DE1964765A1 - Schaltanordnung zum Zuenden und Steuern von Gasentladungslampen - Google Patents

Description

DiPL-INO. HANS WESTPHAL DSPL.-ing. KLAUS WESTPHAL

PATENTANWÄLTE

7730 VILUNGEN/Schwarxwald

Karlsruher Str. 13

Telefon: 07721 -2343

707.1 '

Cox & Company, Inc., New York, N.Y. IÖÖ03/USA

Schaltanordnung zum Zünden und Steuern von Gasentladungslampen

Bei der Steuerung von Gasentladungslampen zu Beleuchtungszwecken werden bisher bekannte Vörschaltgeräte verwendet, welche die Spannung erhöhen und während der Steuerung Strom abgeben. Die Steueranlage beruht auch vollständig auf einem Wechselstromsystem. Falls die ursprüngliche Spannungsquelle eine Gleichspannungs-

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quelle 1st, wird eine Umwandlungsschaltung zur Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung verwendet* Dementsprechend soll durch die vorliegende Erfindung eine Schaltanordnung zum Steuern von Gasentladungslampen aufgrund einer Niederspannungsquelle durch Anwendung einer einfachen und billigen Schaltung geschaffen werden.

Weiter soll durch die Erfindung eine tragbare Lichtquelle geschaffen werden_s welche bei maximaler Lichtstärke die mehrfache Lichtmenge abgibt, als sie mit . einer Batterie gleicher Größe unter Verwendung einer Glühlampe in der gleichen Zeitdauer erzielt werden kann. Erfindungsgemäß kann die gleiche Lichtquelle ohne Verminderung des Wirkungsgrades in einem weiten Bereich von Lichtstärken betrieben werden, wodurch die Lebensdauer der Batterie stark heraufgesetzt wird, wenn keine maximale Lichtstärke erforderlich ist.

Die erfindungsgemäße Schaltanordnung ist auch auf eine Notlichtanlage anwendbar, welche direkt an die Netzspannung angeschlossen ist und weiter brennt oder in Betrieb ist, nachdem der Strom unterbrochen igt. Die Zeitdauer des fortgesetzten Betriebes hängt von der Größe der Batterie»'welche im Dauerladezustand am Netz hängt_s wenn die Spannung eingeschaltet ist, und von der im Notzu- , stand gewünschten Lichtstärke ab.., ^ ,/,,,,

Ein weiteres Merkmal der Erfindung beruht in ihrer Anwendung auf eine Straßenbeleuchtungsanlage mit Gasentladungslampen, welche in Betrieb bleibt, wenn die■Span-

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nung unterbrochen Ist. Erflndungsgeraäß Ist darüberhlnaus die Helligkeit des Gasentladungslichtes leicht mit geringen zusätzlichen Kosten regelbar und die Gasentladungslampe liefert mehr Licht je Watt Eingangsleistung ale die gleiche Lampe unter Verwendung eines normalen oder üblichen Vorschaltgeräts.

Bei der Steuerung von Gasentladungslampen ist es erforderlich, zuerst einen Bogen innerhalb der Lampe zur Inbetriebsetzung derselben zu zünden. Nach Zündung des Bo- | gens ist eine zweite Steuerphase erforderlich« um das Licht der Lampe aufrecht zu erhalten, indem die auf die Lampe übertragene Leistung gesteuert wird» Diese Steuerwirkung wird erfindungsgemäß dadurch ausgeübt, daß den einzelnen Impulsen einer Impulsreihe gesteuerte Energiemengen zugeteilt werden. Eine weitere Steuerung der Leistungsübertragung auf die Lampe kann durch eine Änderung der Impulsfolgefrequenz erzielt werden. Es ist auch möglich, die Leistungsübertragung auf die Lampe durch Veränderung der Energie je Impuls und der Frequenz der Impulse zu steuern. Die Steuerung der Leistungs- ' Übertragung auf die Lampe ist vorteilhaft, da ein hoher Wirkungegrad bei diesen Verfahren der Helligkeitsrege- *

lung einer Gasentladungslampe im Gegensat ζ zu dein niedrigen Wirkungsgrad erzielt wird, welcher sich ergibt, weim eine Glühlampe durch ein beliebiges Verfahren In ihrer Helligkeit geregelt wird. Der höhe Wirkungsgrad ergibt sich, da die Helligkeitsregelung nicht zu einem Energieverlust führt. Infolge dieses Merkmals 1st die vorliegende Erfindung insbesondere für den Betrieb mit einer Gleichspannungsquelle, wie einer Batterie, geeignet, ,

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da die Leistung der Batterie unter diesen Umständen geschont werden kann. Durch Anwendung dieser Helligkeitsregelung kann die Zeitdauer, in der die Lichtabgabe mit einer bestimmten Batterie aufrechterhalten werden kann, in NotSituationen verlängert werden*

Die Erfindung betrifft eine Schaltanordnung zum Steuern von Gasentladungslampen mit Hilfe einer tragbaren* Gleichspannungsquelle. Von einem Impulsgenerator ausgesandte Impulse'werden gleichzeitig auf die Basis eines Schalttransistors und eines Zeitsteuertrartsfbrmätors gegeben. Nach Sättigung des letzteren baut sich durch Anlegen eines Induktors an der zu steuernden Lampe eine Spannung auf. Im Induktor gespeicherte Ener- . gie wird auf die Lampe bei deren Zündung übertragen. Die Beziehung zwischen der Steuerung der Lampe und des Transistors ist derart, daß diese beiden Elemente ausser Phase betrieben werden. Eine Helligkeitsregelung wird entweder durch Änderung der den einzelnen, vom Impulsgenerator abgegebenen Impulsen zugeteilten Energie b oder durch Änderung der Impulsfrequenz oder durch beide Maßnahmen zusammen erreicht. Eine auf den Kern des Zeitsteuertransformators gewickelte Steuerwicklung dient als Steueranordnung zum Steuern der Impulsbreite der Impulssignale. Wenn der Transistors durch seine Wech-, selwirkung mit dem ZeitSteuertransformator abgeschaltet wird, baut sich die Spannung an der Lampe auf, bis die Zündung eintritt. Bei dieser Zündung der Lampe wird die Impulsenergie auf die Lampe übertragen, so daß diese in gesteuerter Weise leuchtet. Der Transistor und der Zeitsteuertransformator können durch eine Schaltanordnung ersetzt werden, welche gleiche Ergebnisse erzielt,

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Anhand der Figuren werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert* Es zeigt

Figur 1 ein elektrisches Schaltbild der gemäß der Erfindung zum Zünden und Steuern von Gasentladungslampen verwendeten Schaltung,-

Figur 2 ein Schaltbild einer anderen Aüsführungsform der in Figur 1 gezeigten Schaltung, bei welcher eine Steuerwicklung zur Helligkeitssteuerung der Lampe verwendet wird,

Figur 3 ein elektrisches Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der in Figur 2 gezeigten Schaltung,

Figur 4 ein elektrisches Schaltbild einer Schaltanordnung zur zuverlässigen Zündung und Steuerung· von Natrium-Höehdrucklampen,

Figur 5 ein Wellenformdiagramm,in welchem die in der Schaltung gemäß Figur 1 vorkommenden Strom- und Spannungsänderungen dargestellt sind,

Figur 6 eine graphischeDarstellung der an der PrI- . märwicklung des in Figur 1 gezeigten Induktors 'auftretenden Spannung und !

Figur 7 eine graphische Darstellung der magnetischen Kennlinie .des Kerns des in Figur i gezeigten Induktors. —

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Ein Oszillator 100, welcher als Zündschaltung für eine Gasentladungslampe dient, ist Über einen Schalter 10*1 an eine Gleichspannungsquelle 102 angeschlossen. Die Gleichspannungsquelle 102 kann die Form einer Gleichstrombatterie besitzen. Die«Sekundärwicklung108 eines Zeitsteuertransformators 106 ist parallel zum Ausgang des Oszillators oder Impulsgenerators 100 geschaltet. Die Ladewicklung 116 des Induktors 114 und die Primär-

^ wicklung 110 des Transformators iO6 sind in Reihe mit dem Emitter-Kollektor-Kreis eines Transistors 112 geschaltet. Die Reihenschaltung des Ladewiderstands 116/ der Primärwicklung 110 und des Emitter-Kollektor-Kreises des Schalttransistors 112 ist an die beiden Pole der Gleichspannungsquelle 102 angeschlossen. Die Wicklung 116 des Induktors 114 ist zwischen die Gleichspannungsquelle 102 und eine Klemme der Primärwicklung des Transformators 106 geschaltet. Mit der Wicklung 116 ist eine Wicklung 118 des Induktors Il4 elektromagnetisch gekoppelt. Die Wicklung 118 ist über eine Sperr- ' diode 122 mit der zu zündenden Gasentladungslampe 120

* in Reihe geschaltet.

Wenn der in Figur 1 gezeigte Schalter 104 geschlossen ist, so sendet der Impulsgenerator 100 in periodischen Zeitabständen Impulse aus und gibt dieselben auf die Basis des Transistors 112 sowie auf die Wicklung 108 des Transformators 106. Der Impulsgenerator oder Oszillator 100 kann eine Unijunktions-Schaltung sein, von der man einen normalen Impuls mit einer Amplitude von 2 Volt und einer Impulsdauer von 10 Mikrösekunden erhält. Wenn man einen solchen Impuls auf die Basis des

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Schalttransistors 112 gibt, wird der letztere eingeschaltet und kommt in den leitenden Zustand. Infolge dieses Zustande des Transistors 112 fließt Strom durch den Eraltter-Kollektor-Kreis des Transistors sowie die Wicklung 110 und die Ladewicklung 116, welche damit in Reihe geschaltet sind. Infolge des Stromflusses durch die Primärwicklung 110 des Transformators 106 wird ein Stromfluß in der Sekundärwicklung 108 dieses Transformators induziert. Der induzierte Strom in der Wicklung j 108 besitzt solche Polarität, daß dieser durch die Wick- lung 108 fließende Strom den Transistor 112 noch stärker leitend macht oder noch weiter einschaltet. In diesem voll leitenden oder eingeschalteten Zustand wird der Schalttransistor 112 gesättigt und der Strom von der Spannungsquelle 102 steigt Infolge der Wicklung 116 des Induktors 11*5 linear an. Der Induktor IiM beginnt Energie gemäß dem Ausdruck 1/2 Li su speichern. Während der Übergangsperiode steigt der Stromfluß durch, die Wicklung 116, bis der Transformator 106 gesättigt 'wird-·. . '

Wenn sich der Zeitsteuertransformator 106 im gesättigten Zustand befindet, Wird kein weiterer Strom in der \ Wicklung 108 des Transformators induziert, um den Transistor 112 im eingeschalteten Zustand zu halten. Infolge dieses Zustandes, in welchem kein weiterer Strom durch die Wicklung 108 fließt, beginnt der Transistor 112 abzuschalten oder in den nichtleitenden Zustand zurückzukehren. Während der Zeltperiode, während der der Transistor abschaltet, sinkt die Spannung in der Wicklung 110 des Transformators 106. Dieser Spannungsabfall beruht darauf, daß die Polarität des veränderlichen Mag-

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netflusses im Transformator umgekehrt wird.

Infolge des Zustande-, daß die Magnetflußänderung im Transformator 106 ihre Polarität umgekehrt hat, wird auch der durch die mit diesem Magnetfluß verkettete Wicklung 108 induzierte Strom entsprechendvseiner Polarität umgekehrt. Diese Umkehrung der Stromrichtung durch die Wicklung 108 hat die Wirkung, daß der Schalttransistor 112 weiter abgeschaltet wird. Diese Umkehrung des Stroms in der Wicklung 108 dient daher zur Beschleunigung der Abschaltzeit des Transistors 112.

Da der Stromkreis durch den Transistor 112 unterbrochen 1st, wenn der letztere abgeschaltet 1st, bewirkt die in der Wicklung 118 während der löLtung des Transistors 112 gespeicherte Energie einen Stromfluß durch die Wicklung 118 des Stromkreises. Infolgedessen steigt die Spannung an der Lampe ,120, bis die Lampe zündet. Wenn die Lampe auf diese Weise gezündet ist, fließt Strom durch die Lampe in abklingender Stärke und gibt dadurch die vorher in der Wicklung 1Ϊ8 gespeicherte * Energie an die Lampe ab.

Im Gegensatz zu allen bekannten Anordnungen, bei welchen ein Transistor für die Steuerung einer Gasentladungslampe verwendet wird, wird durch die vorliegende Erfindung der Zustand verwirklicht, daß die Steuerung des Transistors und diejenige der Lampe vollständig außer Phase sind. So befindet sich die Lampe im entzündeten Zustand, wenn der Transistor 112 abgeschaltet ist und umgekehrt. Wenn die Lampe 120 auf diese Weise gezündet

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ist und vorher gespeicherte ".Energie an die Lampe abge- . ■ geben wirdj tritt ein neuer Impuls am Ausgang des Oszillators 1OÖ zum Einleiten eines neuen Arbeitszyklus auf. ■'.- ■:■■'■.'■ ■'. ■ ' . ν - " ■;. .,-■;■■■■'■

Eine" Helligkeitsregelung der Lampe 120 kann durch Veränderung der Impulsfolgefrequenz; des Oszillators oder Impulserzeugerkreises 100 durchgeführt werden. Die Im- g pulsfolgefrequenz ist so hoch, daß die Äugen des Beobachters infolge der natürlichen Trägheit des menschlichen Auges das Blitzen der Lampe nicht sehen. Wenn daher die Frequenz erniedrigt wird, sieht der Beobachter lediglich eine Helligkeitsverminderung!, Je höher die Impulsfrequenz ist, desto heller seheint die Lampe zu leuchten.

Ein anderes Verfahren zur Durchführung einer Helligkeitsregelung beruht darin, die Impulsfolgefrequenz konstant zu halten und den Energieinhalt des einzelnen Impulses zu verändern. Eine Anordnung, bei welcher die letztere Art der Helligkeitsregelung verwirklicht ist, ist in I

Figur 2 gezeigt. ' ■ . ' -

Bei dieser Anordnung zur Helligkeitsregelung der Lampe ' durch Änderung der Impulsenergie ist eine Steuerwicklung 126 im Zeitsteuertransformator 106 enthalten. Die Steuerwicklung 126 ist mit einem veränderlichen Widerstand 128 in Reihe geschaltet. Die Reihenschaltung der Steuerwicklung un_jd dieses veränderlichen Widerstands ist ihrerseits an die beiden Pole der Gleichspannungsquelle 102 angeschlossen. Der Impulsgenerat or- 12¹I mit

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fester Frequenz ersetzt bei dieser Anordnung den Oszillator oder Impulsgenerator 100 gemäß Figur 1. Die : übrige Schaltung in der Figur 2 entspricht derjenigen der Figur 1.

Durch Veränderung der Einstellung des veränderlichen Widerstands 128 wird der Strom durch die Steuerwicklung 126 entsprechend geändert. Infolge dieser Stromänderung in der Steuerwicklung 126 wird auch der anfängliche Magnetfluß im Kern des Transformators 106 verändert und dementsprechend wird die Energie innerhalb des einzelnen Impulses verändert. Dies beruht auf der Bedingung, daß der Energieinhalt eines einzelnen Impulses von der Flußänderung im Kern des Transformators 106 abhängt. Da die Lichtstärke der Lampe 120 von der der Lampe zugeführten Energie abhängt, kann eine Helligkeitsregelung der Lampe durch Verminderung des Energieinhalts des einzelnen Impulses mittels Veränderung des Stroms in der Steuerwicklung 126 erreicht werden.

Eine weitere Anordnung zur Helligkeitsregelung der Lampe 120 durch Veränderung der Impulsbreite der zum Entzünden der Lampe verwendeten Impulsreihe ist in Figur 3 gezeigt. Eine solche Änderung der Breite oder Dauer des Impulses kann erreicht werden, indem ein veränderlicher Widerstand 130 in Reihe mit der Wicklung 108 vorgesehen wird, wie in Figur 3 gezeigt. Bei dieser Anordnung bleibt die Impulsfolgefrequenz konstant, während die Impulsbreite durch Einstellung des veränderlichen Widerstands 13© verändert wird. .Eine Klemmdiode 132 ist bei der in Figur 3 gezeigten Anordnung

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vorgesehen, um zu gewährleisten, daß kein weiterer Zündimpuls vom Impulsgenerator 124 ausgesandt wird, bis der Transformator 106 einen vollständigen Arbeitszyklus durchlaufen hat. Gleichzeitig verhindert die Klemmdiode 132 die Aufgabe übermäßiger Spannungen auf den Impulsgenerator oder Oszillator 124:. Der letztere ist In Figur 3 ausführlicher dargestellt als In Figur

Der Widerstand 130 kann nichtlinear sein, wie es bei- '

spielsweise bei einem Wolframdraht der Fall 1st. Eine solche Eigenschaft wird gewählt_a um den Einschaltstrom gewisser Hochdruck-En&ladungslampen £u begrenzen_e In diesem Fall 1st unmittelbar nach der Zündung des Bogens die Batteriespannung taeh genug_s um einen Gleichstrom durch den Induktor il4 aufrechtzuerhalten^/während die Lampe noch kalt 1st. Der Lampenstrom fällt am End© der Entladungsperiode nicht ab. Daher¹ fließt beim Einsetzen* des nächsten Steuerimpulses Strom Im Induktor 114, Dies kann eine Stromsteigerung im Transistor 112 bis zu die Sicherheit übersteigenden Werten hervorrufen.

Der Strom Im Widerstand IJO ist direkt proportional zum Kollektorstrom des Transistors 112. Der Widerstand 130 kann eine Wolframdrahtlampe sein, welche unterhalb Ihrer Normalspannung am "Knick" der Strom-Spannungskennlinie des Drahtes betrieben wird. Dadurch wird der Draht erhitzt und die an demselben liegende Spannung steigt scharf an, was eine frühere Sättigung des Zeitsteuertransformators 106 hervorruft. Dadurch wird die Energiespeicherung Im Induktor 114 verringert. Wenn ' sich die Lampe erwärmt₉ beginnt der Gleichstrom zu sinken.

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Der Widerstand 130 kühlt sich ab, sein Widerstand sinkt und die in der Wicklung 108 induzierte Spannung fällt scharf ab, wodurch- eine abermalige Verbreiterung des Impulses hervorgerufen wird. Diese Wirkung begrenzt den Einschaltstrom so, daß er etwas höher ist als der normale Strom, und schützt dadurch den Schalttransistor 112.

Weitere Verbesserungen für die Wirkungsweise der Lampe lassen sich durch, die in Figur 4 gezeigte Anordnung erzielen. Bei dieser Schaltanordnung ist eine weitere Wicklung 138 am Induktor Il4 vorgesehen. Diese Wicklung 138 weist eine verhältnismäßig große Anzahl von Windungen auf und erhöht dadurch die an die Lampe angelegte Zündspannung. Die Wicklung 138 liegt in Reihe mit einem Kondensator 142, welcher den Stromfluß nach Zündung der Lampe 120 begrenzt. Der in Reihe mit dem Kondensator 1.42 liegende Widerstand l44 dient zur Verringerung des Leistungsverlustes in der Wicklung 138. Die - ganze Reihenschaltung der Wicklung 138, des Kondensators 142 und des Widerstands 144 wird direkt parallel zur Lampe 120 geschaltet.

Wie in Figur 4 gezeigt, können zusätzliche Transistoren parallel zum Transistor 112 geschaltet werden, um die geforderte Stromabgabe dieses einzelnen Transistors zu verringern. Dabei sind die Basen der zusätzlichen Transistoren 146 mit der Basis des Transistors 112 verbunden. In gleicher Weise sind die Kollektoren und Emitter der Transistoren 146 und 112 miteinander verbunden. Infolge dieser gegenseitigen Verbindung der Transistoren

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sind diese parallel geschaltet und teilen sich in die erforderliche Strombelastung.

Ein weiteres Merkmal der in Figur 4 gezeigten Anordnung beruht in der Hinzufügung einer Spule i4o, welche auf den Transformator 106 gewickelt ist. Diese Spule oder Wicklung l40 dient zur Impedanzanpassung bezüglich des Impulsgenerators 124» Die Wicklung l40 wirkt auf die Wicklung 108 ein und dient dadurch ate Zwischenglied zwischen dem Impulserzeuger 124und der Wicklung 108 des Zeit Steuertransformator s. Statt direkt mit der Wickelung 108 verbunden zu sein, wie in den Figuren 2 und 3, ist der Impulserzeuger mit der Impedanzanpassungswicklung l40 verbunden, die wiederum auf die Wicklung 108 einwirkt* Der Ausgang des Impulserzeugers wird daher direkt auf die Wicklung l40 gegeben, welche eine enge Impedanzanpassung an den Impulserzeuger 124 ermöglicht. Eine weitere auf den Induktor, 114 gewickelte Wicklung 134 liegt in Reihe mit der Wicklung oder Spule 108. Diese weitere oder Hilfswicklung 134 trägt weiter zu einer verbesserten Zündcharakteristik der Lampe 120 bei. Durch Einschluß der Wicklung 134 werden daher die Impulseigenschaften so verändert, daß die Zündeigenschaften des Impulses verbessert und eine zuverlässigere Zündung der Lampe 120 gewährleistet werden.

Eine auf den Induktor Il4 gewickelte Rückkopplungswicklung 136 -^gt an den beiden PoIm der Gleichspannungsquelle 102 zum Rückkoppeln der Energie in die Spannungsquelle, falls die Lampe nicht zündet. Die in Reihe mit der Wicklung 136 geschaltete D|ode l48 gewährleistet, daß der Stromfluß die für die Rückkopplung in die

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Gleichspannungsquelle richtige Richtung besitzt. Die Diode l48 lenkt daher den Strom zurück in die Gleichspannungsquelle, während gleichzeitig das Kurzschließen derselben durch die Wicklung 136 verhindert wird.

Die rechnerischen Überlegungen, welche die Auswahl der Komponenten zur Gewährleistung einer richtig arbeitenden Schaltung gemäß der Erfindung bestimmen, werden nachfolgend angegeben. Die Symbole und Ausdrücke werden folgendermaßen definiert:

Ebb Batteriespannung

Vg Zündspannung einer kalten Lampe

ν_σ Haltespannung

P_n Leistungsabgabe an die Lampe bei maximaler ^υ Intensität

übersetzung = des Induktors 114

v. Durchlaßspannungsabfall des Schalttransistors

X Leitfähigkeitsverhältnis des Schalttransistors

P der Batterie entnommene Leistung

ψ P der Lampe zugeführte Leistung

η Wirkungsgrad -

I₁ "Schalttransistorstrom

Ip Lampenstrom

I Spitzenwert des Eingangsstroms

V„_E Basis-Emitter-Spannung des Transistors 112

L Induktivität der Primärwicklung des Induktors 114 ·

V_CE maximal zulässige Kollektor-Emitter-Spannung max des Schalttransistors 112

T Zeit bis zum Ende eines vollen Arbeitszyklus

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4 B^_c Änderung der Flußdichte Im Induktor IdA-.A Querschnittsfläche des Eisenkerns.

Die Auswahl des Schalttransistors 112 erfolgt auf der Grundlage des Spitzeneingangsstromes* Dieser kann seinerseits durch Überlegungen bezüglich der Ausbildung des Induktors 114 bestimmt werden. Wenn man annimmt, daß im Zeitpunkt t = 0 der Transistor 112 einen "Ein"-Impuls j vom Impulsgeber 100 oder 124 empfängt_s dient der Zeitsteuertransformator 106 zur positiven Rückkopplung» um den Transistor schneller einzuschalten» Die-.Wirkung ist so, daft sich ein Lawlnendurehbrueh zum Schalten des* Transistors In seinen eingeschalteten Zustand ergibt. Während des Übergangs gust &nds baut sich des³ .Strom I₁ äuf,_ bis der Zelt8teue£>&?an&farmatur 10β gesättigt Ist_o Der Kollektorstrom des Transistor wird soäEsm etesh öen niedrigen Wert der Frimärlnäuktlvittt des Z©£t®t©u@s·" transformators 106 abgezweigt. Infolgeöesssra sinfet d@r * Kollektorstrom und dadurch wird der steuernd© Basis- . strom des Transistors weiter vermindert. Der Schalttransistor 112 kommt dementsprechend durch die Wirkung j

der Umschaltung lawinenartig in seinen abgeschalteten Zustand. Wenn die Zeit bis zur Sättigung mit XT bezeichnet wird, dann gilt

_Cl0>

L wird durch den zwischen d^en Magnet flächen im Kern des Induktors vorhandenen Luftspalt hervorgerufene Da die Eingangsleistung gleich der Batteriespannung multipliziert mit dem Durchschnittswert des EingangsStroms ist

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(wobei die Batterieimpedanz als vernachlässigbar klein angenommen wird), so gilt

2P_rt

I_n = (11)

^p η Ebb (X + )

Zur Bestimmung des Übersetzungsverhältnisses "a^M wird angenommen, daß der Schalttransistor 112 zum Zeitpunkt t = XT umgeschaltet hat und I^ auf Null abfällt. Da die Amperewindungen in einem Induktor sich nicht plötzlich ändern können, schaltet der Strom auf I^ in der Wicklung 118 des Induktors 114 und wird gegeben durch I /a. Die Wellenformen der Ströme I. und I«, sowie die ρ ι d

an der Lampe 12Ö auftretende Spannung sind in Figur 5 dargestellt.

Der Stromübergang ist von einer hohen übergangsspannüng begleitet und da die Amplitude dieser Übergangsspannung nur durch die Zündspannung der Lampe 120 begrenzt 1st, findet eine Zündung der letzteren statt. Diese Zündspannung der Lampe wird mit V_B bezeichnet* Diese sieh ergebende Spitzenspannung oder Zündspannung wird zum Transistor 112 zurückreflektiert, welcher sich nun im gesperrten Zustand befindet, da die Wicklungen 116 und Il8 am Transformator oder Induktor 11ή stark gekoppelt sind.

Auf der Grundlage der maximalen Kollektor-Emitter-Spannung V_rF , welche aus dem Nennwert des gewählten Tran-

sistors bestimmt wird, gilt

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"V_R.-- Ebb .

^a - (12)

Die Gleichung (12) zeigt, daß das Verhältnis a durch die Eigenschaften: der Lampe, die Batteriespannung und den sicheren Betrieb des Schalttransistors 112 festgelegt oder bestimmt ist. ■. _

Das Leitfähigkeitsverhältnis X kann mit Bezug auf Figur 6 abgeleitet werden, welche die Wellenform der an der Wicklung 116 des Induktors 114 auftretenden Spannung zeigt. Wenn der Wickluhgswiderstanä und die Zündimpulsfläche vernachlässigt werden, so muß die Spannung am Induktor Null sein, wenn sie über" einen vollen Arbeitszyklus gemittelt wird. Daher gilt

■"■-'■'" y§: -· Ebb -~ ■ '

^{X =}

(a-l)Ebh -

Die Gleichung (13) beruht auf der Annahme, daß die Lampe 120 während der Zeitdauer(1-X)T ständig leitet.

Um sicherzustellen, daß der Magnetkern des Induktors Il4 nicht gesättigt wird, und um den Kernverlust des Induktors zu bestimmen, ist es wesentlichi; die Spitzenflußdichte abzuschätzen, welche im UmschaltZeitpunkt des Schalttransistors 112 auftritt* Aus Figur 7 und aus der Annahme, daß der Lampenstrom am Ende eines vollen Arbeitszyklus klein ist, folgt

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r - XT(Ebb-Vt)lQ⁸

ac - —ϊς^Ίς——

Der Kernverlust kann aus den Angaben und Tabellen des Herstellers bestimmt werden*

Um den Kupferverlust des Induktors 114 ζω bestimmen, ist es wesentlich, daß die Effektivwerte der Ströme in den Induktor spulen berechnet werden« Wenn man die Effektivwerte in den Wicklungen II6 und 118 Jeweils mit

hi6

Der zweite Ausdruck unter der Wurzelider Gleichung (15) stellt den Beitrag des Lampenstroms zur Erhitzung der Primärwicklung II6 dar. Dieser zweite Ausdruck kann jedoch im allgemeinen im Vergleich zum ersten Ausdrück unter der Wurzel vernachlässigt werden.

Der Zeitsteuertransformator ist ein kleiner, sättigbarer Stromtransformator, bei welchem die Primärwicklung in Reihe mit dem Kollektor des Transistors 112 liegt« Die Sekundärwicklung dieses Transformators ist parallel zum Bais-Emitter-Kreis des Transistors geschaltet· Die übersetzung dieses Transformators wird gegeben durch

C17)

^N110

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wobei A die Schaltstroraverstärkune des Transistors unter den nachteiligsten Bedingungen ist.

UIe Zeltspanne XT wird durch die Wechselwirkung der magnetischen Kennlinie dee fce^teteuertransformators 106 mit der Baeis-Emitter-Spannung V^_E an der Wicklung 108 Daher gilt

wobei
fläche des
lung 108 und
tore 112 1st

Zur Auebilcäung der"

Zeitsteuefftransformators 106 kann der■-^ in Pop» eines Toroida lait; rechteckiger. Hystereseschleife hergestellt werden» Der Kern wird so gewählt_s daß

wobei B_ die Sättigungsflußdichte ist. Ein des Zeltsteuertransformators 106 wird schneller gesättigt als ein geschichteter Blechkern und dies führt zu geringeren Leistungs Verlusten im Transistor.

Bei einer anderen Ausföhrungsform des ^eitsteuertrans·- formators 106 besteht der Kern aus "EI"- oder ¹¹F¹¹^fOr-- ©igen Bleehpak&en, welche einen natürlichen Luftspalt

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009831/1006 ". , . '

aufweisen. Da Transformatorstahl nur eine geringe magnetische Permanenz aufweist, reicht der kleine Luftspalt aus j um den Kern zurückzustellen., so daß B =0. Bei einem Verfahren zur Steuerung der Impulsdauer werden Blechschichten hinzugefügt oder weggenommen» Wenn die Einstellung durchgeführt ist, bleibt die Steuerimpulsdauer bestehen«, Dieses Verfahren kann aus Gleichung (1*0 abgeleitet "werden, welche anzeigt, daß XT proportional zu A- ist» Das andere Verfahren der Impulsbreitensteuerung beruht auf der Schaltung gemäß Figur 3, in welcher'der veränderliche Widerstand 130 in Reihe mit der Basis des Transistors 112 geschaltet ist. Zusätzlich zu den bereits erwähnten Punktionen verhindert die Klemmdiode 132 eine Frequensverschlebung des Oszillators oder Impulsgebers 124 infolge der natürlichen' Plußrückführungsspannung des. ZeitSteuertransformators 106* Durch eine Erhöhung des Widerstands 130 wird die. Spannung an der Wicklung 108 erhöht. Aus der Gleichung (18) ist ersichtlich, daß V_ßE durch eine Erhöhung des Widerstands 130 steigt,, und dadurch wird XT vermindert.

Die in der Schaltung durch das Einsetzen des Wider- ~ stands 130 in Figur 3 auftretenden Verluste sind klein, da die Ausgangsleistung annähernd proportional zu (XT)2 ist.

bei der Durchführung der vorstehenden Berechnung wurden einfache lineare Stromabfall-Kennlinien angenommen, wie in Figur 5 gezeigt» Die tatsächliche Strom-Spannungs-Kennlinie einer normalen Fluoreszenzlampe ist jedoch nicht linear und zeigt starke %-sterese-£igensehaften„

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Der durch die Rechnungen hereinkoiMeride Fehler beeinflußt jedoch nur den Wert des Effektivstroms in der Hochspannungswicklung des Induktors 114. Bei der Berechnung des gesamten Transformatorverlustes dieses Induktors ist dieWirkung dieser üngenauigkeit vernachlässigbar. "". ..";■.;. _v .-_-."■.-■"

Der äquivalente Innenwiderstand der Batterie ändert "j

sieh mit dem Ladungszustand deiv Batterie und deren früherem Arbeitsablauf. Für Nickel-Gadmium-Batterien und Blei-Säure-Batterien ist jedoch der Innenwiderstand ausreichend niedrig» so daß die durchschnittHche Klemmenspannung bei Anlegen des Induktors ilA als Ebb bezeich- net werden kann. Kohlenstoff-Zink-Batterien haben einen verhältnismäßig hohen Innenwiderstand. Es ist zweckmäßigy einen Wechselstrom-HebenschlußkondensatOr parallel zu den Batterieklemmen zu legen, um den Wirkungsgrad der Energieumwandlung in- der Anlage zu verbessern.

Bei Betrieb der in Figur H gezeigten Schaltung schalten Impulse vom Impulsgeber oder Generator12k denTransis- · j tor 112 ein. Infolgedessen schaltet der Kondensator 1^2 die Diode 122 durch* Bei Beendigung der Einschaltperiode schaltet der Transistor 112 um. Der in der Wicklung 138 erzeugte SpannungpBtoß wird der während des Einschaltzyklus gespeicherten Spannung überlagert und daher ist die Spitzenspannungsbelastung an der Wicklung 138 so klein wie möglich gemacht. Die Lampenspannung steigt sodann auf die Zündspannung der Lampe an, in welchem Zeitpunkt der Bogen gezündet und die Lampe daher eingeschaltet wird. Wenn der Bogen gezündet ist, begrenzt

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der Kondensator l42 den Stromfluß -durch die Wicklung 138, da er ein Element mit hoher Impedanz ist» Ab diesem Zeitpunkt ist Wirkungsweise und Steuerung der Schaltung so, wie ©s oben in beziug auf den Induktor 114 beschrieben würde. Die Wicklung 136 am Induktor 114 wird für eiae automatische Schutzwirkung verwendet, falls 4er Bogen der Lampe bei einem Versuch nicht gesundet wird oöe'r wenn der Lampenstrom zufällig ausfällt. Die-im Induktor 11k gespeicherte Energie wird dabei auf al® Grleichspannungsquelle sns'ttek.üfe Ohne-diese'Uicklimg und die Diode würde die am Transist©!? 112 "^anteigen, bis der Dngehteusii erfolgt. Die Wickimg 136 w$& <öi© Öiode 148 wirken als

weg für diese Eae^gie sw? Spanaüiragseiiaelle- bildeiao Di© Windungszahl ü<bi? liielslnuag 13β 1st so Sm-Ji-SiIt_x, daS bei normalem Betrieb Imin SfcSOa fIiQSt₀ Mea 136 Jedoch £tr dl© Ausführung lh%<BW> Sle beanspruciit wird_s so wird d'ie _Kollel£toff nung des Transistors 112 sicher unterhalb der "Durch·=.

bruchspannung gehalten.

Es ist festzustellen, daß jeder der oben beschriebenen Teile oder auch zwei_:oder mehrere Teile zusammen auch bei anderen^---sich von den oben beschriebenen Arten unterscheidenden Steueranordnungen für Gasentladungslampen vorteilhaft anwendbar sind. ;

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Claims (17)

1. 0IP1.-1NO. HANS-WESTPHAi' DiPL.-iNO. KLAUS WESTPHAt

   PATENTANWÄLTE '''.':' " _Λ ' '; .' .-■ Telsfens W2\ - 2343

   70χ_β;1

   -Λ

   Patentansprüche > " " -_v

   l.ySchaltanordnung zum Steuern einer Gasentladungslampe, welche nach Zündung eines Bogens innerhalb der Lampe ,. erleuchtet und in diesem ZustaBd gehalten werden kann, gekennzeichnet durch eine mit der Lampe in_: einen Stromkreis geschaltete ßleichspannüngsquelle, einen in dem Stromkreis angeordneten Induktor, einen mit der Gleichspannungsquelle verbundenen und eine Impulsreihe abgebenden Impulsgenerator und eine in den Strojnkrels geschaltete Schaltanordnung, welche dtirch den Impulsgenerator so betätigbar ist, daß sie den. von der Gleichspannungsquelle gelieferten Gleichstrom-, in Impuls form auf die Gasentladungslampe gibt,
2. 2. Schaltanordnung naeh Anspruch 1, gekennzelehnet durch eine Anordnung zur ilnderung der Folgefrequenz der Impulse,
3. 3· Schaltanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch / eine Anordnung zur Änderung der Form der vom Impulsgenerator abgegebenen Impulse, so daß die Gesamtenergie Jedes Impulses geändert wird.

   — 2 —

   0 0 9 B 3 if 1 Q 0 6 . ORiQINAL INSPECTED
4. 4. Sehaltanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Änderung der Folge frequenz einen Transformator mit einem ferr©magnetischen Kern_s eine auf den Kern gewickelte und mit der Schaltanordnung in Reihe liegende Primärwicklung und eine auf den Kern gewickelte und mit der Primärwicklung magnetisch gekoppelte Sekundärwicklung aufweist.
5. 5» Schaltanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet _s daß der Induktor einen ferromagnetischen Kern, eine zwischen die Gleichspannungsquelle und den Transformator geschaltete InduktorPrimärwicklung und eine mit der Induktorprimärwicklung über den ferromagnetischen Kern magnetisch gekoppelte Induktorsekundärwieklung aufweist, welche mit der Lampe und der Induktor™ Primärwicklung verbunden ist. ■
6. 6. Schaltanordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Transistor in der Schaltanordnung, einen Transformator kernim Transformator, eine Primärwicklung am Transformatorkern, welche in Reihe mit dem Emitter-Kollektor-Kreis des Transistors liegt, eine Sekundärwicklung am Transformatorkern, welche parallel zum Basis-Emitter-Kreis des Transistors liegt, einen Induktorkern im Induktor, eine Induktorprimärwicklung am Induktorkern, welche zwischen die Primärwicklung am Transformatorkern und die Gleichspannungsquelle geschaltet 1st ^ und eine Tnduktorsekundärwieklung am Induktorkern,

   . welche zwischen die Lampe und die Primärwicklung am Transformatorkern geschaltet ist.
7. 7. Schaltanordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch

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   eine Diode, welche zwischen die Lampe und die Induktorsekundärwicklung geschaltet ist.
8. 8.» Schaltanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Hilfsschaltanordnung, welche zwischen die Gleichspannungsquelle und den Impulsgenerator zum Ein- und
   Ausschaltendes Impulsgenerators geschaltet ist.
9. 9. Schaltanordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Steuerwicklung im Transformator zur Steuerung und Änderung der Dauer der Impulse und durch einen mit
   der Steuerwicklung in Reihe liegenden, veränderlichen Widerstand zur Änderung des in der Steuerwicklung
   fließenden Stroms, wobei die Reihenschaltung von Steuer wicklung und veränderlichem Widerstand parallel zur
   Gleichspannungsquelle geschaltet ist.
10. 10. Schaltanordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen mit der Sekundärwicklung des Transformators in
    Reihe liegenden, veränderlichen Widerstand zur Änderung der Dauer der Impulse.
11. 11. Schaltanordnung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine zwischen die Lampe und die Schaltanordnung geschaltete Diode zum Schutz des impülsgenerators vor
    Überspannungen.
12. 12. Schaltanordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine parallel zur Lampe geschaltete Hilfszündwicklung am Induktorkern zur Erhöhung der an der Lampe liegenden Zündspannung. -

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13. 13· Schältanordnung nach Anspruch S₃ gekennzeichnet durch eine Zusatzwicklung am Induktorkern, welche im Nebenschluß zur Sekundärwicklung am Transformatorkern geschaltet ist.
14. 14. Schaltanordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Sicherheitswickiung am Induktorkern, welche parallel zur Gleichspannungsquelle geschaltet ist, und durch eine in Reihe mit der Sicherheitswicklung liegende Steuerdiode zur Rückführung von Energie zur Gleichspannungsquelles wenn die Lampe nach Aufgabe eines Zündimpulses auf dieselbe nicht zündet.
15. 15. Schaltanordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Steuerwicklung am Transformatorkern zur Steuerung der den einzelnen Impulsen der Impulsreihe zugeteilten Energie.
16. 16. Schaltanordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Transistor in der Schaltanordnung und einen parallel zu diesem Transistor geschalteten Hilfstransistor zur Verminderung des Belastungsstroms des Transistors*
17. 17. Schaltanordnung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen In Reihe mit der Hilfszündwicklung liegenden Kondensator zur Begrenzung des dieselbe durchfließenden Stroms. . /

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