DE1134760B - Schaltungsanordnung zum Betrieb von Hochdruck-Entladungslampen mit rechteckfoermigenStromimpulsen - Google Patents

Description

• Schaltungsanordnung zum Betrieb von Hochdruck-Entladungslampen mit rechteckförmigen Stromimpulsen Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Betrieb von Entladungslampen mit wenigstens teilweise positiver Strom-Spannungs-Charakteristik. Es ist bekannt, daß die Verlegung des Arbeitspunktes in einen positiven Kennlinienbereich ausreichender Steilheit den Betrieb einer Entladungslampe ohne Strombegrenzungsglied erlaubt. Der positive Kennlinienbereich liegt normalerweise bei Stromstärken, die für einen Dauerbetrieb der Lampe zu groß sind; dies gilt insbesondere, wenn zugleich die Stromstärke so hoch gewählt werden soll, daß die Lampe ihre höchstmögliche Lichtausbeute erreicht. Deswegen wird von der an sich bekannten Maßnahme Gebrauch gemacht, die Lampe impulsweise mit sehr hoher Leistung zu betreiben, während in den Pausen zwischen den Impulsen die Lampenleistung sehr niedrig oder Null ist, so daß sich im Mittel die Nennleistungsbelastung der Lampe ergibt. Um die Stromstärke während des Impulses in dem gewünschten optimalen Bereich zu halten, sind rechteckförmige Stromimpulse erforderlich.
• Die bisher bekannten Impulsbetriebsverfahren für Entladungslampen bedienen sich meist der Entladung eines passend dimensionierten Kondensators. Als Schalter zur Einleitung der Entladung dient entweder die Lampe selbst oder ein Thyratron. Bei Betrieb mit Wechselstrom mit oder ohne Kondensatorentladungen werden bis jetzt Thyratrone, eisengesättigte Drosseln oder Transduktoren als Schalter verwendet und durch geeignete Steuerung bzw. Dimensionierung Kondensatorentladungen bzw. Teile der Wechselstromhalbwellen über induktive Strombegrenzungsglieder auf die Lampe geschaltet. Zum Betrieb von Niederdruckentladungslampen sind auch Transistoren als Schalter verwendet worden, mittels deren die Betriebsspannung über strombegrenzende Widerstände und/oder Drosseln impulsweise auf die Lampe geschaltet wird. Ferner ist auch eine Schaltungsanordnung zum Betrieb von Hochdruckgas-Entladungslampen mit etwa rechteckförmigen Stromimpulsen bekanntgeworden, die jedoch in ihrem Stromkreis stromverzerrende Stabilisierungswiderstände aufweist. In anderen Fällen ist der Betrieb einer Hochdrucklampe mit rechteckförmigen Stromimpulsen vorgesehen, die aus Kondensatorentladungen gebildet sind. An den Spitzen der Lampenelektroden treten dann Erscheinungen auf, wie sie vom Wechselstrombetrieb ganz allgemein bekannt sind. Es handelt sich dabei um ein wechselseitiges Ab- und Auftragen des Wolframmaterials zusammen mit einer Zerstäubung; wobei die Lebensdauer der Lampe stark verringert wird. Außerdem ist eine Gleichstrommaschine besonderer Bauart entwickelt worden, die gestattet, daß eine Gas- oder Dampf-Entladungslampe ohne stabilisierenden Serienwiderstand arbeiten kann.
• Mit allen diesen Verfahren ist es jedoch nicht möglich, auch nur annähernd rechteckförmige Stromimpulse hoher Leistung zu erzeugen, die eine optimale Lichtausbeute und Lampenlebensdauer gewährleisten.
• Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betrieb von Hochdrucklampen mit rechteckförmigen Stromimpulsen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß erfindungsgemäß unter Verwendung eines in den Lampenstromkreis eingeschalteten, periodisch gesteuerten Transistorschalters die ohne-Stabilisierungsimpedanz angeschlossene Lampe mit Stromimpulsen solcher Amplitude gespeist wird, daß sie im Bereich des positiven Astes der Strom-Spannungs-Charakteristik arbeitet. Bei einer vorgegebenen Betriebsspannung erfolgt die Strombegrenzung verlustlos auf Grund der positiven Kennlinie der Lampe. Zur Speisung kann eine periodisch variierte Spannungsquelle bzw. eine Spannungsquelle mit konstanter, aber einstellbarer Spannung Verwendung finden. Die Impulsstromstärke der Lampe ist bei. periodisch variierter Speisespannung durch die Phasenlage des Einschalt- und Ausschaltmomentes des Impulses gegenüber der Spannungskurve, bei Gleichspannung durch Einstellung der BPtrieh9- Spannung wählbar. Zweckmäßig wird der Impulsstrom so gewählt, daß sich die höchste Lichtausbeute der Lampe ergibt (Fig. 1). Die Lampenleistung kann durch Einstellung des Tastverhältnisses oder Steuerung der Leistungszufuhr zum Speicherkondensator auf den optimalen Wert eingestellt werden. Das Ein-und Ausschalten der Impulsströme geschieht zweckmäßig mit Hilfe von Leistungstransistoren, die einen Schaltwirkungsgrad von über 99% aufweisen.
• Ferner hat es sich als vorteilhaft gezeigt, daß die Entladung in der Lampe in den Pausen zwischen den Stromimpulsen mit geringerer Stromstärke aufrechterhalten wird; wobei zweckmäßigerweise der in den Pausen zwischen den Impulsen fließende Haltestrom über einen Transistor gesteuert wird, welcher der gleiche sein kann, der auch die Leistungsimpulse schaltet. Derartige Betriebseinrichtungen werden insbesondere dann mit Vorteil eingesetzt, wenn der ausgenutzte Bereich der positiven Strom-Spannungs-Charakteristik ausreichend steil verläuft, was bei hohen Impulsstromstärken von mehr als 25 Amp: eintritt und durch die Konstruktion der Lampe beeinflußbar ist.
• Im folgenden ist die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben.
• Wie bereits ausgeführt, wird ein Lampenbetrieb mit möglichst hohem Gesamtwirkungsgrad angestrebt. Die Lampe soll deshalb mit der Impuls-Stromstärke A opt betrieben werden, bei welcher der Lampenwirkungsgrad n in Lumen/Watt ein Optimum aufweist (Fig. l). Hierzu wird eine aus der Lampenkennlinie (Fig. 2) sich ergebende Spannung Uopt an die Lampe gelegt. Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades ist weiter erforderlich, daß die Lampe stets mit ihrer Nennleistung Nn oder besser mit ihrer zulässigen Leistung Nzut betrieben wird. Die beim Betrieb in dem gewählten Arbeitspunkt (Fig.2) während des Impulses umgesetzte Leistung Ni = U - Ji steht mit der zulässigen Dauerleistung in der Beziehung worin T = ti - f das Tastverhältnis bedeutet mit ti = Impulsdauer und fi = Impulsfrequenz.
• Durch die Wahl eines passenden Tastverhältnisses läßt sich stets die Forderung nach bestimmten Werten für Ji opt, Uopt und Nzut gleichzeitig erfüllen, wobei einer der beiden Faktoren Impulsdauer ti oder Impulsfrequenz f frei gewählt werden kann.
• Zur weiteren Erläuterung der Erfindung sollen die Betriebsarten an einigen Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung beschrieben werden.
• Bei Betrieb einer Entladungslampe, insbesondere einer Hochdrucklampe mit Gas- und/oder Dampffüllung, an einem Wechselstromnetz kann die Wahl der geeigneten Lampenspannung Uopt zur Erzielung des Stromes A opt dadurch erfolgen, daß die Phasenlage 99 des Impulses gegenüber der Spannungskurve der gleichgerichteten Netzspannung einstellbar ist. Da bei dieser Betriebsart die Impulsfrequenz gleich der Netzfrequenz oder einem Vielfachen davon sein wird, muß das Tastverhältnis durch die Wahl der Impulsdauer bestimmt werden. Ist die Impulsdauer klein gegenüber der Dauer einer Wechselstromhalbwelle, so wird die Stromstärke während des Impulses praktisch konstant und kann gleich Ji opt gemacht werden.
• Die Impulsdauer und damit das Tastverhältnis lassen sich durch an sich bekannte Regeleinrichtung so einstellen, daß der Lampe stets ihre Nennleistung zugeführt wird. In der Schaltung Fig.3 ist eine Hochdruckentladungslampe 1 im Betriebszustande über einen Schalter 2, einen kleinen, nicht als Strombegrenzer wirkenden Meßwiderstand 3, einen oder mehrere parallel geschaltete Leistungstransistoren 4 und einen Gleichrichter 5, der zweckmäßig aus Silizium-Leistungsgleichrichterelementen besteht, an ein Wechselstromnetz 6 angeschlossen.
• Die Impulssteuerung des als Schalter dienenden Leistungstransistors erfolgt durch die Netzfrequenz über einen Phasenschieber 7 und einen an sich bekannten Multivibrator B. Die Einstellung der Impulsdauer 4 und damit der Lampenleistung erfolgt durch geeignete Beeinflussung des Multivibrators 8 und kann entweder von Hand oder durch eine Regeleinrichtung - bestehend aus einem Soll-Geber 10 und einem Ist-Geber 9 - erfolgen. Der Ist-Geber 9 muß nach einem an sich bekannten Verfahren eine - der von der Lampe aufgenommenen mittleren Leistung proportionale - Spannung liefern. Diese wird mit einer am Soll-Geber 10 einzustellenden Spannung verglichen. Die Differenz beider Spannungen steuert durch Beeinflussung des Multivibrators 8 die Impulsbreite ti. Die gewünschte Lampenleistung kann also am Soll-Geber 10 eingestellt werden. Der in den Impulspausen die Entladung aufrechterhaltende Haltestrom kann entweder über den Leistungstransistor 4 der Lampe zugeführt werden, was durch eine dem Steuerimpuls überlagerte Basis-Emitter-Gleichvorspannung erreicht werden kann. Der Haltestrom kann jedoch auch, wie in Fig. 3 ausgeführt, über einen weiteren Transistor 11 geliefert werden. Infolge des hohen differentiellen Innenwiderstandes eines Transistors wird hierdurch in an sich bekannter Weise erreicht; daß sich ein stabiler Arbeitspunkt auf dem bei niedrigem Strom fallenden Kennlinienast der Lampe (Fig. 2) einstellt. Besser noch wird in ebenfalls bekannter Weise durch eine Regelschaltung lla ein gleitender Arbeitspunkt derart eingestellt, daß die Spannung Collector-Emitter einen bestimmten kleinen Wert nicht überschreitet und die Verlustleistung des Transistors 11 niedrig bleibt. Der Kondensator 12 hat in Verbindung mit der Drossel 13 und dem Widerstand 14 die Aufgabe, während des Nulldurchganges der Wechselspannung die Spannung hinter dem Gleichrichter 5 nie unter die Brennspannung der Lampe absinken zu lassen. Der Kondensator 12 ist so bemessen, daß er diese Funktion nur während der Dauer des niedrigen Haltestromes, nicht aber während des stromstarken Impulses ausübt.
• Zur Zündung der Lampe wird der zweipolige Schalter 2 in die Stellung c geschaltet. Hierdurch wird ein an sich bekanntes Hochspannungszündgerät 15 in Betrieb gesetzt, der Hochspannungszündkreis über die Lampe l geschlossen und über den Begrenzungswiderstand 16 und die Hochfrequenzdrosse117 die Betriebsgleichspannung an die Lampe gelegt. Durch die Hochfrequenzdrossel17 wird ein Abfließen der hochfrequenten Zündspannung auf die Gleichstromkreise unterbunden. Der Kondensator 18 bildet einen Kurzschluß für den von der Drossel 17 noch durchgelassenen hochfrequenten Strom.
• Der Schalter 2 wird nur kurze Zeit in der Stellung c belassen. Nach dem Zünden wird er zum Einbrennen der Lampe in die Stellung b zurückgeschaltet und damit das Zündgerät wieder außer Betrieb gesetzt.
• Ein weiteres erfindungsgemäßes Schaltbeispiel ist in seinen Grundzügen in Fig.4 dargestellt. Hier kann die Impulsfrequenz frei gewählt werden. Die Lampe l wird über einen kleinen, nizht als Strombegrenzer wirkenden Meßwiderstand 3 und den Leistungstransistor 4 aus einem Ladekondensator 19 gespeist, der so groß bemessen ist, laß seine Spannung sich bei Lampen-Nennleistung zwi,rhen zwei Aufladestößen durch den Gleichrichter 5 iiur wenig verändert. Die Einstellung der optimalen Betriebsspannung Uopt der Lampe 1 am Kondensator 19 erfolgt hier mit Hilfe eines gestea2rten Gleichrichters 5' über einen Phasenschieber 20. Die Drossel 21 dient zu einer Dämpfung der Ladestromspitzen.
• Die Impulssteuerung des als Schalter dienenden Leistungstransistors erfolgt über einen an sich bekannten Multivibrator 8'. Die Einstellung und Konstanthaltung der Lampenleistung erfolgt, wie im vorangehenden Beispiel beschrieben, mittels Soll-und Ist-Leistungsgebern 9' und 10'.
• Eine Schaltungsvariante zu Fig.4 zeigt Fig. 5. Die Konstanthaltung der Lampenleistung erfolgt hier dadurch, daß die dem Ladekondensator 19' zugeführte Leistung durch eine an sich bekannte, aus Soll- und Ist-Geber 9" und 10" bestehende Regeleinrichtung stets gleich der Nennlast der Entladungslampe 1 gehalten wird. Durch die Veränderung des Tastverhältnisses am Multivibrator 8" kann der Arbeitspunkt auf der Lampenkennlinie (Fig 2) und damit A "pt eingestellt werden. Bei einer Änderung der Impulsfrequenz muß in an sich bekannter Weise das eingestellte Tastverhäi_tnis ungeändert gelassen werden.
• Die Versorgung der Lampe 1 mit Haltestrom und die Zündung der Lampe erfolgt wie im ersten Beispiel beschrieben. Die hierfür notwendigen Kreise sind in den Fig. 4 und 5 nicht gezeichnet.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Schaltungsanordnung zum Betrieb von Hochdruck-Entladungslampen mit rechteckförrnigen Stromimpulsen, dadurch gekennzeichnet, daß unter Verwendung eines in den LampenstromKreis eingeschalteten, periodisch gesteuerten Transistorschalters die ohne Stabilisierungsimpedanz angeschlossene Lampe mit Stromimpulsen solcher Amplitude gespeist wird, daß sie im Bereich des positiven Astes der Strom-Spannungs-Charakteristik arbeitet.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine periodisch variierte Spannungsquelle verwendet ist. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsstromstärke der Lampe durch Regelung der Spannung einstellbar ist, insbesondere durch Regelung der Phasenlage des Ein- und Ausschaltmoments des Impulses gegenuber der Spannungskurve. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromstärke wahrend des Impulses auf einen solchen Wert geregelt ist, bei dem die Lampe ihre höchste Lichtausbeute erreicht. .>. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die der Lampe mgefuhrte Leistung auf konstante oder maximale Lampenleistung gesteuert oder geregelt wird. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß eine konstante oder maximale Lampenleistung durch Regelung des Tastverhältnisses einstellbar ist, oder durch Regelung der Leistungszufuhr auf den Speicherkondensator. 7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und Folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß in den Pau.3en zwij2hen den Stromimpulsen die Entladung in der Lampe mit geringerer Stromstärke aufre:hterhalten wird. B. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der in den Pausen zwis--hen den Impulsen fließende Haltestrom über einen Transistor gesteuert ist. 9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der in den Impulspausen fließende Haltestrom über den gleichen Transistor gesteuert ist, der auch die Leistungsimpulse schaltet. 10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündung der Lampe mittels eines besonderen Zündgerätes erfolgt. In Betracht gezogene Druckschriften Deutsche Patentschriften Nr. 691 570, 930 794; deutsche Auslegeschrift Nr. 1049 976; britische Patentschrift Nr. 669 283; USA.-Patentschrift Nr. 2 870 379; Zeitschrift: »Bild u. Ton«, 1959, H.
3. 3, S. 70; »Technisch-wissenschaftliche Abhandlungen der Osram-Gesellschaft«, 7. Band, 1958, S. 52 bis 62.