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Beschreibung der Erfindung.
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Titel: Leuchtstofflampen- Direkt- Starter Anwendungsgebiet: Die Erfindung
betrifft einen Startereinsatz für herkömmliche, elektrische Leuchtstofflampenanlagen,
der zu einer verzögerungsfreien Zündung der Lampe verhilft, insbesondere fur Raumbeleuchtungs-
und Lichtwerbeanlagen.
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Zweck: Bei derartigen Beleuchtungsanlagen ist es wünschenswert, daß
die betreffenden Lampen mit dem Betätigen des Einschalters bzw. des Einschaltnechanisniusses
sofort aufleuchten, ohne das sonst übliche Einschaltflackern.
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Stand der Technik: Es ist bekannt, daß es bisher Möglichkeiten gibt,
eine solche anpe sofort zu zünden, die jedoch einen komplizierten Umbau der gesamten
elektrischen Anlage mit sich bringen.
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Kritik: Bei herkömmlichen Leuchtstofflampen- Beleuchtungsa-nlagen
geschieht die Zündung der Lampe mit eine sich wiederholenden Flackern derselben,
das je nach ihrer Leistungsklasse bis zu mehreren Sekunden nach dem Einschalten
andauert.
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Aufgabe: Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einem leichten
Eingriff jede in Betrieb befindliche Leuchtstofflampenanlage auf Direkt- Zündung
umzugestallten. Eine Ausnahme bildet die sogenannte 2 x 20 Watt- Duoschaltung.
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Lösung: Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zündung
der Lampe mit einer elektronischen Schaltung erfolgt, die im Wesentlichen aus einem
Kondensator und ohne @rise besteht.
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Weitere Ausgestaltung der Erfindung: Um eine solche Umgestaltung auf
einfache Weise für jedermann zu ermöglichen, ist die elektronische Schaltung des
Leuchtstofflampen- Direkt- Starters in ein Gehäuse eines herkömmlichen Starters
eingebaut.
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Erzielbare Vorteile: Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen
insbesondere darin, daß ohne Umbau der gesamten Leuchtstofflampenanlage diese unter
Beachtung der jeweiligen Leistungsklasse durch blosses Austauschen des herkömmlichen
Starters gegen einen Leuchtstofflampen- Direkt- Starter auf verzögerungsfreien Einschalt-
Zünden umgestaltet werden kann. Das oft als lästig empfundene, beim Einschalten
einer herkömmlichen Leuchtstofflampenanlage entstehende Flakern fällt weg, wodurch
es sogar möglich wird, Leuchtstofflampenanlagen in ihrer einfachen Ausführung für
Werbezwecke (Lauflicht-Anlagen etc.) zu verwenden.
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Funktionsbeschreibung des Leuchtstofflampen- Direkt- Starters Leuchtstofflampen
dienen ihrer guten Lichtausbeute wegen zu Raumbeleuchtungs-, Schaufensterdekorations-
und Straßenbeleuchtungszwecken.
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Der Betrieb dieser Lampen weist eine Besonderheit auf: Die Lampe muß
gezündet ( gestartet ) werden. Dem Beuchtstoff in der lampe ( meist Quecksilberdampf
) muß zunächst Energie zugeführt werden, bevor er elektrisch leitend wird. Erst
danach brennt die lampe unter Verwendung einer vorgeschalteten Eetriebsstrombegrenzung,
der sogenannten Vorschaltdrossel, Die herköinrnliche Weise, diese Lampen zu starten,
geschieht wie folgt. Die an den Enden einer jeden Leuchtstofflampe befindlichen
Glühfäden werden zunächst aufgeheizt und anschliessend über die als Wechselstromvorwiderstand
arbeitende Drossel an die Netzspannung angelegt. Diesen Schaltvorgang besorgt der
sogenannte Starter, der aus einer Glimmlampe mit Bimetallelektroden besteht. Brennt
die Beuchtstofflampe, so reicht ihre niedrige Brennspannung nicht mehr aus, die
Starterglimmlampe zu zünden, und eine weitere Aufheizung der Glühfäden bleibt aus.
Da sich die Brennspannung der Beuchtstofflampe jedoch nicht schlagartig einstellt,
sondern kontinuierlich mit Ansteigen des Leuchtstoffiampen- Bebriebsstroms, tritt
der Glimmstarter meist noch mehrmals in Aktion, sodaß die Glühfäden der Leuchtstofflampe
derart stark aufgeheizt werden, daß sich unmittelbar nach Öffnen der Starter-Bimetallkontakte
die niedrige Breunspannung an der Beuchtstofflampe einstellt, die nicht mehr ausreicht,
den Starter weiter zu aktivieren. Der Verschleiß der Lampe ist entsprechend hoch.
Außerdem entsteht das oft als lästig empfundene Flackern beim Einschalten.
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Eine andere Möglichkeit, eine Leuchtstofflampe zu starten, besteht
darin, daß kurzzeitig eine hohe Zündspannung angelegt wird, die mit Erreichen des
Betriebsstroms der Lampe absinkt und schließlich wegfällt. Die Lampe-arbeitet danach
wie auch beim Glimmstarter über die Vorschaltdrossel.
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Diese Möglichkeit bietet außerdem die Vorteile, daß die Glühfäden
nicht belastet werden ( außer der durch den Betriebsstrom eintretenden Aufheizung
) und bein Einschalten ein sofortiges Aufleuchten der Lampe erfolgt. Diese Löglichkeit
läßt sich technisch auf recht einfache Weise realisieren.
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Es stellt sich zunächst das Problem, die relativ hohe Zündspannung
von ca. 280 V bis 350 V zu erzeugen.
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Jede Leuchtstofflampe wird über einen Wechselstromvorwiderstand, die
sogenannte Vorschaltdrassel betrieben, die den Betriebsstrom der lampe begrenzt.
Wird nun ein Kondensator in Serie zu dieser Drossel geschaltet, so sinkt der gesamtresultierende
Wechselstromwiderstand aufgrund der entgegengesetzten Phasenlage dieser Blindwiderstände
und der Strom durch Drossel und Kondensator steigt an. Im Falle der Serienresonanz
( gleich große Blindwiderstandsbeträge ) erreicht der Strom ein Maxilsnum, das gleich
dem Quotient aus der Betriebs spannung ( im allgemeinen 220 V ) und den auftretenden
Gesamtverlustwiderstand im Stromkreis ist. Dieser hohe Strom läßt an den Blindwiderständen
von Drossel und Kondensator ebenfalls hohe Spannungen abfallen, die sich durch das
Ohmsche Gesetz unter Beachtung der komplexen Rechenweise bestimmen lassen. Ist die
Anordnung nun derart geschaltet, daß der Kondensator parall-el zur Leuchtstofflampe
liegt, so reicht die Kondensatorspannung mit Sicherheit aus, um die Lampe zu zünden.
Dabei braucht der Fall der Serienresonanz bei vieitem nicht vorhanden zu sein. Ein
Kondensator von 2 Microfarad reicht erfahrungsgemäß in jedem Falle aus.
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Geht man beispielsweise von den folgenden Gegebenheiten einer 20 Uatt-
Leuchtstofflampe aus: Veranschlagte Zündspannung z = 350 V Induktivität der Vorschaltdrossel
L = 2 H Netzspannung Un = 220 V Netzfrequenz fn = 50 Hz Näherungswert für die Zahl
Pi 3,14 so erhlt ::ian
XL = 2 . 3,14 . fn . L XL = 628 Ohm I = UL/XL
= (Uz - Un) / XL I = 207 mA XX = Uz / I XC= 1,7 k Ohm C = 1 / (2 . 3,14 . fn . XC)
C = 1,9 Microfarad Dabei bedeuten XL induktiver Blindwiderstand XC kapazitiver Blindwiderstand
C Kapazität des Kondensators I Strom durch die Blindwiderstände und UL Spannung
an der Drossel.
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Es stellt sich heraus, daß diese Kapazität von rund 2 Microfarad auch
für die Zündung der Lamnen höherer Leistungsklassen ausreicht, obwohl diese aufgrund
ihres höheren Be-triebsstroms kleinere Vorschaltinduktivitäten besitzen, wodurch
bei gleichbleibender Serienkapazität der Gesamtwiderstand der Serienschaltung, der
ohnehin kapazitiven Charakter hat, nicht mehr so stark abnimrnt. Die Erfahrung zeigt
jedoch, daß selbst eine stark gealterte 65 Vatt- Leuchtstofflampe mit einem Zündkondensator
von 2 Llicrofarad ( Zündspannung ca.
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265 V.) einwandfrei zündet.
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Nachdem die Lampe gezündet ist, wirkt der Kondensator jedoch störend,
da er bewirkt, daß die Lanpe ihre Brennspannung über den Sollwert hinaus verkleinert,
was zu einer unzulässigen Stromüberhöhung führt. Es muß folglich dafür gesorgt werder,
daß der Kondensator nach der Zündung abgeschaltet
wird. Dies kann
in einfacher Gleise mit einem kleinen Triac gelöst werden, der in Serie mit dem
Kondensator liegt und dessen Gate mit einem solchen Vorviiderstand beschaltet ist,
daß der Triac im Einschaltzeitpunkt von der dann anliegen--den Beerlaufspamlung,
der Netzspannung durchgeschaltet wird.
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Brennt die Lampe, so stellt sich die niedrige Brennspannung an ihr
ein, die nicht mehr ausreicht, den Triac durchzuschalten, womit der Kondensator
parallel zur Lampe abgeschaltet ist.
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Die Schaltungsanordnung des Leuchtstofflampen- Direkt- Starters ist
in Bild 1 dargestellt; die Schaltungsanordnung der gesamten Leuchtstofflampenanlage
zeigt Bild 2 . Der in Bild 1 und Bild 2 eingezeichnete Kondensator C2 2 der die
gesamte Starteranordnung überbrückt, dient der Bunkentstörung und sollte in der
Größenordnung von ca. -10 nF bis 50 nF liegen und eine Spannungsfestigkeit von ca.
630 V bis 1000 V aufweisen.
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Die Glühfäden der Leuchtstofflampe ( siehe Bild 2 ) könnten theoretisch
am jeweiligen Ende der Lampe kurzgeschlossen sein, ohne daß an der Wirkung des Starters
ein Einfluß ausgeübt wiirde. Da dies jedoch einen Eingriff in die festverdrahtete
Lampenanlage bedeuten würde, wird darauf verzichtet und der Leuchtstofflampen- Direkt-
Starter einfach anstelle des herkömmlichen Starters eingesetzt.
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Das Gate des Triacs ist in Bild 1 und Bild 2 hinter dem Zündkondensator
C1 angeschlossen, damit die hohen Zündspannungsimpulse keine Zerstörung des Triacs
hervorrufen. Unter Beachtung dieser Gefahr kann das Gate eines entsprechend stärkeren
Triacs auch vor dem Kondensator C1 (siehe Bild 3) angeschlossen werden, was zu exakterem
Ein- und Ausschaltverhalten des Triacs führt.
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Ein kleiner widerstand in der Größenordnung von einigen Ohm in Serie
zum Zündkondensator geschaltet, ( in Bild 3 mit R5 bezeichnet ) rundet die harten
Startimpulse des Triacs etwas ab und verhilft so zu einer "weicheren" Zündung der
Lampe; außerdem bietet er den Glühfäden der Leuchtstofflampe im falle, daß Triac
und Zündkondensator einmal zerstört
werden sollten, einen gewissen
Schutz, da er durchbrennt, bevor die Glühfäden taub werden.
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iftLir die Dimensionierung des Gate- Vorwiderstandes ist der zur Durchsteuerung
des Triacs notwendige Gatestrom ausschlaggebend, der je nach verwendetem Triac unterschiedlich
ist.
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Es empfiehlt sich daher, diesen Vorwiderstand empirisch zu ermitteln,
wobei unter Veränderung des Vorwiderstandes das Bin- und Ausschaltverhalten des
Triacs während des Zündvorgangs der Lampe zu beachten ist. Der optimale Wert is-t
das Mittel der beiden Werte, die einmal beim Einschalten der Lampe sogerade den
Triac durchsteuern und zum andern nach dem Zündvorgang den Triac sogerade sperren.
Dieser letztere Grenzwert ist jedoch nicht konstant. Er ändert sich mit dem Alter
der Lampe. Beispielsweise liegt die Breunspannung einer neuen 20 Watt- Leuchtstofflampe
bei ca. 50 V, während die einer gealterten 20 Watt- Beuchtstofflampe bei ca. 60
V bis 65 V liegt. Bei der Konzipierung des Starters muß diese Erscheinung berücksichtigt
werden, wenn die Bebensdauer der Lampe voll ausgenutzt werden soll! Aus diesem Grunde
sollten für die verschiedenen Leistungsklassen der einzelnen Leuchtstofflampen (
im allgemeinen 20 W, 40 7 und 65 W ) verschiedene Gate- Vorwiderstände Verwendung
finden, da eine 20 Watt- Leuchtstofflampe wie auch eine 65 Watt Leuchtstofflampe
bei Netzspannung ( 220 V) gestartet werden muß, jedoch die 20 Watt- Lampe mit ca.
55 V brennt, dagegen die 65 Watt Lampe mit ca. 120 V.
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Prinzipiell ist es möglich, eine 20 Watt- Beuchtstofflanpe mit einem
für 65 Watt- Leuchtstofflampen konzipierten Starter zu zünden, jedoch tritt hier
der Fall ein, daß der Zündvorgang bereits bei einer Spannungsabnahme auf 150 V beendet
ist. in der Regel reicht das aus, die 20 Watt-Leuchtstofflampe zu starten, jedoch
wird ein ca. eine Sekunde andauerndes Flimmern zu erkennen sein, das eben solange
entsteht, bis der Betriebsstrom bzw. die niedrige Brennspannung der Leuchtstofflampe
auf Sollwert eingeregelt ist.
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Umgekehrt ist es natürlicii unmöglich, einen für 2G i; konzipierten
Leuchtstofflampen-
Direkt- Starter zur Zündung einer 40 Watt- bzw. 65 Watt- JJanie zu benutzen, da
dieser Starter bis zu einer Spannungsverringerung auf ca. 80 V arbeiten sollte,
damit oben angeftShrtes Flimmern nicht in Erscheinung tritt. Da 40 Watt- bzw. 65
Watt- Leuchtstofflampen jedoch mit einer Brennspannung von 90 V bis 130 V arbeiten,
bliebe der Triac im 20 W Starter hier Durchgeschaltet. Die Lampe würde zwar zünden,
jedoch würde der im Starter befindliche Kondensator nicht abgeschaltet, was zu der
bereits erwähnten Stromüberhöhung in der Lampe führte.
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Das oben angeführte Problem ist auch der Grund dafür, daß 20 Watt-
Leuchtstofflampen unter Verwendung der herkömmlichen Starter wesentlich öfter beim
Einschalten flackern als die Lampen der höheren Leistungsklassen.
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Folglich empfiehlt es sich, wie auch bei den herkömmlichen Startern
eine Grenze der Leistungsklassen einzurichten, die bei ca. 25 -;T liegt, sodaß für
die jeweils vorliegende Beuchtstofflampenanlage unter 2 verschiedenen Leuchtstofflampen-Direkt-
Startern auszuwählen ist.
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Es sei noch erwähnt, daß der im Leuchtstofflampen- Direkt-Starter
Verwendung findende Zündkondensator als Nennspannungswert lediglich 250 V aufzuweisen
braucht, da die Ziindungen im Bruchteil einer Sekunde stattfinden. Soll-te dennoch
durch die relativ hohe, wenn auch kurzzeitige Spannungsüberlastung einmal ein Überschlag
im Kondensator stattfinden, so sei auf Polystyrol- Folienkondensatoren verwiesen,
die eine selbstheilende Wirkung zeigen und dabei räumlich die geringsten Ausmaße
aufweisen.
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Der große Vorteil der soeben beschriebenen Möglichkeit, eine Leuchtstofflampe
zu zünden, besteht darin, daß die gesamte dazu benötigte Anordnung in dem Gehause
eines herkömmlichen Starters untergebracht werden kann. Ein einfaches huswechseln
des Starters gestaltet jede bereits in Betrieb befindliche Tieuchtstofflampenanlage
mit Ausnahme der sogenannten 20 Wat-t- Duoschaltung auf Direktzündung um, ( siehe
Bild 2 ) ohne daß dabei ein Eingriff in die Verdrahtung der Anlage notwendig ist.