DE202004002516U1

DE202004002516U1 - Schaltung zum Zünden und Betreiben von Niederdruckgasentladungslampen

Info

Publication number: DE202004002516U1
Application number: DE200420002516
Authority: DE
Original assignee: Narva Lichtquellen GmbH and Co KG
Current assignee: Narva Lichtquellen GmbH and Co KG
Priority date: 2004-02-18
Filing date: 2004-02-18
Publication date: 2004-04-29
Anticipated expiration: 2014-02-19

Abstract

Schaltung zum Zünden und Betreiben von Niederdruckgasentladungslampen, bestehend aus der Spannungsversorgung, einem Vorschaltgerät zur Schaffung einer positiven Impedanz, vorzugsweise einer Drossel, im Zusammenwirken mit der Niederdruckgasentladungslampe, einem Vorschaltgerät sowie einem Starter, der zum Zwecke der Zündung der Lampe die beiden Wendelelektroden der Lampe zeitweilig miteinander kurzschließt, so dass im Falle des Kurzschlusses der beiden Wendelelektroden ein Vorheizstrom über die Drossel und die beiden Wendelelektroden fließen kann, der die Wendelelektroden so erhitzt, dass eine für die Zündung der Lampe ausreichende Emissionsfähigkeit der Kathoden erzielt wird und die Zündung der Lampe dadurch erreicht wird, dass der Starter nach der Vorheizzeit den Kurzschlussstromkreis wieder öffnet und dabei durch die bewirkte Stromänderungsgeschwindigkeit im Zusammenspiel mit der Induktivität der Drossel einen Spannungsimpuls erzeugt, der ausreichend hoch ist, die Niederdruckgasentladungslampe zu zünden, gekennzeichnet dadurch, dass in den Strompfad, der durch den Starter zeitweilig kurzgeschlossenen Verbindung zwischen den beiden Wendeln, ein strombegrenzendes Bauelement eingefügt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Zünden und Betreiben von Niederdruckgasentladungslampen im niederfrequenten Bereich und ist besonders für Lampen relativ großer Leistung geeignet.
Bekannt ist die sogenannte Rapidstartschaltung, siehe J.F. Waymouth, Journal Applied Physics 30 (1959), bei der die Elektroden gemäß 1 an einen Streufeldtransformator 1 angeschlossen sind, der zusätzliche Heizwicklungen 2 besitzt und nach dem Einschalten einen entsprechenden Heizstrom liefert.
Gleichzeitig wird über die Hauptwicklung eine solche Spannung an die beiden Elektroden der Niederdruckgasentladungslampe 4 angelegt, dass sie für eine Ionisation und damit Zündung der Lampe bei kalten Elektroden nicht ausreicht. Mit Beginn der Elektrodenheizung verringert jedoch die anwachsende Elektrodenemission die Zündspannung der Lampe so weit, dass die Entladungsstrecke ionisiert wird und die Lampe zündet. Mit der vom Vorschaltgerät bereitgestellten Heizenergie werden die Elektroden auf etwa 800 °C aufgeheizt. Dabei ist die thermische Energie so stark, dass die Entladung nicht in der Glimmphase verweilen kann.
Diese Art der Zündung der Niederdruckgasentladungslampe ist außerordentlich schonend und bewirkt eine sehr lange Lebensdauer der Elektroden.
Nachteilig bei dieser Lösung ist der hohe technische Aufwand für den Transformator, weshalb solche Systeme üblicherweise nur dort angewendet werden, wo auf Grund der niedrigen Netzspannung, wie z. B. in den USA, in jedem Fall spannungserhöhende Maßnahmen getroffen werden müssen, damit die Lampe zündet.
Bekannt sind auch sogenannte Instantschaltungen. Bei dieser Schaltung wird eine genügend hohe Spannung von einem Vorschaltgerät an beide Elektroden der Niederdruckgasentladungslampe gelegt, die ausreichend hoch ist, das Gas zu ionisieren und den vollen Betriebsstrom zu erhalten, ohne dass die Entladung in der Glimmphase verweilt. Lampenstrom und Lichtstrom erreichen innerhalb sehr kurzer Zeit nach Anlegen der Versorgungsspannung ihre normalen Betriebswerte.
Nachteilig bei dieser Schaltung ist, dass die Entladung als Kaltkathodenentladung startet, wobei anfänglich Kathodenfälle von bis zu 200 V auftreten. Erst mit zunehmender Erwärmung der Elektroden gehen diese Kathodenfälle auf die Normalgröße von 16 – 20 V zurück.
Diese extrem hohen Kathodenfälle verbrauchen mit jedem Zündakt erhebliche Mengen des auf den Wendeln befindlichen Emissionsmaterials, so dass die Schaltung nur geeignet ist, wenn die Lampen extrem selten geschaltet werden. Anderenfalls haben die Lampen eine sehr kurze Lebensdauer.
Bekannt ist auch die Schaltung gem. 2 mit den Elementen 1 Niederdruckgasentladungslampe, 2 Vorschaltgerät, üblicherweise einer Drossel, und 3 Glimmstarter seit mehr als 50 Jahren, siehe Handbuch der Elektrotechnik, Fachbuchverlag Leipzig 1951.
Bei der oben aufgeführten Schaltung kann auch die Drossel in zwei oder mehrere Drosseln aufgeteilt sein. Die Zündung der Lampe erfolgt dadurch, dass nach Anlegen der Netzspannung eine Glimmentladung im Glimmstarter gezündet wird. Diese Glimmentladung erwärmt ein bzw. zwei Bimetalle, die sich in dem Glimmzünder befinden. Nach ca. 0,5 – 5 s kontaktiert das sich durch die Erwärmung krümmende Bimetall die Gegenelektrode bzw. das andere als Gegenelektrode wirkende Bimetall. Durch den Kurzschluss im Glimmzünder wird der Stromkreis so geschlossen, dass nun ein Strom durch die beiden Lampenelektroden fließen kann. Dieser sogenannte Vorheizstrom erhitzt die Elektroden der Niederdruckgasentladungslampe so, dass die Elektroden Elektronen emittieren. Gleichzeitig kühlt das Bimetall wieder ab, so dass es zu einer Stromunterbrechung im Glimmzünder kommt.
Wegen der abrupten Stromänderung induziert die im Stromkreis vorhandene Induktivität der Drossel einen Spannungsimpuls, der zum Zünden der Lampe führt. Im Brennbetrieb übernimmt die Drossel dagegen die Stabilisierung des Lampenstromes, da Niederdruckgasentladungslampen eine negative Kennlinie besitzen.
Nachteilig bei der beschriebenen Schaltung ist, dass sie zwar bis zu Leistungen von 100 W bei Entladungsströmen von ca. 1 A relativ problemlos angewendet werden kann, dass aber der Betrieb bei höheren Strömen problematisch ist, da hierbei die Vorheizströme so stark anwachsen, dass neben einer Überlastung der Elektroden, was sich durch Abtrag von Emittermaterial und Wolfram verursachte Schwärzungen im Elektrodenraum bemerkbar macht, auch die Glimmstarter extrem belastet werden. Grundsätzlich sind Glimmstarter, die Vorheizströme von mehr als 1,5 A tragen können, sehr kompliziert im Aufbau. Daneben neigen sie auf Grund ihres eigenen Kontaktwiderstandes zum Kleben, d.h., an den Starterkontakten wird eine solche Leistung umgesetzt, dass die Wärme ausreicht, den geschlossenen Glimmstarterzustand zu bewahren. Ein solcher Betriebszustand verhindert, dass die Niederdruckgasentladungslampe, vorzugsweise eine Solarienlampe, zündet. Die Folge ist eine extreme Schwärzung der Röhre im Elektrodenbereich, was ihre Auswechslung erforderlich macht.
Der in den Schutzansprüchen angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine solche Zünd- und Betriebsschaltung zu schaffen, die die Nachteile der existierenden Lösungen, wie sehr hohe technischen Aufwand, kurze Lebensdauer der Lampen und Schwärzungsneigung der Elektrodenbereiche im Falle hoher Ströme nicht besitzt.
Erfindungsgemäß werden die Nachteile, wie hoher technischer Aufwand, kurze Lebensdauer der Lampen und Schwärzungen der Elektrodenbereiche bei sehr hohen Vorheizströmen bzw. das Kleben des Starters bei den bekannten Lösungen durch Einfügen eines zusätzlichen strombegrenzenden Elements in die Zünd- und Betriebsschaltung der Niederdruckgasentladungslampe gelöst, wobei das strombegrenzende Element so dimensioniert wird, dass eine Temperatur von 1100 °C auch bei oberer Toleranzgrenze der Netzspannung nicht überschritten wird und das strombegrenzende Element ein Widerstand, eine Drossel, ein Kaltleiter, eine Glühlampe oder eine Kapazität sein kann. Bei der Dimensionierung der Schaltung ist zu sichern, dass bei der unteren Toleranzgrenze der Netzspannung die Temperatur der Elektroden mindestens 800 °C erreicht.
Anwendungsbeispiel:
Eine Solarienlampe mit einer Länge von 176 cm soll mit 220 W betrieben werden. Die Lampe ist mit speziellen Vorkehrungen zur Erniedrigung des Quecksilberpartialdruckes ausgestattet.
An der Lampe stellen sich nachstehende elektrische Parameter ein.

Lampenstrom 2200 mA

Lampenspannung 118V

Lampenleistung 222W

Vorheizstrom 3000 mA

Vorschaltgerät, induktiv 80 W + 140 W parallel

Netzspannung 230V
Ohne Einschalten einer Induktivität in Reihe mit dem Glimmstarter bewirkt der große Vorheizstrom von 3 A eine starke Erhitzung der Elektroden auf ca. 1500 °C. Die Lampe neigt zu Schwärzungen auch durch Kleben des Starters. Wird als stromerniedrigendes Mittel erfindungsgemäß eine Induktivität von 0,1 H in den Glimmstarterzweig eingefügt senkt sich der Vorheizstrom auf 2000 mA, was einer Wendeltemperatur von 1000 °C entspricht. Der Glimmstarter wird auf diese Weise entlastet, so dass ein Kleben nicht erfolgt und damit Schwärzungen im Elektrodenbereich auf Grund von Überhitzungen vermieden werden. Obwohl die Zündspannung wegen des erniedrigten Vorheizstromes einen verminderten Wert besitzt, erfolgt die Zündung unproblematisch, da Hochleistungslampen einen Durchmesser von 38 mm besitzen und die Elektrodentemperatur von ca. 1000 °C eine genügende Emissionsfähigkeit der Elektroden bewirkt.

Claims

Schaltung zum Zünden und Betreiben von Niederdruckgasentladungslampen, bestehend aus der Spannungsversorgung, einem Vorschaltgerät zur Schaffung einer positiven Impedanz, vorzugsweise einer Drossel, im Zusammenwirken mit der Niederdruckgasentladungslampe, einem Vorschaltgerät sowie einem Starter, der zum Zwecke der Zündung der Lampe die beiden Wendelelektroden der Lampe zeitweilig miteinander kurzschließt, so dass im Falle des Kurzschlusses der beiden Wendelelektroden ein Vorheizstrom über die Drossel und die beiden Wendelelektroden fließen kann, der die Wendelelektroden so erhitzt, dass eine für die Zündung der Lampe ausreichende Emissionsfähigkeit der Kathoden erzielt wird und die Zündung der Lampe dadurch erreicht wird, dass der Starter nach der Vorheizzeit den Kurzschlussstromkreis wieder öffnet und dabei durch die bewirkte Stromänderungsgeschwindigkeit im Zusammenspiel mit der Induktivität der Drossel einen Spannungsimpuls erzeugt, der ausreichend hoch ist, die Niederdruckgasentladungslampe zu zünden, gekennzeichnet dadurch, dass in den Strompfad, der durch den Starter zeitweilig kurzgeschlossenen Verbindung zwischen den beiden Wendeln, ein strombegrenzendes Bauelement eingefügt wird.
Schaltung zum Zünden und Betreiben von Niederdruckgasentladungslampen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das strombegrenzende Element eine Induktivität in der technischen Ausführung einer Drossel ist.
Schaltung zum Zünden und Betreiben von Niederdruckgasentladungslampen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das strombegrenzende Element eine Kapazität in der technischen Ausführung eines Kondensators ist.
Schaltung zum Zünden und Betreiben von Niederdruckgasentladungslampen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das strombegrenzende Element ein ohmscher Widerstand ist.
Schaltung zum Zünden und Betreiben von Niederdruckgasentladungslampen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das strombegrenzende Element ein Kaltleiter ist.
Schaltung zum Zünden und Betreiben von Niederdruckgasentladungslampen nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass das strombegrenzende Element eine positive Widerstandskennlinie aufweist.