DE2021380A1

DE2021380A1 - Voreil-Ballastschaltung fuer eine Gasentladungslampe

Info

Publication number: DE2021380A1
Application number: DE19702021380
Authority: DE
Inventors: Grace Robert Edmund
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1969-05-01
Filing date: 1970-04-30
Publication date: 1970-11-12
Also published as: BR7017881D0; NL7006152A; US3599037A; BE749784A; FR2041785B1; FR2041785A1; GB1308525A

Description

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MÖHLST&ASSE 22, RUFNUMMER 483921/22

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XEROX COEPOSATIOI, Rochester, N.Y. 14603, HT.St.A·

Yoreil-Ballastschaltung für eine Gasentladungslampe

Die Erfindung betrifft eine Ballastschaltung für eine Gasentladungslampe und insbesondere, eine neuartige Steuerschaltung zur kontinuierliehen Änderung des die Gasentladungslampe durchfließenden Stromes in der Art einer Yoreil-Ballastschaltung.

Eine,Ballastschaltung ist eine mit einer Gasentladungslampe verbundene positive Impedanzanordnung, die den negativen Widerstand der Lampe verschiebt und damit ihr schnelles Aus*- brennen verhinderte Eine Gasentladungslampe ist eine Anordnung, die Iiicht abgibt, wenn eine elektrische Entladung bei vorbestimmtem Druck in einem Gas oder einem Dampf stattfindet., Solche Lampen haben einen sogenannten negativen Widerstand, der den Stromfluß nach der Zündung schnell ansteigen läßt, bis die Lampe ausgebrannt ist. Deshalb wird eine positive Im^- pedalanordnung, die allgemein als Ballastschaltung bezeichnet wird, zur Begrenzung des Stromflusses durch die Lampe verwendete Die Ballastschaltung erzeugt dabei die hohe Leerlaufspannung für die Zündung der Lampe, da in den meisten Fällen die vorhandene Stromquelle eine zur Zündung ausreichende Spannung nicht liefert.

Voreil-Ballastschaltungen sind für den Betrieb von Gasentla-

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dungslampen zumindest in bestimmten Fällen am günstigsten. Das Hauptmerkmal der Voreil-Ballastschaltung feesteht darin, daß die den Stromfluß der Lampe begrenzende Impedanz grundsätzlich kapazitiv ist und damit das Gegenteil einer Ifeeheil-Ballastschaltung darstellt, deren strombegrenzende Impedanz grundsätzlich induktiv ist. Die Vorteile der Voreil-Ballastschaltung sind in erster Linie empirisch, da Ballastschaltungen für bestimmte Lampen bemessen sind und wiederum eine bestimmte Lampe einer bestimmten Ballastschaltung angepaßt ist. Die Funktionen der Ballastsehaltung und der Lampen sind also voneinander abhängig und deshalb einander angepaßt. Einige Vorteile einer Voreil-Ballstschaltung gegenüber der Nacheil-Ballastschaltung sind: bessere Strom- und Spannungsregulierung, geringerer Startstrom, Verhinderung einer Gleichrichtung des Lampenstromes durch eine mit der Lampe in Reihe geschaltete Kapazität und damit Vermeidung der Zerstörung der Lampe und der Überhitzung der Ballastsehaltung sowie geringere Zündspannungen.

Ein Problem besteht bei Voreil-Ballastschaltungen darin, daß die Änderung des Lampenstromes schwierig ist. Die Unmöglichkeit einer schnellen und leichten Stromänderung ergibt sich hauptsächlich aus der Tatsache, daß variable Kapazitäten insbesondere für große Kapazitätswerte allgemein nicht vorhanden sind. Deshalb wurde eine variable Stromateuerung in Voreil-Ballastschaltungen /bisher nur durch Einschaltung bzw. Ausschaltung von Parallelkapazitäten begrenzt verwirklicht. Dabei ist nur eine schrittweise Stromsteuerung möglich, die normalerweise jedoch nicht erwünscht ist, da die vorhandenen Spannungs- und Stromwerte sehr hoch sind.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Betrieb von Gasentladungslampen bei Vermeidung der vorstehend genannten Nachteile zu verbessern und hierzu eine Voreil-Ballastschaltung anzugeben» in der die effektive Kapazität in einem kon-

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tinuierliohen Bereich ohne mechanische oder elektrische Umschal tungen geändert werden kann«

Pur eine 'Voreil-Ballastschaltung für eine Gasentladungslampe mit einer Anschaltevorrichtung zur Erzeugung einer die Zündung der Gasentladungslampe bewirkenden Spannung aus einer Speisewechselspannung und einer zwisohen die Anschaltevorrichtung und die Grasentladungslampe geschalteten Impedanz ■löst die Erfindung diese Aufgabe dadurch, daß die Impedanz aus einer Kapazität und einer variablen Induktivität besteht und ein durch Verändern der Induktivität änderbares kapazitives Verhalten der Ballastschaltung bewirkt.

Die vorhandene Impedanz enthält also zusätzlich zur Kapazität eine variable Induktivität, deren Anderungsbereich und Wert derart gewählt ist, daß die effektive Impedanz stets kapazitiv bleibt, so daß die Eigenschaften der Voreil-Ballaat" schaltung erhalten bleiben. Der unmittelbare Vorteil der erfind ungsgemäß en Schaltung besteht in dem Wegfall des Schaltens hoher Spannungen und Ströme und in der kontinuierlichen Regelung desLampenstromes·

Die erfindungsgemäße Anwendung einer variablen Induktivität steht im Gegensatz zu den bei Naoheil-Ballastsohaltungen oft verwendeten variablen Induktivitäten« denn eiβ wird bei der Erfindung zur Erhöhung oder Verringerung der Kapazität und nicht der Induktivität der Ballastschaltung eingesetzt· Sin Anstieg der Induktivität bewirkt einen Anstieg des Effektiv·* wertes des lampenstromes, da die effektive Kapaiität verringert wird. In einer Haoheil-Ballastsohaltang bewirkt ein Anstieg der Induktivität einen Abfall des Effektirwertee des Itampenstromes. Die erfindungsgemäße Ballastschaltung eignet sich ferner für einen geschlossenen Regelkreis und ermöglicht damit die Anwendung einer negativen Rückkopplung zur Stabili-

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eier ung: fet?' Ajasgangsüle-istung der lam®©.

Me erfinÄüiiigsrgeinltle; äefta-ltimgsami^tmg wird ißt anhand eFer Figuren; beschrieben«, Es· zeigen* .

fig.t eine» Voreil-Ba^lastsenaltung; mit einer variablen Induktivität; und einem Autotrenaformator,,,

i>ig:*2 eine Vb reil-Bal last schaltung mit einer variablen Induktivität und; einem iransförmat/ji·

Pig·3 eine VOreil-BallastSchaltung mit einer sattigliaren Drossel als variable Induktivität und einer Rückkopplung von der Iiampe zur Drossel.

Unter einer Ballastsohaltung soll im folgenden eine Schaltung verstanden werden, in der eine positive Impedanz mit einer lampe verbunden ist, um deren Stromfluß zu begrenzen* Die hier in Frage kommenden Lampen sind Gasentladungslampen mit Metallzusätzen, bei deren Verwendung die Parameter der Ballastschaltung und der Lampe einander angepaßt sein müssen, um eine optimale ieistungsausbeute der Lampe zu erzielen« Die optimale Leistung,wird am besten durch Verwendung von Voreil-Ballastschaltungen erreicht. Dabei handelt es sich um eine Bailastschaltung, deren Gesamtimpedanz für die Begrenzung des Lampenatromes grundsätzlich kapazitiv ist, während einer Nacheil-Bällaetschaitung die den Lampenstrom begrenzende Impedanz grundsätzlich induktiv ist*

Die in den Fig.1, 2 und 2 gezeigten Voreil-Ballastschaltungen enthalten eine Anschaltevorrichtung 1, eine Impedanz 2 und eine Gasentladungslampe 3. Die Anschaltevorrichtung ist normalerweise eine induktiv© Anordnung und kann einen Kondensator 4 in Parallelschaltung enthalten (Fig»1), der den LeI-Btungsfaktor korrigiert* in erster Linie dient die AnschalteTorrichtung jedoch zur Ankopplung der StromversorgungB.leitung 5 bzw· einer Weehselstromquelle an eine Schaltvorrich-

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tung zur Erhöhung der Spannung auf einen die Lampenzündung bewirkenden Wert. .

Die in Fig·!gezeigte Ansehaltevorrichtung enthält einen , Autotransformator 7 mit hoher Streuung, der im allgemeinen * selbst schon als Ballast bezeichnet wird, da er als induktive Anordnung den lampenstrom begrenzen kann und die zur Zündung erforderliche Spannung lieferte Die in Pig·3 gezeigte Anschaltevorrichtung ist ein Autotransformator 8 mit einem sättigbaren Jlußspalt, der bei Kombination mit einem Kondensat or mit einem die kombinierte Impedanz kapazitiv machenden Wert auch als Voreil-Zündimpulsautotransformator mit Ballastwirkung bezeichnet wird. Diese Vorrichtung hat sich als sehr vorteilhaft für den Betrieb von Gasentladungslampen mit Susätzen, beispielsweise mit Metallhalogeniden, erwiesen» Das Problem bestand' jedoch bisher immer darin, daß keine Vorrichtung zur Änderung der Kapazität einer Voreil-Ballastschaltung außer der mechanischen oder elektrischen Umschaltung zur Verfugung stand. Die in Hg₀2 gezeigte Anschaltevorrichtung enthält einen üblichen Transformator 9, der die erforderliche Zündspannung erzeugt und bei Kombination mit einem Kondensator eine andere Ausführungsform einer Voreil-Ballastschaltung darstellt. " .

Die in den fig.1, 2.und 3 gezeigte Impedanz 3 enthält einen Kondensator 11 und eine variable Induktivität, beispielswei·* se die linearen Induktivitäten 12 und 13 in Jig»1 und 2 und die sättigbare Drossel 14 in Mg₀3« Der Kapazitätswert des Kondensators 11 ist derart ausgewählt, daß bei Zusammenschaltung mit der variablen Induktivität und der Induktivität der Anschaltevorrichtung die effektive Impedanz der Schaltung kapazitiv ist, so daß die Punktion einer Voreil-Ballastsohaltung vorliegtβ · .

; Unter Vernachlässigung des Ohm¹sehen Widerstandes ist die Gesamtimpedanz der in den fig· jeweils dargestellten Ballast-

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schaltung j(wL-1/wO), wobei j die imaginäre Zahl V^T, w ein-., Vielfaohea der Frequenz der Speiseweohseispannung, L die Induktivität der Schaltung in Henry und C die Kapazität des . Kondensators 11 in Farad ist. Die Impedanz de* BalQsastaehaltung ist grundsätzlich oder effektiv kapazitiv,; wenn der vorstehende Ausdruck negativ ist, d.h. wL <1/wC, weshalb die Schaltung als Voreil-Ballastschaltung bezeichnet wird. Bei Verwendung einea? variablen Induktivität kann die Gröjäe der Schaltungskapazität durch Erhöhen und Verringern des Wertes L und damit umgekehrt bewirktes Ansteigen und Abfallen des negativen Ausdrucks j(wL-1/wC) geändert werden.

Die linearen Drosselspulen 12 und 13 werden in der erfindungsgemäßen Schaltung als variable Induktivitäten verwendet. Die lineare Drosselspule hat einen mechanisch beweglichen Metallkern innerhalb der V/indungen, der als Leiter für den magnetischen Fluß diente Durch Bewegung de3 Kerns kann dieser Leiter geändert werden, wodurch die effektive Gegenwirkung zum Strom, also die Induktivität, geändert wird. Lineare Drosselspulen sind bekannt und daher in den Fig_o1 und 2 lediglich schematisch dargestellte

Die sättigbare Drossel 14 ist eine andere Art Drosselspule, sie kann gleichfalls als variable Induktivität angewendet werden. Sie hat eine Wicklung 16 sowie eine Steuerwicklung 17 auf einem gemeinsamen Kern. Der im gemeinsamen Kern durch den Strom in der Steuerwicklung erzeugte I¹IuB unterstützt entweder den durch die Primärwicklung erzeugten Fluß oder wirkt ihm entgegen. Durch Regelung des Stromflusses (normalerweise Gleichstrom) in der Steuerwicklung kann deshalb die Induktivität der Primärwicklung geändert werden.

In !ig. 3 dient die Primärwicklung 16 als variable Induktivität für die Ballastechaltung unc! ist mit dem Kondensator 11 sowie der Lampe 3 in Reihe geschaltet. Die Steuerwicklung

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eines; BmLt edaffiem ¥e^glei,ehe>:r oder* f 9 ^raeiigteni Signal» abhängen« T3as

aigpal..des■ lierglAi.eAe-rs tf wir€ iuröfe eine IotcraelXa ectee Koiriials^adaiHiuaig 22 am Eingarag; ies; "VergpLeidiers; ΊΜ.& Fbiteziellie; ist; art «fear lanEpe; angeordiie/t tuidi äereii afrgege?- toeMem. M,etote anagesetz-t« Die lampeiiattsgaiigsleisiiung bewirkt; .dies- EirsseUigjEaaig eiB©a Üuf pra^ortioualea Spannungesigirals. durch, die? Fbitöszelle:. Di© Kbrmalspannung eKtspricht eiiier vorgegefeeneu LamienauisgaHgsleiffitiing und damit einem vorgegebenen FotozelleHEsignal« Stimmen die Normal Spannung und das FotozellensignaX llberein_r so steuert der Vergleicher die Stromsteuer schaltung 1S zur Abgabe eines festen Grleichspannungssignals (oder Gleichstromsignale) an die Steiterspule 17» so daß eine feste Induktivität der Primärwicklung eingestellt wird. Un-* terscheidet sich das Fotozellensignal von der Formalspannung, so bewirkt der Yergleicher ein Anheben oder Absenken des Gleichspannungssignals an der Steuerspule und damit ein Anheben oder Absenken des Lampenstromes, wodurch die Lampenausgangsleistung auf den vorgegebenen Wert zurückgebracht wird* Die sättigbare Drosselt di* Steuerschaltung, der Vergleioher und diie; Fotozelle bilden auf diese Weise eine positive ElickkopplüÄgsschaltung für die in Fig· 3 gezeigte Töreil-Ballas-bachaltung. -

Die in Fig«3 gezeigte der Primärwicklung der eättigbaren Drossel parallel g»»elialtete Induktivität 23 verMnder-fe» dEaft der Ausdruck ${w!Jr-t/uG} den Wert Hull oder einen pöältivett Wert annimmt.,.- sie »teilt also die Funktion der Söhaitung ate foreil-Sallastscbeltung sicher· InduktivitÄteii adäierea sich bei Parallelschaltung wie Widerstände* Daher ist die Gesamt- « iniuktivität aus Patfallelinduktivität und PriMärwicklüng immer kleiner als die kleinste Teilinduktivität· Durch Auswahl des Wertes der Parallelinduktivität derart* daß der Aus- ,

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druck j(wI-i/wC) immer negativ ist, kann der Induktivitäts~ wert der Primärwicklung geändert werden, ohne befürchten zu müssen, daß der Ausdruck. j(wI-i/wC) den Wert Null (Resonanz) oder einen positiven Wert (Nacheil-Ballastschaltung) annimmt. .

Die erfindungsgemäße Voreil-Ballastschaltung ermöglicht eine kontinuierliche Steuerung des Lampenstromes oder, der Lampenleistung und damit der Lichtabgabe der Lampe. Die Steuerung ist durch Verwendung handelsüblicher Einzelteile, nämlich einer linearen Drosselspule oder einer sättigbaren Drossel, zu verwirklichen. Ferner erfolgt die Steuerung des Lampenbetrietes stets nach dem Prinzip einer Voreil-Ballastschaltung in einer Weise, wie sie bisher nicht möglich war.

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'fi t3_K f4)^; teestellt uiid ein durch der Ballaatac^ialt^oig "bewirkt.

2* Bellastsahaltxing nacli ioia.pruch 1» dadurüh_; ■ |. daü die i^ae^aJIte^rQa-rictotu.ng ein Äutatransiormator-

Τ) ist»

Biallas'tseiialtang nach Anspruah 1 oder 2,, dadurch z.@±.Qim&t:_W SaM die vaariaile Induktivität eine lineare In·-· ^aktivität ff2» 15) ist·

4* Ballastsclialtung nacM AnsBruoJa ΐ oder 2;,, daduüeii gekennz;eiennet_r daß die variable Induktivität eine aättigtare Drossel (t4} ist-»

5. Ballastschaltung nach Anspruch t, dadurch gekennzeichnet, daß die Anaehaltevorrichtung (1) einen Voreil-Ztind-/ impulsautotransformator (8) zur Anschaltung der Speise·^ wechselspannung mit einer ersten, mit dem Kondensator (11) beschalteten Ausgangsklemme und einer zweiten, mit einem Anschluß der Lampe (3) besohalteten Auagangeklemine: aufweist, daß die variable Induktivität (14) eine sättigbare Drossel mit einer Primärwicklung (16) und einer Steuerwioklung (17) ist, deren Primärwicklung (16) mit dem Kondensator (11) und der Lampe (3) in Reihe geschaltet ist, und daß ein Hückkopplungsweg zur Inderung des Lam-

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