DE10033262A1

DE10033262A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung für den Betrieb einer Natriumhochdrucklampe

Info

Publication number: DE10033262A1
Application number: DE10033262A
Authority: DE
Inventors: Klaus Guenther; Michael Boenigk
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2000-07-10
Filing date: 2000-07-10
Publication date: 2002-01-24
Also published as: CA2384513A1; WO2002005600A1; EP1203512A1; US20020149325A1; HUP0202301A2; KR20020030812A

Abstract

Natrium-Hochdrucklampen können mit einer Schaltungsanordnung betrieben werden, die die Netzwechelspannung gleichrichtet und unter Verzicht auf Glättung direkt einem Wechselrichter zur Erzeugung einer Frequenz oberhalb 1 kHz zuführt. Die mit dem Zweifachen der Netzfrequenz modulierte Spannung wird über eine HF-Induktivität und einen Zündübertrager der Lampe zugeführt, die vorzugsweise eine Xenonfüllung oberhalb 1 bar enthält. Die Einsparung an Elektroenergie für das System Lampe - Vorschaltgerät beträgt 30% im Vergleich zu einer drosdselbetriebenen Hg-freien Standardlampe bei gleichem Lichtstrom. Die Verwendung eines Mikroprozessors für die Steuerung der Halbbrücke ermöglicht eine fremdgesteuerte oder automatische Leistungsabsenkung mit einem weiteren Energieeinsparungspotential von 35% im Jahresmittel sowie eine End of Life-Abschaltung des Systems zur Vermeidung von Cycling.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betrieb einer Natriumhochdruck lampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es handelt sich dabei insbesonde re um quecksilberfreie Natriumhochdrucklampen mit relativ hohem Xenondruck (Kaltfülldruck von mehr als 1 bar) und mit kleiner Leistung (höchstens 400 W). Des weiteren wird auch eine Schaltungsanordnung zur Realisierung des Verfahrens an gegeben.

Stand der Technik

Natrium-Hochdrucklampen sind aufgrund ihrer hohen Lichtausbeute, ihrer großen Zuverlässigkeit und langen Lebensdauer in der Außenbeleuchtung weit verbreitet. Sie enthalten üblicherweise in einem Entladungsgefäß aus polykristallinem Alumini umoxid eine Füllung aus Natrium, Quecksilber und Xenon. Das Natrium und Queck silber liegen meist - aber nicht notwendigerweise - in gesättigter Form vor, d. h. im aufgeheizten Brenner befindet sich im Betriebszustand ein Sumpf von flüssigem Na und Hg, dessen Temperatur die Partialdrücke und damit die elektrischen und opti schen Eigenschaften der Lampe bestimmt. Für optimale Lichtausbeute wird der Na- Partialdruck auf ca. 100 hPa gebracht, in Hg-freien Lampen beträgt er etwa 200 hPa. Der Xenondruck kann von 20 auf 100. . .500 hPa gesteigert werden, wodurch die Lichtausbeute sich um 10. . .15% verbessert. Zur Bereitstellung der dann erfor derlichen höheren Zündspannung existieren auf dem Markt bereits entsprechend angepasste Vorschaltgeräte.

Eine weitere Steigerung der Lichtausbeute um zusätzliche 15% ist bei niederwatti gen Natrium-Hochdrucklampen möglich, wenn der Xenondruck auf über 1 bar er höht wird (EP-A 834 905). Nachteilig ist, dass die Lampe eine erheblich höhere Zündspannung erfordert, als die auf dem Markt befindlichen Installationen bereitstel len und vertragen.

Es ist vielfach mit nur mäßigem Erfolg versucht worden, die lichttechnischen Eigen schaften einer Hochdrucklampe durch Verwendung eines elektronischen Vorschalt gerätes zu verbessern. Das System erzeugt dann einen zeitlich konstanten Licht strom mit meist stabilisierter Leistungsaufnahme, die aber vom Nutzer kaum hono riert wird. Der grundsätzliche Aufbau eines solchen EVG ist in Fig. 1 dargestellt. Die Netzleistung wird über ein HF-Filter (1) einem Vollbrückengleichrichter (2) zugeführt. Ein Oberwellenfilter (3), das aktiv oder passiv ausgestaltet sein kann, bewirkt einen sinusförmigen Stromverlauf und speist den Glättungskondensator (4a), der dem Mittelfrequenzgenerator (5) eine konstante Gleichspannung zuführt. Unter Mittelfre quenz wird hier immer eine Frequenz oberhalb 1 kHz (insbesondere zwischen 1 und 200 kHz) verstanden. Der Mittelfrequenzgenerator wird vorteilhaft als Halbbrücke ausgeführt, insbesondere mit einer Frequenz zwischen 10 und 40 kHz.

Der Glättungskondensator muss wegen der hohen erforderlichen Kapazität als E lektrolytkondensator ausgeführt sein, der insbesondere bei hohen Betriebstempera turen einer relativ schnellen Alterung unterliegt. Eine Induktivität (6) begrenzt den Lampenstrom, die Zündung wird durch die Zündeinheit (7) bewirkt. Um akustische Resonanzen in der Lampe (11) zu vermeiden, muss bisher die Mittelfrequenz nochmals gleichgerichtet (8), geglättet (9) und mit Hilfe einer Vollbrücke (10) zu ei ner bipolaren Rechteckform gewandelt werden.

Der erhebliche elektronische Aufwand dieser Lösungen führt zu hohen Kosten für die Geräte und zu begrenzter Zuverlässigkeit wegen der vielen Bauelemente. Ob wohl die Strombegrenzungsinduktivität (6) wesentlich kleiner und damit verlustärmer als eine konventionelle Drossel konstruiert sind, kann die Verlustleistung dieser EVG wegen der relativ hohen Anzahl aktiver Bauelemente im Strompfad (mindes tens 4 Schaltbauelemente) nur von etwa 15 W auf 10 W reduziert werden. Damit ist die mögliche Erhöhung der Systemlichtausbeute von vornherein begrenzt.

Aus der Schrift EP-A 744 883 ist bereits ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb einer Natriumhochdrucklampe bekannt, das akustische Resonanzen ver meidet. Dabei wird eine aus einer Spannungsquelle abgeleitete Gleichspannung einem Wechselrichter zugeführt, der über eine Strombegrenzungsdrossel die Hochdruckentladungslampe speist. Der Wechselrichter arbeitet mit einer Betriebsfre quenz von 10 bis 100 kHz, wobei die Ausgangsleistung periodisch um die Nennleis tung moduliert ist, und zwar mit einer Frequenz, die zwischen 50 Hz und der Be triebsfrequenz des Wechselrichters liegt. Verschiedentlich wird eine Amplitudenmo dulation für Hochdruckentladungslampen angewendet, um den Entladungsbogen zu stabilisieren und zu zentrieren (EP-A 785 702), um einen hohen Leistungsfaktor von über 90% zu erzielen (US-A 5 180 950) oder um ein EVG zu miniaturisieren (US 5 371 440).

Der erhebliche elektronische Aufwand dieser bekannten Lösungen führt zu hohen Kosten für die Geräte. Ihre Zuverlässigkeit ist wegen der vielen Bauelemente be grenzt. Außerdem muss eine relativ hohe Verlustleistung von etwa 10 W in Kauf genommen werden. Aus diesen Gründen sind elektronische Vorschaltgeräte für Hochdruckentladungslampen, insbesondere für die Außenbeleuchtung, bisher nie konkurrenzfähig gewesen.

Darstellung der Erfindung

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, das die Systemlichtausbeute und Maintenance von Natriumhochdrucklampen verbessert, insbesondere die Werte für neuartige queck silberfreie oder -arme Natriumhochdrucklampen, und die im Falle eines Xenonfül druckes von < 1000 hPa (1 bar) erforderliche hohe Zündspannung bereitstellt. Eine weitere Aufgabe ist es, eine dafür geeignete und kostengünstige Schaltungsanord nung anzugeben.

Diese Aufgaben werden durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 4 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängi gen Ansprüchen.

Es wird ein Betriebsverfahren und eine entsprechende Schaltungsanordnung be schrieben, die einfach und zuverlässig aufgebaut ist. Das resultierende Gerät weist eine sehr geringe Verlustleistung auf und kann mit sehr geringen Kosten hergestellt werden. Hierzu wurde erfindungsgemäß auf Eigenschaften verzichtet, deren Reali sierung hohe Kosten verursacht und denen der Anwender wenig Bedeutung bei misst.

Damit wird die Voraussetzung geschaffen zur Vermarktung einer Natriumhochdruck lampe mit hohem Xe-Druck über 1 bar, die ein System benötigt, bestehend aus Vor schaltgerät, Zündgerät, Lampensockel und Fassung, das eine erhöhte Zündspan nung funktionssicher bereitstellt. Die Hemmschwelle zur Einführung eines solchen Systems kann nur durch entsprechend attraktive Eigenschaften überwunden wer den. Dafür reicht eine Steigerung der Lichtausbeute um ca. 30% gegenüber der Standardlampe oder 15% gegenüber der Super-Version allein nicht aus. Unter Standard-Lampen werden hier Lampen mit einem Kaltfülldruck von etwa 20 bis 30 hPa verstanden, während dagegen Super-Lampen einen Kaltfülldruck des Xenons von etwa 100 bis 500 hPa besitzen. Erst aufgrund der kostengünstigen Bereitstel lung eines geeigneten EVG ist nunmehr das System Lampe/Vorschaltgerät attraktiv genug für eine Markteinführung.

Es wird eine elektronische Schaltungsanordnung (Fig. 2) vorgeschlagen, bei der die Versorgungsspannung nach der Gleichrichtung nicht wie üblich geglättet, sondern unmittelbar dem Mittelfrequenzgenerator (5) zugeführt wird. Der Stützkondensator (4b) soll während der Nulldurchgänge der Netzspannung für die Lampe eine Min destspannung bereithalten, die störende Wiederzündspitzen der Lampenspannung vermeidet, aber andererseits den Netzstrom nur so wenig verzerrt, dass ein Ober wellenfilter nicht erforderlich ist. Dies ist gewährleistet, wenn das Produkt aus der Kapazität des Stützkondensators C_s und der mittleren Impedanz der Lampe R_L klei ner als 3 Millisekunden ist. Dann liegt die Stromamplitude der 3. Harmonischen un terhalb der zulässigen 30% der Grundamplitude bei 50 Hz und auf ein Oberwellen filter kann verzichtet werden. Der Stützkondensator kann bei Lampen mit hohem Xenondruck (insbesondere etwa mehr als 2000 hPa (2 bar) und damit großer Wär meträgheit auch weggelassen werden.

Der Mittelfrequenzgenerator (5) wird auf diese Weise mit einer mit 100 Hz modulier ten Gleichspannung betrieben (unter der Annahme einer Netzfrequenz von 50 Hz) und gibt eine mit 100 Hz amplitudenmodulierte Mittelfrequenz über die Strombe grenzungsdrossel (6) und die Zündeinheit (7) an die Lampe (11) ab. Die daraus re sultierende Modulation des Lichtstroms ist für bestimmte Anwendungen, insbeson dere in der Außenbeleuchtung, ohne Bedeutung.

Diese Lösung hat mehrere Vorteile: Auf ein kostspieliges Oberwellenfilter kann ver zichtet werden. Die Schaltung ist extrem verlustarm, da nur ein Schaltelement im Leitungsweg liegt. Sie ist zuverlässiger als die bekannten elektronischen Vorschalt geräte, weil sie keine alterungsempfindlichen Elektrolytkondensatoren enthält. Die Herstellkosten der Schaltungsanordnung liegen in der Größenordnung eines kon ventionellen Vorschaltgeräts mit Zündgerät. Die Amplitudenmodulation der Mittelfre quenz verringert von vornherein den Aufbau akustischer Resonanzen im Entla dungsgefäß, ohne dass hierzu eine Rechteckformung erforderlich ist. Die drastische Verringerung der Induktivität im Strompfad reduziert die nach dem Strom- Nulldurchgang auftretenden Wiederzündspitzen der Lampenspannung erheblich bzw. unterdrückt sie vollständig. Wenn der Mittelfrequenzgenerator vorteilhafterwei se mit Hilfe eines Mikrocontrollers fremdgesteuert wird, können über diesen Control ler bequem weitere vom Anwender gewünschter Regelfunktionen wie Halbnacht schaltung (auch automatisch) und End of Life-Abschaltung implementiert werden.

Figuren

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schema des konventionellen Verfahrens (Rechteckbetrieb);

Fig. 2 ein Schema des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 3 eine Schaltungsanordnung, die das Verfahren nach Fig. 2 realisiert;

Fig. 4 Strom- und Spannungsverläufe bei einer mit der Schaltungsanord nung nach Fig. 4 betriebenen Lampe.

Beschreibung der Zeichnungen

In Fig. 2 ist schematisch der Aufbau des Betriebsverfahrens dargestellt. Die Netz leistung wird über ein HF-Filter 1 einem Vollbrückengleichrichter 2 zugeführt. An diesen schließt sich ein Stütz-Kondensator 4b an. Dagegen kann auf ein Oberwel lenfilter 3 und auf den Glättungskondensator 4a der konventionellen Schaltung Fig. 1 verzichtet werden, der beim Stand der Technik dem Mittelfrequenzgenerator 5 eine konstante Spannung zuführt. Eine Induktivität 6 begrenzt den Lampenstrom, die Zündung wird durch die Zündeinheit 7 bewirkt.

Eine derartige Schaltungsanordnung wurde für eine 70 W Natriumhochdrucklampe mit einem Kaltfülldruck von 2 bar Xenon (ohne Hg) benutzt, wobei die Betriebsfre quenz der Lampe bei 25 kHz und die Modulation bei 100 Hz (also dem Doppelten der Netzfrequenz) lag.

Die Einsparung bei der erfindungsgemäßen Anordnung im Vergleich zu konventio nell betriebenen Natriumhochdrucklampen mit einer Leistung von 70 W bei gleichem Lichtstrom sind in Tabelle 1 zu finden. Man erkennt, dass mit der elektronisch be triebenen quecksilberfreien Natriumhochdrucklampe mit einer Xenonfüllung von 2 bar gegenüber der konventionell betriebenen 70 W Standard-Lampe mit elliptischem Außenkolben (E-Version) etwa 30% und gegenüber der konventionell betriebenen 70 W Super-Lampe mit zylindrischem Außenkolben (T-Version) etwa 20% der e lektrischen Gesamtleistung eingespart wird. Im Falle einer Anwendung der Erfin dung auf quecksilberamalgamgefüllte Lampe betragen die Einsparungen sogar etwa 50 bzw. 35%.

Tabelle 1

Der Mittelfrequenzgenerator wird wie vorgeschlagen mit einem Mikrocontroller fremdgesteuert, der erfindungsgemäß zusätzlich eine vom Betreiber gesteuerte o der programmierte Leistungsabsenkung während der verkehrsarmen Zeit realisiert. Dabei wird die Leistung mittels einer allmählichen Frequenzerhöhung des Mittelfre quenzgenerators so langsam abgesenkt, dass während dieses Vorgangs die Lampenspannung nicht ansteigt. Die hierfür erforderliche Zeit beträgt 1. . .5 min. Diese Maßnahme senkt die Systemleistung im Jahresmittel um weitere 35%.

Weiterhin überwacht der Mikrocontroller über einen A/D-Wandler-Eingang die Lam penspannung und schaltet die Lampe bei einem Anstieg der Spannung kurz vor dem Cycling-Zustand dauerhaft ab. Unter Cycling versteht man das wiederholte Verlöschen der Lampe durch Anstieg der Brennspannung und Wiederzünden nach dem Abkühlen.

In Fig. 3 ist eine Schaltungsanordnung im Detail gezeigt, die obiges Betriebsver fahren (gemäß Fig. 2) realisiert. Sie besitzt folgenden Aufbau:

Aufbau und Funktion entsprechen den obigen Ausführungen. Der Frequenzgenera tor 5 ist als Halbbrücke aus zwei Transistoren Q1, Q2 mit µ-Prozessorsteuerung (Steuereinheit) ausgebildet, die Zündeinheit 7 ist hier insbesondere ein Überlage rungszündgerät unter Einschluß der Induktivität 6. Die Steuereinheit berücksichtigt als Input die Netzeingangsspannung, die Lampenleistung und das Potential der Steuerklemme. Die Steuerklemme ermöglicht die Beeinflussung von EVG- Zuständen wie Vollastbetrieb, Dimmung etc.

Konkrete Werte für die verwendeten Bauteile finden sich in der beigefügten Liste 1.

Liste 1 der Bauteile (zu Fig. 3)

L1	0,5 mH
C1	470 nF
C2	470 nF
Brücke	handelsüblich
Hochfrequenzfilter	handelsüblich
Q1	handelsüblich mit Freilaufdiode
Q2	handelsüblich mit Freilaufdiode

In Fig. 4 ist der Netzstrom (Primärstrom I_prim) und Lampenstrom (Sekundärstrom I_sek), jeweils in mA, sowie die Lampenspannung (U_sek) in V als Funktion der Zeit (in ms) für die Anordnung gemäß Fig. 3 aufgetragen.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben einer Natriumhochdrucklampe an Netzspannung mit vorgegebener Netzfrequenz, dadurch gekennzeichnet, dass die Lampe mit ei ner Frequenz oberhalb 1 kHz betrieben wird, und die Amplitude dieser Fre quenz mit dem Doppelten der Netzfrequenz moduliert ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampe mit ei ner Frequenz zwischen 1 und 200 kHz betrieben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsfre quenz zwischen 10 und 40 kHz liegt.

4. Schaltungsanordnung für ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Netzspannung der Lampe über ein Netzwerk zugeführt wird, wobei das Netzwerk folgende Komponenten einschließt:

- HF-Filter (1)
- Gleichrichter (2)
- Frequenzgenerator (5)
- Induktivität (6)
- Zündgerät (7).

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwi schen Gleichrichter und Frequenzgenerator ein Stütz-Kondensator (4b) ange ordnet ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkondensator (4b) nach folgender Bedingung dimensioniert wird:
0 ≦ R_Lampe. x C_stütz ≦ 3 ms,
wobei R_Lampe die zeitlich gemittelte Ohmsche Impedanz der Lampe im Be triebszustand und C_stütz die Kapazität des Stützkondensators ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzgenerator durch einen Mikrocontroller fremdgesteuert wird.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrocontroller als Reaktion auf einen Fremdsteuerimpuls oder einen pro grammierten Impuls die Lampenleistung absenkt, indem er die Betriebsfre quenz langsam erhöht.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie keine Elektrolytkondensatoren enthält.