DE2632247A1

DE2632247A1 - Anordnung zum speisen einer elektrischen entladungslampe

Info

Publication number: DE2632247A1
Application number: DE19762632247
Authority: DE
Inventors: Stephen Herman
Original assignee: US Philips Corp
Current assignee: US Philips Corp
Priority date: 1975-07-25
Filing date: 1976-07-17
Publication date: 1977-02-03
Also published as: NL181324B; JPS5216885A; GB1506998A; CA1061401A; AU1613176A; BE844484A; DE2632247C2; AT353359B; FR2319269A1; FR2319269B1; US3996495A; NL7608049A; CH610459A5; NL181324C; ATA540676A; AU501094B2

Description

PHA.20712.

DipUng. HORST AUER evh_o/deen

"i'äi-s-ianvialt

izhkr. North American Philips Corp.
Akte: P"HA 20 712

Anordnting zum Speisen einer elektrischen Entladungslampe

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum ¥echselstromspeisen einer elektrischen Entladungslampe, welche Anordnung mit zwei Eingangsklemmen zum Anschliessen an eine Quelle für sinusförmige Wechselspannung versehen ist, wobei im Betriebszustand der Lampe die Eingangsklemmen über eine Serienschaltung aus einer elektrischen Drosselspule, einem Kondensator und der Lampe miteinander verbunden sind_e

Die Kombination der elektrischen Drosselspule und des Kondensators dient zum Stabilisieren des elektrischen Stromes durch die Lampe.· Die Spule und der Kondensator werden auch Ballaste genannte Die

S0988 5/0865 original inspected

PHA,20712. 7.7«76 ο

Ballaste kSnnenweiter beim Erregen der erforderlichen Zündspannung für die Entladungslampe mitarbeiten. Ein Nachteil einer bekannten Anordnung dieser Art ist, dass die elektrische Drosselspule, die in der Regel mit einem Kern ausgerüstet ist, ziemlich umfangreich sein muss·' Dies wird, u^a.' dadurch verursacht, dass bei verhältnismässig geringen Abmessungen der Drosselspule, und infolgedessen des Kernes, eine magnetische Sättigung auftreten würde, die dann einen spitzenförmigen Lampenstrom zur Folge hätte» Ein derartiger Strom kann die Lebensdauer der Lampe nachteilig beeinflussen·

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit verhältnismässig einfachen Vorschaltgeräten dennoch eine vorteilhafte Stromform der Lampe zu gewinnen.

Eine erfindungsgemäs se Anordnung eingangs erwähnter-Art ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator ein nicht-linearer Kondensator ist, so dass seine Kapazität während jeder Halbperiode der Wechselstromspeisung eine Aenderung erfährt, die das Entstehen eines rechteckförmigen Lampenstroms fördert.'

Ein Vorteil einer erfindungsgemässen Anordnung ist, dass eine verhältnismässig kleine Drosselspule kombiniert werden kann mit einer vorteilhaften Form des elektrischen Stromes durch die Lampe· Ein rechteck— förmiger Lampenstrom bietet u.a. den Vorteil, dass

609885/0868

PHA»20712.

7.7.76 ο¹

d±e Entionisierung in der Lampe während des sogenannten Stromnulldurchganges verhältnismässig gering ist₀' Die Wiederzündung der Lampe in der nächsten Halbperiode der Speisung wird dadurch erleichterte

Zur Erläuterung sei noch folgendes mitgeteilt: Ein Mass ftir den elektrischen Lampenstrom ist der sogenannte Spitzenfaktor, der als das Verhältnis des Lampenstrom-Spitzenwertes zum Effektivwert des Lampenstroraes definiert wird«, Ein praktisch auftretender Spitzenfaktor ist beispielsweise 1,6· Im allgemeinen muss der Spitzenfaktor unter dem Wert 1,7 gehalten werden, um eine unerwünschte Verkürzung der Lebensdauer der Lampe zu vermeiden. Ein sinusförmiger Strom hat einen Spitzenfaktor von ungefähr 1,41, während eine einwandfreie Rechteckwelle einen Faktor 1,0 ergeben würde, der der Tert für eine maximale Lichtausbeute ist»¹ Im allgemeinen weisen die Wellenformen von Lampenstro*men, die mit vielen Vorsehaltgerät en ^realisiert werden, einen verformten Sinus auf} diese Wellenformen reduzieren die Ausbeute der Lampe sowie ihre Lebensdauer·'

Erfindungsgemäss lässt sich eine elektrische Lampenschaltung aufbauen, bei der sich der Spitzenfaktor des Stromeβ dem der idealen Rechteckwellenkennlinie dicht nähert·' ·

Es ist auch möglich, mit der Erfindung eine

6098 8-5/0866

PHA.20712. 7.7*76.

ungünstige Verformung der Wellenform des Lampenstromes die durch die Sättigung des Kernes der Ballast-Spule verursacht wird, auszugleichen

Hinsichtlich des Standes der Technik lässt sich folgendes bemerken: Um den Umfang von Ballastgeräten zu beschränken, sind bereits viele Anordnungen bekannt, von denen einige ziemlich kompliziert und aufwendig sind,-Bei einer dieser bekannten Anordnungen wird die Entladungslampe bei einer hohen Frequenz betrieben, d.h_o' hoch in bezug auf die 50 bis 60 Hz der Netzspannung. Jedoch hat diese Lösung ihre eigenen Probleme, beispielsweise die Rundfunkstörungsunterdrttckung. ¥eiter gibt es bei dieser Anordnung u.a.· Probleme mit der Zuverlässigkeit der Umsetzung nach der höheren Frequenz,

In einer anderen bekannten Anordnung, die die US-PS 3 383 554 beschreibt, ist bereits oine gesättigte Drosselspule mit der Entladungslampe in Serie geschaltet o^r In der Schaltung dieser bekannten Anordnung befindet sich jedoch kein Kondensator.

Weiter ist es aus der US-PS 3 k96 412 bekannt, zwischen einer Wechselspannungsquelle und dem Ballast der Entladungslampe einen Generator zum Erzeugen von Strömen aufzunehmen, die als Funktion der Zeit einen rechteckförmigen Verlauf aufweisen.

In einer erfindungsgemässen Anordnung ist die

609885/0865

PHA..20712. 7.7.76.

Kapazität des nicht-linearen Kondensators von seiner elektrischen Spannung abhängig. Bei grösserer Spannung wird eine absinkende Kapazität festgestellt.

Die Erfindung basiert darauf, dass die Verwendung eines nichtlinearen Kondensators, statt eines herkömmlichen mit festem Wert, zu einer bedeutenden Verbesserung hinsichtlich des Spitzenfaktors des Lampenstromes und daher zu einem wirksameren Betrieb der Entladungslampe führen kann. Auch kann der nichtlineare Kondensator eine unerwünschte Verformung in der Wellenform des Stromes, die durch Sättigung des Kernes der elektrischen Drosselspule ausgelöst wird, ausgleichen. Der nicht-lineare Kondensator, in Reihe mit der Lampe, setzt nämlich einen spitzenförmigen Strom in einen Strom um, der der Rechteckform näherkommt. Obgleich die Art und Weise, auf die der nicht-lineare Kondensator die oben erwähnte Funktion erfüllt, noch nicht ganz klar ist, hat es sich gezeigt, dass der Wert der Serienkapazität gross sein muss, wenn die Stromspitzen auftreten, und verringern muss, wenn der Strom kleiner wird» Das heisst, wenn die Kapazität ansteigt, kann der Kondensator eine grössere elektrische Ladung speichern, wodurch der Spitzenstrom herabgesetzt wird_o Wenn danach der Strom zum Abnehmen neigt, sinkt die Kapazität, wodurch die gespeicherte Ladung in die Schaltung zurückgeleitet

609885/0865

PHA.20712, 7·*7·76.^:

wird» d.h. der Strom zur Lampe wird erhöht.* Dies ergibt eine bessere Rechteckwellenform des Stromes.

In einer Anordnung gemäss der Erfindung kann die Lampe eine Niederdruckentladungslanipe, ζ.,,Β, eine Niederdruckquecksilberdampfentladungslampe sein, oder es kann eine Hochdruckentladungslampe, z.B₀' eine Hochdruckqueclcsilberdampfentladungslampe sein.

Beim Auswählen geeigneter spannungsabhängiger Kondensatoren zur Verwendung in einer erfindungsgemässen Anordnung wurde gefunden, dass Kondensatoren mit einem Dielektrikum, das vollständig oder teilweise aus einem ferroelektrische:a Material besteht, gute Ergebnisse liefert,

Auch' kann man einen Kondensator mit einem Dielektrikum wählen, das keine ferroelektrischen Eigenschaften oder antiferroelektrische Eigenschaften bei niedrigen Warten der zugeführten Spannung aufweist und das einen Uebergang nach einem ferroelektrischen Verhalten erfährt, wenn die zugeführte Spannung ansteigt.

Weiter ist es denkbar, zwei oder mehr dieser Kondensatoren in Serienschaltung und/oder Parallelschaltung zu kombinieren. Dies kann zusammen mit linearen Kondensatoren erfolgen, um eine nicht-lineare Kapazitätskennlinie für eine einzige Kombination eines speziellen Ballasts und einer Entladungslampe zu schaffen.

80983 5/0865

PIiA ." 20712. 7«7.76.

Weiter ist es denkbar, eine spezielle Kapazitätskennlinie durch die Wahl geeigneter Kombinationen nichtlinearer und linearer Dielektrika zu verwirklichen, um auf diese Weise die Anzahl der Kondensatoren auf nur einen nicht-linearen Kondensator zu reduzieren. Selbstverständlich ist es vorteilhaft, einen Kondensator zu wählen, der ein ferroelektrisch.es Dielektrikum mit kleiner Hysterese besitzt, weil dies zu verhältnismässig niedrigen Wattverlusten führt <>·

Vorzugsweise besteht in einer erfindungsgemässen Anordnung das Dielektrikum des Kondensators aus einem Zirkonattitanat aus Blei und Lanthan (ein sogenanntes PLZT-Material).

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform besteht das Dielektrikum des Kondensators aus einer Bariumtitanatzuisammensetzung« Die beiden erwähnten Dielektrikumarten können dem Kondensator eine brauchbare Nichtlinearität geben.

Bei Versuchen mit nicht erfindungsgemässen und erfindungsgemässen Anordnungen wurde im letzten Pail ein Spitzenfaktor des Stromes durch die Entladungslampe gefunden, der um 11 bis 23$ niedriger als im ersten Fall war«. Es konnte ein Lampenstromspitzenfaktor von 1,35 erreicht werden, was eine bedeutende Verbesserung in bezug auf die Situation bei bekannten

609885/0865

PHA.20712. 7.7.76.

Lamp ens clialtungen bedeutet. Es hat sich herausgestellt, den Lampenstrom um nicht weniger als 16 /o ohne Verlust an Lichtausbeute herabzusetzen.

Der Vollständigkeit halber sei noch bemerkt, dass es aus der Us-PS 3 309 568 bekannt ist, einen sättigbaren Kondensator zu verwenden, der über die Kontakte eines Schaltelementes eines Zündsystems für Kraftfahrzeuge angeschlossen ist, um Ueberschlag in den Kontaktelektroden herabzusetzen. Die Funktion dieses bekannten sättigbaren Kondensators ist aber eine ganz andere als die in einer erfindungsgemässen Anordnung»¹

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine elektrische Schaltung einer erfindungs gemäs sen Anordnung,

Fig. ZL eine graphische Darstellung des Lampenstromes als Funktion der Zeit für eine nicht erfindungsgemässe Lampenschaltung,

Fig.' 2B eine graphische Darstellung des Lampenstromes als Funktion der Zeit für den Fall nach Fig. 1,

Fig.^: 3 eine Hystereseschleife eines für die Verwendung im nicht-linearen Kondensator der Anordnung nach Fig.' 1 geeigneten Materials,

Fig. 4a eine charakteristische Kurve der Polarisation (p), aufgetragen über der Spannung (v)

609885/Q865

PIlA,, 20712. 7.7.76.

eines Dielektrikums, das aus einem Sirkonattitanat von Blei und Lanthan .(ein sogenanntes PLZT-Material) besteht, das sich zur Verwendung im nicht-linearen Kondensator der Anordnung nach Fdg. 1 eignet,

Figo 4b die entsprechende Kurve der Kapazität (c) über der Spannung (v) für das dielektrische Material, auf das sich Fig, kA bezieht, und

Fig»^: 5A und 5B die charakteristischen Kurven P über V und C über V eines antiferroelektrischen Dielektrikums, das zusammen mit einem anderen Dielektrikum im nicht-line ar en Kondensator angewandt werden kann«,

In Fig. 1 bezeichnet 1 eine Gas- und/oder Dampfentladungslampe, beispielsweise eine Niederdruckquecksilberdampfentladungslampe mit einer Fluoreszenzschicht/ Eine Wechselspannungsquelle 2 von ungefähr 110 Volt, 60 Hz, ist an Eingangsklemmen 3 und k einer erfindungsgemässen Anordnung angeschlossene* Die Spannung der Quelle 2 als Funktion der Zeit ist nahezu sinusförmige Die Eingangsklemmen 3 und 4 sind über eine Primärwicklung 5 eines Streutransformators miteinander verbundene Dieser Transformator ist als Spartransformator ausgeführt und besitzt einen Eisenkern. Der Transformator hat eine Sekundärwicklung 6_O ^: Eine Anschlussklemme der Sekundärwicklung 6 ist mit einer Anschlussklemme der Primärwicklung 5 direkt verbundene Die andere Anschluss-

809885/0865

7.7·76.

fcleiniiie der Wicklung 6 ist mit einer Elektrode eines nicht—linearen Kondensators 7 verbunden. Der nicht-lines-re Kondensator 7 kann vom ferroelektrischeii Typ oder von einem antiferroelektrisch—ferroelektrisch .kombinierten Typ sein. Dieser Kondensator verbessert erfindungsgemäss den Spitzenfaktor des Lampenstromes durch einen Ausgleich, der Stromwellenverformung, die durch Sättigung des Eisenkernes des Spartransformators verursacht wird» Der nicht—lineare Kondensator ist in diesem Fall ein spannungsabhängiger Kondensator mit einem aus einem PLrST-Material zusammengesetzten ferroelektrischen Dielektrikum« Bin geeignetes PLZT-Material enthält 8 % Lanthan und besitzt ein 65/35 Zirkon/Titan-Verhältnis» Die andere Elektrode des nicht-linearen Kondensators ist mit einer Elektrode der Entladungslampe 1 verbunden. Die andere Elektrode der Lampe 1 ist mil der Eingangs— klemme 3 verbunden«

Die ¥irkung der beschriebenen Anordnung weicht von den bekannten Lampenschaltungen dadurch ab, dass die Kapazität des nicht-linearen Kondensators 7 wit der GrSsse der zugeführten Spannung variiert·' Zur Erläuterung sei zunächst auf die Fig. 2A hingewiesen. Diese Figur stellt eine Lampenstromwellenform dar, die bei einer bekannten Schaltung erhalten wird, welche abgesehen vom Kondensator gleich der Schaltung nach Fig.

S0"98a$/0S65

PHA. o^; 20712 ο

7.7.76,

ist. In der bekannten Schaltung wird nämlich ein Kondensator mit einer konstanten Impedanz statt des spannungsabhängigen Kondensators 7 nach Figo 1 verwendet _o ^: Figo' 2A zeigt die nachteilige spitzenfSrmige Stromwelle, die mit Hilfe der Erfindung vermieden wirdo' Fig. 2B zeigt die entsprechende Lampenstromwellenform für die Schaltung nach Fig. 1.und veranschaulicht die Verbesserung die durch den Ersatz eines Kondensators mit fester Impedanz durch den nicht-linearen Kondensator 7 der Erfindung erhalten wird.

Die Fig. 3 und 4A-B stellen charakteristische Kurven eines nicht-linearen Kondensators mit einem ferro-elektrischen Dielektrikum mit niedriger Hysterese dar, welches Dielektrikum zur Verwendung im Kondensator der Schaltung nach Figo' 1 geeignet ist. Diese Kurven sind für die Gattung von piezoelektrischen keramischen Materialien kennzeichnend, die als PLZT-Materialien mit schmaler Hystereseschleife bekannt sind,^:

Fig©' 3 zeigt die Polarisation (P), aufgetragen über dei? Spannung (v) eines geeigneten ferro elektrischen PLZT-Materials, während Fig." 4A eine entsprechende idealisierte Kennlinie darstellt, in der der Hysterese-Effekt vernachlässigt ist. Fig.^! 4B zeigt die Kapazität (c), aufgetragen über der Spannung V eines mit diesem Dielektrikum gebildeten Kondensators, Es ist wünschenswert,

609885/0865

PHA.. 20712» 7.7.76.

ein. dielektrisches Material auszuwählen, das eine schmale Hystereseschleife aufweist (Figo 3)» um die Wattverluste möglichst gering zu halten,,

Die Figo- 5-k und 5B zeigen charakteristische Kurven eines antiferroelektrischen Materials, das in Verbindung mit anderen dielektrischen Materialien verwendet werden könnte, um den nicht-linearen Kondensator der Erfindung für die Kombination einer gegebenen Lampe und einer elektrischen Drosselspule zu erhalten.'

In Fig.· 3 entspricht die Schleifenspitze einer Polarisation (p) von ungefähr 50/u-Coulomb/cm und einer Spannung (v) von etwa 1000 Volt. Sowohl P als auch V sind in linearem Masstab aufgetragen.

Der in Figo 4a und 5a benutzte Masstab ist gleich dem nach Fig.' 3.

In Fig.' 4b entsprechen die Kurvenspitzen einer Kapazität (c) von ungefähr 4/uFarad und das rechte Kurvenende entspricht einer Spannung (v) von etwa 1000 Volt. Auch in Fig. 4b sind C und V in einem linearen Masstab aufg-tragen. Der in Fig. 5b benutzte Masstab ist gleich dem nach Fig. 5a»

609885/0865

Claims

?HA. 0-20712 „^:

7ο 7ο76 ο

PATENTANSPRÜCHE

Anordnung zum Wechselstromspeisen einer elektrischen Entladungslampe₉ welche Anordnung mit zwei Eingang ski enimeii zura Anschliessen an eine Quelle für sinusförmige Wechselspannung versehen ist_a wobei im Betriebszustand der Lampe die Eingangsklemmen durch eine Serienschaltung aus einer elektrischen Drosselspule, einem Koxxd ensat or und der Lampe miteinander verbunden sind_s dadurch gekennzeichnete, dass der Kondensator ein nicht= linearer Kondensator ist_g so dass seine Kapazität während jeder Halbperiode der Wechselstromspeisung eine Aenderung erfährt, die das Entstehen eines rechteckförmigen Lampen= stroms fördert*

2« Anordnung nach Anspruch 1_s dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum des Kondensators ein ferroelektrisches Material enthalte

3β Anordnung nach Anspruch 2_S dadurch gekennzeichnete, dass das Dielektrikum des Kondensators aus einem Zirkonattitanat von Blei und Lanthan bestehto 4,^: Anordnung nach Anspruch 2_S dadurch gekennzeichnet _s dass da.s Dielektrikum des Kondensators aus Barium» titanat besteht.^:

5·^; Anordnung nach Amspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Drosselspule eine Sekxindärwicklung eines Streuungstransformators ist, von dem eine Primärwicklung an die Eingangskieminen angeschlossen ist_o ^;

609885/0865

PHA.. 20712 .· 7.7.76.

6ο' Anordnung nach Anspruch 1 _? in der die mittlere Impedanz des Kondensators die der elektrischen Drosselspule überschreitet o^!

&0988S/086S