DE1943870A1 - Schaltung zum Betrieb eines Verbrauchers variabler Impedanz,beispielsweise einer Gasentladungslampe - Google Patents

Description

DIPL.-ING. GÜNTHER EISENFÜHR DIPL.-ING. DIETER K. SPEISER

PATENTANWÄLTE I 3 4 J ö ' U Aktenzeichen Neuanmeldung 28 B R E M E N 1

BORGERMEISTER-SMIDT-STR St

ANMELDERNAME RADIANT INDUSTRIES , INC . < Τ R Ι Ν Ι Ο A D - Η A U S )

TELEFON. (042I)JIIiTT TELEGRAMME: FERROPAT

BREMER BANK 100 9072 POSTSCHECK HAMBURG 2557B7 UNS. ZEICHEN R 28

Datum: 28. August 1969

RADIANT INDUSTRIES, Inc., eine Gesellschaft nach den Gesetzen des Staates Californien, 10900 Burbank Boulevard, North Hollywood. Calif. (V. St. A.)

Schaltung zum Betrieb eines Verbrauchers variabler Impedanz, beispielsweise einer Gasentladungslampe

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Betrieb eines Verbrauchers variabler Impedanz, beispielsweise einer Gasentladungslampe, aus einem Wechselstromnetz, die eine hohe Leerlauf- und eine niedrigere Lastspannung erzeugt.

Gasentladungslampen, beispielsweise Fluoreszenzlampen, Quecksilber-, Argon-Quecksilber-, Quecksilber-Xenonoder Xenon-Dampflampen, zeigen vor dem Ionisieren des Gases eine sehr hohe Widerstandscharakteristik. Die Schaltungen zum Betrieb dieser Lampen müssen eine hohe Zündspannung liefern. So erfordern sofort zündende und Bogenlampen im allgemeinen eine Leerlaufspannung von über 400 Volt, damit zur Zündung der Gasentladung Elektronen durch Feldemission emittiert werden. Nach der Ionisation zeigen die Lampen eine negative Widerstandscharakteristik, so daß der Dauerstrom begrenzt werden muß.

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Zur Erzeugung hoher Anfangsspannungen und zur Begrenzung des Dauerstromes für Gasentladungslampen dienten im allgemeinen Wandler mit hohem Blindwiderstand. Es wurden auch induktive Lasten für den gleichen Zweck verwendet. Vielfach wurde zusammen mit der Last ein Kondensator verwendet, um die hohe Anfangsspannung und/oder eine Korrektur des Phasenwinkels bzw. Leistungsfaktors zu erzielen. Ein Kondensator zur Erzeugung einer derartigen hohen Zündspannung muß von großer Kapazität sein, beispielsweise 100 Mikrofarad, und muß für eine Spannung von 450 Volt oder mehr ausgelegt sein. Die meisten für diesen Zweck geeigneten bipolaren Kondensatoren sind sehr voluminös und teuer. Elektrolytkondensatoren sind zwar billiger und kleiner als die meisten bipolaren Kondensatoren, zeigen aber mehrere Nachteile. So brauchen Elektrolytkondensatoren eine beträchtliche Zeit für das Sammeln der vollen Ladung. Weiterhin sind sie empfindlich gegen eine Änderung der Stromrichtung, ein Umkehren des Stromflusses kann unter Umständen zur Explosion des Kondensators führen. Daher wurde bei denjenigen Schaltungen, in denen Elektrolytkondensatoren enthalten waren, eine Masseverbindung vorgesehen. Derartige Masseverbindungen erschweren aber wiederum das Installieren dieser Schaltungen.

Es ergibt sich aus alldem die Aufgabe, eine Betriebsschaltung insbesondere für Gasentladungslampen zu schaffen, die die vorstehend genannten Nachteile der bekannten Schaltungen vermeidet.

Diese Aufgabe löst eine Schaltung der eingangs genannten Art durch einen zwischen eine WechseispannungsqueHe und zwei Verbraucher-Anschlußklemmen geschalteten, kiweiweggleichrichtenden Spannungsvervielfacher zur Abgabe einer

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Leerlaufgleichspannung, die den Scheitelwert der Wechselspannung um mehr als das Doppelte übersteigt, sowie durch einen zwischen die WechselSpannungsquelle und eine der Anschlußklemmen eingeschalteten Ladungsspeicher, der während einer Halbwelle der Wechselspannung eine der Ausgangsspannung des Vervielfachers proportionale ^Ladung aufnimmt und dessen Spannung sich eu der Scheitelspannung während der anderen Halbwelle zur Erzeugung der hohen, beispielsweise die Zündspannung eines Verbrauchers übersteigenden Leerlaufspannung addiert und schließlich durch ein Ventil, das die Ausgangsspannung des Vervielfachers an den Verbraucher gelangen läßt, wenn diese größer als dessen Betriebsspannung ist.

Erfindungsgemäß ist also eine Spannungsvervielfacher-Schaltung beispielsweise mit einer Gasentladungslampe Über eine Diode verbunden, so daß der Lampe bei begrenztem Strom aus einer Wechselspannungsquelle Energie zugeführt wird. Die Vervielfacher-Schaltung liefert Strom an die Lampe, wenn der Spannungsabfall über der Lampe geringer als die Ausgangsspannung des Vervielfachers ist. Zwischen der Wechselspannungsquelle und der Lampe liegt ein Kondensator an der Verbindung zwischen Diode und Lampe, der eine zur Vervielfacher-Ausgangsspannung proportionale Ladung während einer Halbwelle der Wechselspannung aufnimmt. Die Wechselspannung und die Spannung über dem Kondensator addieren sich während der nächsten Halbwelle, so daß sich ein hoher Spannungsimpuls zur Zündung der Lampe ergibt. Die Kapazität des Kondensators innerhalb der Vervielfacher-Schaltung ist groß bezüglich der Kapazität des über dem Vervielfacher liegenden Kondensators, so daß nach Zündung der Lampe der Vervielfacher im wesentlichen alle Energie an die Lampe abgibt.

Erfindungsgemäß ist also eine Betriebsschaltung an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen und liefert eine hohe

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Anfangsspannung und einen begrenzten Dauerstrom an einen Verbraucher variabler Impedanz, beispielsweise eine Gasentladungelampe. Die Schaltung enthält einen Spannungsvervielfacher zur Erzeugung einer Ausgangsgleichspannung, die im unbelasteten Zustand ein Mehrfaches des Scheitelwertes der Wechselspannung beträgt. Ein Ventil, vorzugsweise eine Diode, ist zwischen dem Vervielfacher und der Last eingeschaltet, so daß der Vervielfacher Ausgangsspannung an die Last abgibt, wenn der Spannungsabfall über der Last geringer als die Ausgangsspannung ist. Da die zur Zündung der Lampe benötigte Anfangsspannung die Vervielfacher-Ausgangsapannung übersteigt,ist ein Ladungsspeicher, beispielsweise ein Kondensator, zwischen die Wechselspannungsquelle und die Last eingeschaltet. Der Kondensator ist mit der Schaltung verbunden, um während einer Halbwelle der Wechselspannung auf die Vervielfacher-Ausgangsspannung aufgeladen zu werden und eine Spannung darüber zu erzeugen, die sich der Wechselspannung während der anderen Halbwelle addiert.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 die Schaltung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 Diagramme der Spannungsverläufe an beistimmten Punkten in der Schaltung nach Fig. 1; und

Fig. 3 die Schaltung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Nach Fig. 1 liegt eine Wechselspannungsquelle 10 über einen Schalter 18 an den beiden Eingangsbuchsen 12 und 14 eines Spannungsvervielfacher 16. Der Vervielfacher 16 ist ein gewöhnlicher Zweiweggleichrichter und enthält

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zwei Ladekondensatoren 20 und 22. Ein Glättungskondensator 24 liegt über den Kondensatoren 20 und 22. Der Kondensator 20 wird über eine Diode 26 während der positiven Halbwellen der angelegten Wechselspannung aufgeladen. Der Kondensator 22 wird während der negativen Halbwellen der angelegten Wechselspannung über eine Diode 28 aufgeladen. Jeder der beiden Kondensatoren 20 und 22 wird etwa auf den Scheitelwert der angelegten Spannung im unbelasteten Zustand aufgeladen. Die Kondensatoren 20 und 22 liegen in Reihe als Ausgang der Spannungsvervielfacher-Schaltung ,der von zwei Ausgangsanschlüssen 30 und 32 gebildet wird und zu einem Einwegventil bzw. einer Diode 34 führt. Die Ausgangsepannung des Vervielfachers ist gleich der Summe der Spannungen an den Kondensatoren 20 und 22.

Eine Gasentladungslampe 36 und ein induktiver Widerstand 38 liegen in Reihe über den Ausgangsanschlüssen 30 und 32. Die Drossel 38 ist auf die Resonnanzfrequenz der Lampe eingestellt und arbeitet als Zeitverzögerung. Sie verzögert und begrenzt den Energietransport von den Kondensatoren 20 und 22 zur Lampe nach deren Zündung. Die Diode 34 wird nur geöffnet, wenn der Spannungsabfall über der Last (Lampe und Drossel) geringer ist als die Ausgangsspannung des Vervielfachers 16.

Ein Ladespeicher in Form eines Kondensators 40 liegt zwischen der Eingangsklemme 12 und dem Ausgangsanschluß Der Kondensator 40 wird während der negativen Halbwellen der angelegten Spannung auf die Ausgangsspannung des Vervielfachers aufgeladen. Während dieser Perioden steht der Ausgangsanschluß 32 mit der Eingangsklemme 12 über die geöffnete Diode 28 in Verbindung, und der Kondensator liegt parallel zu dem Vervielfacherausgang bzw. dem Kondensator 24. Während der positiven Halbwellen der angeleg-

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ten Spannung wird die Spannung am Kondensator 40 zu der angelegten Spannung addiert. Während der gleichen Halbwelle wird die Spannung über dem Kondensator 22 auch zur angelegten Spannung addiert, wodurch sich eine Spannungsspitze an den Ausgangsanschlüssen im unbelasteten Zustand ergibt, die viermal so groß wie der Scheitelwert der angelegten Spannung ist.

Die Kurven in der Fig. 2 zeigen bei V₁₀ die angelegte Wechselspannung. Die Spannungen über den Kondensatoren 20, 22, 24 und 40 sind bei V₂₀, V₂₂, V₃₄ und V₄₀ aufgezeichnet. Die Spannung an den Ausgangsanschlüssen 30 und 32 zeigt die letzte Kurve bei V₃₄. Die Leerlaufspannung an den Ausgangsanschlüssen der Betriebsschaltung ist gestrichelt in die Darstellung bei V^₄ eingezeichnet. Diese Leerlaufspannung schwankt zwischen etwa denn Vierfachen des Scheitelwertes der angelegten Spannung und dem Zweifachen dieses Scheitelwertes, da die angelegte Eingangsspannung sich zu den Spannungen über den Kondensatoren 40 und 22 während der positiven Halbwellen addiert und während der negativen Halbwellen subtrahiert. Daher hat die Leerlauf-Ausgangsspannung der Schaltung die Kurvenform einer Sinusfunktion, deren Null-Linie bei einer Gleichspannung liegt, die etwa gleich dem Dreifachen des Scheitelwertes der angelegten Spannung ist. Wenn beispielsweise die angelegte Spannung V^₀ einen Wert von 120 V ,_ besitzt, was einer Scheitelspannung von 165 Volt entspricht, schwankt die Ausgangsspannung zwischen 330 und 660 Volt.

Die Zündspannung der Lampe 36 muß natürlich geringer «ein als die größte Spannung an den Ausgangsanschlüssen. In Fig. 2 wird die Zündspannung der Lampe zur Zeit t^ erreicht. Wenn die Lampe 36 zündet, dann liegt eine geringe Impedanz an den Ausgangsanschlüssen. Sofort nach der Zündung entlädt sich der Kondensator 40 über die Lampe 36,

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wie das aus dem Verlauf der Kurve V₄₀ zu erkennen ist. Zttr Zeit t. beginnen die Kondensatoren 20, 22 und 24 sich ebenfalls zu entladen· Im Zeitpunkt t₂ beginnt der Kondensator 22 sich erneut auf den Scheitelwert der angelegten Spannung V^₀ aufzuladen. Zur Zeit t^ beginnt die Spannungsquelle 10 mit dem erneuten Aufladen des Kondensators 20. Die Spannung V₂₄ am Kondensator 24 ist natürlich gleich der Summe der Spannungen an den Kondensatoren 20 und 22. Die Spannung an den Ausgangsanschlüssen während des Stromflusses durch die Lampe wird etwa gleich der Spannung an dem Kondensator 24 sein.

Die Kondensatoren 24 und 40 sind klein, verglichen mit den Kondensatoren 20 und 22. Die Werte dieser Kondensatoren können den unterschiedlichen Leistungsanforderungen angepaßt werden. Es hat sich beispielsweise ergeben, daß ein Wert von 30 Mikrofarad für die Kondensatoren 20 und 22 und ein Wert von 7 Mikrofarad für die Kondensatoren 40 und 24 eine Ausgangsleistung von etwa 400 Watt bei etwa 170 Volt ergibt. Alle Kondensatoren sind vorzugsweise bipolar, so daß sich eine Masseverbindung für die Schaltung erübrigt. Die Kondensatoren 20 und 22 müssen für eine Spannung ausgelegt werden, die mindestens gleich dem Scheitelwert der angelegten Wechselspannung ist. Die Kondensatoren 24 und 40 müssen eine Spannungsbelastbarkeit besitzen, die mindestens gleich dem Doppelten dieses Scheitelwertes ist.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung begrenzt den Ausgangsstrom, so daß eine gleichbleibende Leistungsversorgung für Verbraucher, etwa in der Form von Gasentladungslampen, sichergestellt ist, die eine negative Impedanzcharakteristik zeigen. Die Ausgangsanschlüsse der Schaltung können kurzgeschlossen werden, wobei die Ausgangsleistung Null ist und die Schaltung lediglich eine kapazitive Last darstellt. Es hat sich ergeben, daß die er-

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findungsgemäße Schaltung außerordentlich nützlich ist für die Abgabe einer hohen Anfangsspannung zur Ionisierung des Gases in Gasentladungslampen und für die Begrenzung des Stromes und der von der Lampe verbrauchten Leistung auf einen passenden Betriebswert.

Eine übliche Schaltung zum Betrieb von Metalldampf-Bogenlampen cur Beleuchtung öffentlicher Straßen und Wege ist in einem fest abgeschlossenen Gehäuse untergebracht und stellt eine gewichtsmäßige Belastung dar, die etwa 20 Kilopont beträgt; die Betriebstemperatur beträgt etwa 80 Grad C; schließlich sind diese Schaltungen außerordentlich teuer in der Herstellung und schwer zu warten. Die gewichtsmäßige Belastung durch eine mit den Merkmalen der Erfindung ausgestattete Schaltung für den Betrieb derartiger Lampen reduziert sich auf weniger als 2 1/2 Kilopont; die Betriebstemperatur beträgt etwa 38 Grad C, und die Schaltung ist schließlich preiswerter in der Herstellung und wesentlicher einfacher in der Wartung.

In Fig. 3 sind gleichartige Schaltungselemente mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 bezeichnet. Eine Drossel 50 liegt in Reihe zur Spannungsquelle 10. Die Drossel stellt einen induktiven Blindwiderstand dar, mit dem der Phasenwinkel bzw. der Leistungsfaktor der Schaltung durch Kompensation des von dem Vervielfacher 16 gezogenen Anfangsströmes korrigiert wird. Der Widerstandswert der Drossel 50 ist vorzugsweise so gewählt, daß sich ein insgesamter Leistungsfaktor von 0,9 bis 1,0 ergibt.

Die Ausführungsform nach Fig. 3 umfaßt ferner einen mechanisch gekoppelten Zugschalter 52, mit dem die Polari- ' tat der an der Lampe 36 liegenden Spannung jedesmal dann umgekehrt wird, wenn der Schalter 18 geschlossen wird. Diese Schaltung ist insbesondere für Lampen (beispiels-

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weise Quecksilberlampen) nützlich, in denen Elektronen emittierendes Material, etwa Thorium, auf Fäden oder Elektroden aus Wolfram aufgebracht ist. Die periodische Umkehr der Polarität der angelegten Gleichspannung reduziert oder sogar eliminiert die Neigung des emittierenden Materials, auf eine Elektrode zu wandern bzw. sich auf einer Elektrode anzusammeln. Der Wendeschalter 52 enthält zwei geeichte bzw. eingestellte Zugschalter 54 und 56, die von einem Elektromagneten 58 betätigt werden. Die Spule 58 liegt über den Eingangsklemmen 12 und 14, so daß die Kontakte 54a und 56a des Schalters 52 sich immer dann um 180 Grad drehen, wenn Spannung an die Schaltung angelegt wird. Die rotierenden Kontakte 54a und 56a sind mit den Ausgangsanschlüssen 30 und 32 verbunden. Die stationären Kontakte 54b und 54c sind mit entgegengesetzten Anschlüssen der Lampe 36 über die Drosseln 38 verbunden. Die stationären Kontakte 56b und 56c sind ebenfalls mit den beiden Lampenanschlüssen verbunden. Die rotierenden Kontakte 54a und 56a stehen mit den Kontakten 54b und 56b in einer Schaltstellung in Eingriff. Eine Drehung von 180 Grad bewirkt eine Drehung der Kontakte 54a und 56a, so daß sie an die Kontakte 54c bzw. 56c anliegen. '*" '

Dem Fachmann ist ohne weiteres klar, daß an den dargestellten Ausführungsformen der Erfindung noch mancherlei Änderungen vorgesehen werden können, ohne daß dabei von dem der Erfindung zugrundeliegenden Gedanken abgewichen wird. So könnte die Vervielfacherschaltung dahin ausgelegt werden, daß sie eine verdreifachte oder vervierfachte Ausgangsspannung liefert·

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Claims (4)

1. ANSPRÜCHE

   ' 1·' Schaltung zum Betrieb eines Verbrauchers variabler Impedanz, beispielsweise einer Gasentladungslampe, aus einem Wechselstromnetz, die eine hohe Leerlauf- und eine niedrigere Lastspannung erzeugt, gekennzeichnet durch einen zwischen Wechselspannungsquelle (10) und zwei Verbraucher-Anschlußklemmen (30, 32) geschalteten, Zweiweggleichrichtenden Spannungsvervielfacher (16) zur Abgabe einer Leerlauf-Gleichspannung, die den Scheitelwert der Wechselspannung um mehr als das Doppelte übersteigt; durch einen zwischen Wechselspannungsquelle (10) und eine der Anschlußklemmen (30) eingeschalteten Ladungsspeicher (40), der während einer Halbwelle der Wechselspannung eine der Ausgangsspannung des Vervielfachers (16) proportionale Ladung aufnimmt und dessen Spannung sich zu der Scheitelspannung während der anderen Halbwelle zur Erzeugung der hohen, beispielsweise die Zündspannung eines Verbrauchers (36) übersteigenden Leerlaufspannung addiert; und durch ein Ventil (Diode 34), das die Ausgangsspannung des Vervielfachers an den Verbraucher gelangen läßt, wenn diese größer ist als dessen Betriebsspannung.
2. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vervielfacher zwei Kondensatoren (20, 22) enthält, deren Kapazität größer ist als die Kapazität des LadungsSpeichers (40).
3. 3. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 für eine Gasentladungslampe, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Anschluß der Lampe (36) und einem Vervielfacherausgang (30) eine Induktivität (38) eingeschaltet ist, so daß der Leistungsfaktor der Schaltung zwischen etwa 0,9 und 1,0 liegt.

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4. 4. Schaltung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Wendeschalter (52), der die Lampe (36) relativ zu der an den Anschlußklenunen (30, 32) stehenden Spannung für die Unterdrückung der Wanderung des elektronenemissionsfähigen Materials in der Lampe umpolt·

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