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Schaltungsanordnung zum starterlosen Zünden von Gasentladungslampen
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum starterlosen Zünden von Gasentladungslampen
mit Hilfe eines schwingenden Zündstromkreises. Es handelt sich dabei sowohl um Schaltungsanordnungen,
bei denen die Elektroden der Lampe vorgeheizt werden, als auch um Anordnungen, bei
denen keine Vorheizung der Lampenelektroden stattfindet.
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Es sind bereits Schaltungsanordnungen zur Erzeugung von hochfrequenten
Zündimpulsen für die Zündung von Hoch- und Niederdruckgasentladungslampen bekanntgeworden,
die über eine Luftfunkenstrecke mittels eines Hochspannungstransformators einen
Funkenüberschlag erzeugen und die daraus resultierenden hochfrequenten Zündimpulse
mit hoher Spitze in den Lampenbetriebsstromkreis einkoppeln. Derartige Einrichtungen
benötigen einen aufwendigen Hochspannungstransformator, der aus wirtschaftlichen
Gründen für den Betrieb von Leuchtstofflampen ungeeignet ist.
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Weiterhin ist es bekannt, mittels Röhren- oder Transistorgeneratoren
mittel- oder hochfrequente Schwingungen mit hoher Spannungsspitze zu erzeugen, die
ebenfalls in den Lampenbetriebsstromkreis eingeschleust werden. Auch diese Schalteinrichtungen
sind recht umfangreich und kompliziert und damit nicht ausreichend betriebssicher.
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Neben den Startern als Impulsgebern, die durch öffnen eines von einem
Thermobimetall gesteuerten Kontaktes einen Zündspannungsimpuls erzeugen, sind auch
Einrichtungen bekanntgeworden, die entweder durch wechselweises Verlegen der strombegrenzenden
Betriebsdrossel in das Sättigungsgebiet Impulse erzeugen, oder die durch spannungsabhängige
Widerstände Spannungssprünge erzeugen. Solche Einrichtungen haben sich in der Praxis
indessen nicht durchsetzen können, weil sie genau auf die Netzfrequenz und auf die
Netzspannung abgestimmte Schaltmittel benötigen, die auch nur für eine auf diese
Schaltmittel angepaßte Lampentype verwendbar sind, und weil sie andererseits Zündimpulse
erzeugen, die bei niedrigeren Netzspannungen und bei längerer Zeit in Betrieb befindlichen
Gasentladungslampen zur sicheren Zündung nicht mehr ausreichen. Außerdem haben diese
Einrichtungen den Nachteil, daß sie auch nach der Zündung einen Eigenverbrauch haben,
also auch nach ihrer Zündaufgabe Strom aus dem Betriebsnetz entnehmen.
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Bekanntlich ist überdies an der Gasentladungslampe selbst versucht
worden, beispielsweise durch Anlegen von Zündstreifen, ein Zündhilfsmittel zu schaffen,
damit die Lampe auch bei niederen Temperaturen noch sicher zünden soll. Ferner ist
versucht worden, durch schnell aufheizende Elektroden den eigentlichen Zündvorgang
sicherer und schneller zu gestalten. Allen diesen Versuchen waren bisher nur Teilerfolge
beschieden, weil Gasentladungslampen aus physikalischen Gründen stets höhere Zündspannungen
benötigen, welche die normale, nicht transformierte Netzspannung nicht zur Verfügung
stellen kann. Letzteres trifft besonders für 110-Volt-Wechselstromnetze und allgemein
auch für Gleichstromnetze, insbesondere bei Bahnfahrzeugen, zu.
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Bei einer anderen bekannten Schaltanordnung wird die Zündung mit einem
Hilfsstrom durch hochfrequente Schwingungen eingeleitet, die sich der Netzspannung
überlagern. Hierbei fließt ein geringer Teilstrom über eine Glimmröhre, während
der Vorheizstrom aus besonderen Heizwicklungen in einem zusätzlichen Stromkreis
bezogen werden muß, was eine umständliche Schaltanordnung voraussetzt.
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Bei Wechselstromnetzen stößt die Spannungserhöhung zu Zündzwecken
weniger auf technische als auf wirtschaftliche Schwierigkeiten, weil hierzu aufwendige
Spar- oder Streutransformatoren notwendig sind. Technische Schwierigkeiten bestehen
noch zusätzlich dann, wenn sichere Zündspannungen an Gleichstromnetzen erzeugt werden
sollen.
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Das Ziel der Erfindung ist darauf gerichtet, eine rasche Zündung von
Gasentladungslampen, auch im Blinkbetrieb, zu erreichen und dabei zugleich unter
Beibehaltung wirtschaftlicher und einfacher Drosselschaltung einen flackerfreien
und die Lampen schonenden Lampenstart zu ermöglichen.
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Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß eine höchstens
mit Netzspannung betriebene Gasentladungsdiode hoher Schaltleistung im Zusammenwirken
mit einer vorgeschalteten Drosselspule bei jedem Nulldurchgang des Stromes mit einer
gegen 100 Hz hohen Frequenz periodisch löscht und
zündet und die
dabei erzeugten hohen Strom- und Spannungsimpulse der Lampe zur Zündung zugeführt
werden. Die Diode soll dabei so geschaltet sein, daß sie bei außerordentlich hoher
Belastung Kippschwingungen erzeugt, und zwar Kippschwingungen, deren Frequenz wesentlich
höher als die Netzfrequenz ist.
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Hierbei wird zweckmäßig die Gasentladungsdiode im Elektrodenbrückenkreis
der Lampe angeordnet, während die mit der Gasentladungsdiode zusammenwirkende Drossel
als Vorschaltdrossel der Lampe dient. Die Gasentladungsdiode ist dabei vorzugsweise
der Entladungsstrecke der Lampe parallel geschaltet.
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Besonders leistungsfähige Gasentladungsdioden, wie sie zur verlustlosen
Ableitung von überspannungen in verschiedenen elektrischen Anlagen verwendet werden,
sind bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in der Lage, dauerhaft hohe Impulsspannungen
und hohe Impulströme abzugeben. Da in Leuchtstofflampenanlagen Induktivitäten und
Kapazitäten sowie auch reelle Vorwiderstände zur Strombegrenzung verwendet werden,
ist es möglich, auch bei diesen Strombegrenzungsmitteln mit einer Gasentladungsdiode
hoher Leistung und einer Vorschaltdrossel in einer Kippschaltanordnung im Sinne
der Erfindung Zündimpulse von hoher Spannung und mit hohem Strom zu erzeugen. Ein
hoher Stromanteil ist besonders dann erwünscht, wenn eine schnelle Vorheizung von
Gasentladungslampen mit warmen Kathoden erreicht werden soll.
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Zur Veranschaulichung des Erfindungsgegenstandes sind in den F i g.
1 bis 5 mehrere Ausführungsbeispiele dargestellt.
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An Hand des Schaltbildes F i g. 1 wird zunächst die Funktionsweise
des Erfindungsgegenstandes erläutert. Die an Klemmen 1 und 2 gelegte Netzwechselspannung
gelangt über die Vorschaltdrossel 3 und über die Glühelektrode 7 der Gasentladungslampe
6 einerseits und über die Glühelektrode 8 andererseits an die Gasentladungsdiode
9. Ein geringer, vernachlässigbar kleiner Blindstrom fließt auch über den Kondensator
4, dessen Kapazität zweckmäßig unter 0,1 liF liegt. Die Ansprechspannung
der Gasentladungsdiode 9 liegt in der Nähe von 200 Volt; bei Anlegen einer Netzspannung
von beispielsweise , 220 Volt an die Klemmen 1 und 2 zündet die Gasentladungsdiode
9 sofort. Durch die Zündung wird der Kondensator 4 entladen; es fließt ein kräftiger
Strom über die Glühelektroden 7 und 8, der seine Energie teils aus dem Kondensator
4 und teils aus der an den Klemmen 1 und 2 liegenden Netzspan- 1 nung bezieht. Mittels
dieses kräftigen Stromes werden die Glühelektroden 7 und 8 vorgeheizt. Durch die
Entladung des Kondensators 4 erlischt die Gasentladungsdiode 9, weil ihre Brennspannung
unterschritten wird. Infolge der plötzlichen Unterbrechung , baut sich an der Drossel
3 eine hohe Spannungsspitze mit steiler Front von mehreren 1000 Volt auf. Diese
Spannungsspitze kann aber erst dann die Gasentladungslampe 6 zünden, wenn ihre Glühelektroden
7 und 8 auf eine entsprechende Funktionstemperatur gelangt sind. Erst nach mehrmaligen
Impulsfolgen sind die Glühelektroden 7 und 8 so warm geworden, daß die Gasentladungslampe
6 zündet. Bei ihrer Zündung kommt sie in ihre Betriebsbereitschaft, und die Spannung
am Kondensator 4 bricht auf die Brennspannung der Gasentladungslampe in der Größenordnung
von etwa 100 Volt zusammen. Hierdurch wird die Ansprechspannung der Gasent-Ladungsdiode
9 nicht mehr erreicht, womit der Zündvorgang beendet ist.
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Der Impulsstrom in dem Zündstromkreis - gebildet aus dem Kondensator
4, den beiden Glühelektroden 7 und 8 und der Gasdiode 9 -- kann bis mehrere Ampere
betragen, weil der Kondensator 4
in Reihenschaltung zu der Drossel 3 (von
der Netzseite her betrachtet) für eine Spannungsüberhöhung sorgt. Andererseits wird
die Impulsfolge auch durch den Kondensator 4 bestimmt, so daß bei entsprechender
Bemessung Frequenzen bis zu 100 kHz erzeugt werden können. Hierbei zeigt sich bei
der Zündung nun, daß diese relativ zur Netzfrequenz hohen Frequenzen den Heizvorgang
der Glühelektroden beschleunigen, so daß die Glühwendel in wesentlich kürzerer Zeit
auf die erforderliche Starttemperatur von 600 bis 800° C kommen, als dies mit normaler
Netzfrequenz möglich ist, da J2Impuls * RFaden * tImpuls * n > J2I)rasel ' RFaden
' t ist, wobei sich tImpuls ' n < t, jedoch JI",p"l> JDrossel ergibt. Dabei ist
Jlmpuls = Strom im Impulsschwingkreis, RFaden = Widerstand des Heizfadens (Glühwendel)
der Leuchtstofflampe, Umpuls = Dauer des Impulses,
t = übliche Vorheizzeit. Nun werden aber gleichzeitig mit dem Aufheizvorgang den
Glühwendeln hohe Spannungsspitzen von großer Steilheit bei hohen Frequenzen zugeführt,
die eine vorionisierende Wirkung auf das sie umgebende Gas ausüben, wodurch der
Zündvorgang seinerseits noch beschleunigt wird.
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An Stelle der Drossel kann auch ein reeller Begrenzungswiderstand
für den Lampenstrom Verwendung finden, z. B. in Gleichstromnetzen, ohne daß sich
das Wesen des Erfindungsvorschlages ändert. Zur Schwingungsbegünstigung ist dann
in den kapazitiven Zündkreis eine kleine Induktivität 10 - in F i g. 1 gestrichelt
angedeutet --- einzuschalten, die aus wenigen Windungen besteht.
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Weil, wie schon erwähnt, die Zündung - gegenüber Einrichtungen mit
mechanischen Impulsgebern - sehr schnell vor sich geht, ist die Zündeinrichtung
nach der Erfindung sehr gut geeignet für Augenblicksschaltungen, mit denen beispielsweise
Signale gegeben werden sollen - ein Aufgabengebiet, für das bisher nur Glühlampen
tauglich waren.
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Bei bestimmten Gasentladungslampentypen ist es für den Zündvorgang
wünschenswert, entweder die Spannungsspitzen zu verkleinern oder aber die Stromimpulshöhe
zu verringern. Zur Verkleinerung der Spannungsspitzen kann der Gasdiode 9 ein in
F i g. 1 gestrichelt angedeuteter spannungsabhängiger Widerstand 11 parallel geschaltet
werden, der die Spannungsimpulse schneller (10-9 s) als die Gasentladungsdiode 9
(10-E s) beschneidet. Zur Verringerung der Stromimpulse kann in den strombegrenzenden
Betriebskreis der Lampe ein temperaturabhängiger
Widerstand
12 eingeschaltet werden, wie dies in F i g. 1 gestrichelt angedeutet ist.
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In abgewandelter Form kann man entsprechend dem Erfindungsvorschlag
gemäß F i g. 2 sozusagen Zündimpulse »nach Maß«, zugeschnitten auf den jeweiligen
Zündbedarf der Gasentladungslampentype, erzeugen. Die Bezugszahlen der Bauelemente
und die prinzipielle Funktion sind die gleichen wie in F i g. 1, jedoch befindet
sich der Kondensator 4 in Reihe mit der Gasentladungsdiode 9. Die Größe der Kapazität
des Kondensators 4 bestimmt die Zündimpulsspannung und den Zündimpulsstrom. Beispielsweise
wird zur Erzielung eines kräftigen Vorheizstromes einer üblichen Leuchtstofflampe
von 40 Watt eine Kapazität von etwa 2 bis 4 gF notwendig sein. Der Kondensator 4
muß sehr spannungsfest sein, weil er, wie auch im Schaltbild der F i g. 1, mit der
Drossel 3 in Reihe geschaltet ist und im Durchzündfall sehr hohe Spannungsspitzen
erhält. Das charakteristische Merkmal dieser Schaltung liegt in der Erzeugung sehr
hoher Spannungsspitzen. Ein Vorteil dieser Schaltung besteht darin, daß nach der
erfolgten Zündung der Gasentladungslarnpe 6 keinerlei Blindstrom mehr im Zündstromkreis
fließt, wie das in der Schaltung nach F i g. 1 der Fall war. Lediglich ist bei Gleichspannungsnetzbetrieb
zur Entladung des Kondensators 4 nach dem Zündvorgang ein (in F i g. 2 gestrichelt
gezeichneter) Hochohmwiderstand 13 parallel zum Kondensator 4 zu schalten. Außerdem
ist hier und auch in bestimmten anderen Fällen ein (in F i g. 2 ebenfalls gestrichelt
gezeichneter) Kondensator 14 als hochfrequenter Abschlußkondensator des Zündstromkreises
notwendig bzw. vorteilhaft. Seine Kapazität liegt etwa bei einigen 100 pF,
so daß sein Blindstromfluß bei Netzfrequenzen nicht in Erscheinung tritt.
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Gegenüber den früheren Fertigungsmethoden für Gasentladungslampen
sind in den letzten Jahren erhebliche Verbesserungen eingetreten, so daß in bezug
auf - die Lebensdauer dieser Lampen der Kaltstart solcher Lampen mehr an Raum gewinnt
(Lampen mit selbstaufheizender Kathode oder mit kalter Kathode). Jedoch bestehen
bei der Lampenentwicklung gewisse Schwierigkeiten, die Forderungen »Niedrige Zündspannung«,
»Schnellstart«, »Lebensdauererwartung« zu realisieren. Wesentlich erleichtert wird
die Aufgabe, wenn man für die sogenannten Kaltstart-Gasentladungslampen eine relativ
hohe Zündspannung zur Verfügung stellen kann.
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Ein solches Schaltbild zur Erzeugung hoher Zündspannungen für Lampen
mit ungeheizten Elektroden ist in F i g. 3 mit den gleichen Bezugszeichen dargestellt.
In die schon erwähnte Schaltung ist lediglich noch eine spannungserhöhende Drossel
16 eingefügt, die vorzugsweise eine Hochfrequenzdrossel mit geringer Induktivität
ist. Bei entsprechender Dimensionierung der Bauelemente können sehr hohe hochfrequente
Zündspannungsspitzen erzeugt werden, die derartige Gasentladungslampen auch dann
noch sicher zünden, wenn diese Lampen Temperaturen von Minusgraden bei gleichzeitiger
Netzunterspannung ausgesetzt sind. Die Maßnahmen zum Betrieb dieser Schaltung an
Gleichstromnetzen sind sinngemäß die gleichen wie in der Schaltung nach F i g. 2
dargestellt.
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Oft sind derartige Kaltstart-Gasentladungslampen mit äußeren Zündhilfsmitteln
ausgerüstet. Diese Zündhilfsmittel bestehen aus einem oder mehreren metallisierten
Streifen innen oder außen am Glaskörper der Gasentladungslampe. Entweder sind diese
Streifen innerhalb der Lampe über einen Hochohmwiderstand mit einer Elektrode verbunden,
oder es wird an sie ein äußeres Spannungspotential mit der Netzspannung beispielsweise
gegen den Leuchtenkörper angelegt. Zwischen diesem Streifen und der gegenüberliegenden
Elektrode bildet sich nach dem Einschalten zunächst ein Glimmlicht aus, das dann
nach und nach die Durchzündung der Gasentladungslampe bewerkstelligt. Bei tiefen
Temperaturen und hoher relativer Luftfeuchte versagen diese Zündhilfsmittel, weil,
wie gesagt, nur ein geringes Netzspannungspotential zur Glimmeinleitung zur Verfügung
steht. Diese Schwierigkeiten werden durch die gestrichelt gezeichnete Anordnung
in der Schaltung der F i g. 3 dadurch beseitigt, daß die an der Drossel 16 entstehenden,
sehr hohen Spannungsspitzen dem Zündstreifen 17 bei Punkt 15 zugeführt werden. Es
ist selbstverständlich, daß die Drossel 16 auch die Primärwicklung eines
Hochfrequenztransformators sein kann, dessen Sekundärwicklung aus Berührungsschutzgründen
von der Netzspannung führenden Primärwicklung getrennt ist. Sofort nach dem Einschalten
des Hauptstromkreises befindet sich zwischen dem Zündstreifen 17 und den beiden
Elektroden 7 a und 8 a ein hohes Spannungspotential, das ohne Verzögerung von den
vorerwähnten Einflüssen eine intensive Glimmentladung erzeugt, die ihrerseits sofort
eine Durchzündung der Gasentladungslampe bewerkstelligt. An Stelle der in F i g.
3 dargestellten Kaltstart-Gasentladungslampe könnte selbstverständlich auch eine
solche mit vorzuheizender Glühelektrode unter Verwendung derselben Schaltungsanordnung
gezündet werden.
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Das Schaltbild nach F i g. 4 stellt auszugsweise einen nach dem Erfindungsprinzip
aufgebauten Zündimpulsgenerator zur gleichzeitigen Zündung von mehreren Gasentladungslampen
dar. Diese Gasentladungslampen können entweder Hoch- oder Niederdruckentladungslampen
sein. Die Bezugszeichen sind die gleichen wie in den vorbeschriebenen Schaltbildern,
lediglich ist für die Strombegrenzung ein reeller Widerstand 5 eingesetzt. Wenn
an die Netzspannungsklemmen 1 und 2 Netzspannung angelegt wird, so entstehen an
der Hochfrequenzdrossel16 hochfrequente Spannungsspitzen an den Ausgangsklemmen
18 und 19, die gleichzeitig entweder über vorerwähnte Zündstreifen von mehreren
Gasentladungslampen oder aber in bekannter Weise in den Betriebsstromkreis von serien-
oder parallelgeschalteten Nieder- oder Hochdruckgasentladungslampen mittels induktiver
oder kapazitiver Schaltmittel eingekoppelt werden können. Der Vorteil der Erfindung
liegt darin, mit der normalen Netzspannung (ohne Herauftransformierung derselben)
zu hohen Zündspannungsspitzen zu gelangen. Wenn die Drossel 16
- wie schon
erwähnt - die Primärwicklung eines relativ windungsarmen Hochfrequenztransformators
darstellt und die Sekundärwicklung eine Wicklung mit einem entsprechenden Aufwärtsübersetzungsverhältnis
ist, so können ohne großen wirtschaftlichen Aufwand Höchstspannungsspitzen von 30
kV und mehr erzeugt werden, die auch für die Zündung von Xenon-Gasentladungslampen
ausreichen. Durch den Erfindungsvorschlag entfällt der kostspielige Weg eines Netz
- Hochspannungstransformators. Dazu kommt noch der weitere Vorteil der Impulsfolgefrequenzregulierung
durch
den veränderlichen Widerstand 5.
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Wenn der Zündimpulsgenerator nach F i g. 4 so dimensioniert wird,
daß er als Leistungsgenerator ausgebildet ist, so kann durch die Impulsfolgefrequenzregulierung
mit dem Widerstand 5 auch eine Helligkeits- oder Farbmodulierung der an den Generator
angeschlossenen Gasentladungslampen erreicht werden. In diesem Falle beeinflußt
der auch nach der Zündung der Lampen arbeitende Generator den Betriebsstrom für
die Gasentladungslampen. Es ist bekannt, daß die Anregung von bestimmten Leuchtstoffen
mit variabler Frequenz eine variable Helligkeit zur Folge hat.
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Gasentladungsdioden zur Verwendung nach dem Erfindungsgedanken können
mit ihrer Ansprechspannung auch so eingestellt werden, daß sie bei angelegter Netzspannung
nicht von selbst zünden. Erst durch Beaufschlagung der Netzspannung mit überlagerten
hochfrequenten Spannungsspitzen zünden sie durch und erzeugen in den vorbeschriebenen
Schaltungen die erforderlichen Strom- und Spannungsimpulse zur Zündung der Lampen.
Wie schon erwähnt, sind solche kräftigen Impulsströme notwendig, um Gasentladungslampen
mit Glühelektroden vorzuheizen. Da diese für die Vorheizung notwendigen Stromimpulse
nicht über ein langes Leitungsnetz ohne wesentliche Verluste transportiert werden
können, tritt bei der Verwendung eines Generators nach F i g. 4 das zu steuernde
Leitungsnetz, an welches eine Vielzahl von Gasentladungslampen mit ihren nach der
Erfindung zugeschalteten Gasentladungsdioden angeschlossen ist (deren Ansprechspannung
über der Netzspannung liegt), mit hochfrequenten Impulsen zu beaufschlagen, so daß
erst dann jede Gasentladungslampe für sich mit Hilfe der ihr zugeordneten Gasentladungsdiode
zündet.
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Wenn eine lange Vorheizzeit bei bestimmten Lampen aus Lebensdauergründen
verlangt wird und die Wiederzündbereitschaft zeitlich vernachlässigt werden kann,
ist eine Kombination einer Gasentladungsdiode mit einem Bimetallruhekontakt
20 gemäß dem Schaltbild der F i g. 5 möglich. Da bei dieser Schaltung der
Ladekondensator 4 der Schaltung nach F i g. 1 fehlt, arbeitet die Gasentladungsdiode
9 periodisch löschend und zündend so lange, bis der Bimetallruhekontakt 20 öffnet
und dabei in bekannter Weise - ähnlich den Glimmzündern -einen Zündspannungsimpuls
erzeugt. Ein den Ruhekontakt überbrückender Kondensator 21 hält in Verbindung mit
dem schon erwähnten Hochfrequenzabschlußkondensator 14 einige Nachzündungsimpulse
so lange aufrecht, bis die Gasentladungslampe 6 durchgezündet hat. Es liegt hierin
gegenüber Glimmzündern der Fortschritt, daß nicht nur ein, sondern eine Vielzahl
von Zündimpulsen nachfolgen kann bzw. im Bedarfsfalle, d. h. wenn die Gasentladungslampe
6 nicht gleich beim ersten Impuls gezündet hat, nachfolgt. Ein weiterer Fortschritt
gegenüber Glimmzündern besteht darin, daß die Zündbereitschaft sofort bei dem Anlegen
der Netzspannung vorhanden ist, während bei einem Glimmzünder bekanntlich zunächst
durch den Glimmvorgang durch Erhitzung die Bimetallkontakte geschlossen werden müssen.
Der Bimetallruhekontakt 20 kann auch ein thermomagnetischer Schalter sein. Vorzugsweise
können der mechanische Ruhekontakt 20 und die Gasentladungsdiode 9 in einem Glaskolben
oder in einem Gehäuse untergebracht sein, so daß dieser Glaskolben bzw. das Gehäuse
gegen einen Glimmzünder üblicher Bauform ausgetauscht werden kann.
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Die Schaltung nach F i g. 5 wie auch die Schaltungen der F i g. 1
und 2 richten ihre Vorheizzeit nach der Höhe der Netzspannung ein, d. h. die Vorheizung
dauert um so länger, je niedriger die Netzspannung ist. Die Schaltungsvorschläge
nach den F i g. 1 bis 4 sind von der Umgebungstemperatur unabhängig, weil in ihnen
kein temperaturabhängiges Bauelement verwendet wird. Ein wesentlicher Vorteil der
Erfindung besteht auch darin, daß nicht, wie herkömmlich nur ein Zündimpuls, sondern
eine Vielzahl von Impulsen erzeugt wird, so daß in jedem Falle eine sichere Durchzündung
der Gasentladungslampen gewährleistet ist.