DE2335589A1 - Mit hoeheren frequenzen arbeitende entladungslampe - Google Patents

Description

Mit höheren Frequenzen arbeitende Entladungslampe

Die Erfindung betrifft Verbesserungen beim hochfrequenten Betrieb von Entladungslampen.

Leuchtstoffröhren werden immer mehr mit höheren Frequenzen betrieben, wobei unter diesen Frequenzen solche gemeint sind, die wesentlich höher als die bisherigen Netzfrequenzen sind. Ein typischer Werf sind 20 kHz. Diese Frequenzen geben eine Reihe von Vorteilen, so zum Beispiel einen erhöhten Wirkungsgrad ausgedrückt in Lumen pro Watt, ein reduziertes Lastgeräusch, ( da die Arbeitsfrequenz über dem Bereich des menschlichen Gehörs liegt) und eine Reduzierung von Flacker- und Radioindifferenzen, die durch die Lampe verursacht werden. Die Lampen werden gewöhnlich durch einen Wechselrichter getrieben, d.h. durch eine Vorrichtung, die Gleichspannung in Wechselspannung umwandelt, wobei die Speisung von einer Niederspannungs- Gleichstromquelle stammt.

Es ist des öfteren erwünscht, die Ausgangsleistung des Beleuchtungssystems auf verhältnismäßig niedrige Lichtpegel abzudunkeln, beispielsweise in Schauspieltheatern, Studios und Schlafwagen. Bei hohen Frequenzen ist ein Schalten mit Thyristoren der gegenwärtig erhältlichen Art in einfachen Schaltungen nicht sehr effektiv« Ein Verfahren zur Reduzierung des Lampenstromes besteht darin, eine sättigbare Drossel in Reihe mit der Lampe zu schalten. Mit einem derartigen System ist es möglich, ohne Schwierigkeiten eine Lampe mit normalen Strom von beispielsweise 370 mA bis auf einen Strom von ca. 15 mA abzudunkeln, was 4 % der vollen Lichtstärke entspricht.

Unterhalb von 10 mA ist die Lampenentladung nicht mehr einheitlich sondern durch sogenannte Streifen oder Schlieren gestört. Längs der Lampe verläuft die Lichtstärke durch eine Reihe von Maxima und Minima, die entweder stehen können oder sich längs der Lampe bewegen. Derartige Schlieren sind beispielsweise in einem Aufsatz von A.B. Stewart mit dem Titel " Glow Discharge Resonance" in J. Opt. Soc. Am., Vol. 45, No. 8, August 1955, Seiten 651 bis 657, beschrieben.

10. Juli 1973

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Störungen können auch bei hochfreqentem Betrieb von Quecksilber-Hochdrucklampen entstehen. Hierbei haben die Störungen die Form einer akkustischen Resonanz der Lampe, wodurch ein merkliches Flackern bzw. manchmal auch ein Erlöschen der Entladung resultiert. Akkustische Resonanz offenbart sich in Form stehender Wollen innerhalb der Entladungsröhre, ähnlich den stehenden Wellen wie sie durch eine vibrirende Luftsäule in einer geschlossenen Orgelpfeife entstehen.

Es hat sich gezeigt, daß der hochfrequente Betrieb von Entladungslampen durch Modulation der Lampenversorgungsspannung mit einem Signal verbessert wird, das eine Frequenz unterhalb der Lampen Versorgungsfrequenz besitzt. Ist beispielsweise die Versorgungsfrequenz einer Leuchtstofflampe amplitudenmoduliert mit einem niedrigen Lampenstrom durch ein niederfrequentes Modulationssignal, dann können die Schlieren zum Verschwinden gebracht werden. Diese Wirkung kann auch zu einem gewissen Grade durch Frequenzmodulation erreicht werden. In ähnlicher Weise kann auch die Modulation, insbesondere die Frequenzmodulation der Versorgungsspannung für eine Quecksilberhochdruck lampe für die Verminderung von Störungen in Folge akkustischer Resonanz beitragen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Erfindung für den Betrieb

einer Leuchtstofflampe,

Fig. 2 ein Schaltbild, das einen Teil der Schaltung der Figur 1 im Einzelnen zeigt,

Fig. 3 ein Schaltbild einer Modifikation der Schaltung nach Figur 2 und

Fig. 4 ein Diagramm, das die Lichtausgangsleistung über dem Lampenstrom angibt.

In Fig .1 versorgt ein Wechselrichter 10 eine Leuchtstofflampe 12 mit hochfrequentem Strom. Letztere ist in Reihe mit einer sättigbaren Drossel 14 geschaltet, die auch als Transduktor bekannt ist. Der Verbindungspunkt der Leuchtstofflampe 12 und der sättigbaren Drossel 14 ist geerdet. Die in Gleichspannungswicklung der sättigbaren Drossel liegt an einer Steuerspannung von der Gleichspannungs-Steuerspannungsquele 16, Soweit ist die Schaltung bekannt, wobei die von der Quelle abgegebene Steuerspannung von Hand einstellbar ist.

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Gemäß der Erfindung wird der Strom zur Lampe mit einem Ton- oder Niederfrequenzsignal moduliert und zwar dadurch daß eine Wechselstromkomponente an den Gleichstromausgang der Gleichstrom-Steuerspannungsquelle 16 hinzugefügt wird. Diese Wechselstromkomponente wird erzeugt durch eine Niederfrequenz-Modulationsspannungsquel Ie 18.

Der Wechselrichter 10 kann beispielsweise ein transistorisierter 40 W-Wechse!- richter R2609 sein, während die sättigbare Drossel 14 eine Ferritdrossel Typ R2608 sein kann. Die Leuchtstoffröhre 12 ist eine 40 W-4fuß-Quickstart - Leuchtstoffröhre, wobei sämtliche Elemente von der Firma Thorn Lighting Limited , London, hergestellt werden. Die Lampe wird mit einer Frequenz in der Größenordnung von 20 kHz betrieben, Tatsächlich ändert sich die Frequenz der Lampe bei ihrer Abdunkelung von 28 kHz bei einem Strom von 370 mA (volle Lichtstärke) auf 17 kHz bei einem Strom von 10 mA. Die Frequenzverschiebung gibt an, daß die Amplitudenmodulation des Lampenstromes auch eine gewisse Frequenzmodulation bewirkt. Die Lampenkathoden werden getrennt geheizt.

Ohne die niederfrequente Modulationsspannung würde die Leuchtstofflampe 12 Schlieren bilden, wenn der Lampenstrom unter 10 mA abfällt. Wird eine Modulation im tonfrequenten Bereich angewendet, dann können die Schlieren zum Verschwinden gebracht werden. Es hat sich gezeigt, daß diese Schlieren durch Verwendung einer niedrigen Tonfrequenzmodulation in der Größenordnung von 100 bis 600 Hz entfernt werden können, wobei die Amplitudenmodulation eine Spannungstiefe zwischen 30 und 60 % besitzt. Beispielsweise ergab sich bei 155 Hz eine Modulation von 50 %. Es hat sich ferner gezeigt, daß die günstigste Modulationswellenform die Sinusform ist. Möglicherweise unterbricht die Modulation die periodische Erregung der Lampe durch den Wechselrichter, so daß das Plasma unterschiedlichen Amplituden und . Frequenzen unterworfen wird und sich somit kein regelmäßiges Muster von Schlieren in dem Plasma ausbilden kann.

Es wurde versucht die Schlieren unter Verwendung einer Widersrandslast zu entfernen, bei der die auf die Lampe angewendete Modulation praktisch vollständig Amplitudenmodulation war. Dies ließ sich verhältnismäßig leicht erzielen. Es wurde auch versucht, eine reine Frequenzmodulation an die Lampe anzulegen, wobei ebenfalls eine Unterdrückung der Schlieren erreicht wurde, jedoch mit erheblichen Modulationsgraden. Die Vermeidung von Schlieren ist nicht abhängig von der Art der verwendeten Belastung, also einer ohmschen, kapazitiven oder induktiven Belastung.

Die Lichtausgangsstärke als Prozentsatz der maximalen Lichtstärke ist in Fig .4 über dem Lampenstrom (in mA) aufgetragen, wobei beide Achsen einen logarithmischen Maßstab verwenden. Es zeigt· sich, daß bei Verwendung von niedrigeren Strömen eine Reduzierung der Lichtausgangsstärke auf annähernd 0,1 % der maximalen Stärke möglich

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In Figur 2 zeigt eine Schaltung gemäß Fig.! im Einzelnen. Insbesondere wird der Aufbau der Gleichstrom-Steuerspannungsquelle 16 beschrieben. Die Schaltung enthält ein Rückkopplungssystem mit geschlossener Schleife, um den Lampenstrom auf einen in der Quelle 16 voreingestellten Wert zu halten. Hierfür ist ein Transformator 20 in Reihe zwischen die sättigbare Drossel 14 und die Leuchtstofflampe 12 geschaltet, der eine Ausgangsspannung abgibt, die proportional zu dem durch die Leuchtstoffröhre 12 fließenden Strom ist. Diese Spannung wird in einem Brückengleichrichter 22 gleichgerichtet, teilweise durch einen Kondensator geglättet und an einen Spannungsteiler gelegt, der aus einem festen Widerstand 24, einem Potentiometer 26 und einem Trimmerwiderstand 28 besteht. Die Basis eines Transistors 30 ist mit dem Schleifer des Potentiometers 26 verbunden, so daß der Strom durch den Transistor 30 abhängig ist von der Spannungsdifferenz zwischen dem Schleifer des Potentiometers 26 und der Kathode einer Bezugszenerdiode 32. Der Strom durch die Bezugszenerdiode 32 hängt vorwiegend von der Spannung über einem Widerstand 33 ab. Die Basis eines Transistors 34 ist mit dem Kollektor des Transistors 30 verbunden, so daß der Strom durch den Transistor 34 an die Gleichstromwicklung der sättigbaren Drossel 14 angelegt wird. Basisstrom wird dem Transistor 34 über einen Widerstand 38 zugeführt.

Gewöhnlich wird der Strom zu den Klemmen 36 der Gleichstrom-Steuerspannungsquelle von der gleichen Versorgungsquelle zugeführt als derjenige für den Wechselrichter 10. Fällt die Versorgungsspannung geringfügig, dann wird der Strom in der Gleichstromwicklung der sättigbaren Drossel 14 verringert, wodurch sich eine Erhöhung der Impedanz in der Wechselstromwicklung ergibt, wobei gleichzeitig die Ausgangsspannung des Wechselrichters abfällt. Der Lampenstrom wird wegen beider Ursachen verringert und diese Verringerung wird vom Transformator 20 festgestellt. Die Ausgangsspannung des Gleichrichters 22, die vom Potentiometer 26 abgegriffen wird, fällt, so daß auch der Strom durch den Transistor 30 sich verringert. Dies hat zur Folge, daß ein höherer Strom durch den Widerstand 38 zur Basis des Transistors 34 gelangt, so daß dieser leitender wird. Dies wiederum erhöht den Steuergleichstrom in der sättigbaren Drossel 14, so daß der Lampenstrom erhöht wird, um auf seinen ursprünglichen Wert zurückzugelangen. Der gewünschte Lampenstrom kann durch Einstellung der Position des Schleifers des Potentiometers 26 gewählt werden.

Zur Temperaturkompensation im Transistor 30 haben die Zenerdiode 32 und der Transistor 30 gleiche, jedoch umgekehrte Temperaturkoefficienten.

Es ist notwendig, daß der Strom in der Steuerwicklung praktisch auf Null gebracht werden kann, wodurch eine maximale Impedanz in den Wechselstromwicklungen entsteht, ohne daß der Transistor 34 gesperrt oder der Transistor 30 gesättigt wird. Die Gleichstrom-Steuerwicklung der sättigbaren Drossel wird deshalb in Reihe mit einer Zenerdiode 40 geschaltet, die über einen Widerstand 42 mit Strom versorgt wird.

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Ein Widerstand 44 leitet auch einen geringen Strom durch den Emitter des Transistors 34,um die fehlerfreie Operation bei sehr kleinen Steuerströmen oder beim Steuerstrom Null aufrechtzuerhalten.

Die Schaltung hat gegenüber einer Rückkopplung mit einer offenen Schleife den Vorteil, daß, wenn die Leuchtstofflampe bei einer Einstellung des Widerstandes 26 für eine niedrige Leuchtstärke abgeschaltet wird, die Lampe wieder startet, wenn sie wieder angeschaltet wird. Bei niedrigen Strömen ist die Spannung an der Lampe geringer als die Vorzündspannung, die notwendig ist, um die Lampe zu zünden. Beim Abschalten und wieder Anschalten stellt der Transformator 20 fest, daß kein Strom durch die Lampe fließt und der Steuerstrom durch die sättigbare Drossel 14 wird erhöht, um ihre Impedanz zu reduzieren. Die Lampe zündet dann, worauf der Steuerstrom auf den Wert reduziert wird, der notwendig ist, um die gewünschte niedrige Lichtstärke aufrechtzuerhalten. Die Reaktionsgeschwindigkeit der Schaltung hängt vorwiegend vom Wert des Kondensators 23 ab.

Die niederfrequente Modulationsspannungsquelle 18 besteht aus einem Niederfrequenzoszillator mit abgestimmter Kollektorrückkopplung, ein Aufbau wie er aus dem Schaltbild erkenntlich ist. Der Oszillator empfängt Leistung über der Zenerdiode 40, so daß die Oszillatoramptfude unabhängig von Änderungen in der Versorgungsspannung ist. Das Oszillatorausgangssignal wird zum Ausgangssignal des Gleichrichters 22 an einem Verbindungspunkt 46 zwischen dem Widerstand 24 und dem Potentiometer 26 addiert.

Der Modulationsgrad kann mittels eines veränderbaren Widerstandes 48 im Oszillator 18 eingestellt werden. Damit der Durchschnittswert des Lampenstromes und damit die Lampen leuchtstärke möglichst konstant bleibt, wenn die Modulation angewendet wird, sollte der Transistor 30 nicht in der Nähe der Sättigung und die sättigbare Drossel 14 nicht am Ende ihrer Übertragungscharakteristik betrieben werden, da sonst eine Gleichrichtung der Modulationshüllkurve auftreten kann, was zu einer Änderung in der Lampenhellichkeit führt.

Während vorangehend die Modulation mittels einer Steuerschaltung mit geschlossener Schleife beschrieben wurde, ist erkenntlich, daß in gleicher Weise auch eine Steuerschaltung mit offener Schleife angewendet werden kann.

Figur 3 zeigt eine vereinfachte Ausführungsform der Schaltung nach Figur 2. Die Steuerschaltung wird hier selbsfosziliierend mit einer Frequenz von einigen 100 Hertz gemacht. Der Kondensator 23 führt eine Phasenschiebung ein, während die sättigbare Drossel 14 mit einer gewissen Verzögerung arbeitet, so daß die Schaltung eine positive Rückkopplung für niedrige Tonfrequenzen bildet. Andere

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Unterschiede bestehen darin, daß der Brückengleichrichter 22 der Figur 2, durch eine Diode 50 ersetzt ist, während ein Widerstand 52 parallel zur Reihenschaltung der Leuchtstofflampe 12 und des Transformators 20 liegt. Bei niedrigen Strompegeln leitet der Transistor 52 den größten Teil des Stromes, da der dynamische Widerstand der Leuchtstofflampe 12 hoch ist. Dies erleichtert die Anforderungen an die sättigbare Drossel 14, obgleich hierdurch geringfügig der Wirkungsgrad bei maximaler Ausgangsleistung reduziert wird. Der Transformator 20 stellt nur den durch die Lampe 12 tatsächlich fließenden Strom fest. In dieser Schaltung wird die negative Versorgungsleitung der Steuerschaltung geerdet»

Die Schaltung der Figur 3 hat den Vorteil, daß sie weniger Bauelemente benötigt als die Schaltung nach Figur 2. Sie ist jedoch bezüglich der tatsächlichen Schwingung kritisch; auch hat die Lampenspannung bei höheren Lampenströmen, wo die Modulation nicht erforderlich ist, einen hohen Modulationsgrad. Dies rührt daher, daß die Verstärkung über die offene Schleife mit dem Strom wächst, bis die Übertragungscharakteristik der sättigbaren Drossel Sättigungseffekte zeigt. In der Schaltung der Figur 2 ist das letztere Problem nicht so kritisch, da bei ansteigendem Lampenstrom der Schleifer des Potentiometers 26 in Richtung der negativen Zuführungsleitung verschoben wird, wodurch sich eine Dämpfung des hinzugeführten Modulationssignals ergibt.

Man kann die Schaltung der Figur 3 derart anpassen, daß mittels einer Steuerung gleichzeitig mehrere Lampen abgedunkelt werden. Jede Lampe ist mit einer Schaltung gemäß Figur 3 ausgestattet, wobei jedoch das Potentiometer 26 weggelassen ist und die Werfe der Widerstände 24 und 28 derart eingestellt sind, daß sich die Basis des Transistors 30 auf einem geeigneten Potential befindet. Die Diode 32 und der Widerstand 33 sind aus jeder Steuerschaltung ebenfalls weggelassen und statt dessen sind die Emitter der Transistoren 30 aller Schaltungen miteinander und mit dem Ausgang einer stabilisierten steuerbaren Spannungsquelle verbunden. Die Einstellung der stabilisierten Spannung bewirkt eine gleichzeitige Einstellung der Lichtstärke.

Wird die Leuchtstofflampe 12 der Figur 1 durch eine Quecksilberhochdrucklampe ersetzt, dann ergibt sich eine gewisse Reduzierung von akkustischen Resonanzen. Es ist zu beachten, daß eine Abdunkelung der Lampe nicht erforderlich ist. Die Lampe hat eine verhältnismäßig niedrige Impedanz, so daß ein Modulieren des Lampensfromes eine beträchtliche Frequenzmodulation mit einer verhältnismäßig geringen Amplitudenmodulation ergibt. Bei einer Amplitudenmodulation von 8 % können geringfügige Instabilitäten der Entladung verringert werden. Dieser Amplitudenmodulationsgrad erzeugt eine Frequenzmodulation in der Größenordnung von 1 bis 2 kHz; es scheint, als ob es im wesentlichen die Frequenzmodulation ist, die die positiven Effekte hervorruft. Jedoch auch ein hoher Grad reiner Frequenzmodulation reichte nicht aus, um ernste Resonanzeffekte bei den wesentlichen Resonanzfrequenzen vollständig zu unterdrücken.

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Claims (1)

1. Patentanspruch;

   IAJ Verfahren zum Betrieb einer hochfrequenten Entladungslampe, gekennzeichnet durch Modulieren der Lampenversorgungs· spannung mit einem Signal, das eine Frequenz unterhalb der LaiTipenversorgungsfrequenz besitzt, vorzugsweise mit einem Ton- oder Hiederfrequenzsignal.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Lampe eine Leuclitstoff 1 ampe ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal Ämplituden-moduliert wird, um Schlieren in der Lampe bei niedrigen Strömen zu unterdrücken.

   3. Verfahren nach Anspruch l,.bei dem die Lampe eine Quecksilberhochdrucklampe ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal frequenzmoduliert wird, um Störungen in Folge akkustischer Resonanz zu reduzieren.

   4. Entladungslampe, die von einer hochfrequenten Quelle betrieben wird, gekennzeichnet durch Vorrichtungen (14, IG, 13) zur modulation der Lampenversorgungsspannung ;:iit einem Signal mit einer Frequenz unterhalb der Lampenversorg.ungs frequenz, vorzugsweise mit einen; Ton- oder niederfrequenten Signal.

   5. Entladungslampe nach Anspruch 4, bei der die Lampe eine Leuchtstofflampe ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen das Signal amplitudenmodulieren, um Schlieren in der Lampe bei niedrigen Strömen zu unterdrücken (Fig. 1).

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   6. Entladungslampe nach Anspruch 5, die über eine sättigbare Drossel gespeist wird, welche durch ein Gleichstrom-Steuersignal gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen (18) ein Wechselstrom-Modulationssignal zu dem Gleichstrom-Steuersignal addieren.

   7. Entladungslampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen zur Modulation aus einem Ton- oder iiiederfrequenzoszi 11 ator bestehen.

   8. Entladungslampe nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleichstrom-Steuersignal mittels einer geschlossenen Rückkopplungsschleife (20, 22, 30, 34) erzeugt wird, die den durch die Lampe (12) fließenden Strom abfühlt.

   9. Entladungslampe nach Anspruch 4, die eine Quecksilberhochdrucklampe ist, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Vorrichtungen das Signal frequenzmodulieren, um Störungen in Folge akkustischer Resonanz zu reduzieren.

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