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Vorschaltgerät zur Speisung von Gasentladungslampen Die Erfindung
betrifft ein Vorschaltgerät zur Speisung von Gasentladungslampen unter Verwendung
eines Gleichrichtergerätes in Spannungsvervielfacherschaltung, vorzugsweise in Spannungsverdopplerschaltung,
mit einem nachgeschalteten Vorschaltwiderstand für die Gasentladungslampe, welches
in bezug auf die Gasentladungslampe so bemessen ist, daß sich ein Lampenstrom mit
einem Wechselstromanteil mit doppelter Netzfrequenz ergibt, dessen Scheitelwert
etwa gleich dem Gleichstrommittelwert ist.
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Beim Betrieb von Gasentladungslampen aus dem Wechselstromnetz kann
die Stabilisierung verhältnismäßig verlustarm mit induktiven Vorschaltwiderständen
(z. B. Drosselspulen mit Eisenkern) durchgeführt werden. Der ohmsche Verlustanteil
in einer Drosselspule beträgt beispielsweise bei einer Lampenleistung von 40 Watt
nur etwa 10 Watt, d. h. nur etwa 25 % der Lampenleistung.
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Nachteilig ist bei einem solchen Wechselstrombetrieb bei einer Frequenz
von 50 oder 60 Hz, daß eine verhältnismäßig große und schwere Drosselspule notwendig
ist (bei einer 40-Watt-Lampe beträgt das Gewicht der Drosselspule etwa 1 kg). Ferner
ergibt sich eine induktive Blindleistung, die einen Kompensationskondensator erforderlich
macht. Ferner ist das mechanische Brummgeräusch der Drosselspulen, das nicht ganz
vermieden werden kann, störend. Schließlich ist auch bei den üblichen Leuchtstofflampen
zum Zünden eine Vorheizung der Glühwendelelektroden und anschließend die Erzeugung
einer Induktionsspannung von über 500 Volt unter Verwendung eines sogenannten Glimmzünders
erforderlich. Dabei muß ferner in Kauf genommen werden, daß zwischen dem Einschalten
der Lampe und dem Zünden der Lampe eine zeitliche Verzögerung bis zu einigen Sekunden
eintritt.
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Es ist bereits ein transformatorloses Vorschaltgerät für die Speisung
von Gasentladungslampen aus dem Wechselstromnetz über Trockengleichrichter bekannt,
bei welchem der Gleichrichter in Spannungsverdopplerschaltung geschaltet ist. Bei
diesem bekannten Vorschaltgerät werden Elektrolytkondensatoren zur Siebung des Ausgangsgleichstromes
verwendet, um eine wirksame Glättung des Lampenstromes zu erreichen und damit eine
Flimmererscheinung zu vermeiden. Um eine stabile Gasentladung zu erreichen, sind
noch besondere Stabilisierungsmittel in Form eines der Gleichrichterschaltung vorgeschalteten
Kondensators und eines der Gasentladungslampe vorgeschalteten Widerstandes erforderlich.
Bei der erstrebten weitgehend konstanten Ausgangsgleichspannung des Vorschaltgerätes
sind verhältnismäßig umfangreiche Bauelemente erforderlich.
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Es ist schließlich noch ein Vorschaltgerät zur Speisung von Gasentladungslampen
unter Verwendung eines Gleichrichtergerätes in Spannungsverdopplerschaltung mit
einem nachgeschalteten Vorschaltwiderstand für die Gasentladungslampe bekannt, welches
in bezug auf den Brennstrom der Gasentladungslampe so bemessen ist, daß sich ein
Lampenstrom mit einem Wechselstromanteil mit doppelter Netzfrequenz ergibt, dessen
Scheitelwert so groß ist, daß der Lampenstrom je Periode des Wechstelstromanteiles
einmal etwa zu Null wird. Bei der bekannten Schaltung wird der Wechselstromanteil
des Lampenstromes mit Hilfe einer Drosselspule beeinflußt, welche entweder den Verbraucherwechselstromanteil
weitgehend unterdrückt oder so weit hindurchläßt, daß durch den Wechselstromanteil
gerade keine Unterbrechungen des Lampenstromes auftreten. Die Drosselspule bedingt
hier aber einen verhältnismäßig großen Aufwand. Auch können nicht Kondensatoren
mit geringstmöglicher Kapazität verwendet werden. Auch besteht die Gefahr, daß ein
Brummgeräusch auftritt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Vorschaltgerät zur Speisung
von Gasentladungslampen zu schaffen, das mit sehr geringem Aufwand und kleinen Abmessungen
herstellbar ist und dabei mit gutem Wirkungsgrad arbeitet. Dies wird bei einem Gerät
der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß als Vorschaltwiderstand
ein etwa 2004 der Lampenleistung aufnehmender ohmscher Beruhigungswiderstand vorgesehen
ist und daß zur Erzielung des Wechselstromanteiles des Lampenstromes die Kapazitäten
der Kondensatoren sowie die Strom-Spannungs-Kennlinie der Gleichrichterschaltung
dem Lampenstrom angepaßt sind.
Hierbei wird also die gewünschte
Welligkeit des Lampenstromes allein durch Anpassung der Kondensatoren und der Gleichrichter
an die GasentIadungslampe erreicht, wodurch sich ein VorschaItgerät mit äußerst
geringen Abmessungen und äußerst geringem Gewicht ergibt, das sogar in einfacher
Weise am Entladungsgefäß, vorzugsweise in der Nähe des Anschlußsockels, untergebracht
werden kann.
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Die Schaltelemente können so bemessen sein, daß der Lampenstrom während
einer Zeitspanne zu Null wird, die höchstens so groß wie eine halbe Wechselstromperiode
ist. In diesem Fall ergeben sich Kondensatoren mit kleinstmöglicher Kapazität, ohne
daß sich ein störendes Flimmern des Lichtes ergibt.
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Als Kondensatoren werden vorzugsweise Elektrolytkondensatoren verwendet,
die sich mit der erforderlichen Kapazität mit sehr geringen Abmessungen herstellen
lassen, so daß sich ein besonders kleines Vorschaltgerät ergibt.
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Das Gerät wird zweckmäßig mit einem Umpolschalter kombiniert, um dadurch
der Kathaphoreseerscheinung entgegenzuwirken, die nach gewisser Brenndauer zu einer
verschlechterten Lichtausbeute führen würde. Bei ortsfesten Anlagen kann das Vorschaltgerät
in der Nähe des Umpolschalters angeordnet werden. Die Erfindung ermöglicht ein Vorschaltgerät
mit so kleinen Abmessungen, daß dieses in einer gewöhnlichen Unterputzdose Platz
findet.
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Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigt F i g. 1 ein Schaltbild eines vorzugsweisen Ausführungsbeispiels
eines Vorschaltgerätes, F i g. 2 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der
Ausgangsspannung des Vorschaltgerätes nach F i g. 1 vom Lampenstrom, F i g. 3 und
4 oszillographische Darstellungen des Lampenstromes und der Lampenspannung bei verschiedenen
Gasentladungslampen mit erfindungsgemäß bemessenen Vorschaltgeräten.
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In F i g. 1 sind mit 10 und 11 die Eingangsklemmen des Vorschaltgerätes
bezeichnet, denen die Netzwechselspannung zugeführt wird. 12 und
13
sind Gleichrichterdioden, 14 und 15 Kondensatoren, vorzugsweise EIektrolytkondensatoien
mit geringem Verlustwinkel, die zu einer Spannungsverdopplerschaltung zusammengeschaltet
sind. An den Ausgang der Spannungsverdopplerschaltung ist die Gasentladungslampe
17 mit einem Vorwiderstand 16 angeschlossen.
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Wird das Gerät in bekannter Weise so bemessen, daß sich am Ausgang
eine im wesentlichen geglättete Gleichspannung ergibt, so sind noch besondere Stabilisierungselemente
erforderlich. So ist bei dem bekannten Gerät noch ein besonderer Stabilisierungskondensator
vorgeschaltet. Es ist natürlich auch möglich, den der Gleichrichterschaltung vorgeschalteten
Stabilisierungskondesator fortzulassen und den Vorwiderstand zu vergrößern. Es ergibt
sich aber dann eine vergleichsweise sehr hohe Verlustleistung in der Größenordnung
der Lampenleistung, wenn man davon ausgeht, daß das Verhältnis von Brennspannung
zu Leerlaufspannung erfahrungsgemäß etwa 0,5 bis 0,6 betragen soll.
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Die in F i g. 1 dargestellte Schaltung liefert bei einer Netzwechselspannung
von 220 Volt im Leerlauf eine Ausgangsgleichspannung von 624 Volt. Bei geeigneter
Dimensionierung der Gleichrichterdioden 12 und 13 und der Kondensatoren 14 und 15
bei gegebenem Lampenstrom läßt sich erreichen, daß die Ausgangsspannung infolge
Entladung der Kondensatoren um einen gewissen Betrag a absinkt (vgl. die Gerade
20 in F i g. 2), was sich im Sinne einer Stabilisierung der Gasentladung auswirkt.
Zur vollständigen Stabilisierung der Gasentladungslampe ist dann nur noch ein vergleichsweise
kleiner Vorwiderstand 16 erforderlich (vgl. Gerade 21 in F i g. 2), der bei Nennstrom
den Spannungsabfall b hervorruft. Der Widerstand 16 kann auch durch den natürlichen
Innenwiderstand der Kondensatoren, vorzugsweise der Elektrolytkondensatoren, gebildet
werden.
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Bei erfindungsgemäßer Bemessung der Schaltung ergibt sich ein Lampenstrom
mit einem hohen Wechselstromanteil mit Netzfrequenz, d. h., der Lampenstrom pulsiert
innerhalb einer Wechselstromperiode zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert.
Das günstigste Ergebnis wird erreicht, wenn der Minimalwert des Stromes etwa zu
Null wird, wobei dafür zu sorgen ist, daß dieser Nullwert nur während einer Zeitspanne
auftritt, die kleiner als eine Wechselstrom-Halbperiode ist. Vorzugsweise ist diese
Zeitspanne kleiner als der fünfte Teil der Halbperiode des Wechselstromes. Es wird
dann ein Erlöschen der Gasentladungslampe vermieden. Außerdem genügt für die vollständige
Stabilisierung der Gasentladung, insbesondere im Hinblick auf hochfrequente Wechselstromanteile,
ein Ohmscher Vorwiderstand, der nur etwa 20 1/e der Lampen-Ieistung aufnimmt. Bei
einem Wirkungsgrad der Gleichrichteranordnung allein von etwa 9511/o, ergibt sich
so ein Gesamtwirkungsgrad, der ebenso gut wie bei unmittelbarer Speisung der Lampe
mit Wechselstrom ist.
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Vorteilhaft ist ferner bei einem Vorschaltgerät in Spannungsverdoppler-
oder Spannungsvervielfacherschaltung, daß eine hohe Leerlaufspannung zur Verfügung
steht, so daß in Verbindung mit an sich bekannten Zündhilfen, wie z. B. Zündstreifen,
auf Glimmzünder verzichtet werden kann und sogenannte Kaltstartelektroden verwendet
werden können. Dabei läßt sich auch im Betrieb eine Spannung erreichen, die höher
als die üblicherweise zur Verfügung stehende Spannung ist, so daß Lampen mit höherer
Brennspannung verwendet werden können, bei denen der prozentuale Anteil des Kathodenfalls
an der Brennspannung verhältnismäßig gering ist, wodurch sich eine zusätzliche Verbesserung
des Wirkungsgrades ergibt.
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F i g. 3 zeigt eine oszillographische Darstellung der Lampenspannung
(oben) und des Lampenstromes (unten). Die Messung erfolgte bei einem Gerät, bei
dem als Gleichrichterdioden 12 und 13 Siliziumdioden verwendet wurden. Die Kondensatoren
14 und 15 haben eine Kapazität von je 8 gF. Der Vorwiderstand hatte einen Widerstandswert
von 220 Ohm. Die Netzwechselspannung betrug 220 Volt, die Lampengleichspannung 220
Volt und der Lampenstrom 0,200 Ampere. Es ist deutlich ersichtlich, daß der Lampenstrom
kurzzeitig zu Null wird. Es ist auffallend, daß der Lampenstrom einen sehr hohen
Wechselstromanteil enthält, während der Wechselspannungsanteil der Lampenspannung
verhältnismäßig gering ist.
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Eine besonders günstige Anordnung ergibt sich z. B. bei einer Reihenschaltung
von drei üblichen Leuchtstoffröhren von dreimal 40 Watt mit innen angeordnetem Zündstreifen
für Glimmstart, wobei
die Speisung über eine Gleichrichterschaltung
in Spannungsverdopplerschaltung gemäß F i g. 1 aus einem 220-Volt-Wechselstromnetz
mit 50 Hz erfolgt. Dabei werden als Gleichrichterelemente Siliziumdioden mit 800
Volt Spitzen-Sperrspannung für einen Einwegdauerstrom von 0,5 Ampere sowie Elektrolytkondensatoren
mit einer Kapazität von je 16 bis 20 J 350/370 Volt und ein Vorwiderstand von 200
Ohm verwendet. Zur besseren Abführung der Eigenverlustwärme der Elektrolytkondensatoren
ist es zweckmäßig, die Kondensatoren aus mehreren kleineren Einheiten, z. B. aus
vier Kondensatoren mit je 4 #tF zusammenzusetzen. Bei einem Lampenstrom von 0,34
Ampere und einer Gesamt-Lampenleistung vom 120 Watt beträgt die Verlustleistung
im Vorschaltwiderstand 200 - 0,342 = 23 Watt. Bei einem gemessenen Wirkungsgrad
des Gleichrichter-Vorschaltgerätes von 0,95 werden aus dem Wechselstromnetz
Wirkleistung aufgenommen. Der Gesamtwirkungsgrad der Anordnung einschließlich Verlustleistung
im Vorwiderstand ist dann
Der Wirkungsgrad ist damit besser als bei direkter Speisung aus dem Wechselstromnetz.
Das zugehörige Oszillogramm zeigt F i g. 4.
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Das Gewicht des letzterwähnten Gleichrichter-Vorschaltgerätes beträgt
etwa 200 g einschließlich des verwendeten Isoliervergusses und hat einen Rauminhalt
von etwa 1,5 -4- 10 = 60 cm,3. Da das Vorschaltgerät keinerlei magnetisierte Eisenteile
enthält, ist es völlig brummfrei. Der Leistungsfaktor cos 9p des Gleichrichter-Vorschaltgerätes
ist etwa 0,8 kapazitiv, was bei einer überwiegend induktiven Vorbelastung heutiger
Verbundnetze erwünscht ist. Das geringe Gewicht und die kleinen Abmessungen des
erfindungsgemäßen Gleichrichter-Vorschaltgerätes machen es möglich, eine Gasentladungslampe
mit einem beispielsweise spiralförmig verlaufenden Entladungsweg mit dem Vorschaltgerät
und einem normalen Schraubsockel zu einer baulichen Einheit zu vereinigen und in
normale Glühbirnenfassungen einzuschrauben. Es fallen damit die für übliche Gasentladungslampen
sonst notwendigen Halterungen und die hierfür erforderlichen Installationskosten
fort.