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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Vorschaltgerät für Entladungslampen,
und zwar konkret für
solche Entladungslampen, die vorheizbare Elektroden aufweisen.
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Stand der
Technik
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Elektronische
Vorschaltgeräte
für den
Betrieb von Entladungslampen, auch solche, welche dazu ausgelegt
sind, Entladungslampen mit vorheizbaren Elektroden zu betreiben,
sind an sich bekannt. Grundsätzlich
erzeugt ein elektronisches Vorschaltgerät aus einer gegebenen Versorgung,
beispielsweise einer Netzversorgung, eine Versorgungsleistung für eine angeschlossene
Entladungslampe, welche die für
den Betrieb der Entladungslampe notwendigen Charakteristika aufweist,
insbesondere eine hochfrequente Wechselspannungsversorgung.
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Oft
werden die Elektroden einer Entladungslampe vor dem Zünden der
Entladung vorgeheizt. Auf diese Weise lässt sich die Emissionsfähigkeit
der Elektroden verbessern und ihre Lebensdauer verlängern. Ein
Vorheizvorgang dauert typischerweise zwischen 0,4 s und etwas mehr
als 2 s und erfolgt nach einem in einer Ablaufsteuerung festgelegten
Vorheizprogramm.
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Darstellung
der Erfindung
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Der
Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein verbessertes Vorschaltgerät für Entladungslampen
mit vorheizbaren Elektroden anzugeben.
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Vorschaltgerät zum Betrieb
einer Entladungslampe mit vorheizbaren Elektroden, dadurch gekennzeichnet,
dass es aufweist, eine Messvorrichtung, welche dazu ausgelegt ist,
während
des Vorheizvorganges eine zu der durch das Vorheizen erhöhten Elektrodentemperatur
korrelierte Größe zumindest einer
der Elektroden einer angeschlossenen Entladungslampe zu messen und
eine Steuervorrichtung, welche dazu ausgelegt ist, während des
Vorheizvorganges ansprechend auf die Messung die Elektrodentemperatur
durch Einstellung eines Betriebsparameters des elektronischen Vorschaltgerätes anzupassen.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die
Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass ein einfaches Ausführen eines
vorgegebenen Vorheizablaufes zu einem unbefriedigenden Ergebnis
des Vorheizvorganges führen
kann. Auch wenn ein elektronisches Vorschaltgerät zum Betrieb von Entladungslampen
des jeweils immer gleichen Typs ausgelegt und benutzt wird, kann
der Vorheizvorgang doch bei jeder einzelnen Entladungslampe leicht
unterschiedlich verlaufen. Ein von Lampe zu Lampe unterschiedlicher
Verlauf des Vorheizvorganges kann in Fertigungstoleranzen der vorheizbaren
Elektroden und Toleranzen der Bauteile des elektronischen Vorschaltgerätes begründet sein.
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Etwa
könnten
bei der Verwendung eines stereotypen Vorheizablaufes die vorheizbaren
Elektroden der einen Entladungslampe nach Ablauf der Vorheizzeit
nicht die gewünschte
Temperatur erreichen, während
im Extremfall die Vorheizspannung über den Elektroden einer anderen
Entladungslampe zum Zünden
einer unerwünschten
Querentladung führt.
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Angestrebt
ist eine möglichst
kurze Vorheizzeit, d.h. es sollen möglichst große Vorheizströme bzw.
Vorheizspannungen verwendet werden, ohne dass über den Elektroden eine Spannung
auftritt, welche zu einer Querentladung führt.
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Das
erfindungsgemäße elektronische
Vorschaltgerät
weist eine Messvorrichtung auf, welche dazu ausgelegt ist, während des
Vorheizvorganges die Temperatur mindestens einer Elektrode mindestens
einer angeschlossenen Entladungslampe zu messen. Zur Messung der
Elektrodentemperatur kann eine beliebige zu dieser korrelierte Eigenschaft gemessen
werden. Geeignete Größen werden
im Rahmen der abhängigen
Ansprüche
abgehandelt.
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Eine
Steuervorrichtung vergleicht die Messwerte der Messvorrichtung mit
Standardwerten der zur Elektrodentemperatur korrelierten Größe. Bei
einer Abweichung zwischen Mess- und Standardwert passt die Steuereinrichtung
durch Änderung
eines Betriebsparameters des elektronischen Vorschaltgerätes den
folgenden Verlauf des Vorheizvorganges an, so dass die zu erwartende
Abweichung zwischen einer folgenden Messung und einem entsprechenden
Standardwert kleiner wird. Dieser Vorgang ist also vom Prinzip her
eine Regelung.
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Je
mehr Messungen während
des Vorheizvorganges durchgeführt
werden, desto besser kann der Verlauf der Elektrodentemperatur nachvollzogen werden
und um so besser kann die Steuereinrichtung anpassend in den Verlauf
des Vorheizvorganges eingreifen. Viele Messungen und Anpassungen
bedeuten aber einen gewissen Aufwand; die Elektronik muss entsprechend
ausgelegt sein.
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Bei
einer diesbezüglich
minimalistischen Ausführungsform
der Erfindung wird nur einmal eine zur Elektrodentemperatur korrelierte
Größe gemessen,
vorzugsweise im mittleren Bereich des zu erwartenden Vorheizintervalles.
Ansprechend auf diese Messung folgt, wenn nötig, ein Eingriff der Steuervorrichtung.
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Beispiele
für Betriebsparameter
des elektronischen Vorschaltgerätes,
welche sich zur Anpassung des Verlaufes der Elektrodentemperatur
während
des Vorheizvorganges eignen, sind: der Vorheizstrom durch die Elektroden,
die Vorheizspannung an den Elektroden, die Frequenz der vom elektronischen
Vorschaltgerät
erzeugten hochfrequenten Wechselspannungsversorgung und das Tastverhältnis eben
dieser Wechselspannungsversorgung.
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Die
Standardwerte der zur Elektrodentemperatur korrelierten Größe können in
einer Speichervorrichtung innerhalb des elektronischen Vorschaltgerätes abgelegt
sein, oder aber auch fest verdrahtet in Form einer elektronischen
Schaltung, beispielsweise einer Schaltung, welche Schwellenwertelemente (Komparatoren)
aufweist, denen die Messwerte zugeführt werden und deren Schwellenwerte
darüber entscheiden,
ob eine Abweichung von den Standardwerten vorliegt. Ein solche Schaltung
könnte
gleichzeitig auch die Steuervorrichtung implementieren.
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Aufgrund
der Anpassung des Verlaufes des Vorheizvorganges an Standardwerte
durch die Steuervorrichtung kann ein erfindungsgemäßes elektronisches
Vorschaltgerät
auch eine erhöhte
Flexibilität bei
der Verwendung unterschiedlicher Lampentypen aufweisen. Obwohl unterschiedliche
Lampentypen unterschiedliche Elektroden aufweisen können, kann durch
die Steuerschaltung auf einen effizienten Vorheizvorgang hingewirkt
werden.
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Vorzugsweise
ist die Messvorrichtung dazu ausgelegt, als zu der Elektrodentemperatur
korrelierte Größe den Elektrodenwiderstand
zu messen. Die Elektroden stellen einen ohmschen Widerstand mit positivem
Temperaturkoeffizienten dar. Der Elektrodenwiderstand während der
Vorheizzeit ergibt sich aus der Vorheizspannung und dem Vorheizstrom,
ist also leicht zu bestimmen.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Messvorrichtung dazu ausgelegt, den Kaltwiderstand
einer der Elektroden einer angeschlossenen Entladungslampe nach
dem Einschalten des elektronischen Vorschaltgerätes und vor oder mit dem Beginn
des Vorheizvorganges zu messen. Unter dem Kaltwiderstand einer Elektrode
wird hier der Widerstand einer Elektrode verstanden, wenn ihre Temperatur
der Umgebungstemperatur entspricht. Auch bei dieser bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung wird der Elektrodenwiderstand während der Vorheizzeit von der
Messvorrichtung gemessen. Der Quotient aus aktuellem Elektrodenwiderstand,
also dem Warmwiderstand, und dem Kaltwiderstand ist, genau wie der
Elektrodenwiderstand selbst, zur Temperatur der Elektroden näherungsweise
proportional. Da durch den Kaltwiderstand geteilt wird, wird aber
eine diesbezüglich
normierte Größe verwendet.
Dies ist interessant, weil der Kaltwiderstand durchaus von Lampe
zu Lampe variieren kann, aber nichts über den Temperaturverlauf während des
Vorheizvorganges aussagt. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung
dazu ausgelegt sein, die Bestimmung des Quotienten aus dem von der
Messvorrichtung gemessenen Kaltwiderstand und dem ebenfalls von
der Messvorrichtung gemessenen Warmwiderstand vorzunehmen.
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Der
Quotient aus dem aktuellen Widerstand einer der Elektroden und dem
Kaltwiderstand ist nicht nur zur Anpassung an einen Standardverlauf
des Vorheizvorganges interessant, sondern auch, um mittels der Messvorrichtung
außergewöhnliche
Vorgänge
festzustellen, auf die mittels der Steuervorrichtung entsprechend
reagiert werden kann.
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Dass über die
Steuervorrichtung in den Verlauf des Vorheizvorganges eingegriffen
werden kann, muss nicht heißen,
dass der Verlauf der Elektrodentemperatur in jedem Fall den Standardwerten
entsprechen muss. Abweichungen sind, insbesondere bei wenigen Messwerten,
möglich.
Beispielsweise kann die Elektrodentemperatur früher als erwartet einen ausreichenden
Wert erreichen. Um die Vorheizzeit zu minimieren, sollte dann, beispielsweise über die
Steuerschaltung, die Zündung
veranlasst werden. Vorzugsweise wird, sobald der Quotient aus aktuellem
Elektrodenwiderstand und Kaltwiderstand während der Vorheizzeit einen
Wert zwischen 4 und 7 erreicht, die Entladung gezündet. Bevorzugter
ist eine untere Schranke für
die Zündung
der Entladung von 4,5 und unabhängig
davon eine obere Schranke von 6.
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Übersteigt
die Spannung an einer Elektrode einer angeschlossenen Entladungslampe
während des
Vorheizvorganges einen kritischen Wert, so kann eine Querentladung
auftreten. Querentladungen sind nicht erwünscht, u.a. weil mit einer
Querentladung die Elektrodentemperatur wieder abnimmt. Bei geringerer
Temperatur ist die Elektrode weniger emissionsfähig und ein Zünden der
Entladung bei einer zu geringen Temperatur erhöht den Verschleiß. Querentladungen
können
an einem nicht monotonen Verlauf einer zur Elektrodentemperatur
korrelierten Größe erkannt
werden. Ist eine Querentladung festgestellt, so ist eine bevorzugte
Ausführungsform
der Erfindung dazu ausgelegt, eine Zündung einzuleiten.
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Ein
Rückgang
der Temperatur über
einer Elektrode kann anhand eines nichtmonotonen Verlaufes einer
zur Elektrodentemperatur korrelierten Größe innerhalb der Vorheizzeit
festgestellt werden. Etwa nimmt bei einer Querentladung über der
Elektrode auch Ihr Widerstand und die über ihr abfallende Spannung
ab. Der Strom durch die Elektrode nimmt jedoch aufgrund des geringeren
Widerstandes zu. Wie stark diese Verhaltenweisen ausgeprägt sind, hängt auch
davon ab, ob die Heizleistungsversorgung eher eine Spannungsquellencharakteristik
oder eine Stromquellencharakteristik hat. Real werden die Eigenschaften
der Heizleistungsversorgung zwischen diesen Extremen liegen.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die zu der Elektrodentemperatur korrelierte Größe, welche
zur Querentladungsdetektion herangezogen wird, die Spannung über einer
der Elektroden.
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Hat
das elektronische Vorschaltgerät
eine ausgesprochene Stromquellencharakteristik, so ist es sinnvoll,
zur Querentladungsdetektion die Spannung über einer der Elektroden zu
beobachten. Ist das elektronische Vorschaltge rät eine ausgesprochene Spannungsquelle,
so bietet sich eine Querentladungsdetektion über den Quotienten aus Warm-
und Kaltwiderstand, welcher über
eine Strommessung bestimmt wird, an.
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Um
die zur Temperatur korrelierende Größe einer der Elektroden während des
Vorheizvorganges zu verfolgen, wird diese Größe vorzugsweise zumindest alle
100 ms von der Messvorrichtung gemessen. Bei den üblichen
Vorheizzeiten sind so mehrere Messungen während des Vorheizvorganges
möglich.
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Soll
das elektronische Vorschaltgerät
nicht nur mit einem, sondern mit mehreren verschiedenen Lampentypen
betrieben werden können,
so kann vorteilhaft eine Lampentyperkennung eingesetzt werden. Vorzugsweise
wird der Lampentyp über
eine Messung des Kaltwiderstandes einer Elektrode einer angeschlossenen
Entladungslampe festgestellt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Speichervorrichtung dazu ausgefegt, für verschiedene
Lampentypen jeweils einen Satz passender Vorheizparameter zu speichern,
beispielsweise die Vorheizdauer, Standardwerte für den Heizstrom und die Heizspannung
und die maximal erlaubte Heizspannung. Hat das elektronische Vorschaltgerät anhand
des Kaltwiderstandes den angeschlossenen Lampentyp erkannt, so steuert
die Steuervorrichtung den Vorheizvorgang entsprechend den dem Lampentyp
entsprechenden Standardwerten.
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Beim
Betrieb am Versorgungsnetz kann es vorkommen, dass zwischenzeitlich
dieses Versorgungsnetz ausfällt.
Das elektronische Vorschaltgerät kann
mit einem Zeitglied ausgestattet sein, um festzustellen, ob die
Netzunterbrechung kürzer
war, als eine vorgegebene Dauer. Ist dies der Fall, so wird nach
der Netzunterbrechung keine Messung des Kaltwiderstandes durchgeführt, anderenfalls
schon.
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Die
vorstehende und die folgende Beschreibung der einzelnen Merkmale
beziehen sich auf die Vorrichtungskategorie und auch auf ein der
Erfindung entsprechendes Verfahren, ohne dass dies im Einzelnen
noch explizit erwähnt
wird.
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Die
Erfindung betrifft also grundsätzlich
auch ein Verfahren zum Betrieb einer mit vorheizbaren Elektroden
ausgestatteten Entladungslampe, mit den Schritten: Anschließen der
Entladungslampe, Messen einer zu der durch das Vorheizen erhöhten Elektrodentemperatur
korrelierten Größe zumindest
einer der Elektroden während
des Vorheizvorganges mit einer Messvorrichtung, Anpassen der Elektrodentemperatur
während
des Vorheizvorganges durch Einstellung eines Betriebsparameters
des elektronischen Vorschaltgerätes
mittels einer auf die Messung ansprechenden Steuervorrichtung, und
bezieht sich auch auf die vorstehend und nachfolgend implizit auch
für dieses
Verfahren erläuterten
Ausgestaltungen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Die dabei offenbarten Einzelmerkmale können auch in anderen Kombinationen
erfindungswesentlich sein.
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1 zeigt
ein Schaltungsdiagramm eines erfindungsgemäßen elektronischen Vorschaltgerätes.
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2 zeigt
einen Zeitverlauf einer zur Elektrodentemperatur korrelierten Größe.
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3 zeigt
einen Zeitverlauf einer zur Elektrodentemperatur korrelierten Größe und eines
zugehörigen
Heizstromes, welcher während
des Vorheizvorganges angepasst wird.
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4 zeigt
eine Variation der 2.
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5 zeigt
eine weitere Variation der 2.
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6 zeigt
noch eine Variation der 2.
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Bevorzugte
Ausführung
der Erfindung
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1 zeigt
ein Schaltungsdiagramm eines erfindungsgemäßen elektronischen Vorschaltgeräts.
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Das
elektronische Vorschaltgerät
wird aus den Netzversorgungsleitungen N1 und N2 gespeist. Ein Generator
G erzeugt aus der gegebenen Netzversorgung N1, N2 eine Versorgungsleistung
für eine angeschlossene
Niederdruckentladungslampe LA. Der Generator G enthält einen
Gleichrichter zur Gleichrichtung der Wechselspannungsversorgung, eine
Leistungsfaktorkorrekturschaltung für eine möglichst sinusförmige Stromentnahme
aus der Netzversorgung, einen Zwischenkreiskondensator und einen Halbbrückeninverter,
wobei über
dem Zwischenkreiskondensator die zur Versorgung des Halbbrückeninverters
notwendige Gleichspannung anliegt. Der Halbbrückeninverter erzeugt eine hochfrequente Wechselspannung
zwischen dem Ausgang A1 und dem Bezugspotential GND bzw. dem anderen
Potential der Zwischenkreisspannung.
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Zwischen
dem ersten Ausgang A1 und dem Bezugspotential GND ist eine Serienschaltung
aus einer Lampendrossel L, einem Koppelkondensator CC, einem Lampenanschluss
KL1A, der Niederdruckentladungslampe LA, einem Lampenanschluss KL2A
und einem Widerstand R1 geschaltet. Parallel zu der Serienschaltung
aus dem Lampenanschluss KL1A, der Niederdruckentladungslampe LA
und dem Lampenanschluss KL2A ist eine Serienschaltung aus einem
Lampenanschluss KL1B, einem Resonanzkondensator CR und einem Lampenanschluss
KL2B geschaltet. Zwischen den Lampenanschlüssen KL1A und KL1B liegt die
Elektrode E1 und zwischen den Lampenanschlüssen KL2A und KL2B liegt die
Elektrode E2.
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Zwischen
dem Lampenanschluss KL2A und dem Widerstand R1 liegt ein Verbindungsknoten
K1. Zwischen einen zweiten Ausgang am Generator A2 und den Verbindungsknoten
K1 ist eine Steuervorrichtung C und eine Messvorrichtung M geschaltet. Die
Steuervorrichtung C und die Messvorrichtung M sind Teil eines Mikrocontrollers,
und sind daher mit einer gemeinsamen Umfassung gezeichnet. Sowohl die
Steuervorrichtung C als auch die Messvorrichtung M weisen einen
Bezug zum Bezugspotential GND auf. Die Steuervorrichtung C kann über eine Steuerleitung
SL Betriebsparameter des Generators G einstellen, hier den Heizstrom.
Die Messvorrichtung ist über
den Knoten K1 in Serie zum Bezugspotential GND geschaltet. Weiter
ist die Messvorrichtung M über
den Lampenanschluss KL2B in Serie zu dem Resonanzkondensator CR
geschaltet. Zwischen dem Resonanzkondensator CR und der Messvorrichtung
M liegt ein Verbindungsknoten K2. An diesem Verbindungsknoten ist
der Lampenanschluss KL2B angeschlossen.
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Die über dem
Widerstand R1 abfallende Spannung ist proportional zu dem durch
die Elektrode E2 zwischen den Lampenanschlüssen KL2A und KL2B fließenden Strom.
Die Spannung über
dem Widerstand R1 kann von der Messvorrichtung M erfasst werden.
Die Spannung zwischen den Lampenanschlüssen KL2A und KL2B kann von
der Messvorrichtung M auch erfasst werden.
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2 zeigt
einen typischen Verlauf einer zur Elektrodentemperatur der Niederdruckentladungslampe
LA korrelierten Größe während des
Vorheizvorganges. Die Messvorrichtung M misst, hier 10 mal, während der
Vorheizzeit den Widerstand RW der Elektrode E2 zwischen den Lampenanschlüssen KL2A
und KL2B. Der Vorheizvorgang beginnt zur Zeit t0 und endet zur Zeit
t1. Mit steigender Temperatur nimmt auch der Widerstand RW der Elektrode
zu und erreicht zum Ende t1 der Vorheizzeit, hier nach 0,5 s, seinen
bis dahin höchsten
Wert. Bevor der Vorheizvorgang zu einer wesentlichen Aufheizung
geführt hat,
hat der Elektrodenwiderstand den Wert RK, seinen Kaltwiderstand.
Als zur Elektrodentemperatur korrelierte Größe ist hier der Quotient aus
RW und RK als Funktion der Zeit dargestellt, welcher am Ende t1
der Vorheizzeit den Wert 5 erreicht, was einer Elektrodentemperatur
von fast 800 °C
entspricht.
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3a zeigt
einen Zeitverlauf des Quotienten aus Warm- und Kaltwiderstand und 3b zeigt den
zugehörigen
Heizstrom IE2, den Heizstrom durch Elektrode 2, welcher während des
Vorheizvorganges angepasst wird. In der Steuervorrichtung C sind
für verschiedene
Lampentypen jeweils fünf
im Laufe des Vorheizvorgangs auftauchende Standardwerte für den Quotienten
aus Warm- und Kaltwiderstand und den Heizstrom abgelegt. Vor Beginn
des Vorheizvorganges bestimmt die Messvorrichtung M den Kaltwiderstand
der Elektrode E2. Anhand des Kaltwiderstandes RK der Elektrode E2
wird der Lampentyp detektiert und die dem detektierten Lampentyp
entsprechenden Standardwerte als Vergleichsmaßstab für die Steuervorrichtung C für den Vorheizvorgang
selektiert. Die Kreuze in den 3a und 3b entsprechen
jeweils den in der Steuervorrichtung abgelegten Standardwerten.
Die durchgezogene Linie in 3a entspricht
dem tatsächlichen
Verlauf des Quotienten aus Warm- und Kaltwiderstand und die durchgezogene
Linie in 3b entspricht dem tatsächlichen
Verlauf des Heizstromes während der
Vorheizzeit. In 3a sieht man, dass der Quotient
aus Warm- und Kaltwiderstand zunächst
nicht schnell genug zunimmt, um den Standardwerten zu entsprechen.
Die Steuervorrichtung greift anpassend ein und erhöht den Heizstrom,
so dass der Quotient aus Warm- und Kaltwiderstand eine größere Steigung
aufweist. Die Heizstromänderung
ist hier proportional gewählt
zur Differenz aus dem gemessenen Quotienten aus Warm- und Kaltwiderstand
und dem zugehörigen
Standardwert.
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4 zeigt
den Quotienten aus RW und RK als Funktion der Zeit während des
Vorheizvorganges für
zwei unterschiedliche Vorheizvorgänge. Bei dem ersten Vorheizvorgang
(punktgestrichelte Linie) sieht man einen typischen Verlauf, wie
in 2. Der Vorheizvorgang ist zum Zeitpunkt t1 beendet.
Bei dem zweiten Vorheizvorgang (durchgezogene Linie) erreicht der
Quotient den Wert 5 vor dem erwarteten Ende t1 der Vorheizzeit.
Wenn allerdings der Quotient den Wert 5 erreicht, ist die Elektrode
heiß genug und
die Entladung wird gezündet.
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Tritt
während
des Vorheizvorganges an der Elektrode E2 eine Querentladung auf,
so fällt
die zunächst
angestiegene Temperatur der Elektrode wieder ab. Dies ist in 5 gezeigt
und äußert sich
auch darin, dass der Quotient aus dem aktuellen Elektrodenwiderstand
RW und dem Kaltwiderstand RK absinkt. Die Messvorrichtung M nimmt
hier in dem Intervall zwischen t0 und t1 zehn Messungen des Elektrodenwiderstandes
RW vor. Fällt
der Elektrodenwiderstand innerhalb dieses Intervalls, nachdem er
zunächst
gestiegen ist, so ist dies ein Anzeichen für eine Querentladung; die Entladung
wird gezündet.
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Ähnlich verhält es sich
mit 6. Tritt eine Querentladung über einer der Elektroden auf,
so bricht die Spannung über
dieser Elektrode ein. Die Spannung UKL2 über der Elektrode E2 wird von
der Messvorrichtung M gemessen. Fällt die Spannung UKL2 während des
Vorheizvorganges, nachdem sie zunächst gestiegen ist, so wird
auch hier über
die Steuervorrichtung C die Zündung
der Entladung veranlasst.