DE2829178A1

DE2829178A1 - Verfahren und anordnung zur energieeinsparung beim betrieb von strahlungseinrichtungen

Info

Publication number: DE2829178A1
Application number: DE19782829178
Authority: DE
Inventors: Olle Knut Klippberg
Original assignee: HAENDEL STURE; KLIPPBERG
Current assignee: HAENDEL STURE; KLIPPBERG
Priority date: 1977-07-05
Filing date: 1978-07-03
Publication date: 1979-02-01
Also published as: JPS5456269A; NO782324L; GB2000920B; DK303878A; CA1115338A; BE868756A; IT7825301A0; AU3774478A; IT1097812B; LU79919A1; NL7807075A; AU522642B2; FI782153A; SE7707771L; GB2000920A; FR2397123A1

Description

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Verfahren und Anordnung zur Energieeinsparung beim Betrieb von Strahlungseinrichtungen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Energieeinsparung beim Betrieb von Strahlungseinrichtungen, deren Strahlung durch Erhitzen eines festen Körpers und/oder durch Gasentladung mit Hilfe einer Spannungsquelle für eine sinusförmige Wechselspannung oder eine im wesentlichen gleichförmige Gleichspannung erzeugt wird.

Die Erfindung findet in erster Linie, jedoch nicht ausschließlich auf dem Beleuchtungssektor Anwendung·

Die Beleuchtung stellt in ihren verschiedenen Formen einen wichtigen Anteil am Gesamtverbrauch elektrischer Energie dar. Entsprechend groß ist das Interesse, den Energieverbrauch auf diesem Gebiet einzuschränken. Ein Beispiel für eine derartige Sparmaßnahme ist z.B. der Einsatz von Leuchtstoffröhren anstelle herkömmlicher Glühlampen, da die Röhren weniger Energie verbrauchen. Jedoch ist die Leuchtstoffröhre bei vielen Gelegenheiten wegen gewisser Eigenheiten weniger beliebt. Ferner ist es bekannt, daß z.B. die Lichtausbeute bei einer 125 V Glühlampe bei gleichem Verbrauch größer ist als bei einer 220 V Lampe. Um diesen Vorteil zu nutzen, kann die Spannung von 220 V auf 127 V heruntertransformiert werden, so daß ein 220 V Spannungsnetz mit 127 V Lampen bestückt werden kann. Die dafür aufzuwendenden Einrichtungskosten sind aber im Verhältnis zur erzielten Energieeinsparung verhältnismäßig hoch, abgesehen von den anfallenden Transformatorverlusten.

Eine erste Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Schaffung eines neuen und verbesserten Verfahrens zum

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Betrieb von Strahlungseinrichtungen, mit dem eine höhere Lichtauebeute bei entsprechend geringerem Energieverbrauch erzielt wird.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein neues und verbessertes Verfahren für den genannten Zweck aufzuzeigen, das den Einsatz einer Strahlungseinrichtung z.B. im herkömmlichen Stromnetz erleichtert.

Als eine noch weitere Aufgabe der Erfindung wird die Schaffung eines neuen und verbesserten Verfahrens der genannten Art genannt, das mit Hilfe kostengünstiger und einfacher Mittel ausgeführt werden kann.

Schließlich ist es Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens aufzuzeigen, die aus genormten Bauteilen zusammengesetzt und auf einfache Art und Weise in Beleuchtungseinrichtungen herkömmlicher Bauart und Typen eingebaut werden kann.

Zusätzliche Aufgaben und Vorteile der Erfindung sind einerseits in der nachfolgenden Beschreibung angeführt und werden andererseits anhand der Beschreibung oder der praktischen Anwendung der Erfindung verständlich. Die Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden durch Mittel und deren Kombinationen verwirklicht, die im einzelnen in den beigefügten Ansprüchen angeführt wind.

Die Erfindung sieht ein neues Verfahren zur Energieeinsparung beim Betrieb von Strahlungseinrichtungen vor, insbesondere zu Beleuchtungszwecken, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein vorbestimm**r konstanter Anteil jeder Halbschwingung der Wechselspannung oder jeder Schwiagung der Gleichspannung weggeschnitten wird und daß die auf diese Weise unterbrochene Spannung an eine Strahlungseinrichtung angelegt wird, deren Nennspannung die gleichen Größenordnung wie der Effektivwert der unterbrochenen Arbeitsspannung aufweist, z.B. Nennspannung t 5 %.

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BAD ORiGiNAL

Der Höchstwert der unterbrochenen Arbeitsspannung liegt daher über dem einer Gleichspannung bei gleichem Effektivwert. Wenn die (niedrigere) unterbrochene Arbeitespannung z.B. an eine Glühlampe angelegt wird, deren Nennspannung in der Größenordnung dem Effektivwert der Arbeitsspannung entspricht, wird die Glühlampe in der kurzen Zeit, in der sie dem verhältnismäßig hohen oberen Spannungswert ausgesetzt ist, einen Lichtstrom aussenden, der größer ist als der unter "normalen" Bedingungen bei Nennspannung erreichte Maximalwert. Überraschend ist festgestellt worden, daß das menschliche Auge infolge seines Trägheitsvermögens das "unterbrochene" Licht nicht nur als gleichförmig empfindet, sondern im wesentlichen auch als intensiver als das bei normalem Betrieb erhältliche Licht, wobei der menschliche Wahrnehmungsbereich beträchtlich größer ist als die mit Hilfe eines herkömmlichen Beleuchtungsmessers angezeigten Meßwerte. Somit kann auf diese Weise bei erheblich reduziertem Energieverbrauch die gleiche Beleuchtungsstärke erzielt werden, wie nachfolgend noch eingehend erläutert wird.

Das Wegschneiden oder Löschen eines Anteils jeder Halbschwingung der Wechselspannung oder jeder Schwindung der Gleichspannung wird erfindungsgemäß mit Hilfe einer Anordnung erreicht, die dadurch gekennzeichnet ist, daß in der Anschlußleitung zwischen der Spannungsquelle und der Strahlungseinrichtung ein elektronischer Abkapper vogesehen ist, der jeweils einen vorbstimmten und konstanten Anteil jeder Halbschwingung der Wechselspannung oder jeder Schwingung der Gleishapannung wegschneidet, wobei die Nennspannung der an dieser unterbrochenen Spannung anliegenden Strahlungseinrichtung die gleiche Größenordnung wie der Effektivwert der unterbrochenen Arbeitespannung aufweist. Auf diese Weise kann die Strahlungsauebeute erhöht werden.

Mehrere Abkappschaltkreise können unabhängig an eine Strahlungsquelle angeschlossen sein und umgekehrt. Derartige Abkapp-

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schaltkreise sind an sich bekannt. Sie können z.B. auf Thyratronen oder vorzugsweise auf siliziumgesteuerten Gleichrichtern beruhen. Vorzugsweise werden zum Abkappen sog. "Zweirichtungs-Thyratronen" (ein Halbleiterelement, das im wesentlichen aus zwei entgegengesetzt gerichteten siliziumgesteuerten Gleichrichtern besteht) verwendet. Selbstverständlich können für diese Zwecke auch andere elektronische Bauteile mit vergleichbaren Eigenschaften verwendet werden. Wegen ihrer äußerst geringen Ausmaße können insbesondere solche Halbleiter leicht z.B. in einer Lampenfassung einer Beleuchtungseinrichtung untergebracht werden. Es sei jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, daß der Abkapperschaltkreis an jeder Stelle zwischen der Spannungs- und Strahlungsquelle anschließbar ist. Ein in der beschriebenen Weise funktionierender Halbleiterechaltkreis kann sehr kostengünstig hergestellt werden.

Die Größe des abzukappenden Anteils der Spannungswelle bestimmt sich nach der vorhandenen Spannungs- und Strahlungsquelle (d.h. der gewünschte Effektivwert), nach der gewünschten Spannungsspitze usw.. Grundsätzlich kann die Spannung in jedem Bereich der Schwingung abgekappt werden, vorzugsweise wird jedoch dafür der aufsteigende oder der abfallende Bereich jeder HaIbschwingung bei der Wechselspannung (bzw. in entsprechender Weise beim Gleichstrom) gewählt. Zur Erläuterung soll noch erwähnt werden, daß eine Effektivspannung von ungefähr 125 V und eine Spitzenspannung von ungefähr 300 V während einer Dauer von 0,2 ms bei jeder Halbschwingung erzielt wird, wenn etwas mehr als die Hälfte der Halbschwingung einer 220 V Wechselspannung von 50 Hz in dieser Weise abgekappt wird.

Wie bereits eingangs erwähnt, kann die Erfindung auch für andere Strahlungseinrichtungen als für Glühlampen verwendet werden. Eine entsprechende Energieeinsparung läßt sich daher z.B. bei Strahlungsquellen für I.R. Strahlung, Natriunleuchten,

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Quecksilberlampen, fluoreszierende Röhren, Hallogenleuchten u.a. erzielen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Grundschaltung für eine energieeinsparende Anordnung gemäß der Erfindung,

Fig. 2a den gemäß der Erfindung erzielbaren Spannungeverlauf mit Phasenanschnitt im Zeitdiagramm,

Fig. 3 zwei alternative Anschlußmöglichkeiten für die erfindungsgemäße Anordnung,

Fig. 5 eine Ausführungsform eines Schaltkreises mit einem siliziumgesteuerten Gleichrichter für den Anschnitt der ansteigenden Phase einer Sinushalbwelle,

Fig. 6 eine Aueführungsform eines Schaltkreises «it einem siliziumgesteuerten Gleichrichter für den Anschnitt der abfallenden Phase einer Sinushalbwelle

Fig. 1 zeigt die Grundbestandteile einer Anordnung gemäß der Erfindung, bei der eine Spannungsquelle 3» z.B. das 220 V Wechselspannungsnetz, über einen Abkapperschaltkreis 2 und Leitungen 4 an eine Strahlungsquelle 1 angeschlossen ist, z.B. eine 125 V Glühlampe. Der Abkapperschaltkreis 2 ist derart ausgebildet, daß der Phasenanschnitt einen bestimmten Bereich der Halbwelle, z.B. die Hälfte oder etwas mehr, der sinusförmigen Wechselspannung erfaßt. In Fig. 2« ist die ansteigende Phase der Halbwelle und in Fig. 2b die abfallende Phase der Halbwelle angeschnitten.

In den Fig. 3 und 4 sind zwei alternative Anschlußmöglichkeiten für den Abkapperschaltkreis dargestellt. In Fig. 3 ist die Spannungsapielle 3 über einen zentralen Schaltkreis an verschiedene Strahlungsquellen 1 (z.B. Glühlampen) durch Leitungen 4 angeschlossen, während in Fig. 4 die Spannungs-

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quelle 3 an. mehrere Schaltkreise 2 angeschlossen ist, denen jeweils eine Strahlungsquelle 1 zugeordnet ist.

In Pig. 5 ist eine Ausführungsform eines siliziumgesteuerten GleichrichterSchaltkreises dargestellt, mit dem eine unterbrochene Wechselspannung gemäß Fig. 2a erzeugt werden kann. Die Anode eines Triac 5 ist an einem Pol Ja einer Wechsel-Spannungsquelle 3 mittels einer Leitung 4a angeschlossen. Der andere Pol 3b der Spannungsquelle liegt über eine Leitung 4b an der Strahlungsquelle 1 an, die über eine Leitung 4c mit dem Kathodeneingang des Triac 5 verbunden ist. Der Gate-Eingang des Triac 5 ist über einen Diac 6 an die Verbindung zwischen einem Widerstand 8 und einem Kondensator 11 angeschlossen, die zwischen den Leitungen 4a und 4c in Reihe geschaltet sind. Parallel zum Schaltkreis 8, 10 ist ein zweiter Schaltkreis geschaltet, der aus einem Widerstand und einem in Reihe liegenden Kondensator 10 besteht. Zwischen den Schaltkreisen 7i 10 und 8 ist ein Widerstand 9 angeschlossen, wobei die Verbindung der Schaltkreise zwischen dem jeweiligen Widerstand und Kondensator erfolgt.

In Fig. 6 ist eine Ausführungsform eines Schaltkreises mit einem siliziumgesteuerten Gleichrichter offenbart, mit dem eine angeschnittene Wechselspannung gemäß der Darstellungsweise nach Fig. 2b erreicht wird. In dem Schaltkreis nach Fig. 6 ist der Triac 5 der Fig. 5 durch einen siliziumgesteuerten Gleichrichter 5' ersetzt. Der Schaltkreis ist ferner mit einer Gleichrichterbrücke 15 und einem Transistorschaltkreis bestückt. Die aus vier Dioden bestehende Gleichrichterbrücke 15 ist zwischen der Spannungsquelle 3 und dem übrigen Teil des Schaltkreises geschaltet derart, daß die Leitung 4a an den negativen Pol der Gleichrichterbrücke und die Leitung 4c über einen Widerstand 12 an den positiven Pol der Gleichrichterbrücke 15 angeschlossen ist. Ein Transistor 1? liegt mit seinem Emitter an der Kathode des siliziumgesteuerten Gleichrichters 5' und mit seiner Basis

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über einen Widerstand 13 und eine Diode 16 an der Anode des siliziumgesteuerten Gleichrichters 5' an. Zwischen dem Emitter und der Basis des Transistors 17 ist ferner ein Widerstand geschaltet. Die Strahlungsquelle 1 ist zwischen dem Kollektor des Transistors 17 und dem positiven Pol der Gleichrichterbrücke 15 angeschlossen.

Bei einem Versuch, der die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Anordnung erzielbare, beträchtliche Energieeinsparung verdeutlicht, wurden zunächst der Energieverbrauch und die Lichtstärke für eine Anzahl Glühlampen gemessen, die verschiedene Nennleistungen bei 220 V Netzwechselspannung (50 Hz) aufwiesen. Dann wurde zwischen der Spannungsquelle und einer Anzahl Glühlampen ein siliziumgesteuerter Gleichrichter-Schaltkreis (ein sog. Dimmer) gemäß Fig. 5 angeschlossen und die gleichen Messungen wiederholt. Die einzelnen Bauteile des siliziumgesteuerten Gleichrichter-Schaltkreises oder Dimmer wiesen folgende Werte auf:

Triac 5: Type 4o669} 400 V, 8 A, Gate 1,25 V,

15mA

Diac 6: Type 40512

Kondensatoren 10 und Ils 0,1 ^uF
Widerstand 7: 100 k -12.

Widerstand 9: 120 k-Ω-

Der Widerstand 8 bestand aus zwei in Reihe geschalteten Widerständen, von denen der eine fest (4,7 kJft. ) und der andere verstellbar (470 kIL ) war. Der verstellbare Widerstand war auf einen Effektivwert von 125 V eingestellt (entsprechend einer Löschung des Spannungsimpulses über etwas mehr als eine Hälfte jeder Halbwelle und einer Spannungsspitze von annähernd 300 V). Die Leistung wurde mit Hilfe eines Wattmeters und die Beleuchtungsstärke mit Hilfe eines Luxmeters gemessen. Der Abstand von der Glühlampe zum Luxmeter betrug 220 mm. Die Versuchsergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle wiedergegeben:

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Herkömmlicher Betrieb mit gleichförmiger Spannung

Glühlampe	Effektiv spannung (V Sinus)
220-230 v 15 w mattiert	220
23O-24K) V 25 w mattiert	220
220-230 v 40 W mattiert	220
220-230 v 60 w mattiert	220
230-240 v 75 W klar	220
220-230 v 100 W mattiert	220

Strom Wider- Beleuch- Leistung (mA) stand tungsstärke (W) (Kohm) (Lux)

3.492 4io

2,200 49O

1,271 85O

0,833 l4oo

0,712 2000

0,515 32OO

14 22 38 58 68 94

Betrieb gemäß der Erfindung mit unterbrochener Spannung

Glühlampe	Effektiv spannung (V Sinus)	Strom- (mA)	Wider stand (Kohm)	Beleuch- Le tungsstärke (Lux)
140 V 25 w mattiert	125	176	0,710	520
125-130 v 40 W mattiert	125	320	0,390	1550
125-130 v 75 W klar	125	576	0,217	345O

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Aus den Tabellen ist zu ersehen, daß z.B. die erreichte Beleuchtungsstärke bei einer gemäß der Erfindung geschalteten 40 W 125-I3O V Glühlampe größer ist als bei einer 60 W 220-230 V Glühlampe, die direkt an das Netz angeschlossen ist. Durch Ausrüstung der Beleuchtung gemäß der Erfindung, d.h., wenn z.B. eine 220-230 V Glühlampe durch eine 125-130 V Glühlampe mit niedrigerer Nennleistung ersetzt und über einen Abkapperschaltkreis der beschriebenen Art an die Netzspannung oder eine andere Spannungsquelle angeschlossen wird, kann eine unveränderte Beleuchtungsstärke bei erheblich reduziertem Leistungsverbrauch erzielt werden.

Um Anzeigefehler auszuschalten, sind bei den mit dem Luxneter gemessenen Werten der Beleuchtungsstärke 15 % dazuaddiert worden. Fehler in dieser Größenordnung können bei einem Luxmeter auftreten, wenn die Glühlampe unter erfindungsgemäßen Bedingungen mit einer unterbrochenen Spannung betrieben wird. Dieser Anzeigefehler wurde auf folgende Weise festgestellt.

Eine Testperson konnte durch eine Öffnung in einem Schir« eine Tafel aus weißem Karton beobachten, die in einem Winkel von 90 abgebogen und mit der Winkelspitze in Richtung des Beobachters derart angeordnet war, daß die beiden Kartonhälften in Blickrichtung einen Winkel von 45° einschließen. Unter einem Winkel von 45 wurde auf die eine Hälfte de· Kartons das Licht von einer 220 V Glühlampe gerichtet, die an eine 220 V Netzwechselspannung (50Hz) angeschlossen war, während auf die andere Hälfte des Kartons in entsprechender Weise das Licht von einer 125 V Glühlampe fiel. Die 125 V Glühlampe war an einen verstellbaren Abkapperschaltkreis mit einem siliziumgesteuerten Gleichrichter der oben beschriebenen Bauart angeschlossen, und die Versuchsperson konnte die an der 125 V Glühlampe anliegende Spannung derart ändern, daß auf beiden Hälften des Kartons die gleiche Beleuchtungsstärke auftrat. Nach jeder Verstellung wurde die Spannung mit Hilfe eines Digital-Voltmeters abgelesen, die

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den Ef fektivwert der unterbrochenen Wechselspannung anzeigte. 10 Versuchspersonen unternahmen insgesamt 150 Einstellungen in der oben beschriebenen Weise, wobei der erzielte Durchschnittswert der Spannung 117i3 ^v betrug. Dann wurde die Beleuchtungsstärke der 125 V Glühlampe bei dieser Effektivspannung mit einem Luxmeter in einer Entfernung von 300 mm gemessen. Der gemessene Wert betrug 1100 Lux. Der entsprechende Wert für die 220 V Glühlampe, die an der Netzspannung angeschlossen war, betrug I3OO Lux. Das Meßgerät zeigte somit einen Wert an, der ungefähr l8 % niedriger als die Beleuchtungsstärke war, die durch das menschliche Auge wahrgenommen wurde.

Bei der Temperaturbestimmung des Glühfadens mit einem Pyrometer stellte sich heraus, daß die Temperatur einer 125 V Glühlampe ungefähr 20 % höher ist, wenn die Glühlampe an eine 125 V sinus und nichtsinus Wechselspannung angeschlossen ist, verglichen mit einer 220 V Glühlampe, die die gleiche Nennleistung aufweist und an die Netzspannung angeschlossen ist. Wie oben bereits erwähnt, kann das erfindungsgemäße Verfahren auch für andere Strahlungsquellen angewendet werden.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Die angegebenen Spannungs- und Frequenzbereiche sind natürlich nur beispielshalber aufgeführt.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zur Energieeinsparung beim Betrieb von Strahlungseinrichtungen, deren Strahlung durch Erhitzen eines festen Körpers oder durch Gasentladung mittels einer Spannungsquelle für eine pulsierende Spannung erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein vorbestimmter konstanter Anteil des Spannungsimpulses angeschnitten wird und die auf diese Weise unterbrochene Spannung an eine Strahlungseinrichtung angelegt wird, deren Nennspannung die gleiche Größenordnung wie der Effektivwert der unterbrochenen Arbeitsspannung aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die angeschnittene Spannung eine sinusförmige Wechselspannung ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die angeschnittene Spannung eine im wesentlichen gleichförmig pulsierende Gleichspannung ist.

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4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3» dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Hälfte jedes Impulses angeschnitten wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß von jeder Halbwelle einer 220-240 V Wechselspannung ein Anteil weggeschnitten wird, um eine unterbrochene Arbeitsspannung mit einem Effektivwert in der Größenordnung von 110-130 V zu erhalten.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abfallende Phase jedes Impulses angeschnitten wird.
7- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ansteigende Phase jedes Impulses angeschnitten wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7» dadurch gekennzeichnet, daß die eingesetzte Strahlungsquelle ein sichtbares Licht liefert.
9· Anordnung zur Energieeinsparung beim Betrieb von Strahlungseinrichtungen, deren Strahlung durch Erhitzen eines festen Körpers oder durch Gasentladung mit Hilfe einer Spannungsquelle für eine pulsierende Spannung erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der Anschlußleitung (4) zwischen der Spannungsquelle (3) und der Strahlungseinrichtung (l) ein elektronischer Abkapperschaltkreis (2) zum Anscheiden jedes Impulses der Spannung der Spannungsquelle vorgesehen ist und daß die auf diese Weise unterbrochene Spannung als Arbeitespannung an die Strahlungsquelle anlegb'ar ist, deren Nennspannung die gleiche Größenordnung aufweist wie der Effektivwert der unterbrochenen Arbeitsspannung.

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10. Anordnung nach Anspruch 9i dadurch gekennzeichnet,

daß der elektronische Abkapperschaltkreis (2) mindestens einen siliziumgesteuerten Gleichrichter (5) aufweist.
11. Anordnung nach Anspruch 9j dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Abkapperschaltkreis (2) einen Triac (5) und einen Diac (6) zum Triggern des Triac aufweist.

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