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Starter für Niederdruck-Leuchtstofflampen Die ErtinçJung betrifft
einen starter für Niederdruck-Leuchtstofflampen, mit einem Schaltelement, das zu
den Elektroden der Leuchtstofflampe in Reihe geschaltet ist, wobei in Schließstellung
des Schaltelementes ein Vorneizstrom durch die Elektroden und das Schaltelement
fließt und in Offenstellung der Vorheizstrom unterbrochen ist und lediglich eine
durch ein Drosselelement verringerte Speisespannung an den Elektroden anliegt.
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Als starter fUr Iliederdruck-Leuchtstofflampen werden in der Praxis
nahezu ausschließlich sogenannte Glimmstarter verwendet. Der Glimmstarter ist eine
kleine, mit Edelgas gefüllte Glimmlampe, deren eine Elektrode aus einem Bimetallstreifen
besteht (siehe STURM, Vorschaltgeräte und Schaltungen für Niederspannungs-Entladungs
lampen, 5. Auflage, 1974; Verlag W. GIRARDET, Essen, S. 121 ff.). Die zweite Elektrode
bildet den Kontakt eines Schalters, der in kaltem Zustand geöffnet ist. Die Gasmischung,
der Gasdruck und die Oberfläche der Elektroden müssen so abgestimmt sein, daß die
Startspannung der
Glimmlampe kleiner als die ietzspannung, aber
größer als die Lampenspannung der Leuchtstofflampe ist. Eei den Startern für die
25- und 40-W-Leuchtstofflampe liegt die Zündsponnung bei etwa 160 Vr bei etwa 180
V soll der Kontakt sicher geschlossen sein. Die Löschspannung des Starters beträgt
etwa 140 V.
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Der Glimmstarter wird als selbsttätiger Schalter in die Verbindungsleitung
zwischen beiden Lampenanschlüssen so eingelegt, daß bei Kontaktschluß das Vorheizen
der Lampenelektroden beginnt. Wird Spannung an die Schaltung gelegt, so gelangt
sie ohne nennenswerten Spannungsabfall an die Elektroden des Glimmstarters. Es kommt
ein Glimmstrom von 20 ... 40 .A zustande, der zum Vorheizen der Lampenelektroden
nicht ausreicht. Das Glimmlicht erwärmt das Bimetall des Starters bis zum Kontaktschluß.
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Erst von diesem Augenblick an beginnt das Vorheizen der Lampenelektroden.
Der Vorheizstrom wird durch eine Drosselspule begrenzt. t-4ach kurzer Zeit ist der
Bimetallstreifen wieder soweit abgekühlt, daß sich der Kontakt im Glimmstarter öffnet
und der induktive Spannungsstoß die Leuchtstofflampe mit den vorgeheizten Elektroden
zündet. Beim Brennen der Leuchtstofflampe gelangt an die Elektroden des Glimmstarters
nur noch die Lampenspannung, die kleiner ist als die ZUndspannung des Glimmstarters,
so daß dieser die Kontakte geöffnet hält. Von der Vorheizdauer und dem Zeitpunkt
der Kontaktöffnung des Starters
ist es abhängig, ob das Starten
der Lampe nach den.
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ersten Vorheizen bereits eintritt oder ob der Vorgang wiederholt werden
muß. l1it abnehmender lQetzspannung wird die Zeitdauer bis zum ersten Kontaktschluß
des Starters größer, bis schließlich bei zu starker Unterspannung (ab etwa 170 V)
das Glimmlicht nicht mehr genügt, um das Dimetall soweit zu erwärmen, daß der Kontakt
geschlossen wird.
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nachteilig ist bei Glimmstartern, daß die Vorheizzeit der Lampenelektroden
relativ kurz bemessen ist, so daß Startspannungsimpulse an die Leuchtstofflampe
kommen können, wenn die Elektroden noch nicht voll aufgeheizt sind. Auch kann die
Kontaktöffnung zu einem Zeitpunkt niedrigen Drosselstromes erfolgen. In diesen Fällen
findet die Zündung nicht statt, so daß die Lampen wegen der notwendigen Zundwiederholungen
flackern. Ferner wirkt sich im Augenblick der Kontaktöffnung des Glimmstarters die
Parallelschaltung der Elektroden des Starters zu denen der Lampe nachteilig aus,
da im Starter ein Teil der induktiven Spannungsspitze abgeschnitten wird.
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Weiterhin steigt beim Altern der Leuchtstofflampen die Lampenspannung
an, während die Startspannung des Starters etwas absinkt. Es kann dann zur Überschneidung
der kennlinien von Lampe und Starter kommen, so daß bei normalem Betrieb der Leuchtstofflampe
der Glimmstarter bereits startet und es ggf. zum Kontaktschluß kommen kann.
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Die brennende Leuchtstofflampe wird dann durch ;rzschluß der Elektroden
Uber den Glimmstarter verlöschen, um gleich danach wieder zu starten. Dieses Flackern
wiederholt sich in Zeitabständen von einigen Stunden und kann zur Zerstörung des
Starters und der Leuchtstofflampe und Überlastung des Vorschaltgerätes führen.
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Es stellt sich demnach die Aufgabe, einen Starter zu entwickeln, der
die angegebenen Nachteile des Glimmstarters vermeidet, dessen Herstellungskosten
jedoch durch Verwendung einfacher Bauteile niedrig gehalten werden können, so daß
er in preisliche Konkurrenz mit dem Glimmstarter treten kann. Der Starter soll ferner
die Lebensdauer der Leuchtstofflampe nicht herabsetzen, sondern, wenn möglich, ernöhen.
Auch bei tiefen Temperaturen soll eine ausreichende Vorheizung gesichert sein. Bei
erhöhtem Heizstrom oder erhöhter Netzspannung soll der ieizvorgang keine oberlastung
der Elektroden hervorrufen. Andererseits soll auch bei Netz-Unterspannung genügend
vorgeheizt werden. Die Einschaltabnutzung von Starter und Leuchtstofflampen, insbesondere
der Elektroden, soll gering gehalten werden. Eine gleichmäßige Elektrodenabnutzung
durch Gleichverteilung der Kathoden-Höufigkeit beim Start soll erreicht werden,
was z. C. bei Diodenhalbwellenheizung oder unsymmetrischen Startern nicht gegeben
ist.
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Bei gealterten Lampen soll ebenfalls hohe Startsicherheit gegeben
sein, beispielsweise dadurch, daß hohe Zündspannungen gewahrleistet sind. Erhöhte
vrennspannungen bei gealterten, aber noch brauchbaren Lampen sollen nicht zu einem
fortwührenden Wiederholen des Startvorganges führen (Flackern).
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Diese AuFgaben werden gelöst durch einen Starter der eingangs genannten
Art, bei dem das Schaltelement entsprechend dem sich an den Elektroden nach genügender
Aufheizung einstellenden Spannungsabfall betätigt wird.
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Vorzugsweise wird dazu ein Schaltelement parallel zu den Elektroden-Anschlüssen
einer Elektrode geschaltet.
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Unter Schaltelement wird gemäß der im folgenden beschriebenen Ausführungsform
insbesondere ein Relais-Schalter verstanden. Es können jedoch auch elektronische
Bauelemente, beispielsweise Schaltungen mit t4ehrschicht-Dioden , verwendet werden,
die nach Kenntnis des Fachmanns die gleiche Aufgabe erfüllen.
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Vorzugsweise wird als Schaltelement ein Schaltrelais mit wenigstens
einer Wicklung und wenigstens zwei Kontakten verwendet, bei dem der erste Kontakt
in Reihe zwischen beiden Elektroden liegt und beim Vorheizen geschlossen ist und
der zweite einer Elektrode vorgeschaltet ist, wobei die Relaiswicklung des Schaltelements
parallel zu den
beiden Elektroden-Anschlüssen einer Elektrode liegt.
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Inervorgehoben werden muß, daß die Parallelanordnung der Relaiswicklung
dazu führt, daß diese entsprechend dem sich erhöhenden Spannungsabfall an der Elektrode
bei der Erwärmung schließlich in den Schaltzustand gerät und dann, ähnlich wie bei
dem Glimmstarter, den Heizstrom unterbricht und damit den Zündimpuls hervorruft.
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Um eine schnelle Kontaktöffnung des ersten Kontaktes und damit einen
besonders starken Zundspannungsstoß zu erzeugen, wird vorgeschlagen, daß sich der
zweite Kontakt dem ersten Kontakt voreilend öffnet, wenn der eingestellte Spannungsabfall
an der Elektrode erreicht ist.
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Zur weiteren Erhöhung des Zündspannungsstoßes wird vorgeschlagen,
daß das Schaltrelais mit zwei Wicklungen versehen ist, deren eine parallel zu den
beiden Anschlüssen an der Elektrode liegt und deren andere einer Elektrode vorgeschaltet
ist.
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Gemäß den weiteren Unteransprüchen werden verschiedene Schaltungsmöglichkeiten
beschrieben.
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Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden im folgenden
anhand der Zeichnung erldutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen:
Fig.
1 eine bevorzugte Ausführungsform einer Schaltung zum Betrieb einer Leuchtstofflampe
mit Starter; Fig. 2 eine vereinfachte Ausführungsform; Fig. 3 eine modifizierte
Ausführungsform; Fig. 4 eine weitere modifizierte Ausführungsform, insbesonderte
für einen beschleunigten Start.
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Wie eingangs erläutert, ist zum Eetrieb einer Leuchtstofflampe ein
Starter notwendig, um die Elektroden zur Vorheizung an einen Stromkreis anzuschließen
und ihn nach dem Aufheizen wieder davon zu trennen. iiun ist bekannt, daß während
des 1eizvorganges der Widerstand der Elektroden etwa auf den fünffachen Wert des
Widerstandes bei Raumtemperatur@@ansteigt. Wird parallel zu den Elektroden-Heizanschlüssen
eine Relais-Wicklung geschaltet, so steigt an dieser Wicklung die Spannung bei steigendem
Widerstand der Elektroden an und löst schlieP.-lich das Relais aus. Von diesem Grundprinzip
wird in den nachfolgenden Schaltungsbeispielen Gebrauch gemacht.
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Der Schaltvorgang des Relais setzt die Zündung in Gang.
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Neben den in der Peschreibung als Bauteile verwendetén Schaltrelais
kann eine analoge spannungsabhängige Schaltung auch anders, z. B. mit elektronischen
tlalbleiter-Bauelementen durchgeführt werden.
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In Fig. 1 ist eine Leuchtstofflampe 31 mit zwei beheizten Betriebselektroden
32, 33 und Elektroden-AnschlUssen 34, 35 bzw. 36, 37 dargestellt. Die Elektroden-Anschlüsse
34,
35 sind mit einer wechselstromquelle 3, 9 einerseits und mit einem Anschluß 10 andererseits
verbunden. Der Anschluß 10 ist Ausgangspunkt zweier parallel geschalteter Zweige,
deren einer einen Schaltkontakt a II und deren anderer einen ctortkondensator 11
enthält. Beide Zweige sind beim Anschluß 12 wieder zusammengeführt. Der Anschluß
12 ist einerseits über die Leitung 13 mit dem Elektroden-Anschluß 35 der Betriebselektroden
32 verbunden; andererseits besteht über die Leitung 14 eine Verbindung mit der Wicklung
A I, die Teil eines Schaltrelais ist. Das Schaltrelais besteht aus zwei getrennten,
übereinander liegenden wicklungen A I und A II. Werden die Wicklungen A I bzw. A
II von Strom durchflossen, wird der Anker angezogen, der die Kontakte betätigt.
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Im vorliegenden Fall sind zwei Schaltkontakte a I und a II vorgesehen.
In den Figuren sind die Spulenanschlüsse mit den Zahlen 1, 2, 3, 4 bezeichnet. Diese
Zahlen entsprechen den Bezeichnungen, die an den Wicklungsenden der Relais angebracht
sind: 1: Anfang Spule 1 2: Ende Spule II 3: Anfang Spule II 4' Ende Spule I.
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Die Wicklung A I ist mit ihrem Anfang 1 mit dem Ende 4 der Yiicklung
A II und mit dem zweiten Elektroden-Anschluß 34 der Elektrode 32 verbunden. Der
Anfang 3 der Wicklung A II
ist mit einem anschluß der vrosselspule
16, deren anderer Anschluß mit der Wechselstrom-Quelle 9 verbunden ist, gekoppelt.
Parallel zur isicklung A II liegt der Schaltkontakt (Öffner) a I.
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Der Startvorgang verläuft wie folgt: Im Ruhezustand sind die Schaltkontakte
a 1 und a II, wie dargestellt, geschlossen. -iac;i Einschalten der Wechselstrom-Quelle
3, 9 fließt ein Heizstrom über den ieg 8 - 36 - 37 -10 - 12 - 35 - 34 - 16 - 9.
Die Temperatur der Elektroden wird auf etwa 400 - 800° C gebracht. An der Heizelektrode
steigt durch die Temperatur der Spannungsabfall an, so daß durch die Spule A I ein
steigender strom fließt, der schließlich einen Schwellenwert erreicht, der das Relais
schalten läßt. Durch die Reihenschaltung der niederohmigen Elektroden mit der Drossel
wird der Heizstrom wegen des hohen Drosselwiderstandes nicht nennenswert durch den
zunehmenden Elektrodenwiderstand vermindert.
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Das Relais ist so konstruiert, daß zunächst der Kontakt a I öffnet,
anschließend der Kontat a II. Dies geschieht, um den Drosseistrom möglichst im Bereich
des Strommaximums zu unterbrechen, um eine möglichst hohe ZUndspannung zu erreichen.
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Mit dem Öffnen des Kontaktes a I wird der Kurzschluß der Spule A II
aufgehoben, wodurch eine erhöhte magnetische Durchflutung den Relaisanker beschleunigt
und den Kontakt
a II öffnet. Der entstehende Unterbrecher-Funke
ergibt einen Spannungsstoß von etwa 400 - 2000 V, der durch den Startkondensator
11 - wie an sich bekannt - gestreckt wird. Damit wird die Lampe gezündet und erhält
ihren Strom über den ¢4eg eg - 33 - 32 - All - 16 - 9.
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Die Lampe wird nun - im Gegensatz zur Zündung bei Glimmstartern -
deshalb sicher und schnell gezündet, da die erforderliche Temperatur der Elektroden
sicher erreicht ist, da nur dann überhaupt die Zündspannung eingeschaltet wird.
Andererseits wird die Aufheizung auch nicht länger als nötig betrieben. Die Zundsicherieit
ist hoch, weil der Drosselstrom bei hoher Stromstärke unterbrochen wird.
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Für den Fall, daß der Zündvorgang nicht stattfindet - nach experimenteller
Erfahrung sehr unwahrscheinlich -, fällt der Anker mit den beiden Schaltkontakten
zurück und es kommt zu einer sofortigen Zündwiederholung. Ein Flakkern tritt in
dieser kurzen Abfolge nicht auf.
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Eine vereinfachte, aber auch funktionssichere Modifikation der Ausführung
gemäß Fig. 1 ist in Fig. 2 dargestellt. I-lier ist parallel zur Drosselspule 16
eine Kapazität 18 geschaltet. Letztere kann auch durch einen OHM'schen Widerstand
ersetzt werden (gestrichelt dargestellt
). Parallel zu den Anschlüssen
34, 35 der Elektrode 32 ist eine kelais-Wicklung A geschaltet, die die Kontakte
al' und a II' betätigt. Die Drosselspule 16 ist mit einem Ende mit der Kapazität
und der Wechselstrom- uelle @ und mit dem anderen Ende mit dem Anschluß 34 und der
Wicklung A verbunden. Letztere liegt über den Kontakt a I' zunächst parallel zu
den Elektroden-Anschlüssen 34, 3sP und nach der Umschaltung in Reihe mit der Kapazität
1o parallel zur Drossel 16.
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Im Ruhezustand liegen die Schaltkontakte a I' und a II' wie in der
Zeichnung dargestellt. Ein Aufheizstrom kann durch die Elektroden 32, 33 fließen.
Sind die Elektroden genügend aufgeheizt, so daß die Magnetstärke der Spule A ausreicht,
so schaltet zunächst der Schalter a I' um und verstärkt für kurze Zeit die Wirkung
der Magnetspule A.
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In diesem Augenblick schaltet der Kontakt a II' und unterbricht die
Vorheizung und gibt gleichzeitig einen Zundspannungsstoß an die Elektroden. Hierdurch
wird die Lampe 1 gezündet. Der Betriebstrom fließt über die Drossel in der üblichen
Weise, wie aus der Schaltskizze (rig. 2) erkennbar ist.
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Eine Modifikation der Schaltung gem. Fig. 1 ist in Fig. 3 dargestellt.
Neben der schon bereits erwähnten Wicklung A I " ist eine zweite Wicklung A II''
und ein Schaltkontakt a I'' parallel zur Drosselspule 16 geschaltet.
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Während des Aufheizvorganges der Elektroden 32, 33 ist der Schalter
a I'' geöffnet, so daß der Heizstrom ausschlieS-lich durch die Drossel 16 fließt.
Ist der Spannungsobfull an den Anschlüssen 34, 35 so groß, daP die wicklung k I''
wirkt, so wird zunächst der Schalter a 1'' geschlossen, so daß auch die Wicklung
A II'' von Strom durchflossen wird und anschließend mit verstärkter Kraft den Kontakt
a II" geöffnet, wodurch die Lampe gezündet wird.
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In Fig. 4 ist eine weitere lodifikation der Schaltung angegeben, bei
der der Heizstrom sehr stark erhöht werden kann. Bei dieser Schaltung ist zusätzlich
zu den Wicklungen A I''' und A II''', die ähnlich geschaltet sind wie in Fig. 1,
ein weiterer Schalter a III''' vorgesehen, der parallel in einem Zweig 20 mit Widerstand
21 zur Drosselspule 16 geschaltet ist. Durch diese Schaltanordnung kann der Heizstrom
erhöht werden, ohne daß die Drosselspule 16 verändert oder stärker als üblich belastet
werden muß.
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Der Widerstand 21 hat die Größenordnung von 100 - 400 Ohm.
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Hier wie auch bei den vorigen Schaltungen ist die Wicklung A I " '
so dimensioniert, daß sie nur einen zum Heizstrom vergleichsweise geringen Strom
aufnimmt, um den Heizstrom an der parallelen Elektrode nicht merklich zu verringern.
Die wicklung A II''' ist dagegen für den normalen Lampenstrom ausgelegt.
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FUr alle Schaltungsarten gilt, daß es vorteilhafter ist, mit Gleichstromrelais
zu arbeiten, die in Gleichrichterbrücken liegen.
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hierdurch werden zusutzliche Vorkehrunien überflüssig, um unerwünschte
@echselwirkungen zwischen den beiden Spulen aufgrund der Induktion zu vermeiden,
da sonst unter Umständen wegen der dauernden gegenseitigen Induktion von Spule I
auf Spule II ein zusätzlicher öffner den Stromkreis der Spule 1 unterbrechen müßte.
Außerdem sind Gleichstromrelais verlustärmer und es kann für Spule A I eine gröbere
Induktivität gewählt werden.
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Bei der Schaltung gemäß Fig. 4 werden bei Erreichen des Schaltzustandes
zunächst die Schaltkontakte a 1''' und a III''' geschaltet; anschließend öffnet
a II'''. Hierdurch wird erreicht, daß während des Heizvorganges ein stärkerer Heizstrom
fließen kann, der das Aufheizen der Elektroden beschleunigt.
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Erhöhter Vorheizstrom und damit beschleunigter Start sind auch entsprechend
der Lösung Fig. 4 in den Schaltungen nach Fig. 42 und 3 möglich. Der erhöhte Vorheizstrom
kann auch z. B. durch eine Drosselanzapfung erreicht werden (geringere Induktivität
während des Heizvorga nges).
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Bei den vorbeschriebenen Schaltungen können die Ublichen Sicherheitsvorkehrungen
für den Fall des NichtzUndens der Lampe (z. B. bei Überalterung) getroffen werden.
So kann beispielsweise neben dem Widerstand 21 in Fig. 4
ein Bimetall-Schalter
als thermischer Lberlastungsschutz dienen. In Fig. 1 kann zu diesem Zweck ein Widerstand
mit ca. 5 Ohm parallel zur Lampe in Reihe mit a II eingebaut werden. Für den praktisch
seltenen Fall, daß die Lampenelektrode parallel zur Spule A I durchbrennen sollte,
was höchstens bei Uberalterung zu erwarten ist, kann ebenfalls ein Widerstand R
in der Größenordnung 200 - 1000 Ohm parallel zur Wicklung A I einem Bimetall-Unterbrecher
zum Abschalten des Stromkreises veranlassen.
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Außerdem kann eine kleine Überstromsicherung in Reihe mit der Spule
A I eine Uberlastung dieser Spulenwicklung verrneiden.
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Je nach dem Zeitpunkt, in welchem der Schalter in der Zuleitung zur
Lampe geschlossen wird, kann sich während einer Halbwelle ein erhöhter Strom ergeben.
Nach der Erfahrung kann man ein Ansprechen des Relais über die Spule A I parallel
zu den Elektroden 34, 35 durch den erhöhten Einschaltstrom zuverlässig verhindern,
indem man eine Spule mit hinreichend großer Induktivität wählt. Die gleiche Wirkung
wird erreicht durch einen Anker mit ausreichender mechanischer Trägheit.
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FUr die Schaltbeispiele als Starter fUr Leuchtstofflampen ergeben
sich folgende Vorteile:
- die Elektrodenheizung setzt sofort ein,
da keine Vorbereitungszeit nötig ist; - der Zündvorgang beginnt so früh wie möglich,
da nicht länger als notwendig geheizt wird; - der Starter besitzt eine größere sicherheit,
da der Drosselstrom im :moment hoher Stromstärke unterbrochen wird und damit eine
hohe Zündspannung ergibt; - die Zündwiederholung ist so rasch, daß ein Flackern
der Lampe nicht wahrnehmbar ist; - sehr kurze Startzeiten können bei Verwendung
eines zur Drossel parallel gelegten Widerstandes erreicht werden, da hierdurch der
Heizstrom erhöht wird, ohne dabei die Drossel zu Uberlasten oder verändern zu müssen.
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Die mit den vorbeschriebenen Startern gestartete Leuchtstofflampe
hat auch eine erhöhte Lebensdauer, da der Zündvorgang erst nach ausreichender Vorheizung
erfolgt, z. B.
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auch bei tiefen Umgebungstemperaturen. Trotzdem besteht nicht die
Gefahr der Uberhitzung, auch dann nicht, wenn der Heizstrom oder die Netzspannung
überhöht sind. Der Heizvorgang wird rechtzeitig unterbrochen, da die Bereitschaft
der Betriebselektrode unmittelbar zum Auslösen des Zündstroms dient.
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Außerdem ist kein sogenannter Kaltstart beim Einschalten in einem
Augenblick höchster Spannung (Nähe des Scheitelwertes
möglich,
da die Lampe bis zum Abschluß des Heizvorganges kurz geschlossen ist. Letzteres
ist besonders wichtig bei Lampem mit Brennspannungen unter 65 V. Auch bei gealterten
Laien wir der Start und die Zündung sichergestellt.
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Erhöhte Lampenbrennspannung bei gealterten, aber noci brauchbaren
Lampen führt nicht zu einer fortwährenden Wiederholung des Startvorganges und damit
Zerstörung der Lampen.
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Die vorliegenden Schaltungen können mit handelsüblichen relais ausgeführt
werde. Eine Sonderanfertigung ist nicht erforderlich. Jas Zündprinzip ist auch bei
kapazitiver statt induktiver Schaltung anwendbar, da die -ieizung mit Weschselstrom
erfolgt. Der Energieverlust der elais kann sehr Gering gehalten werden, da der @irkwiderstand
der vom Lanpenstrom durchflossenen Spule A II gering ist.
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Da der Starter nicht abnutzen kann, entfällt auch sein Austausch,
so dan die Anlage zusammen mit der Drossel spule fest eingebaut werden kann.
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Stückliste tür die in den Figuren 1 - 4 dargestellten Ausführungsformen
Relais gemäß Fig. 1, 3 und 4 Wicklung A I 1300 Ohm, 14000 Windungen Spule A II 4,5
Ohm 7300 Windungen Leuchtstofflampe: Osram-L 40 W/30 (1,20 m lang) Fig. 2: Spule
A 1300 Ohm, 14000 Windungen Kapazität 11: 20 @F; Drossel 16 Typ BBC 40-120 (Induktivität
1,2 H) Kapazität 18: 0,22 @F