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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Betrieb einer Niederdruckgasentladungslampe mit elektronischen Vorschaltgerät, das eine Zünd- und eine Brennphase der Niederdruckgasentladungslampe steuert und in der Zündphase der Niederdruckgasentladungslampe eine Vorheizung durch Heizen von Heizwendeln der Elektroden der Niederdruckgasentladungslampe vornimmt.
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Für den Betrieb von Niederdruckgasentladungslampen, umgangssprachlich unter dem Begriff „Leuchtstofflampen” bekannt, sind Vorschaltgeräte erforderlich, die die beiden Betriebszustände Zündphase und Brennphase steuern. In beiden Phasen braucht die Lampe eine unterschiedliche Spannung, die von einem Vorschaltgerät bereitgestellt wird. Mit konventionellen Vorschaltgeräten wird nur eine sehr begrenzte Zahl von Schaltzyklen erreicht, bis die Lampe ihre Lebensdauer erreicht hat, deshalb werden inzwischen elektronische Vorschaltgeräte eingesetzt, deren technische Eigenschaften besser auf die Betriebsbedingungen einer Lampe abgestimmt sind.
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Die elektronischen Vorschaltgeräte müssen die Betriebsbedingungen für die beiden Phasen möglichst ideal erfüllen. Jede Abweichung von den idealen Betriebsbedingungen wirkt sich negativ auf die Lebensdauer einer Lampe aus.
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Die Lebensdauer ist durch den Verbrauch des Emittermaterials auf den Elektroden der Lampe begrenzt. Nach Aufbrauchen des Emittermaterials ist die Lampe nicht mehr zündfähig. Dabei ist die Lebensdauer sowohl von der Brenndauer (Summe der Brennphasenzeit) als auch von der Anzahl der Schaltzyklen (Ein-/Ausschalten) abhängig.
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Um die Belastung der Lampe in der Zündphase klein zu halten, werden die Elektroden der Lampe vorgeheizt. Mit dem Vorheizen wird die Lampe mit einem möglichst geringen Verbrauch an Emittermaterial auf das Zünden vorbereitet.
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Die am häufigsten verwendete Lösung ist das Vorheizen unter Vorschalten eines Thermistors (PTC). Sofort nach dem Einschalten wird mit maximaler Heizleistung vorgeheizt. Danach sinkt die Heizleistung innerhalb der Vorheizzeit bis zum Zündzeitpunkt, weil der Widerstand des Thermistors und der Heizwendel mit zunehmender Temperatur steigen.
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Bekannt sind neben dem Einsatz eines Thermistors weitere Maßnahmen zur Begrenzung oder Regelung des Vorheizstromes.
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In
DE 101 25 510 A1 werden verschiedene Maßnahmen zur Begrenzung des Heizstromes angesprochen. Nach
DE 42 20 291 C1 ist es bekannt, den Vorheizstrom zum Ende der Vorheizphase auf ein Minimum abzusenken und nach Beginn der Zündphase allmählich wieder zu erhöhen. Nach
DE 199 23 945 A1 ist es bekannt, den Vorheizstrom in Abhängigkeit vom Lampentyp, der anhand des zunächst ungeregelten Betriebs der Heizung durch eine Strommessung erkannt wird, oder in Abhängigkeit vom Grad der Dimmung zu regeln. Auch nach diesen Lösungen wird zunächst mit maximaler Heizleistung vorgeheizt.
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Es sind auch frequenzgesteuerte Vorheizungen bekannt, bei denen die Taktfrequenz während der Vorheizung so erhöht wird, dass der Zündkondensator für die Gasstrecke einen Kurzschluss bildet.
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Mit konventionellen Vorschaltgeräten, also der bekannten Drossel/Zünder-Schaltung werden maximal 12.000 Schaltzyklen erreicht. Mit Geräten eines Herstellers ausgewiesen schaltfester elektronischer Vorschaltgeräte konnte schon eine Anzahl von Schaltzyklen in der Größenordnung von 700.000 nachgewiesen werden. Diese Zahl ist für die Verwendung von Niederdruckentladungslampen, beispielsweise in Leuchtreklamen mit Blinkmodus, immer noch viel zu klein, da eine Lampe bereits nach wenigen Wochen ausgewechselt werden müsste (bei 700.000 Zyklen und angenommener Zykluszeit von 4 Sekunden ergeben sich ca. 32 Tage Betriebsdauer bis zum Ausfall). Bei Verwendung eines Thermistors müsste außerdem jeweils eine Schaltpause von mindestens 45 Sekunden eingehalten werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb von Niederdruckgasentladungslampen sowie eine nach diesem Verfahren arbeitende Einrichtung anzugeben, mit denen die Anzahl der Schaltzyklen bis zum Erreichen der Lebensdauer einer Lampe wesentlich erhöht wird.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 7. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Danach wird die Heizleistung für die Heizwendeln während des Zeitintervalls, in dem die Vorheizung erfolgt, von dem Vorschaltgerät so gesteuert, dass die Temperatur der Heizwendeln linear bis auf die Emissionstemperatur der Elektroden steigt. Die Gasstrecke zwischen den Elektroden wird während dieses Zeitintervalls niederohmig so kurzgeschlossen, dass keine Glimmentladung stattfindet.
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Zweckmäßig wird die Heizleistung während des Zeitintervalls, in dem die Vorheizung erfolgt, linear ansteigend gesteuert, womit sich nahezu der geforderte lineare Temperaturanstieg ergibt. Das kann beispielsweise durch Taktung der Heizleistung erfolgen, wobei die Pulsbreiten dann linear ansteigen.
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Nach den bisher bekannten Lösungen werden die Elektroden dagegen sofort nach den Einschalten des Heizstromkreises mit der maximalen Heizleistung belastet. Wegen des Zusammenhanges zwischen Elektrodentemperatur und Elektrodenwiderstand ergibt sich ein exponentieller Temperaturgradient für die Elektroden, was einen erhöhten Verschleiß zur Folge hat. Am Ende der Vorheizphase wird eine Glimmentladung nicht wirkungsvoll unterbunden. Eine solche Glimmentladung wirkt sich extrem negativ auf die Lebensdauer der Lampe aus.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Anzahl der möglichen Schaltzyklen während der Lebensdauer einer Niederdruckgasentladungslampe auf mindestens das 10fache des bisher erreichbaren Werts erhöht. Aus dem optimierten Temperaturanstieg ergibt sich eine reduzierte Belastung der Elektroden, die diesen Effekt bewirkt.
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Für Niederdruckgasentladungslampen erschließen sich deshalb mit dem erfindungsgemäßen Verfahren neue Anwendungsgebiete, die bisher nur mit anderen Lampen besetzt werden konnten. Wird eine Lampe solchermaßen im Blinkzyklus betrieben, ergäben sich bereits bei angenommenen 7 Millionen Schaltzyklen und wiederum einer Zykluszeit von 4 Sekunden 324 Betriebstage und damit die Eignung für Reklamezwecke. Die Minimalzeit für einen Schaltzyklus lässt sich auf 3 bis 4 Sekunden reduzieren. Enthalten sind dabei 1,5 Sekunden Vorheizzeit. Insbesondere gegenüber Glühlampen ergibt sich der Vorteil der 3- bis 8-fachen Lebensdauer.
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Eine geeignete Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens enthält zur Steuerung der Heizleistung einen Pulsbreitenmodulator, der die Pulsbreite der Heizleistungs-Pulse so steuert, dass sie linear ansteigend verläuft. Während dieses Zeitintervalls ist die Gasstrecke zwischen den Elektroden durch einen Halbleiterschalter niederohmig kurzgeschlossen.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen
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1 den Verlauf von Heizleistung und Temperatur einer Elektrodenwendel nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,
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2 den Verlauf von Heizleistung und Temperatur einer Elektrodenwendel mit bisher bekannten Vorschaltgeräten,
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3 ein Prinzipschaltbild einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens und
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4 den Signalverlauf an den nach Figur eingesetzten Bauelementen.
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1 zeigt den Verlauf der Heizleistung und der Temperatur der Wendel einer Elektrode nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Die Heizleistung wird so gewählt, dass der Temperaturanstieg während der Vorheizzeit konstant ist und innerhalb der gewünschten Vorheizzeit die Emissionstemperatur der Elektroden erreicht wird. Wird die Vorheizzeit zu klein gewählt, steigt der Temperaturgradient und damit der Verschleiß. Die Vorheizzeit stellt also immer einen Kompromiss zwischen dem niedrigsten Verschleiß bei großen Werten und einem höheren Verschleiß bei kleinen Werten für die Vorheizzeit dar. Mit einer akzeptablen Vorheizzeit im Bereich von 1,5 bis 2 Sekunden wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Anzahl von Schaltzyklen erreicht, die mehr als um den Faktor 10 über der bisher erreichbaren Anzahl liegt. Real erreichbar erscheint derzeit ein Faktor von über 20.
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2 zeigt dagegen den Verlauf der Heizleistung und der Temperatur der Wendel, wie er mit den bisher bekannten Vorschaltgeräten bewirkt wird. Der Temperaturanstieg ist nach dem Einschalten zum Zeitpunkt t0 zum Zeitpunkt tm am größten und sinkt dann bis zum Zeitpunkt tz, bei dem die Lampe gezündet wird. Der Verschleiß bei der Erwärmung eines Festkörpers mit der Struktur der Heizwendel verläuft dabei proportional zum Temperaturanstieg. Auch der Verbrauch des zum Zünden notwendigen Emittermaterials wird vom Temperaturanstieg beeinflusst. Sichtbar ist das immer am dunklen Niederschlag, der sich im Bereich der Elektroden an der Innenwand des Glaskörpers ansammelt. Dieser Verschleiß wächst mit größer werdender Lebensdauer noch an.
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3 zeigt in einer Prinzipdarstellung beispielhaft eine Einrichtung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Eine Lampe L wird an einer Betriebsspannung Ub über einen Vorschalttransformator Tr1 mit den Wicklungen L1 und L2 im Zusammenwirken mit einem zur Lampe L parallel geschalteten Kondensator C1 betrieben. Die Lampe I, hat jeweils mit einer Heizwendel versehene Elektroden E1 und E2. Die Heizwendeln liegen zusammen mit der Wicklung L2 des Vorschalttransformators Tr1 in einem Kreis mit einem Brückengleichrichter Br1 und einem Transistor T2. Der Vorschalttransformator Tr1 wird über einen Transistor T1 (Powermosfet) durch einen Taktgenerator T-G mit dem Signal S1 getaktet, wobei mittels Pulsbreitenmodulator Mod/Tor und dem Signal S2 ein Signal S3 mit geänderter Pulsbreite gebildet wird. Das Tastverhältnis des Taktgenerators T-G ist nahezu 1 und seine Frequenz konstant. Die Frequenz richtet sich nach der Dimensionierung des Vorschalttransformators Tr1, der Lampe L und des Kondensators C1 und liegt üblicherweise im Bereich von 10 bis 40 kHz. Der Pulsbreitenmodulator Mod/Tor wird von einer Sägezahngenerator SZ-G durch das Signal S2 gesteuert. Zur Steuerung des Zeitablaufes bis zum Zünden der Lampe L ist eine Zeitsteuerung Z-S vorgesehen.
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Das Starten erfolgt mit dem Anlegen der Betriebsspannung Ub. Die dann anlaufende Zeitsteuerung Z-S (Signal S5) sperrt zunächst den Pulsbreitenmodulator Mod/Tor, setzt den Sägezahngenerator SZ-G mit einem Impuls S4 auf Null und steuert den Transistor T2 mit einem Signal S6 durch. Damit wird die Gasstrecke der Lampe L kurzgeschlossen. Zum Zeitpunkt t1 wird über das Signal S5 das Tor im Pulsbreitenmodulator Mod/Tor freigegeben. Das nunmehr am Ausgang des Pulsbreitenmodulators Mod/Tor anlegende Signal S3 steuert den Transistor T1 an. Die von dem Transistor T1 umgesetzte Leistung ist proportional zur Pulsbreite. Damit ergibt sich auf der Sekundärseite des Vorschalttransformators Tr1 ein Verlauf der Heizleistung bei kurzgeschlossener Gasstrecke, der dem in 1 gezeigten Verlauf entspricht. Hat die Wendeltemperatur die Emissionstemperatur erreicht, kann die Lampe L gezündet werden (Zündzeitpunkt tz).
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Erst zum Zündzeitpunkt tz erfolgt das Öffnen der Gasstrecke und die Ansteuerung der Lampe L mit der gewünschten Brennspannung, das heißt zum Zeitpunkt tz wird der Transistor T2 von der Zeitsteuerung Z-S gesperrt. Gleichzeitig wird das Signal S2 auf einen konstanten Pegel umgeschaltet, mit dem die gewünschte Aussteuerung der Lampe L erreicht wird. Die so optimal vorgeheizte Lampe L zündet mit minimalem Verschleiß. Die Zündung erfolgt mit den an sich bekannten Methoden.
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Nach dem Zünden der Lampe L fließt der Strom durch die Heizwendeln auch über den Kondensator C1, der so dimensioniert ist, dass der Strom auf einen sehr kleinen Wert reduziert wird.
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Durch den Einsatz eines Halbleiterschalters (Transistor T2) für das Kurzschließen der Gasstrecke während der Vorheizphase ist die Impedanz in diesem Kreis so gering (kleiner 10 Ohm), dass eine Glimmphase nicht zustande kommt.
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Die Anforderungen an die Linearität des Heizleistungsverlaufes sind gering. Damit erübrigt sich eine aufwändige Regelung der Heizleistung in Abhängigkeit von der Zeit.
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Bei einem durchgeführten Versuch ergab sich bei Verwendung dieser Schaltung nach 7 Millionen Schaltzyklen ein visuell abschätzbarer Lampenverschleiß von weniger als 20%. Die Vorheizzeit betrug dabei ca. 1,8 Sekunden, wobei Vorheizzeiten von 0,5 bis 3 Sekunden möglich sind. Die Abschätzung des Verschleißgrades basiert auf einem Vergleich des dunklen Niederschlages am Glaskörper im Bereich der Elektroden mit Lampen, die mit herkömmlichen Vorschaltgeräten betrieben wurden.
