, wenn­ gleich man im allgemeinen einen bevorzugten Wert für die Totzeit einstellen wird. Im Prinzip sind aber auch abwechselnd kürzere und längere Totzeiten denkbar bis hin zu einer Situation, in der die Rückleistungspulse entgegen­ gesetzter Polarität unmittelbar aufeinander folgen, also gemeinsam einen Wirkleistungspuls bilden und nicht durch eine Totzeit getrennt sind.

Im einzelnen gelten für die Ausführungsbeispiele folgende technische Daten: Der maximale Primärkreisstrom I_{W1 max} beträgt 14A und der Primärkreis­ strom zum Ausschaltzeitpunkt t_aus beträgt 10A. Dabei beträgt die Versor­ gungsspannung 24 V. Der Speicherkondensator C_Q ist durch fünf parallel ge­ schaltete keramische Mehrschichtkondensatoren mit jeweils 10 µF realisiert. Der Schalttransistor T_Q ist ein BUZ104S der Firma Infineon AG.

Bei den verwendeten Transformatoren (EFD15, N87, Primärwindungszahl 2, Sekundärwindungszahl 141, magnetische Weglänge 3,4 cm) entsteht damit eine maximale magnetische Feldstärke H_max von 823 A/m und im Ausschalt­ zeitpunkt H (t_aus) von 588 A/m.

Für die magnetische Induktion gilt der Maximalwert B_max = 372 mT und im Ausschaltzeitpunkt B (t_aus) = 371 mT. Zum Vergleich: die Sättigungsmagneti­ sierung I_S des verwendeten Kernmaterials N87 der EPCOS AG liegt bei etwa 100°C bei etwa 374 mT. Im bipolaren Fall gemäß den Fig. 3, 14 und 15 beträgt J_W1 (t_aus) = 6A und damit H (t_aus) = 353 A/m, für die Induktionen gilt: B_max = 372 mT und B(t_aus) = 367 mT.

In beiden Fällen lag die Transformatortemperatur bei etwa 90°C (zwischen 80° und 100°C) und damit in einem hinsichtlich der Verluste günstigen Be­ reich. Das Kernvolumen betrug insgesamt (auf zwei Transformatoren ver­ teilt) 1020 mm³ und zeigte magnetische Gesamtverluste von etwa 2 W. Damit lassen sich bei außerordentlich kleiner Baugröße des Vorschaltgeräts sehr gute Effizienzwerte erzielen. Dabei war es möglich, die Größe des Vorschalt­ geräts durch die drastische Verringerung der Transformatorgröße bei einer Lampenleistung von 21,5 W auf die Größe einer Streichholzschachtel zu reduzieren, wobei durch weitere Optimierungsmaßnahmen vor allem hin­ sichtlich der Packung der einzelnen Elemente innerhalb des Vorschaltgeräts noch zusätzliche Volumeneinsparungen zu erwarten sind.

Die bei den Ausführungsbeispielen verwendete Entladungslampe L ist eine stabförmige stille Leuchtstofflampe mit zwei innenliegenden Elektroden. Die Lampenlänge beträgt 29 cm, der äußere Durchmesser 10 mm, bei einer Wanddicke von 0,6 mm. Die Füllung besteht aus Xe bei 170 mbar.

Mit den obigen Zahlenwerten kann man für die nach konventioneller fach­ männischer Ansicht sinnvolle Aussteuerung folgende Abschätzung vorneh­ men: bei einer Systemsteuerung von etwa 20 W und einer zulässigen Ver­ lustleistung von 2 W (pro Transformator 1 W, bei EF D 15 führt dies mit ei­ nem thermischen Widerstand von etwa 75 K/W auf ca. 100°C), würde sich bei dem obigen Kernvolumen von pro Trafo von 510 mm³ als magnetischer Grenzverlust ergeben: 1960 kW/m³. Bei Pulsbreiten im Bereich von 500 ns und einer angenommenen Frequenz von 1 MHz ergibt sich dabei für einen (hier nicht realisierten) kontinuierlichen Sinusbetrieb eine Aussteuerung von 65 mT als Maximum. Wenn man im Hinblick auf das gepulste Betriebsver­ fahren ein Puls-Pausen-Verhältnis von 1 : 10 annimmt, so erhöht sich dieser Wert natürlich, weil die Verluste pro Puls zeitlich gemittelt werden müssen. Nimmt man an, daß der Kern thermisch standhält und linear extrapoliert werden kann (die Verluste steigen mit der Aussteuerung eigentlich überline­ ar), so ergeben sich dabei als absolute Maximalwerte Aussteuerungen von ca. 140 mT. Diese konventionellen Betrachtungen werden durch die obigen Aus­ steuerungen also drastisch überschritten.

Claims (22)

1. Betriebsverfahren für eine Entladungslampe (L) mit einer dielektrischen Schicht zwischen zumindest einer Elektrode und einem Entladungsme­ dium
unter Verwendung eines Vorschaltgeräts mit einem leistungsversorgten Primärkreis (P), einem die Entladungslampe (L) enthaltenen Sekundär­ kreis (S) sowie einem den Primärkreis (P) mit dem Sekundärkreis (S) verbindenden Transformator (T),
bei welchem Verfahren dem Sekundärkreis (S) aus dem Primärkreis (P) über den Transformator (T) nach dem Flußwandlerprinzip ein Span­ nungspuls eingeprägt wird, der zu einer eine Zündung bewirkenden äußeren Spannung (U_L) an der Entladungslampe (L) und zu einer inne­ ren Gegenpolarisation in der Entladungslampe (L) führt,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine für die zeitliche Veränderung des primärkreisseitigen Stroms (I_W1) durch den Transformator (T) maßgebliche Induktivität (L_W1, L_W2) innerhalb eines eine Zündung enthaltenden Zeitraums zeitlich so ver­ ändert wird, daß die veränderte Induktivität (L_W1, L_W2) im Zeitpunkt des Maximums des primärkreisseitigen Transformatorstromes (I_W1) we­ sentlich kleiner ist als in einer Anfangsphase der Einprägung des zu der Hinzündung führenden Spannungspulses.

2. Betriebsverfahren nach Anspruch 1, bei dem die Primärkreisinduktivi­ tät (I_W1) durch ein zeitlich veränderliches Hinzuschalten einer Indukti­ vität verändert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Transformator (T) in einem Sättigungsbetrieb verwendet wird, wobei sich die Veränderung der Induktivität (L_W1, L_W2) zumindest teilweise aus einer Veränderung der relativen Permeabilität (µ) des Kerns des Transformators (T) ergibt.

4. Betriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Sekundärkreis (S) nach dem Einprägen des Spannungspulses eine Teilschwingung ausführt, durch die die die äußere Spannung (U_L) an der Entladungslampe (L) bewirkende Ladung von der Entladunglampe (L) abgezogen wird, wodurch die Entladungslampe (L) durch die verbleibende innere Gegenpolarisation zu einer Rückzündung geführt wird, daß die Frequenz der Teilschwingung des Sekundärkreises (S) so groß ist, daß die Hinzündung durch die äußere Spannung (U_L) und die Rückzündung als einheitlicher Wirkleistungspuls eines gepulsten Wirkleistungseinkopplungsverfahrens wirken.

5. Betriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Sekundärkreis (S) nach der Hinzündung durch die äußere Span­ nung (U_L) als Schwingkreis isoliert ist.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, zumindest An­ spruch 3, bei dem nach der Hinzündung durch die äußere Spannung (U_L) der Primärkreis-strom I_W1 durch den Transformator (T) in einem Zeitbereich eines Sättigungszustands des Transformators (T) unterbro­ chen wird.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, zumindest An­ spruch 3, bei dem nach der Hinzündung durch die äußere Spannung (U_L) der Primärkreis-strom (I_W1) durch den Transformator (T) zu einem Zeitpunkt unterbrochen wird, zu dem der Primärkreisstrom (I_W1) nach der Hinzündung ein Minimum zeigen würde.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Pri­ märkreis (P) über einen MOSFET-Schalter (T_Q) getaktet wird, dem eine Freilaufdiode parallelgeschaltet ist.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Pri­ märkreisinduktivität (I_W1) so verändert wird, daß sie am Beginn des zu der Hinzündung führenden Spannungspulses in dem Sekundärkreis (S) zumindest dreimal so groß ist (L_W1 (t_ein)) wie zu dem Zeitpunkt, zu dem der Primärkreisstrom (L_W1) unterbrochen wird (L_W1 (t_aus)).

10. Betriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, zumindest Anspruch 3, bei dem der Maximalwert (B_max) in dem Transformator (T) bei dem zu der Hinzündung führenden Spannungspuls zumindest 80% der magnetischen Sättigungsinduktion (J_S) des Transformators (T) be­ trägt.

11. Betriebsverfahren nach Anspruch 6 und 10, bei dem der Wert (B (t_aus)) der magnetischen Induktion zu dem Zeitpunkt (t_aus), bei dem der Pri­ märkreisstrom (I_W1) unterbrochen wird, zumindest 80% der magneti­ schen Sättigungsinduktion (J_S) des Transformators (T) beträgt.

12. Betriebsverfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem die Sättigungsin­ duktion (J_S) zumindest 360 mT beträgt.

13. Betriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Eigenfrequenz des Sekundärkreises (S) zu dem Zeitpunkt, zu dem der Primärkreisstrom (I_W1) nach der Hinzündung unterbrochen wird, zumindest 500 kHz beträgt.

14. Betriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Transformator (T) einen Kern ohne Luftspalt aufweist.

15. Betriebsverfahren nach Anspruch 14, bei dem der Kern des Transforma­ tors (T) aus einem MnZn-Ferrit-Material besteht, insbesondere aus dem Material N87 des Herstellers EPCOS AG.

16. Betriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Einprägung des zur Hinzündung führenden Spannungspulses nach einem Gegentaktverfahren bipolar alternierend erfolgt.

17. Betriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Primärkreis (P) aus einer Quelle (Q) mit einem keramischen Mehr­ schichtkondensator (C_Q) als Speicherkondensator leistungsversorgt wird.

18. Betriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem in dem Sekundärkreis (S) ein Mittenabgriff des Transformators (T) als Be­ zugspotential verwendet wird.

19. Beleuchtungssystem mit einer Entladungslampe (L) mit einer dielektri­ schen Schicht zwischen zumindest einer Elektrode und einem Entla­ dungsmedium und
einem Vorschaltgerät mit einem leistungsversorgten Primärkreis (P), einem Sekundärkreis (S), in den die Entladungslampe (L) geschaltet ist, sowie einem den Primärkreis P mit dem Sekundärkreis (S) verbinden­ den Transformator (T),
dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchtungssystem zu einem Be­ triebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche ausgelegt ist.

20. Beleuchtungssystem nach Anspruch 19, bei dem die Länge der elektri­ schen Leitungen zwischen dem Vorschaltgerät und der Entladungs­ lampe (L) höchstens 10 cm beträgt.

21. Beleuchtungssystem nach Anspruch 20, bei dem das Vorschaltgerät in einem Sockelgehäuse der Entladungslampe (L) enthalten ist.

22. Vorschaltgerät für eine Entladungslampe (L) mit einer dielektrischen Schicht zwischen zumindest einer Elektrode und einem Entladungsme­ dium,
mit einem leistungsversorgten Primärkreis (P), einem Sekundärkreis (S) für die Entladungslampe (L) sowie einem den Primärkreis (P) mit dem Sekundärkreis (S) verbindenden Transformator (T),
wobei das Vorschaltgerät ausgelegt ist für ein Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 1-18.