-
Betriebsschaltung für elektrische Entladungslampen Die Erfindung bezieht
sich auf eine Betriebsschaltung für elektrische Entladungslampen in einer Reihenschaltung
aus Lastspule und Kondensator zwischen zwei Eingangs anschlußklemmen .und mit zwei
Ausgangsanschlußklemmen, zwischen die der Kondensator geschaltet ist.
-
Es ist gutbekannt, daß elektrische Entladungslampen wegen ihrer elektrischen
Eigenschaften von einer Speisespannungs quelle über eine Betriebsschaltung mit einer
Last, und zwar insbesondere einer induktiven-kapazitiven Lastanordnuns,gespeist
werden müssen. Bei den bekannten Betriebsschaltungen für Entladungslampen ist die
Lampenbetriebsspannung betrachtlich niedriger als die Spannung der Spannungsquelle.
Als Folge davon erfordern viele Lampen eine Betriebsschaltung mit einem sperrigen
Aufwärtstransformator großer Reaktanz, der entweder kostspielig ist oder der von
Speisespannungsquellen betrieben werden muß, die eine größere Spannung abgeben,
als die üblichen Netze.
-
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Betriebsschaltung für eine elektrische
Entladungslampe zu schaffen, bei der die genannten Schwierigkeiten -vermieden- werden.
-
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in Reihe zu dem Kondensator
und der Lastspule eine Halbleiterschaltvorrichtung zwischen die Eingangsanschlußklemmen
geschaltet ist und daß eine Steuerschaltung an die Eingangsanschlußklemmen angeschlossen
ist, durch die die Schaltvorrichtung während eines bestimmten Teils jeweils mindestens
der einen sich ändernden Halb - wellen einer Wechselspannungsquelle in den leitenden
Zustand geschaltet wird, um eine Spannung an den Ausgangsanschlußklemmen sowohl
zum Starten als auch zum Betrieb einer Entladungslampe vorzusehen.
-
Die Betriebsschaltung gemäß der Erfindung dient als gemeinsame Last-
und Zündschaltung für einzelne Entladungslampen, und zwar insbesondere für Hochdruck-
und Niederdruck-Natrium-Dampfentladungslampen, Quecksilberdampf-Entladungslampen
und fluoreszierende- Entladüngslampen,und sie ermöglicht den Betrieb solcher Entladungslampen
direkt durch die Wechselspannung des üblichen Netzes, ohne daß Aufwärtstransformatoren
verwendet werden müssein.
-
Ein weiterer Vorteil der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung besteht
darin, daß sie aus der üblichen Wechselspannung eine Spannung mit rechteckförmiger
Kurvenform zwischen den Ausgangsanschlußklemmen erzeugt. Da die Ausgangsspannung
der Schaltung im wesentlichen rechteckförmig ist, hat .die Betriebsschaltung gemäß
der Erfindung einen verbesserten Leistungsfaktor im Verhältnis zu den bekannten
Betriebsschaltungen für Entladungslampen, da mehr Leistung zu d-em Zeitpunkt abgegeben
wird, zu dem die Entladungslampe gezündet wird.
-
Eine besondere Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Schaltvorrichtung in Reihe mit der Lastspule zwischen eine der Eingangsanschlußklemmen
und eine der-Ausgangsanschlußklemmen geschaltet ist.
-
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Schaltvorrichtung in Reihe
mit dem Kondensator an die Ausgangsanschlußklemmen
angeschlossen.
-Vorzugsweise ist die Betriebsschaltung so ausgeführt, daß die Schaltvorrichtung
eine Zwei-Richtungs-Schaltvorrichtung ist und daß diese Schaltvorrichtung durch
die Steuerschaltung während eines bestimmten Teils jedes Halbzyklus einer Wechselspannung
in den leitenden Zustand getriggert wird.
-
-Vorzugsweise ist die Halbleiterschaltvorrichtung ferner ein.
-
Zwei-Richtungs-Thyristor. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist die Schaltvorrichtung eine Zwei-Richtungs-Thyristor-Triode.
-
Eine Weiterbildung der Betriebsschaltung ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuerschaltung einen Ohm'schein Spannungsteiler aufweist, der zwischen
die Eingangsanschlußklemmen geschaltet ist. Die Triggerspuannung der Schaltvorrichtung
läßt sich dadurch einstellen, daß man die Lage des.Anzapfungspunktes dieses Spannungsteilers
einstellbar macht.
-
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch
gekennzeichnet, daß eine zweite Spule einer geringeren der Induktivität als die
Lastspule in Reihe mit dem Kondensator an die Ausgangsanschlußklemmen geschaltet
ist, um dadurch die Spitzenwerte des Stromes, die der Entladungslampe bei Betrieb
zugeführt werden, zu begrenzen. Um eine höhere Zündspannung bei dieser Anordnung
vorzusehen, ist eine dritte, induktiv mit der zweiten Spule gekoppelte Spule zwischen
einen Zwischenpunkt, der Lastspulen/Schaltvorrichtungs/Kondensator-Reihenkombination
und eine der Eingangsanschlußklemmen geschaltet. Dabei ist es zweckmäßig, daß die
dritte Spule in Reihe mit einem zweiten Kondensator geschaltet .ist, um einen Resonanzkreis
zu bilden, dessen Resonanzfrequenz größer ist als die Frequenz der Wechselspeisespannung.
-
Die dritte Spule weist zweckmäßigerweise einige Windungen auf, die
um eine Wicklung gelegt sind, die die zweite Spule bildet.
-
Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen
beispielshalber beschrieben, dabei zeigen: Fig. 1 ein Schaltbild einer Betriebsschaltung
für eine Entladungslampe gemäß der Erfindung, Fig. 2-ein Schaltbild einer ersten
bevorzugten Ausführungsform einer Betriebsschaltung für eine Entladungslampe gemäß
der Erfindung, Fig. 3 ein Schaltbild einer abgewandelten Schaltung nach Figur 2
und Fig. 4 ein Schaltbild einer zweiten bevorzugten Ausführungsform einer Betriebsschaltung
für eine Entladungslampe gemäß der Erfindung.
-
In Figur 1 ist eine grundsätzliche Ausführungsform einer Betriebsschaltung
gemäß der Erfindung für eine elektrische Entladungslampe dargestellt, die eine Halbleiterschaltvorrichtung
TR1 aufweist, die in Reihe mit einer Lastdrossel L1 zwischen eine Eingangsanschläßklemme
I1 und eine Ausgangsanschlußklemme zweier Paare von Eingangs- und Ausgangsklemmen
I1, I2 und °19 O2 geschaltet ist. Mit den beiden Eingangsanschlußklemmen I1 und
I2 ist ein Kondensator C1 verbunden, der hauptsächlich als Korrekturkondensator
für den Leistungsfaktor dient. Zwischen die Ausgangsanschlußklemmen 01, 02 ist ein
Kondensator C2 geschaltet, der mit der Lastdrossel L1 einen Resonanzkreis bildet.
Die Äusgangsanschlußklemme °2 ist direkt mit der Eingangsanschlußklemme I2 verbunden,
so daß der Kondensator C12 in Reihe mit der Lastdrossel L1 und der Halbleiterschaltvorrichtung-
TR1 zwischen die-Eingangsanschlußklemmen I1 und I2 geschaltet ist.
-
Die Halbleiterschaltvorrichtung TR1 ist eine ZweisRichtungs-Thyristor-Triode
oder ein "Triac",und er weist damit Lawinen-oder Zener-Eigenschaften auf. Die Steuerelektrode
der Halbleiterschaltvorrichtung TR1 ist mit einer Mittelanzapfung einer Reihenschaltung
aus Widerständen R1, R2, R3 verbunden, die eine einfache Spannungsteifersteuerschaltung
für die Halbleiterschaltvorrichtung TR1 bildet, wobei die Reihenschaltung aus den
Widerständen R1, R2, R3 zwischen die Eingangsanschlußklemmen I1 und 12 geschaltet
ist.
-
Bei Betrieb der Schaltung werden die Eingangsansc-hlußklemmen I1 und
I2 an eine einphasige Wechselspannungsquelle(beispielsweise von 240 Volt = 50 Hz)
angeschlossen, während- zwischen die Ausgangsanschlußkiemmen 01 und 02 eine zu betatigende
Entladungsla.mpe D, beispielsweise eine Hochdruck-Natrium-Dampflampe geschaltet
ist.
-
Die Halbleiterschaltvorrichtung TR1 ist so eingestellt, und zwar entweder
durch vorherige Einstellung oder durch Auswahl der Elemente der Reihenschaltung
aus den Widerständen R1, R2 und R3, daß sie dann leitend gemacht wird, wenn die
an ihr anliegende Spannung in irgendeiner Richtung eine bestimmte Stelle einer Halbwelle
der Wechselspannungsquelle erreicht.
-
Wenn man zunächst einmal die Wirkungsweise der Schaltung während jedes
Halbzyklus betrachtet, ohne daß die Entladungslampe D mit den Ausgangsanschlußklemmen
°1 und 02 verbunden ist, dann wird zu dem Zeitpunkt, zu dem die Halbleiterschaltvorrichtung
TR1 leitend gemacht wird, eine-Resonanzladespannung höherer Frequenz und Amplitude
an dem Kondensator C2 durch Resonanz der Schaltung L1 und C2 erzeugt, als sie sich
durch die Wechselspannungsquelle ergeben würde. Es steigt also die Spannung an dem
Kondensator C2 und damit die Spannung zwischen den Anschlußklemmen °1 und 02 sehr
rasch auf einen Wert an, der weit oberhalb des Scheitelwertes der Spannung der Wechselspannungsquelle
liegt und wobei die maximale Spannung an dem
Kondensator C2 durch
den Zenereffekt der Halbleiterschaltvorrichtung begrenzt und gesteuert wird. Damit
wird eine Reihe von rechteckförmigen ochspannungsimpulsen an den Ausgangsanschlußklemmen
0, 1 und 02 während jedes Halbzyklus der Wechselspannung der Wechselspannungsquelle
in der gleichen Polarität.
-
wie der Halbzyklus erzeugt.
-
Wenn die Entladungslampe D zwischen die Ausgangsanschlußklemmen 01
und O2 geschaltet wird, so wird die Spannung än dem Kondensator C2 auf die Zündspannung
der Entladungslampe D begre.nzt,und die Lampe zündet innerhalb eines Halbzyklus
der Speisespannung sehr zeitig, da die Spannung an dem Kondensator C2 rasch-anwächst.
Der Kondensator C2 entlädt sich dann in die Entladungslampe D, wobei er eine beträchtliche
Leistung abgibt. Sowohl die Lastdrossel L1 als auch der Kondensator C2 wirken deshalb
als Speicherelemente, die die Entladungslampe wirksam stabilisieren.
-
Wenn die EntladungslampQ D einmal gezündet hat, dann werden die Hochfrequenzschwingungen
in der Schaltung L1 und C2 durch die Belastungswirkung der Entladungslampe gedämpft,und
die Spitzen in der Ausgangsspannung zwischen den Ausgangsanschlußklemmen und und
2 werden unterdrückt. Die Spannung an dem Kondensator C2 ist jedoch bei gezündetem
Zustand der Entladungslampe D immer noch genügend groß, daß an der Entladungslampe
eine Lichtbogenentladungsspannung in der gleichen Größenordnung aufrechterhalten
wird, wie sie durch die Spannungsquelle gegeben- ist. Die Dämpfung der Schaltung
L1 und C2 durch die Entladungslampe D bewirkt auch, daß die Entladungslampe D nicht,
nachdem sie einmal gezündet worden ist, durch die umgekehrte Spannungswelle -an
dem Kondensator C2 gelöscht wird.
-
Man erkennt, daß die Kurvenform der Spannung, die der EntladungslampeD
D zugeführt wird, etwa rechteckförmig ist, da die Entladungslampe zeitig bei jedem
Halbzyklus der Wechselspannung gezündet wird und eine beträchtliche Leistung sofort
an die Entladungslampe abgegeben wird. Folglich arbeitet die Anordnung
mit
einem guten Leistungsfaktor und mit einem guten Wirkungsgrad.
-
Um nun die Spitzenströme zu begrenzen, die in bestimmten Fällen die
Lebensdauer der Eütladungslämpen verkürzen können, wird die Schaltung nach Figur
1 vorzugsweise, so wie es in Figur 2 dargestellt ist, abgewandeit, indem'nämlich
eine kleine Hilfsdrossel zwischen die Lastdrossel:»1 und die Aus--gangsanschlußklemme
°2 geschaltet wird, so daß sie in Reihe mit dem Kondensator O2 zwischen den Ausgangsanschlußklemmen
°1 und 02 liegt.
-
Mit Hilfe einer Hochfrequenzdrossel L3, die mit der Hilfsdrossel L2
induktiv gekoppelt ist, und mit Hilfe eines Kondensators der mit dieser Hochfrequenzdrossel
zwischen einen gemeinsamen Punkt der Lastdrossel L 1- und der Schaltvorrichtung
TR1 und die Ausgangsanschlußklemme 02 geschaltet ist, kann eine Hochspannungsspitze
dann erzeugt werden, wenn die Halbleiterschaltvorrichtung TR1 getriggert wird, um
dadurch die Entladungslampe D zu zünden, und zwar insbesondere, wenn diese Entladungslampe
eine hohe Zündspannung erfordert. Die Hochfrequenzdrossel L wird bei einer praktischen
Ausführungsform 3 durch einige Windungen eines Drahtes gebildet, der huber die Wicklung
der Hilfsdrossel L2 gewickelt ist. Durch zweckmäßige Einstellung des Windungsverhältnisses
der Wicklungen der beiden Drosseln L2 und L3 und/oder von anderen Parametern der
Hilfsschaltung, kann die Schaltung.iündspannungsimpulse zwischen 1 und 10 kV oder
selbst mehrerzeugen, wenn sie von einer Speisespannungsquelle mit 240 Volt betrieben
wird.
-
In Figur 3 ist eine andere Art der Züsammens-Chaltung der Schaltunfrselemente
nach Figur 2 dargestellt Die Schaltung nach Figur 3 weist ähnliche Betriebseigenschaften
wie die Schaltung nach Figur 2 auf.
-
In Figur 4 ist eine gegenüber Figur 2 abgewandelte bevorzugte Ausführungsform
dargestellt, bei der die Halbleiterschaitvorrichtung
in Reihe mit
dem Kondensator C2 und nicht zwischen die Lastdrossel L1 und die Eingangsanschlußklemme
I1 geschaltet ist. Es sind ferner die Hochfrequenzdrossel L3 und der 3 Kondensator
C3 zwischen einen gemeinsamen Punkt des Kondensators C2 und der Halbleiterschaltvorrichtung
TR1 und die Ausgangsanschlußklemme °2 geschaltet. Es läßt sich erkennen, daß diese
Ausführungsform im wesentlichen in der gleichen Weise wie die Ausführungsform nach
Figur 2 arbeitet, wenn sich auch die Spannungskurven, die zwischen den Ausgangsanschlußklemmen
°1 und 0 2 bei den Ausführungsformen nach Figuren 2 und 4 erscheinen, etwas unterscheiden.
-
Die beschriebenen Schaltungsanordnungen stellen eine einfache halbinduktive
Last dar, die, weil eine im wesentlichen rechteckförmige Ausgangsspannungskurve
von einer Wechselspannungsquelle abgeleitet -wird, einen vergrößerten Wirkungsgrad
im Vergleich zu den bekannten Betriebsschaltungen für elektrische Entladungslampen
aufweist. Mit Hilfe dieser Schaltungen können Entladungslampen ohne Transformator
betrieben werden, deren Bogenspannung etwa gleich der Spannung der Speisespannungsquelle
sind, da die Entladungslampen mit Hilfe von im wesentlichen rechteckförmigen Spannungskurven
betrieben werden.
-
Der Unterschied zwischen der Entladungslampenbetriebsspannung und
der Spannung der Wechselspannungsquelle ist geringer als bei bekannten Entladungslampen-Last-
oder Betriebsschaltungen, so daß die Schaltung eine beträchtliche Verminderung der
Größe des Reihenimpedanzbauelementes zuläßt, d.h. eine Verminderung der Lastdrossel,
die im allgemeinen das kostspieligste Bauele.
-
ment der Last- oder Betriebss.chaltung einer Entladungslampe darstellt.
Durch die Verwendung einer kleineren Lastdrossel und durch das Vorhandensein des
Kondensators C2 läßt sich die-Größe des Leistungsfaktors-Korrekturkondensators C1,
der für die-vorliegenden Schaltungen erforderlich ist, vermindern.
-
Die erfindungsgemäße Schaltung läßt sich bei vielen bekannten Entladungslampen
anwenden, die größere Lichtbogen und Betriebsspannungen
von üblichen
Einphasen (d.h. Versorgungs-)Spannungsquellen ableiten. Bisher waren zum Betrieb
solcher Entladungslampen Last schaltungen notwendig, die sperrige Transformatoren
großer Reaktanz aufwiesen,und dementsprechend waren auch große Kondensatoren zur
Korrektur des Leistungsfaktors notwendig, oder es war aus ökonomischen Gründen nur
möglich, solche Schaltungen mit Hilfe von Hochspannungsquellen zu betreiben.
-
Andere Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß es möglich ist,
Entladungslampen mit höheren Leistungswerten bei gleichen Stromwerten wie die vorhandenen
Entladungslampen mit geringerer Leistung zu betreiben. Ferner ist die Betriebs schaltung
für Entladungslampen gemäß der Erfindung in ihren praktischen Ausführungsformen
w.esentlich kleiner als die bekannten Betriebsschaltungen für Entladungslampen.
-
Typische Werte für einige der Schaltungselemente in den Schaltungen
nach Figuren 2 und 4 zum Betrieb einer 600-Watt-Hochdruck-Natrium-Lampe mit Hilfe
einer Spannungsquelle von 240 Volt und 50 Hz sind folgende: L1 = 70 mH C1 = 7 mF
C2 = 1 , 1 mF C3 = 0,01 mF T = Thyristor-Triode vom Typ TRC 6"500der s49 Associated
Electrical Ind. Ltd.
-
L2* 80 Windungen auf einem Ferrit-Kern mit den Abmessungen 1,9 cm
x 1,25 cm L3 = 8 Windungen Zum Betrieb einer 135-Watt-Niederdruck-Natrium-°Dampflampe
.
-
durch eine Wechselspannungsquelle von 240-Volt, ergeben sich als typische
Werte für diese Schaltungselemente folgende:
L 1= 400 mH C1 = 4
mF C2 = 0,6 mF wobei die anderen Schaltungselemente C1, , T1, L2 und L die 3 gleichen
Werte wie oben haben.
-
Bei anderen Ausführungsformen gemäß der Erfindung kann es erwünscht
sein, einen Kondensator C4 parallel zu der Schaltvorrichtung T1 vorzusehen, um die
Anstiegszeit der Schaltvorrichtung T1 zu begrenzen, -wobei dann ein Widerstand R4
in Reihe mit dem Kondensator C4 geschaltet ist, um den Entladungsstrom von dem Kondensator
C4 zurück in die Schaltvorrichtung T1 zu begrenzen, wenn diese in den leitenden
Zustand geschaltet wird, wobei diese Schaltungsanordnung in Figur 2 dargestellt
ist. Bei den speziellen Werten der Schaltungselemente, wie sie oben, beispielsweise
,dargestellt sind, ist es jedoch nicht notwendig, den Kondensator C4 und den Widerstand
R4 vorzusehen.
-
Bei einer anderen Abwandlung der Ausführungsformen der Figuren 1 bis
3 können ein oder mehrere Widerstände mit negativen Temer peraturkoeffizienten,
in zein Reihenschaltung aus den Widerständen R1, R2 und R3 vorgesehen sein, um zwei
verschiedene Betriebszustände.vorzusehen, und zwar einen, wenn die Entladungslampe
D gezündet ist und den anderen nach einer bestimmten Zeit, wenn die Entladungslampe
sich in ihrem oder nahe bei ihrem normalen Betriebszustand befindet.
-
Natürlich ist es nicht unbedingt notwendig, daß die Steuerschaltung
zur Triggerung der Schaltvorrichtung TR1 unbedingt aus Widerständen besteht. Vielmehr
kann diese Schaltung auch andererseits beispielsweise gegenläufig geschaltete Zenerdioden,
Triggerdioden, Thermistoren oder Kombinationen aus die sen Schaltungselementen enthalten.