DE2020786A1

DE2020786A1 - Schaltungsanordnung zum Zuenden und zum Betrieb von Hochdruckentladungslampen

Info

Publication number: DE2020786A1
Application number: DE19702020786
Authority: DE
Inventors: Beardsley Ralph Harold; Erst Stephen James
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1969-05-12
Filing date: 1970-04-28
Publication date: 1970-11-19
Also published as: GB1265944A; US3611433A

Description

Dipl. Phys. Leo Thul . 2G2G78R

Patentanwalt ^4WilV'^vw

7 Stuttgart-Feuerbach
Kurze Str. 8

R.H.Be-ardsley-S. J. Erst 1-8

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK

Schaltungsanordnung zum Zünden und zum Betrieb von Hoohdruokentladungslampen

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Zünden und zum Betrieb von Hochdruckentladungslampen mit einer ersten Spannungsquelle verhältnlsmässig hoher Spannung zur Zündung und einer zweiten Spannungsquelle verhältnismässig niedriger Gleichspannung zum Betrieb dieser Lampe sowie mit einer Einrichtung zur Begrenzung des Lampenstroms auf den Nennwert.

Hochdruckentladungslampen hoher Lichtstärke, beispielsweise Xenon-, Quecksilber- oder Quecksilber-Xenon-Entladungslampen, erfordern eine sehr hohe Spannung, die etwa im Bereich von 2o bis 6o kV zur Zündüngsionisierung des Gases liegt. Unmittelbar nach dem Anlegen eines Hochs'pannungszündimpulses erscheinen zwischen den Elektroden aderförmige Entladungen, die örtliche Hitzezonen auf der Kathode erzeugen. Die Kathode wird damit zum Elektronensender, wobei der Spannungsabfall an den Elektroden niedriger wird. Sobald der Lichtbogen sich gebildet hat, wird der Aufbau des Plasmalichtbogens mit einer niedrigeren Spannung im Bereich von 65 bis l4o V aufrechterhalten. Wenn schllesslich der Lichtbogenstrom auf seinen Nennwert gebracht worden ist, hält eine noch niedrigere Spannung im Bereich von 2o bis 35 V den Lichtbogen aufrecht.

2o.April 197o

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Daher muss die Schaltungsanordnung zum Zünden und zum Betrieb von Hoohdruckentladungslampen drei bestimmte Forderungen erfüllen: sie muss eine hohe Zündspannung liefern, dann muss sie eine viel niedrigere "Plasma'¹-Spannung liefern und ferner muss sie eine noch niedrigere Brennspannung abgeben. Während die Zündspannung für solche Lampen eine Wechselspannung sein kann, muss die "Hasma"- und Brennspannung eine Gleichspannung sein, weil der Lichtbogen nicht durch eine Wechselspannungsquelle aufrechterhalten werden kann.

Solche Lampen haben wie alle Bogenentladungsgefässe eine negative und exponentielle Spannung-Strom-Charakteristik, d.h. der Widerstand zwischen den Elektroden nimmt exponentiell mit steigendem Lichtbogenstrom ab, und daher ist es nötig, in der Schaltungsanordnung einen Strombegrenzungswiderstand vorzusehen, der für den gewünschten Nennstrom sorgt und der eine Zerstörung der Lampe verhindert. Bekannte.Stromversorgungseinrichtungen für solche Lampen benutzen als Plasmaaufbauspannung eine einzelne Gleichspannung im Bereich von 12o bis l4o V. Von den Erfindern ist dabei festgestellt worden, dass die Tendenz des Wegblasens des Plasmabogens vom direkten Weg zwischen den Lampenelektroden auftritt, wobei die Wahrscheinlichkeit für die Portsetzung des Plasmaaufbaus nach der Zündung verringert wird. Ferner ist es mit einem solchen verhältnismässig hohen Spannungspegel schwierig, ausreichend Energie in den Zwischenraum zwischen den Elektroden zu bringen, um die richtige Kathodenhitze für die Zündung zu erzeugen, ohne einen ungebührlich hohen Betrag an Energie im Vorschaltwlderstand zu opfern. Der Vorschaltwiderstand ist im allgemeinen ein Reihenwiderstand, der eine lineare Spannungs-Strom-Kennlinie aufweist, oder ein Transformator mit hohem Blindwiderstand oder eine Kombination aus einem solchen Reihenwiderstand und einem solchen Transformator. Keine dieser bekannten

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Anordnungf'mlt einem Vorschal twiderstand sorgt für eine Span-

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nungs-Strom-Kennlinie, die der Kennlinie der Lampe angepasst ist. Daher wird viel Energie im Vorschaltwiderstand verbraucht, um die erfordedriche Begrenzung des Lampenstromes zu gewährleisten.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Schaltungsanordnung zum Zünden und zum Betrieb von Hochdruckentladungslampen mit einer ersten Spannungsquelle verhältnismässig hoher Spannung zur Zündung und einer zweiten Spannungsquelle verhältnismässig niedriger Gleichspannung zum Betrieb dieser Lampe sowie mit einer Einrichtung zur Begrenzung des Lampenstromes auf den Nennwert anzugeben, bei der die Gefahr von Fehlzündungen und der Strombedarf verringert werden und eine Anpassung der Kennlinie der Stromversorgungseinrichtung an die der Lampe erfolgt. Dies wird gemäss der Erfindung dadurch erreicht, dass von eita* Anzahl Stromversorgungskreisen progressiv ansteigende und höher als die genannte Gleichspannung liegende Plasmaaufbauspannungen über ihnen zugeordnete Lampenstrombegrenzungseinrichtungen an die Lampe gelangen und dass diese Stromversorgungskreise derart an die Lampe angeschlossen sind, class abhängig vom nach der Zündung ansteigenden Lampenstrom nacheinander immer kleinere Plasmaaufbauspannungen wirksam werden.

Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig.l ein schematisches Schaltbild für eine Anordnung zum Zünden und zum Betrieb für ein Bogenentladungsgefäss mit einer Plasmaaufbauspannungsquelie gemäss der Erfindung,

Fig.2Ä, B und C Spannungs-Strom-Kennlinien bekannter Stromversorgungseinrichtungen,

Fig.5 die Spannungs-Strom-Kennlinie einer typischen Hochdruckentladungslampe hoher Lichtstärke,

Fig.4 eine näher ausgeführte Schaltungsanordnung mit einer

Plasmaaufbauspannugsquelle gemäss der Erfindun 009847/1138

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Pig.5 eine Spannungs-Strom-Kennlinie der Plasmaaufbau-

spannungsquelle gemäss Fig.4 und Pig.6 eine abgeänderte Schaltungsanordnung gemäss Fig.4.

In Fig.l ist eine Stromversorgungseinrichtung Io mit ihren Anschlüssen 11 und 12 an die Anoöe 13 und die Kathode 14 einer Hochdruekentladungslampe 15 hoher Lichtstärke, beispielsweise einer Xenonlampe, angeschlossen» Eine Hochspannung szündschaltung 16 ist mit der Anode 13 in Reihe geschaltet und wird von einer Wechselstromquelle 17 gespeist» Eine Gleichstromquelle 1O₉ die die Brennspannung für die Lampe liefert, ein Vorschaltwiderstand 19 und eine Diode 2o sind in Reihe mit der Zündschaltung 16 und der Lampe 15 geschaltet» Parallel zur Reihenschaltung des Vorsohaltwiderstandes 19 und der Diode 2o liegt eine Plasmaaufbauspannungsquelle 22.

Wie in FIgο2A gezeigt ₃ wird mit einem Vorschaltwlderstand eine lineare Spannungs-Strom-Kennlinie erzielt» Wenn dieser Vor= schal'widerstand durch einen TranäTormator mit hohem Blindwiderstand gebildet wird,, so wird eine nicht-lineare* exponentieile Spannungs-Strom-Kennlinie erreicht_a wie sie in Pig«2B gegeigt ist» Die Anwendung eines Vorschaltwi^derstandes -in Verbindung mit einem Tranformator hohen Blindwiderstandes sorgt für einenKennlinienverlauf,, der zwischen der-linearen Kennlinie naeli FIg_O2A und der nieht-linearen Kennlinie nach Fig,2B verläuft« Die negative,, essponenfcielle Spannungs-Strom= Kennlinie eines typischen Bogenentladungsgefässes 1st in PIg₀3 gezeigt, und es ist ersichtlich₅ dass die Spannungs-Strom-Kennlinien der FIg₀SA₃ B und C ä<$& Vorsohaltwiöex'Standes und der VorsßhaltdÄ'ossel nicht genügend an die Larapenkennlinie auge= passt iBt$ ferner kann daraus geschlossen werden■, dass bei der Verwendung der brannten Voi³sohaltlmpedanzen grosse Energieverluste auftreten»

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In Pig.4 ist ein Transformator 23 mit einer Primärwicklung 24 gezeigt, die an den Ausgang eines Wechselrichters 25 angeschlossen ist. Der Wechselrichter 25 arbeitet bei einer Frequenz von 4oo Hz und wird von einer Gleichspannungsquelle 18, die eine Spannung von 28 V haben kann, mit Gleichstrom versorgt.

Eine Sekundärwicklung 26 des Transformators 23 hat einen Mittelabgriff 27 und symmetrisch zum Mittelabgriff Hegende Abgriffpaare 28, 29 und J>o, an denen zunehmend höhere Spannungen abgreifbar sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei solche Spannungen vorgesehen, die im folgenden Plasmaaufbauspannungen genannt werden.. Der Mittelabgriff 27 ist an den Pluspol 3² der Gleichspannungsquelle 18 mittels der Ader 33 angeschlossen.

Es sind drei Stromversorgungskreise für die Plasmaaufbauspannungen mit Vorschaltwiderständen 37* 38 und 39 vorgesehen. Jeder Stromversorgungskreis wird durch einen Teil der Sekundärwicklung, der durch das entsprechende Abgriffpaar bestimmt ist, und durch Dioden in den Abgriffleitungen gebildet, wobei die je Abgriffpaar vorhandenen Dioden jeweils kathoden^-seitig zu- ' sammengeschaltet sind. Diese Dioden sind die Dioden 4o, 42 und 43, die somit nach Art der Doppelweggleichrichtung arbeiten. Die einzelnen Stromversorgungskreise sind über die Vorschalt- ■ widerstände 37, 38 und 39 Im Punkt 44 parallelgeschaltet. Dieser Punkt 44 bildet den einen Pol der Plasmaaufbauspannungsquelle, während ihr anderer Pol durch den Mittelabgriff 27 gebildet ist. Die Plasmaaufbauspannungsquelle ist mit ihrem Pol 44 über einen Zündtransformator 45 an den Anschluss 11 der Lampe 15 angeschlossen. Zwischen den Polen 44, 27 der Plasmaauf bauspannungsquelle liegt noch ein Glättungsfilter, welches durch die Parallelschaltung eines Widerstandes 46 und eines Kondensators 47 gebildet ist.

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Ein Teil 53 der Sekundärwicklung 26 ist mit dem einen Ende 54 über eine ZUndtaste 55 mit dem Pol 44 verbunden, während das andere Ende 26 über eine Funkenstrecke .58 an einen Abgriff 59 des Zündtransformators angeschlossen ist. Zwjschen dem Wicklungsende 26 und dem Pol 44 ist ein Kondenstor 57 angeordnet.

Der Zündtransformator kann getrennte Primär- und Sekundärwicklungen aufweisen. Er kann aber auch, wie hier gezeigt, als Spartransformator mit den Teilwicklungen 64 und 45 ausgebildet sein.

Dem Vorschaltwiderstand 19 ist ein Relais 60 mit einer Wicklung 62 parallelgeschaltet. Dieses Relais besitzt einen Ruhekontakt 63, der im Primärstromkreis des Transformators 23 angeordent ist. Sobald ein Strom durch den Vorschaltwiderstand 19 fliesst und der Spannungsabfall an diesem Widerstand einen vorbestimmten Wert erreicht, spricht das Relais 60 an, wodurch der Kontakt 63 geöffnet wird. Dabei wird die Enegung des Transformators 23 unterbrochen. Um die Lampe I5 zu zünden, wird die Zündtaste 55 kurzzeitig geschlossen, wobei in bekannter Weise eine hohe Spannungsspitze im Zündtransformator erzeugt wird. Diese hohe Spannung zündet die Lampe I5. Die Zündtaste 55 kann wie üblich auch ein automatischer Zündschalter sein.

Nach der Anfangsionisation der Lampe 15 und dem öffnen der Zündtaste 55 · fliesst ein gleichgerichteter Wechselstrom durch die Dioden 43 und den Vorschaltwiderstand|39. Die so gebildete Plasmaaufbauspannung ist zunächst ziemlich hoch, wobei der Spannungsabfall am Vorschaltwiderstand 39 anfangs so gering ist, dass die Dioden 4o und 42 gesperrt werden. Wenn der Plasmastrom in der Lampe 15 zunimmt, steigt auch der . Spannungsabfall am Vorschaltwiderstand 39 an, so dass sohliesslich die Sperrspannung für di© Dioden 42 wegfällt und im Gegen-

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teil diese Dioden zu leiten beginnen. Dabei fliesst zusätzlich zu dem über den Vorschaltwiderstand 39 fliessenden Strom ein Strom über den Vorschaltwiderstand 38. Wenn der Plasmastrom in der Lampe 15 noch weiter ansteigt, sinkt das Potential des Pol 44 noch weiter ab, und zwar bis zu dem Wert, an dem die Dioden 4o anfangen leitend zu werden; dadurch kann auch über den Vorschaltwiderstand 37 Strom fliessen. ·

Es ist somit zu erkennen, dass ein Anzahl Stromversorgungskrelse mit progressiv niedriger werdenden Gleichspannungen nacheinander mit der Lampe 15 verbunden werden,, so dass naöii der Ionisierung der Lampe zunächst die Plasmaaufbauspannung einen kleinen Strom durch die Lampe treibt, worauf die nächst= niedrigere Plasmaaufbauspannung zusätzlichen Strom liefert, usw. Auf diese Weise steigt der Lampenstrom an, bis der Stromversorgungskreis mit der niedrigsten Plasmaaufbauspannung seinen Strom liefert. Der Gesamtstrom zum Aufbau des Plasmabogens verläuft derart, dass eine sichere Zündung sogar bei tiefen Tenperaturen gewährleistet ist. Es ist zu erkennen, dass die Dioden 4o , 42, 43 , die Widerstände 37, 38, 39 und der Pol 44 eine Oderschaltung bilden.

Die Plasmaaufbauspannungen sind der die Brennspannung liefernden Spannung der Gleichspannungsquelle 18 überlagert. Während des Aufbaus des Plasmabogens sperrt die Spannung der Plasmaauf bauspannungsquelle die Diode 2o, so dass die Gleichspannungsquelle 18 die Lampe 15 nicht unmittelbar mit Strom versorgen kann. Wenn der Lampenstrom genügend angestiegen ist, nämlich seinen Nennwert erreicht hat, dann liefert die Plasmaaufbauspannungsquelle keinen Strom mehr, so dass die Diode 2o zu leiten beginnt. Sobald nun im "Vorschaltwiderstand 19 ein Strom fliesst, spricht das Relais 60 an und schaltet den Transformator 23 ab. Danach wird die Lampe 15 nur noch von der Gleich-

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Spannungsquelle l8 über den Vorschaltwiderstand 19 und die Diode 2o mit Strom versorgt.

Die Werte der Vorschaltwiderstände 37, 38 und 39 sind so gewählt, dass die in Fig.5 gezeigten Spannungs-Strom-Kennlinienteile 65,66 und 67 entstehen. Diese Kennnlinie entspricht etwa der in Pig.5 dargestellten Lampenkennlinie.

Bei einem Ausführungsmuster mit einer Xenonlampe des Typs Hanovia 491C-39 betrug die Zündspannung 2o bis 30 kV, die kleinste Plasmaaufbauspannung 7o V und die Brennspannung t 2o bis 25 V. Dabei hatten die Schaltungsteile in Pig.4 folgende Werte:

Spannung am Abgriff 28 ohne Belastung : Io V, Spannung am Abgriff 29 ohne Belastung : 35 V, Spannung am Abgriff 30 ohne Belastung : 90 V, Widerstand 37 : 5 Ohm,
Widerstand 38 ι 2,5 Ohm,
Widerstand 39 ι Io Ohm,
Widerstand 19 5 0,06 Ohm,
Widerstand 46 % Io kOhm,
Kondensator 47 ; 2oo /UP.

^ Selbstverständlich kann in gewissen Fällen eine grössere An-' zahl von Transformatorabgriffen und Stromversorgungskreisen für die Plasmaaufbauspannungen erwünscht seini andererseits können statt drei auch swei Stromversorgungskreise ausreichend sein»

Sin Ausführungsbeipiel mit gwei Stromversorgungskreisen ist in FIg₀6 dargestellt;, in der die gleichen Elemente gleiche Be s ugs ζ al eiien aufi^eisen»- In diesem Beispiel, 1st im Stromversorgungskreis 35 kein Vorschaltwiderstand vorhanden».Dafür liegt ein Vorsehaltvilderstand 68 in der zum Mlttelabg'fiff 098 4 7/1 138

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führenden Leitung. Der zum Aufbau des Plasmabogens erforderliche Anfangsstrom fliesst durch die Vorschaltwiderstände 68 und 39* wobei zunächst der Spannungsabfall an diesen Vorschaltwiderständen noch sehr gering ist. Die Diode 42 bleibt daher zunächst gesperrt. Der anwachsende Lampenstrom lässt jedoch den Strom im Vorschaltwiderstand 39 so weit ansteigen, dass die Diode 42 nicht mehr gesperrt wird. Es beginnt dann im Stromversorgungskreis 35 ein Strom zu fHessen, der durch den Widerstand 68 begrenzt wird.

Zusammfassend kann also in Übereinstimmung mit der Erfindung gesagt werden, dass beim schnellen Zunehmen des Lampenstroms von einem sehr niedrigen Wert bei hoher Spannung auf einen hohen Wert bei niedriger Spannung die Gesamtspannung der Stromversorgungseinrichtung fortschreitend abnimmt und der Strom · begrenzt wird, bis die Gleichspannungsquelle mit der niedrigsten Spannung einen verhältnismässig hohen Strom bei niedriger Spannung liefert.

14 Patentansprüche,

2 Bl.Zeichnungen, 6 Figuren

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Claims

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Patentansprüche

( !«Schaltungsanordnung zum Zünden und zum Betrieb von

"— ^y Hochdruckentladungslampen mit einer ersten Spannungsquelle verhältnismässlg hoher Spannung zur Zündung und einer zweiten Spannungsquelle verhältnismässig niedriger Gleichspannung zum Betrieb dieser Lampe sowie mit einer Einrichtung zur Begrenzung des Lampenstroms auf den Nennwert, dadurch gekennzeichnet, dass von einer Anzahl Stromversorgungskreisen (28,40129,42130543) progressiv ansteigende und höher als die genannte Gleichspannung liegende Plasmaaufbauspannungen über ihnen zugeordnete Lampenstrombegrenzungseinrichtungen (37*38,39) an die Lampe (I5) gelangen und dass diese Stromversorgungskreise derart an die Lampe angeschlossen sind, dass abhängig vom nach der Zündung ansteigenden Lampenstrom nacheinander immer kleinere Plasmaaufbauspannungen wirksam werden.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ^kennzeichnet, dass die Lampenstrombegrenzungseinrichtungen (37,38,39) derart bemessen sind, dass der Lampenstromverlauf der negativen exponentiellen Spannungs-Strom-Kennlinie der Lampe angepasst 1st.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Jede Lampenstrombegrenzungseinrichtung durch einen Widerstand gebildet ist, der mit dem zugeordneten Stromversorgungskreis in Reihe geschaltet ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeiohnet, dass die erste und zweite Spannungsquelle und die Stromversorgungskreise eine Oderschaltung aufweisen.

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5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgungskreise Wechselspannungsquellen und Gleichrichter zur Gleichrichtung der Wechselspannungen aufweisen.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannungsquellen unter Mitwirkung eines Transformators (23) gebildet sind, dessen Sekundärwicklung (26) einen den einen BxL der Plasmaaufbauspannungsquelle darstellenden Mittelabgriff (2?) und symmetrisch zum Mittelabgriff liegende Abgriffpaare (29,29j3o,3o) aufweist,und dass mit jedem Abgriffpaar Gleichrichter (42j43) nach Art der Doppelweggleichrichtung verbinden sind, deren andere Anschlüsse zusammengeschaltet und über die Lampenstrombegrenzungseinrichtung an einen den Ausgang der Plasmaaufbauspannungsquelle darstellenden Punkt (4M·)- angeschlossen sind.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich-net, dass die erste Spannungsquelle (16) mit der Plasmaaufbauspannungsquelle (22) in Reihe geschaltet ist.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet _t dass die zweite Spannungsquelle (18), die Plasmaaufbauspannungsquelle (22) und die erste Spannungsquelle (l6) in Reihe an der Lampe liegen und dass die Plasmaaufbauspannungsquelle durch die Reihenschaltung eines Lampenstrombegrenzungswiderstands (I9) und einer Diode (2o) überbrückt ist.
9-e Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (60,62,63) zu Abschaltung der Plasmaaufbauspannungsquelle vorgesehen sind, die auf einem vorgegebenen Strom im Lampenstrombegrenzungswiderstand ansprechen.

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10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklung (24) des Transformators (2j5) an den Ausgang eines Wechselrichters (25) angeschlossen ist, der von der zweiten Spannungsquelle (18) gespeist wird.
11. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis Ib, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spannungsquelle einen Transformator (45,64) aufweist, dessen Primärwicklung von einem Teil (53) der Sekundärwicklung des der Plasmaaufbauspannungsquelle zugehörigen Transformators gespeist wird und dessen Sekundärwicklung im Lampenstromkreis liegt.
12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator der ersten Spannungsquelle als Sparübertrager ausgebildet ist.
15. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Stromversorgungskreis mit der niedrigstm Plasmaaufbauspannung kein Strombegrenzungswiderstand und dafür ein Strombegrenzungswiderstand (68) den Stromversorgungskreisen vorgeschaltet ist.
14. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass am Ausgang der Plasmaaufbauspannungsquelle ein Glättungsglied (4?) angeordnet ist.