DE2848018A1 - Verfahren und anordnung zur energieeinsparung beim betrieb von gasentladungslampen, insbesondere leuchtstofflampen - Google Patents

Description

Patentanwälte 2 8 4 S O

Dipl.-Ing. W.Beyer Dipl.-Wirtsch.-Ing. B.Jochem

Frankfurt am Main Staufenstrasse

In Sachen:

Don Frederick Widmayer
47o4 Locust Hill Court
Bethesda, Maryland 2oo14/USA

Verfahren und Anordnung zur Energieeinsparung beim Betrieb von Gasentladungslampen, insbesondere Leuchtstofflampen

Die Lrfindung betrifft ein Verfahren zur Energieeinsparung beim Betrieb von Gasentladungslampen, insbesondere Leuchtstofflampen.

Leuchtstofflampen sind im Gegensatz zu Glühlampen Flächenlichtquellen anstelle Punktlichtquellen. Ihre Lichtausbeute bei gegebener Eingangsleistung ist drei bis viermal größer als die einer Glühlampe. Leuchtstofflampen werden auch als Fluoreszenzlampen bezeichnet. Dieser Name ist von der Tatsache abgeleitet, daß eine im Quecksilbergas innerhalb der Lampe auftretende elektrische Entladung ultraviolette Photonen aussendet, die auf den aus Phosphor bestehenden Innenüberzug des Lampenzylinders auftreffen, welcher dann längerwellige sichtbare Lichtphotonen ausstrahlt oder "fluorisziert",

Kritisch für den vorgenannten Betrieb ist die Elektrizitätsleitung durch den Quecksilberdampf. Die Spannungs-Strom-Charakteristik dieser Leitung ist bestimmt durch eine Anzahl komplexer Erscheinungen, die einer einfachen Definition mangeln. Wie weiter unten noch erörtert werden wird, fährt

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der Strom im Bogenentladungsbereich der Betriebskennlinie fort_# auf katasrophale Werte anzusteigen, wenn er nicht durch äußere Mittel begrenzt wird. Um diese Strombegrenzung zu schaffen, werden Einrichtungen benutzt, die allgemein als Vorschaltgeräte bekannt sind. Für Wechselstrombetrieb werden im allgemeinen induktive Vorschaltwiderstänge benutzt, während für Gleichstrombetrieb ohmsche Vorschaltwiderstände zur Anwendung gelangen. Transistor-Vorschaltgeräte lassen sich auch benutzen, sind jedoch für die meisten Anwendungsfälle ungeeignet, wie weiter unten im einzelnen noch erläutert werden wird. Ohmsche Vorschaltwiaerstände erfordern ferner eine erhebliche Vergrößerung der Netzspannung gegenüber der für die Lampe selbst erforderlichen Spannung, und mit solchen Vorschaltwiderständen arbeitende Systeme sind in hohem Maße verlustbehaftet und haben einen schlechten energetischen Wirkungsgrad.

Ein weiteres Problem in Verbindung mit den vorstehend erörterten Lampen besteht in der Schaffung einer Regelung der Lichtausbeute auf wirksame, praktisch verwendbare Weise. Grundsätzlich begrenzen sowohl induktive als auch ohmsche Vorschaltwiderstände den Strom auf einen bestimmten Wert, obgleich, wie oben erörtert, auch Vorschaltgeräte bestehen, aie speziell so ausgebildet sind, daß sie eine Einstellung des Entladestroms gestatten.

Lin anderes Betriebsproblem in Verbindung mit Leuchtstofflampen ist das Starten der Lampen. Dem Wesen nach muß das Quecksilber innerhalb der Leuchtstofflampe ionisiert werden, bevor Stromleitung auftreten kann. Dies läßt sich durch kurzfristiges Anlegen einer hohen Spannung an die Elektroden der Lampe erreichen. Wenn die Lampe heizbare Elektroden besitzt, wird die Ionisier- oder Startspannung vermindert. Aus diesem Grund haben die stärker gebräuchlichen "Rapidstart" -Lampen Kathoden, die von getrennten Transformatorwicklungen erregt werden. Eine andere Art von Leuchtstoff-

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lampen ist die "Vorheiz"-Lampe, die einen Schaltmechanismus innerhalb des Vorschaltgerätes besitzt, welcher kurzfristig schließt oder auf die Erregung hin geschlossen wird, so daß ein Strom durch die Lampenkathode und eine Induktionsspule fließt. Der Schalter wird dann geöffnet, und es entsteht aufgrund der gespeicherten induktiven Energie eine vorübergehende Spannungsspitze. Diese Spannungsspitze in Verbindung mit der heißen Kathode bewirkt, daß der Lampenstrom fließt. Da die vorerwähnten Elektroden nach dem Zünden nicht erwärmt werden, sind die Vorheizlampen so ausgebildet, daß nach dem Zünden der Lampe der eingestellte Entladungsstrom die Elektroden heiß genug hält, um Elektronen zu emittieren und löschfähiges Material daran zu hindern, sich an den Elektroden abzusetzen.

Eine dritte Gruppe von Lampen sind die sog. "Sofortstart-" Lampen. Die Kathoden dieser Lampen sind für Ka.ltstart ausgebildet, und das Vorschaltgerät sorgt lediglich für eine hohe Startspannung, um die Stromleitung durch das auszulösen, was als "Logenbombardement" bezeichnet wird. Sobald die Lampe "gestartet" ist, hält der eingestellte Entladestrom die Elektroden warm genug, um für eine Emission und ein Verdampfen jeglicher Verunreinigungen zu sorgen. Es ist bemerkenswert, daß weder die Sofortstart- noch die Vorheizlampen in der Lichtausbeute geschwächt oder abgedunkelt werden können, da diese Lampen so ausgebildet sind, daß sie den eingestellten Entladestrom benötigen, um ihre Elektroden auf einer "lebensfähigen" Temperatur zu halten. Wenn diese Lampen abgeblendet werden, sinkt die Kathodentemperatur, und die Lampenenden werden von Material geschwärzt, welches die Kathode zerstäubt, so daß schließlich die Kathode abgenutzt ist und die Lampe aufhört zu funktionieren.

Ein weiteres Problem in Verbindung mit Leuchtstofflampen besteht in dem Absinken des ausgesandten Lichtstroms mit der Betriebsdauer, Dieses Absinken beruht in erster

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Linie auf der Abnutzung des Phosphorbelags. Temperaturschwankungen beeinflussen gleichfalls die Lichtstromabgabe, Wie weiter unten näher erläutert wird, sind üeleuchtungssysteme mit Leuchtstofflampen wegen der Zersetzungsprobleme des Phosphors charakteristischerweise so ausgebildet, daß sie anfänglich die zu beleuchtende Fläche übermäßig beleuchten, um eine gerade noch ausreichende Beleuchtung sicherzustellen, wenn der abgegebene Lichtstrom mit der Benutzungsdauer der Lampe absinkt. Dieser Kompromiß führt zu einer beträchtlichen Vergeudung von Energie, wie weiter unten im einzelnen noch aufgezeigt werden wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Betrieb von Gasentladungslampen, insbesondere Leuchtstofflampen zu schaffen, mit denen beträchtliche Energieeinsparungen erzielt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe zeichnet sich durch die fortlaufende Messung der Beleuchtungsstärke an einer von den Gasentladungslampen sowie anderen Lichtquellen einschließlich dem Tageslicht beleuchtbaren Stelle und die Verwendung der Abweichung der gemessenen Beleuchtungsstärke von einem vorgegebenen Wert als Regelgröße zur Einstellung des Entladestroms in den Gasentladungslampen dergestalt aus, daß die Beleuchtungsstärke an der betrachteten Stelle im wesentlichen auf dem vorgegebenen Wert gehalten wird.

Erfindungsgemäß besteht eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens in einer ersten. Ausgestaltung darin, daß eine Spannungsquelle, deren Spannung derart regelbar ist, daß die Speisespannung in verlustfreier Weise in Übereinstimmung mit den Spannungsanforderungen im Gasentladungsbetrieb der Lampen vermindert wird, in Verbin dung mit einer elektronischen Festkörperschalteinrichtung

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(Vorschalttransistor) im Strompfad der Lampen angeordnet ist und ein lichtempfindlicher Fühler zur Messung der Beleuchtungsstärke an der betrachteten Stelle vorgesehen ist, welcher über Rückführungsmittel die Leitfähigkeit der Festkörperschalteinrichtung steuert und damit den Stromfluß in der Lampe dergestalt regelt, daß die Leleuchtungsstärke an der betrachteten Stelle im wesentlichen konstant ist. Die Spannungsregeleinrichtung besteht hierbei vorzugsweise aus einer Spannungsvervielfachungsschaltung unter Verwendung von Dioden und Kondensatoren. Außerdem ist eine Ionisiereinrichtung zur Erzeugung einer Start- oder Zündspannung für die Lampen vorgesehen, die selbsttätig eine vernachlässigbar niedrige Spannung erzeugt, wenn die Lampen gezündet haben. Die Ionisiereinrichtung enthält hierbei zweckmäßig ebenfalls eine Spannungsvervielfachungsschaltung, bestehend aus Dioden und Kondensatoren.

Line anders gestaltete Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in Übereinstimmung mit der Erfindung aus einem Transistorvorschalt- und Steuerkreis ähnlich der vorbeschriebenen Anordnung in Verbindung mit einem induktiven Vorschaltgerät. Es verdient Beachtung, daß Millionen solcher Beleuchtungssysteme mit induktivem Vorschaltwiderstand gegenwärtig vorhanden sind und das Hinzutreten des Transistorvorschalt- und Steuerkreises zu dem induktiven Vorschaltwiderstand beträchtliche Energieeinsparungen mit sich bringt. Die beiden Vorschalteinrichtungen arbeiten voneinander getrennt und selbsttätig, wobei der Transistorvorschaltkreis den Strom im dynamischen Bereich von einem gegebenen Minimalwert bis zu einem bestimmten Maximalstrom begrenzt und selbsttätig von dem induktiven Vorschaltwiderstand bei jenem Strommaximum überlagert wird. Genauer gesagt tritt eine Sättigung des Vorschalttransistors in dem Strommaximum auf, und der induktive Vorschaltwiderstand arbeitet in herkömmlicher Weise als Strombegrenzung nur in diesem

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Augenblick, d.h. wenn der Transistor gesättigt ist. Der induktive Vorschaltwiderstand liefert auch eine hohe Zündspannung beim Start ebenso wie die Dauerbetriebsspannung. Das Vorhandensein des induktiven Vorschaltwiderstands verhindert ferner, daß der Transistor die gesamte Leistung aufnimmt und verbraucht, die in Verbindung mit dem Übermaß an Spannung auftritt, das von der fallenden Strom-Spannungs-Charakteristik der Lampen herrührt. Da der Transistor als Strombegrenzer während des größten Teils der Einschaltzeit der Lampen arbeitet, werden die Wirkverluste des induktiven Widerstandes wesentlich vermindert und demzufolge die Lebensdauer des Vorschaltgerätes beträchtlich vergrößert.

Weitere Merkmale zur vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung mit einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung.

In der beigefügten Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm, in welchem der prozentuale Abfall des Lichtstroms über den Betriebsstunden einer Leuchtstofflampe aufgetragen ist,

Fig. 2 ein Diagramm, in welchem die absolute Größe des Lichtstroms über der Betriebsdauer bei konstantem Entladestrom aufgetragen ist,

Fig. 3 ein Diagramm ähnlich Fig. 2, in welchem jedoch bei konstantem Lichtstrom das Ansteigen des Entladestroms aufgetragen ist,

Fig. 4 ein Diagramm mit der charakteristischen Strom-Spannungs-Kennlinie einer Gasentladung,

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Fig. 5 ein stark vereinfachtes Blockschaltbild einer bekannten Leuchtstofflanipenschaltung mit ohmschem Vorschaltwiderstand,

Fig. 6 ein Blockschaltbild ähnlich dem nach Fig. 5

einer bekannten Schaltung mit einem Transistor als Vorschalteinrichtung,

Figc 7 ein Wirkschaltbild einer weiteren bekannten Lampenschaltung mit ohmschem Vorschaltwiderstand,

Fig. 8 ein Spannungs-Zeit-Diagramm zur Veranschaulichung des Spannungsverlaufs in der mit Wechselstrom betriebenen-Schaltung nach Fig.7,

Fig. 9 das Wirkschaltbild einer Lampensteuerschaltung nach einer ersten Ausfuhrungsform der Erfindung,

Fig. 1o ein Spannungs-Zeit-Diagramm zur Veranschaulichung des Spannungsverlaufs an verschiedenen Stellen der Schaltung nach Fig. 9,

Fig. 11 das Wirkschaltbild einer abgeänderten Ausführungsform der Schaltung nach der Erfindung,

Fig. 12 das Wirkschaltbild noch einer weiteren Schaltung gemäß der Erfindung.

Vor der Betrachtung der Ausführungsbeispiele der Erfindung in den Fig. 9_f 11 und 12 sollen eine in der Beschreibungseinleitung bereits erwähnte Gesichtspunkte näher betrachtet werden.

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Wie oben erwähnt, muß wegen der bei Leuchtstofflampen auftretenden Phosphosabnutzungsprobleme eine zu beleuchtende Fläche, auf welcher die Beleuchtungsstärke beispielsweise etwa 7oo Lux betragen soll, zunächst heller ausgeleuchtet werden, um die Beleuchtungsanforderungen unter Einbeziehung der Alterungswirkungen zu erfüllen, die bis zur Auswechslung der Lampe auftreten. In Fig. 1 ist hierzu das prozentuale Absinken des Lichtstroms bzw. der Beleuchtungsstärke mit der Betriebsdauer in einem Diagramm aufgezeichnet, wie es in den Prospekten eines führenden amerikanischen Leuchtenherstellers enthalten ist. Zwei Hauptgründe für dieses Absinken beruhen unmittelbar auf der Dichte des Lntladestroms. Zum einen erhöht ein Ansteigen des Lntladestroms das Ausmaß der zerstörerischen Strahlung mit einer Wellenlänge von 185 nm (Manometer) die auf den Phosphor auftrifft, und zum anderen die Wechselwirkung zwischen den Quecksilberionen in der Gassäule und den Phosphormolekülen.

Es verdient Beachtung, daß jegliche Lichtstärke über der geforderten, d.h. jeglicher Lichtstrom über 7oo Im (Luir.en) als Vergeudung elektrischer Lnergie betrachtet werden kann. Um dies weiter zu veranschaulichen, sei angenommen, daß ein zu beleuchtender Raum eine solche Größe besitzt, daß eine Leuchte mit vier Leuchtstofflampen vom Typ F 4oT 12 im Betrieb mit neuen Lampen an einer bestimmten Stelle eine Leuchtdichte von etwa 14oo Lux liefert. Die Lampen seien mit herkömmlichen 43o mA Vorschaltgeräten betrieben, die eine mehr oder weniger konstante Energieaufnahme bewirken. Mit der Zeit, während der Gasentladungsstrom mit dem dabei vorhandenen Lnergieverlust im wesentlichen konstant bleibt, nimmt die Leuchtdichte an der betrachteten Stelle, wie in lig, 2 im Diagramm wiedergegeben, ab. Wie nachstehend erläutert werden wird, besteht ein Grundgedanke der Erfindung in der Steuerung

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des Lntladestroms in Abhängigkeit von einem Bezugswert des Lichts im Raum. Diese Art Steuerung ist in rig. 3 in Diagrammform wiedergegeben, das eine über die Betriebsdauer konstante Leuchtdichte von etwa 7oo Lux mit einen; Anfangsstrom von 2oo mA zeigt. Wenn nun der Phosphor zerfällt (und dieses Zerfallen geht bei dem geringeren Lntladestrom der Fig. 3 wegen der geringeren UV-Strahlung und der dabei vorhandenen geringeren Ioneneinwirkung langsanier vor sich), den Entladestrom dergestalt, daß die Leuchtdichte auf einer Höhe von etwa 7oo Lux konstant gehalten wird. Schließlich läßt sich feststellen, daß, wenn die Lampe völlig gealtert ist, der Entladestrom auf einen höheren Wert angestiegen ist, als bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der mit einem Vorschaltwiderstand betriebenen Lampe.

Der elektrische Energieverbrauch einer gegebenen Leuchtstofflampe steht in einem Verhältnis zu der Lohe des Gasentladungsstroms. Weil der Entladestrom gemäß Fig. 3 im Mittelwert niedriger ist, sind auch sowohl der Energieverlust als auch der Phosphorzerfall geringer als bei der Betriebsweise nach Fig. 2. Fig. 3 zeigt, daß nach 24 ooo Stunden der Strom nur 36o mA erreicht hat (mit einem Strommittelwert während der 24 ooo Stunden von 265 mA) gegenüber 43o mA im Fall der Fig. 2. Somit gestattet diese Maßnahme zusätzlich zur Schaffung der Möglichkeit einer Regelung der Beleuchtungsstärke und deren Konstanthaltung über die Betriebsdauer eine unmittelbare Abschätzung und Änderung auf verschiedenen Gebieten, um sich ändernden Anforderungen zu begegnen. Vor Fortsetzung der Beschreibung sei darauf hingewiesen',daß der Abfall der Leuchtdichte in Fig. 2 und das Anwachsen des Stromes in Fig. 3 zum Zwecke einer deutlicheren Veranschaulichung linear zum Zwecke der Klarheit der Darstellung gezeigt sind, die gleichen grundsätzlichen Be-

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Ziehungen jedoch auch für Kurven gelten, die den in der Praxis gefundenen näher liegen.

Wie eben festgestellt wurde, erfolgt die erfindungsyer.iäße Steuerung in Funktion der im Raum bzw. der Umgebung vorhandenen Beleuchtungsstärke, tvenn demgemäß der im Beispielsfall betrachtete Raum ein Außenfenster besitzt, dringt zu bestimmten Zeiten Tageslicht ein, so daß weniger Lichtstrora von den Lampen benötigt wird, um die Leuchtdichte von 7oo Lux aufrechtzuerhalten. Somit wird ledigr lieh für diesen Fall ein geringerer Gasentlaaungsstrom benötigt, der zu noch stärkeren Energieeinsparungen führt. Vvie erwähnt und nachstehend noch genauer erläutert v/ird, besitzt das erfindungsgemäße System die erörterte Fähigkeit zur Steuerung des Entladungsstroms und erbringt dadurch die angestrebten Vorteile.

bevor die Kombination von Kunstlicht und Tageslicht und die Art und Weise, in welcher die Erfindung Vorteile aus dieser Kombination ableitet, erörtert wird, mögen einige kurze Erläuterungen zur "Tagesbdeuchtung" hilfreich sein. Die Tagesbeleuchtung besteht aus zwei Komponenten, nämlich

(1) der unmittelbar von der Sonne herrührenden Beleuchtung und

(2) der indirekten Sonnenbeleuchtung aufgrund des Tageslichts.

Anstelle einer Betrachtung der tatsächlichen Lichtquellen ist es deshalb wahrscheinlich einfacher, ein Fenster als ein Stück getrübtes lichtstreuendes Glas zu betrachten, das von verschiedenen Lichtquellen auf der außenseite erleuchtet wird. Die Beleuchtung von der Lichtquelle oder einer Kombination von Lichtquellen schwankt von Null während der Nachtzeit bis zu mehreren Tausend Lumen pro

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Quadratmeter Fensterfläche am Tage. Dieser weite Bereich ist eine Funktion der direkten und indirekten Komponenten, die sich unter verschiedenen Wetterbedingungen ändern, sowie der Tages- und der Jahreszeit. In jedem Falle wird der Gasentladungsstrom bei Steuerung der Leuchtstoffröhre in Abhängigkeit von der Lichtstärke vermindert, wenn das Tageslicht zunimmt, und der Gasentladungsstrom wird vermindert, wenn das Tageslicht abnimmt. Die durchschnittliche Stromstärke über die Zeit von 12 Tagesstunden mit dabei verfügbarem Tageslicht wird an den meisten Tagen auf weniger als die liälfte gegenüber dem Lrfordernis ohne eine solche Hilfsbeleuchtung vermindert.

Ein anderes Problem, das oben nur beiläufig gestreift wurde und nun genauer betrachtet werden soll, ist das der Schwierigkeit, Leuchtstofflampen zu steuern. Die wichtigsten Schwierigkeiten in dieser Hinsicht wurden oben erwähnt. Die erste besteht darin, daß das Quecksilber innerhalb der Lampe ionisiert werden muß, was u.a. eine Verminderung des Widerstands zwischen den Lair.penelektroden von einem dem Wesen nach unendlich hohen Wert auf einen Wert bedeutet, welcher Elektronenleitungen durch das ionisierte Gas und damit ein Einschalten der Lampe bedeutet. Die zweite und größte Schwierigkeit besteht darin, die Erscheinungen zu beherrschen, die bei der Leitung von Elektrizität durch Gas nach dem Zünden der Lampe auftreten. In dieser Hinsicht ist es bekannt (Condon und Odishaw, Handbook on Physics, Seite 4-174), daß die mit der Leitung von Elektrizität durch Gas verbundenen Erscheinungen eine strenge Definition herausfordern. Fig. 4 ist derselben Textseite entnommen (s. auch Lüger, Lexikon der Technik, Band 13, Seite 374) und zeigt die charakteristische Strom-Spannungs-Kennlinie einer Gasentladung. Es läßt sich ersehen, daß, wenn die Entladung einsetzt, der dicht bei Null beginnende Entladestrom verschiedene Entladungsbereiche durchläuft. Der letzte Bereich ist derjenige,

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in welchem Gasentladungslampen für Eeleuchtungszwecko grundsätzlich arbeiten. Bezeichnend ist, daß der bogenentladungsbereich in Fig. 4 nicht dem ohmschen Gesetz folgt. Vielmehr sinkt die Spannung bei steigendem Strom ab, anstelle ihrerseits anzusteigen. Dies erklärt, warum gesagt wird, daß Leuchtstofflampen eine negative oder fallende Widerstandskennlinie aufweisen, und bedeutet, daß, wenn die Lampe mit einer Spannungsquelle und einem Strom betrieben wird, der den Eogenentladungsbereich erreicht, der Strom fortfährt, auf eine katastrophale Höhe anzusteigen.

Sofern die herköirjnlich verfügbare Wechselstroiv.energie als Konstantstromquelle mit umgekehrter Spannungscharakteristik vorhanden wäre, könnte eine Leuchtstofflampe unmittelbar daran angeschlossen und betrieben werden. Weil jedoch das elektrische Verteilernetz keine Konstantstromquelle mit abfallender Spannungscharakteristik ist, d.h. vielmehr eine Stromquelle darstellt, in welcher sich der Strom in Abhängigkeit vom Widerstand der Last einstellt, erfordert eine Leuchtstofflampe Mittel zur Stabilisierung des Bntladestroms. Solche Mittel werden, wie oben erwähnt, gemeinhin als Vorschaltgerät bezeichnet.

Die meisten Leuchtstofflampen werden mit Wechselstrom betrieben, wobei eine oder mehrere Lampen in Reihe mit einer Induktions- oder Drosselspule als Vorschaltgerät geschaltet sind. Die Reaktanz der Induktionsspule wird zur strombegrenzenden Impedanz und begrenzt die Stromhöhe in der Serienschaltung. Mit Ausnahme von Wirkungen zweiter Ordnung kann ein induktiver Vorschaltwiderstand als ein verlustloser Strombegrenzer betrachtet werden. Auch läßt sich eine kapazitive Reaktanz als verlustloses Vorschaltgerät bei hohen Wechselstromfrequenzen benutzen. Bei 60 bzw. 5o Hertz würde jedoch die in den Kondensatoren

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gespeicherte Energie aufgrund der Spannungs-Strom-Charakteristik der Lampen als Strom mit hohen Spitzen entladen, ohne daß der Strom auf andere Weise begrenzt ist.

Gleichstrombetrieb von Leuchtstofflampen ist gleichfalls möglich, und solche Systeme benutzen für gewöhnlich einen ohrr.schen Vorschaltwiderstand bei einer höheren Betriebsspannung, tin solcher Vorschaltwiderstand ist verlustbehaftet und wird oft genausoviel oder mehr Energie verbrauchen als die Lampe bei ihrem Lichterzeugungsvorgang. Ls gibt Ausnahmen gegenüber dieser Feststellung, wie sie beispielsweise in der US-Patentschrift Re 28,o44 (Widmayer) beschrieben sind, wo ein sog. Shoke als Volt-Sekunden-Integrator mit anderen Steuerungskomponenten verwendet wird.

In den Fig. 5 und 6 sind zwei Ausführungsbeispiele einer Gleichstromschaltung mit Vorschaltgerät wiedergegeben. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 enthält eine Lampe L, die an eine Konstantspannungsqualle V über einen Startkrais SC angeschlossen ist. Ein Widerstand R dient als Strombegrenzer. Lei dieser Ausfuhrungsform wird die Lampe L gezündet, und der Strom stellt sich auf eine Höhe mehr oder weniger entsprechend der Quellenspannung E abzüglich dem Spannungsabfall L·' an der Leuchtstofflampe im Stromgleichgewicht, geteilt durch den Vorschaltwiderstand R ein:

I = (E_s - E_L/R)

Die Ausführungsform nach Fig. 6 ist derjenigen nach Fig. ähnlich, und gleiche Elemente sind mit denselben Eezugszeichen unter Verwendung von Strichen versehen. Wie ohne weiteres einleuchtet, besteht der einzige Unterschied zwischen den Ausführungsformen nach Fig. 5 und 6 darin, daß in Fig. 6 ein Transistor als Vorschaltgerät verwendet

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wird. Das Transistorvorschaltgerät wird von einem Transistor T gebildet, der von einem Steuerkreis CC gesteuert wird. Ls verdient Beachtung, daß die Ausführungsform nach Fig. 6 für die Praxis ungeeignet ist, hauptsächlich deshalb, weil der Transistor T im linearen Bereich arbeiten müßte, um einen wirksamen Vorschaltwiderstand abzugeben. Das Probleiw bei einem solchen betrieb besteht darin, daß aufgrund der fallenden Spannungs-Strom-Kennlinie der Lampe der als Steuereinrichtung wirkende Transistor T einen ansteigenden Strom und eine ansteigende Kollektor-Emitter-Spannung haben würde, die bei praktisch vorkommenden Stromstärken in der Leuchtstofflampe weit über der Fähigkeit eines Transistors zur Aufnahme von Verlustenergie liegen würde. Natürlich könnte ein (nicht gezeigter) Kollektorwiderstand hinzugefügt werden, um den Transistor T vor Überspannungen zu schützen, jedoch würde eine solche Maßnahme den Zweck der Verwendung eines Transistors zunichte machen, und es müßte deshalb ebenso ein veränderlicher Widerstand benutzt werden.

Grundsätzlich begrenzt sowohl ein induktiver als auch ein ohmscher Vorschaltwiderstand auf einfache Weise den Strom auf eine bestimmungsgemäße Höhe, ohne die Einstellung des Lichtstroms zu ermöglichen. Es gibt jedoch besonders ausgebildete Vorschaltgeräte, die eine gewisse Einstellung des Gasentladestroms von Hand gestatten. Die meisten dieser Geräte enthalten u.a. einstellbare Thyratrons, einstellbare Spannungstransformatoren und einstellbare Induktivitäten, welche die Amplitude des Entladungsstroms und/oder die Stromeinschaltdauer innerhalb der Wechselstromhalbwelle derart verändern, daß eine sichtbare Änderung der Lichtstärke aufgrund der Ausgleichswirkung des menschlichen Auges erreicht wird.

In Fig. 7 ist ein Beispiel einer bekannten Gleichstromschaltung mit ohmschem Vorschaltwiderstand wiedergegeben. Fig. 7 ist der US-PS 3 9o9 606 (Tenen) entnommen und dahingehend von besonderem Interesse, daß die Ausbildung

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des Eingangsspannungskreises gewisse Gemeinsamkeiten mit dem nach der Erfindung hat. Die vorgenannte Patentschrift bezeichnet die Kondensatoren C. bis C. und die Dioden D₁ bis U₄ als Vervierfachungsschaltung. Die Patentschrift stellt ferner fest, daß, wenn der bewegliche Kontakt des Schalters S in die Hoch-Stellung KI oder die Niedrigstellung LO bewegt wird, die Ausgangsspannung zwischen den Klemmen T1 und T2 gleich dem Vierfachen des Scheitelwerts der Eingangsspannung ist und daß, wenn die Gasentladungsröhre FB zündet, der größte Teil des erhöhten Stroms durch die mit niedrigerer Impedanz ausgebildeten Kondensatoren C1 und C2 fließt, so daß die Spannungssteigerungswirkung der Driggerkondensatoren C3 und C4 vernachlässigbar wird. Der Strom durch die Gasentladungsröhre FB ist durch den Vorschaltwiderstand R1 und den Dimmerwiderstand R2 begrenzt.

Der Spannungseingangskreis der US-PS 3 9o9 606 läßt sich vielleicht am besten als Glenhspannungsquelle mit Gleichrichtung der positiven und der negativen Kalbwelle verstehen, wobei eine Hälfte eines Verdoppler-Ausgangssignals (mit entsprechendem Vorzeichen, zu jeder Halbwelle hinzugefügt wird. Der Wellenverlauf der Versorgungsspannung unter Last würde grundsätzlich dem nach Fig. 8 entsprechen, wobei die positive Halbwelle die positive Grundspannung

(a) und die negative Halbwelle die negative Grundspannung

(b) schafft und die überlagerten Wechselspannungen (c und d) von den Ausgangssignalen des Ein-halbverdopplerkreises herrühren, die der positiven bzw. negativen Spannung überlagert werden. Es ist wichtig zu beachten, daß wegen der Natur der Lalbverdoppler die Wellenformen (c und d) nicht zueinander phasenverschoben sind. Dies ist wichtig, weil diese Spannungen dazu benutzt werden, die lastfreie Ionisierspannung aufzubauen, die nur augenblicklich erforderlich ist, um die Lampen zu zünden. Demzufolge sind eine der Wellenformen (c oder d) und somit die Komponenten,

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welche diese Wellenformen erzeugen, überflüssig. Es verdient auch Beachtung, daß eine F13, T5 WW-Lampe ohne Vorheizung gezündet wird und deshalb die Verwendung des Vierfachen der Netzscheitelspannung (64o Volt Gleichstrom ohne Last) zum Zünden einer Lampe erklärt, was eine Startspannung von 176 Volt und eine Betriebsspannung von 9 5 Volt (gemäß Seite 4 des Westinghouse-Fluorescent-Lamp-Service Manual 7/68A 8o72) erfordert. Wiederum ist ein Hochspannunys· Kalkkathoden-Zünden einer vorgeheizten Lampe ungeeignet, wenn die Lampe Licht für mehr als eine kurze Zeitspanne liefern soll.

Die Schaltung nach Fig. 7 zeigt deutlich die Notwendigkeit für das Abfallen einer beträchtlichen Spannung an den Widerständen R1 und R2 dar im speziellen Beispiel die Netzspannung für den größten Teil der Zeit in einem gegebenen Zyklus über der Betriebsspannung von 95 Volt l;Legt und die Gleichspannung wesentlich über der Netztspannung liegt. Ls ist interessant zu beachten, daß, wenn eine Lampe, mit einer Nennleistung von 15 Watt mit dem Gleichstromäquivalent von 16o mA Effektivstrom betrieben würde, der 4oo Ohm-Widerstand R1 eineiSpannungsabfall von 64 Volt hervorbringen würde,der 1o Watt entspricht. Jedoch ist diese Verlustleistung in Wirklichkeit wesentlich höher, weil der Gleichstrom in diesem Kreis notwendigerweise einen großen Wellungsgehalt aufweist und der Lnergieverlust natürlich proportional dem Quadrat des Stromes ist. Daher wird der Energieverlust beim effektiven Nennwert des Stromes die 15 Watt der Lampe übersteigen. In jedem Fall wird es klar sein, daß die vorgesehene ohmsche Vorschaltbelastung ein wesentliches Ansteigen der Spannung über diejenige hinaus erfordert, die von der Lampe selbst benötigt wird, und daß ganz allgemein solche ohmschen Vorbelastungssysteme hochgradig verlustbehaftet sind und einen schlechten Wirkungsgrad besitzen.

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Bei der nachfolgenden Betrachtung der spezifischen Ausführungsform der Erfindung kann das erfindungsgemöße Gesamtsystem vielleicht am besten durch Prüfung eines jeden der vier in Wechselbeziehung zueinander stehenden Untersysteme verstanden werden, die das Gesamtsystem ausmachen, nämlich die Ionisierleistungsversorgung, die Entladungsstromversorgung, die Lasten, d.h. die im jeweils betrachteten Ausführungsbeispiel verwendeten Leuchtstofflampen, und das Steuersystem.

Lei dem in Fig. 9 abgebildeten Ausführungsbeispiel sind arei Leuchtstofflampen 1oa, "lob und 1oc, die zusammenfassend mit 1o bezeichnet werden, derart zu ionisieren, daß eine elektrische Entladung erfolgen kann und einige hundert Microampere durch sie fließen können. Die Ionisierleistungsversorgung, die von dem gestrichelt -eingezeichneten Block 12 umschlossen ist, und die Gasentladestromversorgung, die von dem gestrichelt umrandeten Block 14 umschlossen ist, werden nachstehend erläutert.

Die Lampen 1o sind solche mit beheizter Kathode und haben Heizwicklungen, die umabhängig voneinander über die Vielfach-Sekundärwicklungen 16a, 16b, 16c und 16d eines Transforirators 16 gespeist werden. Die unabhängige Beheizung der Llektronenemitter der Lampen 1o ist aus den oben in der allgemeinen Erörterung angegebenen Gründen vorgesehen. Obgleich ferner die Heizwicklungen der benachbarten Lampen in Reihenschaltung mit den zugehörigen Transformatorwicklungen dargestellt sind, was v/ahrscheinlich zu bevorzugen ist, könnten die Heizwicklüngen der benachbarten Lampen auch parallelgeschaltet sein.

Ein Lnde der Lampenreihe 1o, das mit dem Punkt H bezeichnet ist, ist an den Nulleiter N eines 115 Volt-Wechselstromnetzes über eine Diode 22, eine Diode 24 und einen

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Transistor 26 das in seiner Gesamtheit mit 2o bezeichneten Steuerkreises (Transistor-Vorschaltwiderstand) angeschlossen, Das andere Ende der Lampenreihe 1o ist mit dem Punkt C eines mit 14 bezeichneten Entladestrom-Versorgungskreises verbunden. Punkt H der Lampenreihe 1o ist ferner über eine Zehnerdiode 28 an einen Zündspannungsversorgungskreis 12 angeschlossen.

Der Zündspannungsversorgungskreis 12 enthält Kondensatoren 3o und 32,die in Reihe an den Phasenleiter 34 des 115-Volt-Wechselstromnetzes angeschlossen sind. Parallel zu den Kondensatoren 3o und 32 liegen je zwei Dioden 36, 38 bzw. 4o, 42. Ein weiterer Kondensator 44 liegt zwischen dem Nulleiter K und dem Verbindungspunkt D zwischen den Dioden 36 und 38, und noch ein weiterer Kondensator 46 liegt in Reihe zu dem Kondensator 44 zwischen dem Verbindungspunkt D und dem Verbindungspunkt F zwischen den Dioden 4o und

Die insoweit beschriebene Schaltung arbeitet dergestalt, daß die am Phasenleiter 34 auftretende 115 Volt-Netzspannung zunächst in eine Spannung umgewandelt wird, die mehr oder weniger der Strom-Spannungs-Charakteristik der Leuchtstofflampen Io im Entladungsbereich entspricht. Insbesondere wird eine Spannungsquelle geschaffen, in welcher die Spannung umso höher ist, je niedriger der Entladestrom ist. Dies geschieht mit Hilfe des Entladestronwersorgungskreises 14, der als Netzspannungsvervielfacher arbeitet. Die darin enthaltenen Kondensatoren 54, 56 und 58 sind so bemessen, daß bei niedrigem Entladestrom die von innen erzeugte Gleichspannung höher liegt als die Netzspannung, so daß eine brauchbare Versorgungsspannung mit fallender Charakteristik geschaffen wird. Mit dieser Anordnung erniedrigt sich die Gleichspannung verlustlos in einer Weise, die in gewisser Hinsicht analog dem sich ändernden Spannungsbedarf der Lampen 1o im Entladungsbereich ist. Die von dem Entladestromversorgungskreis 14

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gelieferte geregelte Spannung in Verbindung mit der von dem Steuerkreis 2o bewirkten Transistorsteuerung versorgt damit die Lampen 1o im Effekt mit einem gesteuerten Gleichstrom.

In genauerer Betrachtung der Wirkungsweise des Lntladestromversorgungskreises 14 bilden die Diode 52 und der Kondensator 58 funktionell eine Halbwellen-Gleichrichterbrücke, durch welche der Kondensator 58 auf den Scheitelwert von etwa 16o Volt der Netzspannung gegenüber dem Nullleiter N aufgeladen wird. Diese Spannung tritt im Punkt Λ der Fig. 9 auf und ist in Fig. 1o als Spannungskomponente A eingezeichnet. Die Diode 5o und der Kondensator 54 überlagern dieser Spannung die volle sinusförmige Netzspannung, die im Punkt B der Fig. 9 erscheint und in Fig. 1o als Komponente B eingezeichnet ist. Schließlich füllen die Diode 48 und der Kondensator 56 die Gleichspannung durch Hinzufügung der weiteren phasenbezogenen Sinuskoirponente C gemäß der Darstellung in Fig. 1o auf. Somit erzeugt der Entladestromversorgungskreis 14 eine geregelte nominelle Cleichspannung von 49o Volt, wobei die Diode 52 und der Kondensator 58 eine 16o Volt-Gleichspannungsversorgung bilden und die Dioden 5o und 48 zusammen mit den Kondensatoren 54 und 56 einen Wechselstrom-ivetzspannungs-Vervielfacherkreis bilden, der angenähert 32o Volt Gleichspannung der +16o Volt Gleichspannungshalbwelle hinzufügen. Im Beispielsfall werden 24o raF-Kondensatoren verwendet, die den Betrieb der Lampen bis zu 7o mA Entladestrom gestatten.

Bevor der Lampenstrom gesteuert werden kann, müssen die Lampen 1o natürlich gezündet werden, und zu diesem Zweck ist der Zündspannungsversorgungskreis 12 vorgesehen. Der Zündspannungsversorgungskreis 12 besteht in seinem Grundaufbau aus einem Halbwellengleichrichter und einem VoIlwellen-wetzspannungs-Vervielfachungsgleichrichterkreis

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ähnlich dem vorbeschriebenen positiven Lntladestromversorgungskreis zusammen mit einer hälfte eines weiteren Netzspannungs-Vervielfachergleichrichterkreises. Die einzelnen Komponenten des Zündspannungsversorgungskreises wurden bereits oben beschrieben, und unter Bezugnahme auf die Fig. 9 und 1o schafft der von der Diode 36 und dem Kondensator 44 gebildete halbwellen-Gleichrichterkreis die lastfreie Spannungskomponente D in Fig. 1o. Die lastfreien Spannungskomponenten E unc F werden von dem VoIlwellen-wetzspannungs-Vervielfacherkreis erzeugt, der von der Diode 38 und dem Kondensator 3o sowie der Diode 4o und dem Kondensator 46 gebildet ist. Schließlich wird die Komponente G von dem Halbwellen-Netzspannungs-Vervielfacherkreis erzeugt, der von der Diode 42 und dem Kondensator 32 gebildet ist. Auf diese Weise wird bei dem betrachteten Ausführungsbeispiel eine lastlose Gleichspannungsspitze von 81o Volt im Punkt G der Fig. 9 erzeugt. Diese Spannung in Verbindung mit der positiven geringwelligen Gleichspannung von 49o Volt am Punkt C des Entladestromversorgungskreises 14 schafft die notwendige Spannung von 13oo Volt zum Ionisieren des Quecksilbers in den Lampen To, so daß diese gestartet werden können.

Die Kondensatoren 3o, 32, 44 und 46 haben eine sehr kleine Kapazität, beispielsweise o,oo5 mF, so daß, sobald dia Lampen 1o zünden, die negative Spannung im wesentlichen auf die Amplitude der negativen Halbwelle der Netzspannung mit einem äußerstenfalls einige Microampere betragenden Wirkstrom in dem Zündspannungsversorgungskreis zurückfallen. Die Zehnerdiode 28 ist derart geschaltet, daß mit dem daran auftretenden Spannungsabfall in Verbindung mit der Regelung der negativen Versorgungsspannung eine ausreichende Spannung für das System vorhanden ist, um "davonzulaufen". Ls sei bemerkt, daß ein kleiner 1 oder 2 Megohia-Widerstand anstelle der Zehnerdiode 28 denselben

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Zweck durch Begrenzung des Stroms in dem negativen V'ersorgungskreis auf einige Microampere bewirken würde.

Ls ist wichtig zu beachten, daß der vom Zündspannungserregungskreis 12 gebildete Microampere-Starterstrorrpfad den Lntladestrompfad teilt, der von der durch die Kettenlinie in Fig. 9 angedeutet ist, wobei die beiden Leitungen parallel zueinander verlaufen, daß jedoch der transistorgesteuerte Lampenstrom niemals in dem negativen Startpfad fließt, d.h. im Zündspannungsversorgungskreis 12 und demzufolge die Dioden 36, 38, 4o, 42 und 28 nur für Ströme im Microampere-Bereich ausgelegt sein müssen.

Unter Rückkehr zu dem Transistorvorspann- und Stromsteuerkreis 2o sei festgestellt, daß der Kollektor des Transistors 26 gegenüber Spannungen geschützt sein muß, weil Punkt II auf einem gänzlich negativen Potential liegt, bis die Lairpen 1o gezündet haben. Punkt H schwingt in positiver Richtung, sobald die Lampen 1o gezündet haben, da der Spannungsabfall an den Lampen weniger als +49o Volt Gleichspannung beträgt. Durch Ausbildung der Diode 22 mit einer Scheiteluinkehrspannung von 1ooo Volt sind der Transistor und ein damit zusammenwirkender Transistor Go geschützt, weil die Diode 22 umgekehrt vorgespannt ist, wenn Punkt II negativ ist, und nur leiten kann, wenn Punkt K auf positives Potential angehoben ist. Die Diode 24, die durch einen einfachen 1-Ohiti-Kiderstand ersetzt werden könnte, wird in dem Kollektorpfad des Transistors 26 dazu benutzt sicherzustellen, daß dort eine ausreichende Spannung zwischen dem Emitter und dem Kollektor des Transistors 6o vorhanden ist, um dessen richtiges Arbeiten sicherzustellen, sobald und wenn der Transistor 26 gesättigt ist.

Die Transistoren 26 und 6o sind an einen weiteren Transistor 62 in Hochstrom-Verstärkerschaltung angeschlossen. Der

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Basisantrieb für den Transistor 62 wird von einem Stromkreis mit einem Potentiometer 64 erhalten, das an eine 6-Volt-Gleichspannungsleitung 66 angeschlossen ist. Der Abgriff 64a des Potentiometers 64 ist über einen Widerstand an einen Verbindungspunkt 7o angeschlossen. Lin zweites Potentiometer 72 liegt zwischen dem Verbindungspunkt 7o und dem Nulleiter N, wobei der Abgriff 72a des Potentiometers 72 über eine Photodiode 74 gleichfalls an den Nulleiter K angeschlossen ist. Parallel zum Potentiometer 72 liegt zwischen der Basis des Transistors 62 und dem Nulleiter N ein Kondensator 76. Es leuchtet ein, daß die transistoren 26 und 6o eine ausreichend hohe Kollektor-Emitter-Lennspannung haben müssen, um der nach dem Spannungsabfall an den Lampen verbleibenden positiven Spannung zu widerstehen, heil der Kollektor des Transistors 62 an die Gleichspannungsleitung 66 angeschlossen ist, uie eine positive Spannung von 6 Volt gegenüber dem Nulleiter N führt, braucht die Kollektor-Emitter-Sperrspannung des Transistors 62 nur einige Volt zu betragen. Die drei Transistoren 26, 6o und 62 bilden, wie erwähnt, eine Hochstrom-Verstärkerschaltung mit einem nominellen Gesamtbeta-Wert von 5ooo oder mehr, bie Transistoren 26, 6o und 62 sind wohlbedacht npn-Transistoren, so daß die Basis des Signaleingangstransistors 62 die Transistoren solange nicht andreht, bis die Basissignalspannung ein oder mehrere Volt über der Emitter-Spannung des Transistors 26 liegt. Dieses Signal muß höher als die Summe der Spannungsabfälle an den Emitter-Basis-Anschlüssen der Transistoren 26, 6o und 62 sein. Mit der dargestellten Schaltung dient die o-Volt-Gleichspannungsversorgungsleitung 66 zur Erzeugung sowohl des Bezugs- als eines Rückkopplungssignals, wie nun erläutert werden soll.

Der Summierwiderstand 68 leitet ein Signal von dem Bezugssignalpotentiometer 64 ab. Es sei hervorgehoben, daß ein einstellbarer Widerstand wie das Potentiometer 64 nicht

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unbedingt erforderlich ist und in manchen Systeiuen ein entsprechend bemessener Festwiderstand, wie der Widerstand 68 unmittelbar an die Leitung 66 angeschlossen sein könnte. Im Betrieb fließt das Stromsignal von der 6-Volt-Gleichspannungsleitung 66 über den Widerstand 68 in die Basis des Transistors 62 und dreht hierbei den Transistor 62 und weiterhin die Transistoren 6o und 26 an. Auf diese Weise vermag ein gesteuerter Strom , der ein anderer als der kleine üündstrom ist, durch die Lampen Io zu fließen. Ls sei bemerkt, daß nicht der gesamte Strom, der den Widerstand 66 durchfließt, in die Basis des Transistors 62 eintritt, indem ein Teil des Stroms seinen Weg über das Potentiometer 72 zum Nulleiter N nimmt. Das Spannungsniveau über Null am Verbindungspunkt 7o zwischen dem Widerstand 68 und dem Potentiometer 72- muß höher als der Lmitter-Easis-Spannungsabfall der Transistoren 26, 6o und 62 sein, damit ein Basisstrom in den Transistor 62 fließt. Sobald der Strom in den Lampen Io zu fließen beginnt, wird Licht erzeugt, und die Photodiode 74 (die durch irgendein anderes brauchbares lichtempfindliches Element ersetzt werden kann, nimmt einen Teil des erzeugten Lampenlichtes zusammen mit Licht aus sonstigen Quellen auf, so daß ein größerer Strom als der Bezugssignalstrom durch die Photodioüe 74 zum Nulleiter zu fließen vermag gegenüber dem Stromfluß in die Basis des Transistors 26. Auf diese Weise wird eine in sich geschlossene Rückkopplung geschaffen, und der Stromfluß durch die Lampen' Io ist abhängig von dem von der Photodiode 74 erfaßten Licht.

Unter Betrachtung der Sekundärmerkmale des Kreises 2o hat der Kondensator 76 die Aufgabe, abrupte änderungen im Niveau der Beleuchtungsstärke, die von der Photodiode 74 erfaßt wird, auszugleichen. Die Photodiode 74 ist an den Abgriff 72a des Potentiometers 72 angeschlossen, um die Stärke des Rückkopplungssignals einstellen zu können, was

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in Abhängigkeit von der Anordnung der Photodiode 74 erforderlich sein kann. Die 6-Volt-Gleichspannung an der Leitung 66 wird durch Verwendung einer 6-Volt-Zehnerdiode 78 erhalten, die parallel zu einem Kondensator 8o geschaltet ist. Die Zehnerdiode 78 ist ferner über einen Widerstand £2 an den löo-Volt-Gleichspannungsabgriff im Punkt Λ des Kntladestromversorgungskreises 14 angeschlossen. Der Widerstand 82 ist so bemessen, daß die 6-Volt-Spannung mindestens 1o mA zum Transistor 62 und zum Potentiometer 64 abgeben kann, wenn die von der 160-Volt-Gleichspannungsversorgung abgeleitete tatsächliche Spannung unter maximaler Last vermindert wird. Die 6-Volt-Versorgung kann auch durch Anschluß des Widerstandes 82 an den 115-Volt-Wechselspannuncisphasenleiter 34 zur Bildung einer anderen Halbwellen-Gleichspannungsversorgung erzeugt werden. Bei dieser Ausführungsform würde dann eine (nicht gezeigte) Abblockdiode in Reihe mit dem Widerstand 82 geschaltet werden, um eine Entladung des Kondensators 8o während der negativen HaIbwelle der Wechselstrom-Netzspannung zu verhindern.

Unter den beschriebenen Umständen mit der Schaltung im Betrieb bei eingeschalteten Lampen wird der gesteuerte Lampenstrom anwachsen, solange der Lichteinfall auf die Photodiode 74 abnimmt. Wenn beispielsweise die Temperatur sinkt, wird der Lichtstrom für dieselbe Lampe kleiner sein aufgrund der Verminderung in der Quecksilberionenansammlung. Der Lichtstrom wird gleichfalls vermindert, wenn der innere Phosphorüberzug "sich abnutzt", was zu einer verminderten Emission von Photonen führt. In einem oder beiden dieser Fälle und innerhalb der Konstruktionsgrenzen des Systems empfängt die Lichtrückkopplungs-Photodiode 74 weniger Licht, was zu einem zunehmenden Basisantrieb für den Transistor 26 und einem entsprechenden Anwachsen des Lampenstromes führt. Daher steuert der Steuerkreis 2o, wiederum innerhalb der Konstruktions-

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grenzen des Systems, fortgesetzt den Lampenstrom,.so daß der von den Lampen ausgehende Lichtstroir. im Verhältnis zu den Eingangssignal-Eezugswerten konstant gehalten wird. Das erfindungsgemäße System unterscheidet sich damit von den'bekannten Systemen darin, daß Licht anstelle Strorr die ιegelgröße liefert.

In I ig. 11 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Lrfindung dargestellt. Die Ausführung nach Fig. 11 ist sehr ähnlich derjenigen nach Fig. 9, und gleich Lleit.entii sina mit denselben Bezugsziffern unter Hinzufügung eines Strichs bezeichnet. Die Ausführungsform nach Fig. 11 unterscheidet sich von der nach Fig. 9 darin, daß vjer Kapicstart-Leuchtstofflampen verwandt sind. Lie vierte Lampe ist mit Iod¹ bezeichnet, und die Kathoden und die Ileiztransformatoren sind mit Rücksicht auf die Deutlichkeit weggelassen. Das Vier-Lampensystem der Fig. 11 wird natürlich mehr Spannung als das Drei-Lampensyster. der irig. 9 benötigen, und anstelle einer Erhöhung der positiven 49o-Volt-Gleichspannungsversorgung ist das Transistorvorschaltund Steuersystem 2o' von dem Nulleiter N¹ getrennt und an die -16o-Volt-Versorgung iir. Punkt D' im iündspannuncfsversorgungskreis angeschlossen. Mit dieser Anordnung weraan die uiode 36' und der Kondensator 44' zu einem Teil des Steuerkreises, so daß die Diode 36 in der Lage sein muß, den gesteuerten Gasentladestrom zu führen. Der Kondensator 44 würde dann dieselbe Kapazität wie die Kondensatoren 54", 56' und 58' besitzen. Die verbleibende negative Hochspannungsversorgung hat sich als ausreichend zum Start der Lampen erwiesen.

In Fig. 12 ist noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Lrfindung dargestellt. Wie oben erwähnt, sind Millionen von Leuchten mit Leuchtstofflampen und Vorschaltgeräten in Betrieb. In Übereinstimmungcer Erfindung

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ist beirr. Ausführungsbeispiel nach Fig. 12 eine zusätzliche Vorschalteinrichtung mit der bereits vorhandenen Vorschnlteinrichtung derart kombiniert, daß äußerst börcerkunswert«.! Lnergieeinsparungen erhalten v/erden. Kurz ausgedrückt, würden diese Bnergieeinsparungen in der Spitzenbeleuchtung (35%) in einem spezifischen Beispiel, ebenso wie im übrigen Beleuchtungsbereich (3o%) sowie in Einsparungen der erforderlichen Luftklimatisierungsenergie und in verminderten Beanspruchungen und zusätzlicher Ileizenergie widerspiegeln.

In Fig. 12 wird der Transistor-Vorschaltwiderstand 2o (Steuerkreis) der Fig. 9 in Verbindung mit einem herkömmlichen induktiven Vorschaltwiderstand 1oo verwendet. Der Transistor-Vorschaltwiderstand ist in einer Vollwellen-Wechselstrom-Diodenbrücke geschaltet, die von den Dioden 92, 94, 96, 98 gebildet ist sowie ferner von Komponenten, die ähnlich den oben in Verbindung mit dem Transistor-Vorschaltwiderstand der Fig. 9 beschrieben sind und denen dieselben Bezugsziffern unter Hinzufügung eines Doppelstrichs gegeben sind. Wie dargestellt,ist die Verbindung zwischen den Dioden 92 und 94 an den Nulleiter N angeschlossen, während der Kollektor des 'iransistors 62" an eine 6-Volt-Versorgung angeschlossen ist, die von einer 6-Volt-Zehnerdiode 78", einem Widerstand 82 und einer weiteren Diode 91 geschaffen wird, welche wie dargestellt an den 115-Volt-Phasenleiter 9o des Wechselspannungsnetzes angeschlossen sind.

Der induktive Vorschaltwiderstand. 1oo ist ein Standard-Vorschaltwiderstand für eine Folge von zwei Rapidstartlampen und enthält die erforderlichen Lampenleiter für ein Paar parallelgeschalteter Lampen L^ und L₂.

Im Betrieb begrenzt der Transistor-Vorschaltwiderstand der Fig. 11 den Lampenstrom mehr oder weniger auf einem

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gesteuerten Rechteckwellen-Wechselstrom und schafft damit einen entsprechenden Lingangsstrom für die Lampen. Der Stromfluß durch das System wechselt zwischen zwei Pfaden. Genauer gesagt, fließt der Strom während einer ersten Wechselstromhalbwelle durch die Diode 92, die Diode 24", die Transistoren 26" und 6o" und die Diode 98. Andererseits während der umgekehrten Uechselstromhalbwelle fließt der Strom in umgekehrter Richtung durch die Diode 96, die Diode 24", die Transistoren 26" und 6o" und die Diode

Ls leuchtet ein, daß das System nach Fig. 12 ähnlich dem cbenbeschriebenen System eine Gleichstromsteuerung zur Regelung des von den Larapen abgegebenen Lichtstroms schafft, was durch Anordnung der Transistor-Vorschaltbelastung und des Rückkopplungsstror.is innerhalb einer Vollwellen-Diodenbrücke (gebildet von den Dioden 92, 94, 96 und 98) erreicht wird, die in Reihe des Wechselstrom-Phasenleiters 9o liegen, welcher den induktiven Vorschaltwicerstand 1oo speist. Darüber hinaus ist es unter weiterer Berücksichtigung der Wirkungsweise äußerst wichtig festzustellen, daß, wenn die Lampen L₁ und L_ zu Beginn und zum Lnde einer jeden Wechselstrom-Halbwelle nichtleiten, aie Natur des Vorschaltsystems derart ist, daß der Steuertransistor 26" gesättigt ist. Somit liefert der induktive Vorschaltwiderstand 1oo, über sekundäre Wirkungen hinaus, die volle Offenkreis-Spannung zum Zünden der Lampen L., L_ ebenso wie zum Erwärmen der Lampenheizfäden. Sobald die Lampen L₁, L₂ gezündet haben, wird der Strom durch den Steuertransistor 26" begrenzt, der dann im aktiven Bereich arbeitet. Auf der anderen Seite sorgt der induktive Vorschaltwiderstand 1oo für die erforderliche Strombegrenzung, wenn der Transistor 26" gesättigt ist. Somit wirkt der Transistorkreis als Vorschaltwiderstand während des gesamten dynamischen Bereichs der Stromregelung, d.h. für einen minimalen Entladestrom herauf bis zu dem bestimmungsgemäßen Strommaximum, wobei die Spannung am

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Transistor 26 Kiit den Ansteigen des Entladestroms durch ihn bis zum Auftreten von Sättigung abnimmt. In diestiin Punkt, d.h. an der Bemessungsgrenze für den Strom, ist der Transistor-Vorschaltwiderstand unwirksam, d.h. hört auf zu arbeiten, und für die erste Zeit liefert eier induktive Vorschaltwiderstand 1oo die Strombegrenzung irr. System. Daher wird die Funktion des induktiven Vorschaltwidorstandes loo von der Strombegrenzung während des gesamten BetrieLszyklus auf die Schaffung einer kostenwirksamen Spannungsversorgung zum Zünden der Lampen und Lieferung der notwendigen Erennspannung geändert. Es verdient beachtung, daß die in Verbindung mit dem induktiven Vorschaltwidorstand 1oo auftretenden Leistungsverluste durch die Einbeziehung des Transistor-Vorschaltwiderstandes beträchtlich gesenkt werden, indem mit dem 'iransistorvorschaltwiderstand die normalen Stromspitzen-charakteristika des induktiven Vorschaltwidarstandes eliminiert werden und, da die Lnergieverluste im induktiven Vorschaltwiderstand ohi>sche Verluste sind, der induktive Vorschaltwiderstand kälter arbeitet und demzufolge seine Lebensdauer vergrößert wird.

Es sei bemerkt, daß kleinere Ergänzungen zu den vorbeschriebenen Schaltungen notwendig oder hilfreich zur Verbesserung der Wirkungsweise sein können. Da in der Schaltung nach Fig. 9 der die Lampen 1o durchfließende Strom Gleichstrom ist, kann eine bemerkenswerte Lichtverminderung an einem Lampenende aufgrund der Ionenwanderung zum Ende der Lampe 1o auftreten. Solch ein Absinken des Lichtes hr.ngt von der Lampenreihe, der Länge der Gassäule (und damit der Lampenlänge), der Entladestromdichte und der Einschaltdauer der Lampe ab. Wenn eine derartige Lichtverminderung auftritt, kann ihr durch periodische Umkehr der Anschlüsse K und C und umgekehrt begegnet werden. Dies läßt sich mit einem einfachen Polumschalterrelais erzielen, das die Umschaltfunktion ausführt, sobald das System ausgeschaltet wird.

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Ls leuchtet ein, daß die bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 9, 11 und 12 geschaffene Lntladestromregelung sich von der durch einen induktiven Vorschaltwiderstana gebildeten Steuerung darin unterscheidet, daß u.a. der hauptteil der Energie in einem ohmschen Vorschaltwiaerstand aufgezehrt wird, wenn der Lampenstrom seinen Höchstwert hat. In allen vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen geht ein Minimum an Lnergie in den. Transistor-Vorwidarstand verloren, wenn der Lampenstror am höchsten ist, weil der Transistor dann gesättigt ist. Kann der Strom durch die Lampen und den Transistor zunimr.t, niru.>t cie Lnitter-Kollektor-Spannung am Steuertransistor nL lis zu cessen Sättigungssjannung von weniger als einen; Veit, zu welcher; Leitpunkt aas System innerlich durch Legronzung aer Spannung ausgewogen wird. Bei den anderen verlustbehafteten Vorschaltwiderständen wird die größte Energie bei hohem Lntlaaestror.i vernichtet.

Ls leuchtet oin, aaß, v/ährend die ölen beschriel enen Schaltungen besonders vorteilhaft sind, auch andere Schaltungen im Rahmen des L-rfindungsgedankens verwendet werden können. Beispielsweise könnten andere Stromversorgungskreise mit Festkörperschalteinrichtungen offensichtlich anstelle des Transistorvorschaltsteuerkreises verwendet werden, und der Steuerkreis könnte auch Operationsverstärker und photovoltarische oder photoresistive Komponenten ebenso wie andere Komponenten im Rahren anderer Schaltungen benutzen. Typischerweise könnte ein konstanter 3o oder 4o ocer noch mehr m/i-t troir; erzeugt und entweder zur Lasis ces Steuertransistors oder dem Nulleiter euer einer Minusleitung als Funktion eines 1 ezugssignals und der Leuchtstärke erzeugt werden. In ähnlicher Weise können auch andere Fornen des Zündspannungskreises Anwendung fincen.

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BAD

Ls war oben kurz erörtert worden, daß bei allen Ausführuncrüforir.en das gemessene Licht entweder solches sein Kann, ciaü von den Lampen selbst und/oder von anderen Lichtquellen wie· den. lageslicht erzeugt v/erden. Das Tageslicht odor ein von einer anderen Quelle herrührendes Licht hat die V.irkung eines herabregelnden Signals. Mit anderen Worten, wenn dif> Intensität der anderen, optisch gekuppelten Lichtquellen zunimmt, wird der Entladestrom herabgeregelt. V.enn dis Intensität der anderen Lichtquellen ausreichend hoch ist, wird der geregelte Lntladestroni auf Null absinken. Andererseits nimmt der Entladestrom selbsttätig zu, wenn das Licht von den anderen Quellen abnimmt. Die Natur des Systems nach den Fig. 9 und 11 ist im wesentlichen verlustfrei, v/enn der Vorschalttransistor gesättigt ist, und bringt in abnehmender Weise geringfügige Verluste mit sich, wenn der Transistor in dem linearen Steuerbereich arbeitet.

Mit Ausnahme seines ersten Andrehens in den leitenden Zustand nimmt der Transistor-Vorwiderstand Lnergie von dem Wechselstrom-lJetzleiter im Verhältnis zur Lampenstromdichte auf. Von besonderer Bedeutung in einer Gleichstromschaltung ist die Tatsache, daß die Spannungsversorgung abnimmt, wenn der Lampenstrom anwächst, da dieses Absinken die Leistung vermindert, die der Transistor-Vorschaltwiderstand vernichten muß. Auf diese \.eise wird ein Beleuchtungssystem mit stärker wirksamer Energieeinsparung ermöglicht. Beispielsweise in einem Zeitpunkt, in welchem die äußere Lichtquelle ausreichend stark ist, UiTi den gesteuerten Entladestrom auf Null herabzubringen, würde der Energieverbrauch um 9o% gegenüber demjenigen abgesenkt, der mit dem bestimmungsgemäßen maximalen Ladestrom auftreten würde. Die Ruheenergie ist natürlich erforderlich für den Zündspannungsversorgungskreis, den Lampenheiztransformator und den Steuerkreis.

Unter nochmaliger Bezugnahme auf die Ausführungsfern· nach Fig. 9 könnten die Polaritäten der Entladestromversorgung

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14 und der Zündspannungsversorgung 12 natürlich bei gleichzeitiger Verwendung von pnp-Transistoren im Steuerkreis 2o umgekehrt werden. Alternativ könnten die Züncspannungsversorgung und die Lntladestromversorgung von einen; einzigen Kreis gebildet sein, der auf der einen Seite des r.ullleiters geschaltet ist. Jedoch würde bei einer solchen Schaltung die Spannung gegenüber Null höher sein, und der gesteuerte Entladestrom würde auch durch die Zündspannunqsversorgung fließen nüssen, die dann mit teureren Elementen ausgerüstet werden müßte.

Obgleich die Erfindung insbesonoere für Licht zu Beleuchtungszwecken bestimmt ist, würde die Erfindung auch in Anwendung auf viele photografische und andere technische oder wissenschaftliche Anwendungsfälle nützlich sein, in denen eine Lichtsteuerung von bestimmten Verteil ist. Ivie festgestellt, wird ein einfaches, jedoch hochwirksames Lnergieeinsparungssystem durch die Erfindung geschaffen, das den Lichtstrom einer oder mehrerer Leuchtstromlampen steuert und Anwendung zur Steuerung der Menge oder anderer Charakteristika der Ausgangsleistung von gasgefüllten Lntladelampen im allgemeinen ebenso wie Belastungseinrichtungen für besondere Zwecke über einen breiten dynamischen Betriebsbereich aufweist. Die tatsächlichen Einsparungen, die erzielt werden können, v/ürden Millionen von Tonnen Ol bedeuten, wenn die Erfindung in genügender Verbreitung zur Verwendung gelangen würde.

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Claims (14)

1. 23 4 8

   Patentansprüche

   Verfahren zur Energieeinsparung beim Betrieb von Gasentladungslampen, insbesondere Leuchtstcfflampen, g ο Y c η η zeichnet durch die fortlaufende Messung der Beleuchtungsstärke an einer von den Gasentladungslampensowie anderen Lichtquellen einschließlich dein Tageslicht beleuchtbaren Stelle und die Verwendung der Abweichung der bemessenen Beleuchtungsstärke von einem vorgegebenen Wert als Regelgröße zur Einstellung des Entladestroms in den Gasentladungslampen dergestalt, daß die Beleuchtungsstärke der betrachteten Stelle im wesentlichen auf dem vorgegebenen Wert gehalten wird.
2. 2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bei einer Anzahl im Bogenentladungsbereich arbeitender Gasentladungslampen mit einem den Entladestrom begrenzenden Vorschaltgerät, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorschaltgerät eine elektronische Halbleitersteuereinrichtung (6 2, 6o 26) aufweist, die von einem Fühlelement (74) für die Beleuchtungsstärke über eine Rückkopplungseinrichtung (64, 68, 72, 76) steuerbar ist.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorschaltgerät im Strompfad der Gasentladungslampen (lo; lo¹) ferner eine Spannungsregeleinrichtung (14) mit umgekehrter Strom-Spannungs-Charakteristik enthält.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 3 zum Anschluß an ein Wechselstromnetz , dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsregeleinrichtung (14) aus einem Halbwellengleichrichter (52, 58), einem Vollwellengleichrichter (5o, 54)

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   sowie einem weiteren Halbwellengleichrichter (48, 56) zur NetzspannungsVervielfachung besteht.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsregeleinrichtung (14) aus mehreren Dioden (48, 5o, 52) und mehreren dazu parallel geschalteten Kondensatoren (54, 56, 58) besteht.
6. 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet durch eine Ionisiereinrichtung (12) zur Erzeugung einer Zündspannung zum Starten der Gasentladungslampen (lo, Lo¹), wobei die Ionisiereinrichtung (12) eine niedrige Spannung liefert, sobald der Bogenstrom durch die Gasentladungslampen fließt.
7. 7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisiereinrichtung (12) aus mehreren Dioden (36, 38, 4o, 42) und'mehreren dazugeschalteten Kondensatoren (3o, 32, 44, 46) besteht.
8. 8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Dioden (36, 38, 4o, 4 2) in Reihe geschaltet sind und wenigstens einen Teil der Kondensatoren (3o, 32, 46) zu Paaren von Dioden (36, 38 bzw. 4o, 42 bzw. 38, 4o) parallel geschaltet ist.
9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Ionisiereinrichtung (12) parallel zu der elektronischen Halbleitersteuereinrichtung (62, 6o, 26) geschaltet ist.
10. 10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Ionisiereinrichtung

    (12) und der einen Anschlußseite (H) der Gasentladungslampen (lo, Io') eine Zenerdiode (28) angeordnet ist.
11. 11. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis Io, dadurch gekennzeichnet , daß die Halbleitersteuereinrichtung aus mehreren Transistoren (62, 6o, 26) in einer

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    Schaltung für hohe Verstärkung besteht.
12. 12. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis Io, dadurch gekennzeichnet , daß die Rückkopplungseinrichtung ein Potentiometer (64) zur Einstellung der Eingangsspannung der Transistoren (62, 6o, 26) enthält.
13. 13. Anordnung nach Anspruch 11 oder 12,dadurch gekennzeichnet , daß einer der Transistoren (26) in Reihe mit den Gasentladungslampen (lo, Io') geschaltet ist und daß zwischen diesem Transistor (26) und den Gasentladungslampen (lo) eine Diode (22) zum Schutz des Transistors beim Starten der Lampen angeordnet ist.
14. 14. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitersteuereinrichtung (62¹¹, 6ο¹ \ 26'') im gleichgerichteten Strömpfac! einer Vollwellenrückenanoranung (92, 94, 96, 98) angeordnet ist, die mit ihren Eingangsklemr.ien zu den Gasentladungslampen (L₁, L„) in Reihe geschaltet ist, und das ferner eine induktive Vorschalteinrichtung (1oo) vorgesehen ist, durch welche der Lampenstrom erst nach Erreichen eines durch die Sättigung der Halbleitersteuereinrichtung bestimmten Maximalwerts begrenzbar ist und welche außerdem die erforderliche Z und- und Erennspannung für die Lampen liefert.

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