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Die
Erfindung betrifft ein elektronisches Vorschaltgerät für eine Gasentladungslampe
und ein Verfahren zum Betreiben der Gasentladungslampe.
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Gasentladungslampen
sind Lichtquellen, die zur Lichterzeugung eine Gasentladung verwenden und
die dabei spontane Emission durch atomare oder molekulare elektronische Übergänge und
die Rekombinationsstrahlung eines durch elektrische Entladung erzeugten
Plasmas ausnutzen.
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Bei
dem das Plasma bildende Gas handelt es sich um Metalldämpfe (Natrium,
Quecksilber, siehe auch Metalldampflampe), wobei immer auch Edelgase
enthalten sind, wie reine Gase (Xenon, Krypton, Neon) oder Gemische
aus Halogenen und Metallen (Halogen-Metalldampflampe). Bei Spektrallampen verwendet
man auch andere Gase.
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Hochdruck-Gasentladungslampen
werden auch als HID-Lampen bezeichnet (High Intensity Discharge);
Stromdichte und Leuchtdichte sind hierbei wesentlich höher als
bei Niederdruck-Plasmen, da die Entladung im Bereich eines Lichtbogens
bzw. einer Bogenentladung arbeitet.
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Gasentladungslampen
bestehen aus einem annähernd
röhrenförmigen Entladungsgefäß aus Glas
(Niederdrucklampen), aus Quarzglas (Hoch- und Höchstdrucklampen) oder aus Aluminiumoxid-Keramik
(Hochdrucklampen). Im Gehäuse
befinden sich zwei Elektroden, zwischen denen ein elektrisches Feld
aufgebaut wird und eine Gasentladung brennt.
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Die
Wechselspannungslampen werden gewöhnlich mit speziellen Drosselspulen
oder mittels Streufeldtransformatoren (magnetische Vorschaltgeräte) betrieben.
Aufgrund der unterschiedlichen Brennspannungsgruppen, z. B. HBO
50 W ac, infolge der Fertigungsstreuung der Wechselspannungslampen
ist eine feste Drossel nicht verwendbar. Die Drossel muss daher
gewöhnlich
zwei Anzapfungen aufweisen, um die erforderlichen Brennspannungsbereiche
bereitzustellen. Dies erfolgt durch eine Umschaltung. Um eine Anpassung
an unterschiedliche Netzfrequenzen von 50 Hz und 60 Hz zu ermöglichen,
muss die Drossel eine weitere Anzapfung aufweisen. Zum Zünden der
Lampe ist ein zusätzlicher Starter
erforderlich. Wechselspannungslampen können beispielsweise nur im
kalten bzw. abgekühlten Zustand
gezündet
werden.
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Um
ein Gerät
an verschiedenen internationalen Netzspannungen betreiben zu können, ist
es erforderlich, einen Vorschalttransformator einzubauen, mit dem
mittels einer Umschaltung eine Spannungsanpassung erfolgen kann.
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Die
konventionellen Vorschaltgeräte
einer Gasentladungslampe weisen eine Reihe von Nachteilen auf, die
in einer folgenden nicht vollständigen Aufzählung beispielhaft
aufgelistet sind:
- – hohes Gewicht (Drosselgeräte für eine HBO
50 W ac wiegen ca. 4,5 kg und Geräte mit Drossel und einem Vorschalttransformator
sogar ca. 6,5 Kg);
- – große Abmessungen;
- – schlechter
Leistungsfaktor bzw. Wirkungsgrad von ca. 0,28;
- – manuelle
Umschaltung zwischen den Brennspannungsgruppen/-stufen;
- – manuelle
Umschaltung auf die entsprechende Netzeingangsspannung;
- – manuelle
Umschaltung auf die entsprechende Netzfrequenz;
- – geringe
Lampenlebensdauer durch hohen Elektrodenabbrand, nur ca. 100 Stunden;
- – durch
die vielen erforderlichen Einstellungen am Gerät hohe Fehlbedienungsgefahr;
- – hohe
Lichtstrom-Modulation mit doppelter Netzfrequenz (100 Hz), Licht
ist damit nicht für
Kamera-Anwendungen geeignet.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit anzugeben, um das
Gewicht und die Kosten der Vorschaltgeräte einer Gasentladungslampe
zu reduzieren sowie die Lebensdauer der Gasentladungslampe zu erhöhen.
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Die
Erfindung geht von einem elektronischen Vorschaltgerät für eine wechselstrombetriebene Gasentladungslampe,
insbesondere eine HBO 50 W ac, aus. Das Vorschaltgerät weist
Mittel zum Erzeugen einer Zündspannung,
Mittel zum Erzeugen und zum Anpassen einer Betriebsbrennspannung
an die Beschaffenheit der Gasentladungslampe und Mittel zum Anpassen
an die Spannung und Frequenz der Versorgungsspannung auf.
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Dadurch,
dass die Mittel zum Erzeugen der Zündspannung, Mittel zum Erzeugen
und zum Anpassen der Betriebsbrennspannung an die Beschaffenheit
der Gasentladungslampe und Mittel zum Anpassen an die Spannung und
Frequenz der Versorgungsspannung durch
- – eine Gleichrichtungsschaltung
zum Erzeugen einer ersten Gleichspannung aus der vorliegenden Netzspannung,
- – einen
Schaltregler zum Erzeugen einer zweiten Gleichspannung aus der ersten
Gleichspannung und
- – eine
Polwenderschaltung zum Erzeugen einer sekundären Wechselspannung aus der
zweiten Gleichspannung
ausgebildet sind, werden die Aufgaben
der Erfindung gelöst.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Vorschaltgerätes ist wenigstens
die Polwenderschaltung durch eine Schaltimpulsfolge einer Steuerschaltung
angetrieben. Eine Steuerschaltung ist in der Lage, im Gegensatz
zu einer festen Anordnung, eine variable Anpassung an vorliegende
Betriebsbedingungen und Gegebenheiten auszuführen und dadurch eine genauere
Optimierung des Betriebs einer Gasentladungslampe zu erreichen.
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Außerdem kann
in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wenigstens der Schaltregler
durch eine Schaltimpulsfolge einer Steuerschaltung angetrieben sein.
Hierbei kann es sich sowohl um die gleiche als auch um eine zusätzliche
Steuerschaltung handeln.
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Der
Schaltregler ist erfindungsgemäß als ein Abwärtswandler
ausgebildet. Dadurch kann eine niedrigere als am Eingang angelegte
Gleichspannung erzeugt werden.
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Die
von der Polwenderschaltung erzeugte sekundäre Wechselspannung ist gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung vorliegender Erfindung in Abhängigkeit
von der Schaltimpulsfolge der Steuerschaltung einer Zündspannung
oder einer Betriebsbrennspannung der Gasentladungslampe gleich ausgebildet.
Dadurch entfällt
die Notwendigkeit, eine spezielle Startervorrichtung vorsehen zu
müssen.
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Die
vorgegebene Leistung der Gasentladungslampe ist vorzugsweise durch
die Steuerschaltung auf einen optimalen vorgegebenen oder vorgebbaren
Betriebswert geregelt. Insbesondere durch einen vorgebbaren Betriebswert
ist in einem eingeschränkten
Lichtleistungsbereich eine Dimmfunktion möglich.
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Die
Steuerschaltung führt
in bevorzugten Ausgestaltungen eine Pulsweitenmodulation ihrer Schaltimpulsfolge
aus.
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Eine
besonders hohe Flexibilität
wird erreicht, wenn die Steuerschaltung einen Mikroprozessor aufweist,
der programmierbare Anweisungen ausführen kann.
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Besonders
vorteilhaft ist eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung des Vorschaltgerätes, bei
dem die Lampenspannung und der Lampenstrom erfasst und der Steuerschaltung
zugeführt
werden. Hierdurch kann ein geschlossener Regelkreis realisiert werden
und eine besonders genaue Regelung der Leistung der Gasentladungslampe
erreicht werden.
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Die
Gasentladungslampe ist vorzugsweise als eine Hochdruckgasentladungslampe
oder eine Kurzbogenlampe ausgeführt.
Das erfindungsgemäße Vorschaltgerät ist auf
viele verschiedene Gasentladungslampentypen anwendbar.
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Die
Gasentladungslampe ist vorteilhaft als eine Quecksilbergasentladungslampe
ausführbar.
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Nach
einem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt
sind die Aufgaben der vorliegenden Erfindung durch eine Gasentladungslampe
mit einem erfindungsgemäßen elektronischen
Vorschaltgerät
nach wenigstens einer der vorhergehend beschriebenen Ausgestaltung
gelöst.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Betreiben einer wechselstrombetriebenen Gasentladungslampe,
insbesondere einer HBO 50 W ac, ist zusammenfassend gekennzeichnet
durch Erzeugen einer Zündspannung
mittels eines Polwenders, durch Frequenzumschaltung und Ausnutzung
der Resonanzüberhöhung eines
L-C-Ausgangskreises
sowie ein anschließend
erfolgendes stromgeregeltes Hochbrennen der Gasentladungslampe bis
zum Erreichen der Lampennennleistung. Ist diese Lampennennleistung
erreicht, erfolgt ausschließlich
eine Regelung der Lampenleistung. Diese ist damit unabhängig von eventuellen
Netzspannungsschwankungen und/oder thermischen Einflüssen.
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Dadurch,
dass
- – durch
eine Gleichrichtungsschaltung aus einer vorliegenden primären Wechselspannung
eine erste Gleichspannung erzeugt wird,
- – mithilfe
eines Schaltreglers aus der ersten Gleichspannung eine zweite Gleichspannung
erzeugt wird, und
- – mithilfe
einer Polwenderschaltung aus der zweiten Gleichspannung eine sekundäre Wechselspannung
erzeugt wird,
sind die Aufgaben der vorliegenden Erfindung
verfahrensmäßig gelöst.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird wenigstens die
Polwenderschaltung durch eine Schaltimpulsfolge einer Steuerschaltung
angetrieben.
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Vorzugsweise
wird wenigstens der Schaltregler durch eine Schaltimpulsfolge einer
Steuerschaltung angetrieben.
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Der
Schaltregler wird gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
als ein Abwärtswandler
betrieben.
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Die
von der Polwenderschaltung erzeugte sekundäre Wechselspannung wird vorzugsweise
in bevorzugten Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens in Abhängigkeit
von der Schaltimpulsfolge der Steuerschaltung der Zündspannung oder
der Betriebsbrennspannung der Gasentladungslampe gleich ausgebildet.
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Die
Ausgangsleistung vom Vorschaltgerät wird ferner in einer weiteren
bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung durch die Steuerschaltung
auf einen optimalen vorgegebenen oder vorgebbaren Betriebswert der
Gasentladungslampe geregelt.
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Die
Steuerschaltung führt
vorzugsweise gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Pulsweitenmodulation
ihrer Schaltimpulsfolge aus.
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Die
Lampenspannung und der Lampenstrom werden durch geeignete Mittel
erfasst und der Steuerschaltung zugeführt, wodurch ein geschlossener Regelkreis
realisierbar wird.
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Mit
dem erfindungsgemäßen elektronischen Vorschaltgerät und Verfahren
werden folgende Vorteile erreicht:
- – nutzbar
ohne weitere Anpassung an alle internationale Netze, 90 Vac ...
264 Vac;
- – kein
Umschalten zwischen verschiedenen Brennspannungsgruppen der Lampen,
z. B. HBO 50 W ac L1 oder L2;
- – konstante,
netzunabhängige
Regelung der Lampenleistung, dadurch höhere Lebensdauer;
- – kein Überleistungsbetrieb
wie bei magnetischen/elektromagnetischen Vorschaltgeräten;
- – sanftere(r)
Lampenzündung
und Lampenanlauf, niedrigerer Zündstrom
und Anlaufstrom, dadurch geringere Belastung der Elektroden, höhere Lebensdauer;
- – kleinerer
Lampenstrom im Normalbetrieb, da keine Phasenverschiebung zwischen
Strom und Spannung, daher höhere
Lebensdauer;
- – durch
Rechtecklampenstrom wird ein sehr stabiles Ausgangslicht mit einer
sehr geringen Lichtstrommodulation von kleiner 5% erreicht;
- – Charakteristik
des Lichtausgangsrippels ist gegenüber konventionellen Vorschaltgeräten völlig anders,
so dass damit Kameraanwendungen möglich werden;
- – kleinere
Baugröße;
- – geringeres
Gewicht, beispielsweise ca. 1,3 kg gegenüber 4,5–6 kg für ein Vorschaltgerät für eine HBO
50 W ac;
- – automatisches
Abschalten des Vorschaltgerätes,
wenn Lampengrenzspannung (z. B. 55 V) erreicht ist;
- – Lebensdauerüberwachung
einfach realisierbar;
- – längere Lampenlebensdauer,
It. Hersteller, mittlere Lebensdauer konventionell ca. 100 h, mit dem
erfindungsgemäßen Vorschaltgerät ca. 500 h;
- – sehr
geringer Elektrodenabbrand über
die Lebensdauer und damit gleich bleibende Bogengeometrie, durch
den geringen Brennspannungsanstieg.
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Weitere
bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen,
in den Unteransprüchen
genannten Merkmalen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der
zugehörigen
Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektronischen Vorschaltgerätes;
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2 einen
vergleichenden zeitlichen Verlauf des Lichtleistungsabfalls für eine konventionell und
eine erfindungsgemäß betriebene
Gasentladungslampe und
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3 einen
Anstieg der Brennspannung während
der Lebensdauer einer erfindungsgemäßen Gasentladungslampe.
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1 zeigt
eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektronischen Vorschaltgerätes 10.
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An
dem Netzanschluss 107 des Vorschaltgerätes 10 ist eine verfügbare Wechselspannung
anzulegen. Erfindungsgemäß kann dieses
Wechselstromversorgungsnetz in einer breiten Spannweite vorliegen
und alle verfügbaren
Spannungen und Netzfrequenzen abdecken, beispielsweise 90 V ...
264 V sowie 50 Hz als auch 60 Hz.
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Die
vorliegende Netzspannung UN kann in einer
Ausgestaltung durch eine Funkentstörbaugruppe 103 geleitet
werden, bevor sie erfindungsgemäß einer
Gleichrichtungsschaltung 104 zugeführt wird. Die Gleichrichtungsschaltung 104 erzeugt
eine erste Gleichspannung U1 aus der vorliegenden
Netzspannung UN.
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Diese
erste Gleichspannung U1 wird geglättet an
den Schaltregler 105, der als Abwärtsschaltregler ausgeführt ist, übergeben.
Die Funktionsweise eines Schaltreglers ist bekannt und besteht im
Wesentlichen darin, die Energie in einem induktiven und einem kapazitiven
Speicher zu speichern und durch Umschalten die nachlaufende Flussänderung
beispielsweise der Induktivität
zum Aufladen der Kapazität
auszunutzen. Die Schaltregler sind nicht kurzschlussfest und müssen daher
eine Strombegrenzung aufweisen, die im vorliegenden Fall durch Regelung
realisiert ist.
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Der
Schaltregler 105 erzeugt durch eine entsprechende Ansteuerung
des Schalters SR eine zweite Gleichspannung U2,
die den Erfordernissen der anzusteuernden Gasentladungslampe (nicht
dargestellt) entspricht. Die Ansteuerung des Schalters SR kann beispielsweise
von der elektronischen Steuerschaltung 102 in Form einer
Pulsweitenmodulation ausgeführt
werden.
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Die
so erzeugte zweite Gleichspannung U2 wird
einer nachgeschalteten Polwenderschaltung 106 zugeführt. Die
Polwenderschaltung 106 wandelt mittels der steuerbaren
Schalter SP1 bis SP die
angelegte zweite Gleichspannung U2 in eine
an die von der Gasentladungslampe vorgegebene Lampenspannung angepasste
Wechselspannung UL um, die am Ausgang 108 des
Vorschaltgerätes 10 bereitgestellt
wird.
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Die
steuerbaren Schalter SP1 bis SP4 werden durch
eine Schaltimpulsfolge einer Steuerschaltung 102 angetrieben.
Die Steuerschaltung 102 weist einige Algorithmen auf, die
für verschiedene
Betriebsphasen vorgesehen sind.
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So
kann ein Algorithmus für
die Zündung
der Gasentladungslampe vorgesehen sein, bei dem die steuerbaren
Schalter SP1 bis SP4 der
Polwenderschaltung 106 derart angesteuert werden, dass
auf die zum Zünden
der Gasentladungslampe erforderliche Wechselspannung UL auf
300 V effektiv erhöht
wird. Diese Zündspannung
kann durch Ausnutzung einer Resonanzüberhöhung des L-C-Ausgangskreises realisiert
werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung kann auch die Ansteuerung
des Schalters SR des Schaltreglers 105 dazu
eingesetzt werden, die Zündspannung
unterstützend
zu erzeugen, indem bereits die zweite Gleichspannung U2 höher ausgeregelt wird.
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Nachdem
durch die hohe Zündspannung
die Gasstrecke in der Gasentladungslampe durchschlagen ist und durch
Ionisation der Gasfüllung
zwischen den Elektroden eine leitende Gasstrecke erzeugt worden
ist, regelt die Steuerschaltung 102 nach einem anderen
Algorithmus den Lampenstrom, Anlaufstrom, bis die vorgegebene Lampenleistung
erreicht ist. Danach regelt die Steuerschaltung 102 ausschließlich die
Lampenleistung auf einen Sollwert ein.
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Zum Überwachen
bzw. Erfassen der Lampenspannung UL bzw.
des Lampenstroms der Gasentladungslampe können vorzugsweise entsprechende
Erfassungsmittel (nicht dargestellt) vorgesehen sein, die der Steuerschaltung 102 aktuell
erfasste Werte liefern. Die so erfassten Werte werden in der Steuerschaltung 102 mit
vorgegebenen oder vorgebbaren Sollwerten verglichen und das Ergebnis
des Vergleichs nach einer geeigneten regelungstechnischen Beziehung
in Steuersignale umgesetzt.
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Die
Hilfsspannungsversorgung 101 dient zur Erzeugung der im
Vorschaltgerät 10 intern
benötigten
Betriebsspannungen.
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Hiermit
dient das erfindungsgemäße elektronische
Vorschaltgerät 10 gleichermaßen als
Starter als auch für
die Zubereitung der Lampenbrennspannung. Dadurch entfallen schwere
elektromagnetische Bauteile wie Transformatoren und Drosseln sowie
das Zündgerät.
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Durch
die erfindungsgemäße Regelung
der Lampenleistung werden Überlastungen
der Gasentladungslampe vermieden, wodurch u. a. eine mehrfach verlängerte Lebensdauer
und eine gleichmäßigere Lichtabgabeleistung
erreicht werden. Damit ist die Leistung der Gasentladungslampe unabhängig von
Netzspannungsschwankungen und thermischen Einflüssen. Ferner ist eine Umschaltung
der Lampen gemäß ihrer
Brennspannungsgruppe nicht mehr erforderlich und eine vollautomatische
Anpassung der Lampenspannung UL an eine
beliebige vorliegende Netzspannung UN realisierbar.
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Das
erfindungsgemäße elektronische
Vorschaltgerät 10 für Gasentladungslampen
ermöglicht eine
einfache Einbindung eines (nicht dargestellten) Betriebsstundenzählers. Ferner
sind in vorliegender beispielhafter Ausgestaltung lediglich aus
Vereinfachungsgründen
keine Bedienelemente wie beispielsweise ein Ein-/Ausschalter und
integrierte oder getrennte Gehäuseausführungen
dargestellt, die jedoch selbstverständlich Bestandteile bevorzugter Ausgestaltungen
sind.
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2 zeigt
einen vergleichenden zeitlichen Verlauf des Lichtleistungsabfalls
für eine
konventionell (Kurve I) und eine erfindungsgemäß betriebene (Kurve II) Gasentladungslampe,
hier eine HBO 50 W ac.
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Auf
der Ordinatenachse W sind beispielhaft die Lichtleistungswerte jeweils
einer Gasentladungslampe abgebildet, die in zeitlichen Intervallen
auf der Abszissenachse t erfasst worden sind. Zwei horizontale Linien
bezeichnen 70% und 50% der anfänglichen
Lichtabgabeleistung der Gasentladungslampe.
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Mit
Kurve I bezeichnet ist die zeitliche Kennlinie einer konventionell
betriebenen Gasentladungslampe dargestellt. Diese zeigt einen steilen
Abfall, der bereits nach 100 Betriebsstunden zu einer deutlichen
Lichtleistungsabnahme von 50% führt.
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Dagegen
zeigen die erfassten Lichtleistungswerte gemäß Kurve II einer erfindungsgemäß betriebenen
baugleichen Gasentladungslampe einen wesentlich zeitlich ausgedehnteren
Verlauf, der die 50%-Leistungslinie erst nach etwa 800 Betriebsstunden
kreuzt.
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Die
gemittelte Kurve III kann als eine gute Näherung anstelle der gemessenen
Kurve II verwendet werden.
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3 zeigt
einen Anstieg der Brennspannung der Gasentladungslampe während der
Lebensdauer, die mit einem erfindungsgemäßen Vorschaltgerät 10 betrieben
wird. Zu erkennen ist, dass die Wechselspannung UL über die
Lebensdauer der Gasentladungslampe nur relativ gering ansteigt.
So stehen der anfänglichen
Betriebs-Brennspannung von 44 V nach 1000 Betriebsstunden 48 V gegenüber, was
einem Anstieg von 9% entspricht. Laut Angaben der Hersteller konventionell
betriebener Gasentladungslampen beträgt dieser Anstieg dagegen ca.
20 V und tritt bereits nach 100 Betriebsstunden auf. Dieses muss
außerdem
im Blickfeld des zu 2 beschriebenen Lichtabgabeleistungsabfalls gesehen
werden. Geschuldet ist dieser Effekt dem äußerst geringen Abbrand der
Elektroden bei Verwendung des erfindungsgemäßen Vorschaltgerätes 10.
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- 10
- Vorschaltgerät
- 101
- Hilfsspannungsversorgung
- 102
- Steuerschaltung
- 103
- Funkentstörbaugruppe
- 104
- Gleichrichtungsschaltung
- 105
- Schaltregler
- 106
- Polwenderschaltung
- 107
- Netzanschluss
- 108
- Ausgang
- SR
- Schalter
- S11
- Schalter
- SP2
- Schalter
- SP3
- Schalter
- SP4
- Schalter
- UN
- Netzspannung
- UL
- Wechselspannung
- U1
- erste
Gleichspannung
- U2
- zweite
Gleichspannung