DE2905868C2

DE2905868C2 - Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Hochdruck-Metalldampflampe und eines Glühfadens einer Glühlampe an einem Wechselspannungsnetz

Info

Publication number: DE2905868C2
Application number: DE2905868A
Authority: DE
Inventors: John Martin Lyndhurst Ohio Davenport; Michael Nathan Grandview Ind. Diamond
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1978-02-15
Filing date: 1979-02-15
Publication date: 1982-05-27
Also published as: JPS5927079B2; BE874152A; GB2016828A; GB2016828B; DE2905868A1; JPS54115575A; CA1112296A; FR2417914B1; FR2417914A1; US4151445A; NL7901173A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der US-PS 38 73 882 ist eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Hochdruck-Metalldampflampe und eines Glühfadens einer Glühlampe an einem Wechselspannungsnetz bekannt, die eine Steuerschaltung aufweist, welche die Spannung an der Hochdruck-Metalldampflampe erfaßt, gleichgerichtet und mit zwei Bezugspannungen vergleicht, deren Werte für die Betriebszustände der Hochdruck-Metalldampflampe charakteristisch sind. Ein mit dem Glühfaden in Reihe liegender steuerbarer Schalter wird durch die Steuerschaltung immer dann geschlossen, wenn die Hochdruck-Metalldampflampe nach dem Einschalten während der Aufheizzeit oder nach einem unbeabsichtigten Erlöschen der Gasentladung während einer Abkühlzeit wenig oder kein Licht abgibt Dabei ist die Hochdruck-Metalldampflampe über ein Vorschaltgerät an das Wechselspannungsnetz angeschlossen. Die Glühlampe ist also immer dann eingeschaltet, wenn die Lichtabgabe der Hochdruck-Metalldampflampe ungenügend ist oder ganz fehlt und zwar sowohl während der Aufheizzeit in der die Lichtabgabe der Hochdruck-Metalldampflampe noch gering ist und allmählich zunimmt, als auch nach einem unbeabsichtigten Abreißen der Gasentladung, war zur Folge hat daß die Hochdruck-Metalldampflampe keinerlei Licht abgibt, bis sie ausreichend abgekühlt ist um wieder neu gezündet werden zu können. Die Glühlampe überbrückt auf diese Weise die Betriebszustände der Hocbdruck-Metalldampflampe, in denen diese nicht genügend Licht abgibt Eine solche Lampe wird auch als Bereitschafts- oder Siandby-Beleuchtung bezeichnet

Die Schaltungsanordnung nach der genannten US-PS 38 73 882 ist für eine direkte Speisung der Hochdruck-Metalldampflampe über das Vorschaltgerät aus dem Wechselstromnetz ausgelegt. Beim Betrieb mit Netzwechselstrom tritt zwischen den Halbperioden eine beinahe vollständige Entionisierung ein, so daß eine sehr hohe Wiederzündspannung erforderlich ist, die von dem Vorschaltgerät geliefert werden muß. Insbesondere während der Aufheizzeit erreichen diese Spannungen sehr hohe Werte. Geeignet ausgebildete Vorschaltgeräte sind daher aufwendig und haben einen hohen Raumbedarf.

Aus der DD-PS 2 031 ist es bereits bekannt, eine Hochdruck-Metalldampflampe mit einem Glühfaden in einem Glaskolben zu vereinigen, um auf diese Weise eine Lampe zu schaffen, die anstelle einer üblichen Glühlampe in eine Lampenfassung eingeschraubt werden kann. Diese Lampe ist ebenfalls für den Betrieb mit Nelzfrequenz ausgelegt. Das Vorschaltgerät enthält einen Resonanzkreis mit einem Kondensator und einer Drosselspule, die auf die Netzfrequenz abgestimmt sind. Der Glühfaden wird durch einen Glimmschalter

■t5 gesteuert, bei dessen Schließen in der als Vorschaltimpedanz wirkenden Drosselspule Resonanzspannungen erzeugt werden, um die Hochdruck-Metalldampflampe zu zünden.

Aus der DE-OS 27 04 311 ist ferner eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Hochdruck-Metalldampflampe bekannt deren Vorschaltgerät einen Gleichrichter und einen nachgeschalteten Generator für hochfrequente Wechselspannung zum Betrieb der Hochdruck-Metalldampflampe aufweist. Diese Schaltungsanordnung ist jedoch nicht für den Betrieb einer die Hochdruck-Metalldampflampe ergänzenden Glühlampe vorgesehen.

Es sind bereits Hochdruck-Metalldampflampen bekannt, die erheblich geringere Abmessungen aufweisen als frühere Metalldampflampen. Solche Miniatur-Hochdruck-Metalldampflampen haben ein Entladevolumen von 1 Kubikzentimeter oder weniger. Um einen maximalen Wirkungsgrad zu erreichen, werden bei solchen Lampen im allgemeinen kugelförmige dünnwandige Entladungskammern verwendet, und die Dampfdrücke betragen mehr als 5 Atmosphären. Solche Miniatur-Hochdruck-Metalldampflampen sind für Leistungen von z. B. weniger als 10 Walt bis etwa 100 Watt

ausgelegt und haben Eigenschaften hinsichtlich Lichtfarbe, Wirkungsgrad, Wartung, Zuverlässigkeit und Lebensdauer, welche sie für allgemeine Beleuchtungszwecke geeignet machen. Beim Betrieb mit Netzwechselspannung benötigen solche Miniatur-i iochdruck-Metalldampflampen wegen der sehr rasch eintretenden Entionisierung zwischen den Halbperioden sehr hohe Wiederzündspannungen. Diese Spannungen sind besonders während der Aufheizzeit in den ersten Sekunden nach der Bogenzündung extrem hoch. Es ist daher iu wesentlich günstiger, solche Miniatur-Hochdruck-Metalldampflampen mit einer Wechselspannung im Frequenzbereich von etwa 20 bis 50 kHz zu betreiben. Innerhalb dieses Frequenzbereichs weisen diese Lampen resonanzfreie Bereiche auf, in denen sie stabil is betrieben werdea können.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Hochdruck-Metalldampflampe und eines Glühfadens einer Glühlampe an einem Wechselspannungsnetz, welche optimal an die Bedürfnisse von Miniatur-Hochdruck-MetalJ-dampflampen der vorstehend genannten Art angepaßt ist

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ermöglicht die Schaffung von Lampen, die in einem gemeinsamen Glaskolben eine Miniatur-Hochdruck-Metalldampflampe und einen Glühfaden enthalten, während die gesamte Schaltungsanordnung in dem üblichen Einschraubsockel der Lampe untergebracht ist. Eine solche Lampe kann direkt anstelle einer üblichen Glühlampe in einen Sockel eingeschraubt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Lampe, welche eine Miniatur-Hochdruck-Metalldampflampe für hohe Intensität und einen Bereitschaftsglühfaden enthält, sowie in schematischer Darstellung eine Schaltungsanordnung zum Betrieb dieser Lampe; und

F i g. 2 eine grafische Darstellung der Lichtabgabe sowie der Spannungs- und Stromverhältnisse der Miniatur-Hochdruck-Metalldampflampe zu verschiedenen Zeiten.

In F i g. 1 ist eine Lampe 1 gezeigt, die in Kombination einen Standby· bzw. Bereitschafts-Glühfaden und eine Miniatur-Hochdruck-Metalldampflampe enthält, für weiche die Schaltungsanordnung nach der Erfindung besonders ausgelegt ist. Die Lampe enthält einen äußeren Glaskolben bzw. eine Umhüllung 2, worin die Miniatur-Hochdruck-Metalldampflampe 3 sowie ein Wolfram-Glühfaden 4 angeordnet sind. Die äußere Umhüllung weist an ihrem unteren Ende einen scheibenförmigen Glasverschluß bzw. Glassockel 5 auf, durch den sich vier Zuleitungen hindurch erstrecken. Die Zuleitungen 6 und 7 und ihre Fortsetzungen halten die Metalldampflampe 3 etwa in der Mitte der äußeren Umhüllung in einer senkrechten oder axialen Stellung. Die Zuleitungen 8 und 9 und ihre kurvenförmigen Fortsetzungen halten den Glühfaden 4 in einer horizontalen oder Querlage oberhalb der Metalldampflampe. Der Raum zwischen der äußeren Umhüllung kann mit einem inerten Gas wie Stickstoff gefüllt sein, um eine Oxidation des Glühfadens oder der feinen Zuleitungen 11, 12 zu verhindern, die von der Metalldampflampe ausgehen. Alternativ kann der Raum innerhalb der äußeren Umhüllung evakuiert werden, falls dies erwünscht ist, um den Wärmeverlust der Metalldampflampe zu verringern.

Die Metaildampflampe 3 weist üblicherweise einen Kolben auf, der für eine Miniaturmetallhalogenlampe geeignet ist Er ist aus Quarzglas in geeigneter Weise durch Ausdehnung und Zusammenstauchen einer Quarzglasröhre hergestellt, während sie zur Plastizität erhitzt wurde. Die Halsteile 13, 14 können dadurch hergestellt werden, daß man der Quarzglasröhre erlaubt sich infolge der Oberflächenspannung zu verengen. In der Darstellung beträgt die Wanddicke des Ballonteiles etwa 0,5 mm, der Innendurchmesser ist etwa 6 mm und das Volumen der Bogenkammer beträgt etwa 0,11 cm³. Auf der Achse der Metalldampflampe sind Elektrodenstifte 15, 16 aus Wolfram angeordnet wobei ihre abstehenden Enden einen Zwischenelektrodenspalt von 3 mm bilden. Die Stifte sind mit Zuleitungsteilen 11, 12 durch blattförmige Teile, vorzugsweise aus Molybdän, verbunden, die vom Quarzglas der Halsteile benetzt sind, um hermetische Abdichtungen sicherzustellen. Eine geeignete Füllung der Lampe dieser Größe mit einer Leistung von etwa 30 Watt (W) besteht beispielsweise aus Argon unter einem Druck von 100 bis 120 Torr, 4,3 mg Hg, 2,2 mg Halogensalz, bestehend aus 85% NaJ, 5% Sc]₃ und 10% Th]4. Diese Menge Quecksilber ergibt unter Arbeitsbedingungen, unter denen es vollständig dampfförmig ist, eine Dichte von etwa 39 mg/cm³, was einem Druck von etwa 2,3 · 10⁶ Pa bei der Arbeitstemperatur der Lampe entspricht.

Um Wiederzündprobleme infolge sehr raschen Entionisierung zu vermeiden, denen Miniatur-Hochdruck-Metalldampflampen ausgesetzt sind, ist es wünschenswert, die Lampe mittels eines Hochfrequenz-Vorschaltgerätes bei einer Frequenz innerhalb des Bereiches von 20 bis 50 kHz zu betreiben. Derartige Schaltungen enthalten im allgemeinen einen Leistungsoszillator, wobei eine geeignete Strombegrenzungseinrichtung mit der Lampe gekoppelt ist. Übliche Schaltungen verwenden Halbleiterbauteile und Übertrager mit Ferritkern; sie können kompakt genug für eine direkte Anfügung an die Lampe gemacht werden, d. h. zum Einbau am elektrischen Anschluß oder Sockel, um eine Einschraubeinheit zu schaffen. Eine derartige Einheit, die aus einer Miniatur-Hochdruck-Metalldampflampe und einem Bereitschafts-Glühfaden besteht, die innerhalb einer äußeren Umhüllung eingeschlossen sind, sowie einem Vorschaltgerät, das integral mit der äußeren Umhüllung verbunden ist und Schraubsockelanschlüsse aufweist, kann mit einem üblichen Edisonsockel ausgestattet und als direkter Ersatz für eine übliche Haushalts-Glühlampe eingeschraubt werden.

Das in F i g. 1 dargestellte Beispiel eines kompakten Hochfrequenz-Vorschaltgerätes enthält einen Inverter in Form eines Sperrschwingers. Ein Vollweg-Gleichrichter BR, der an eine 120 V, 60 Hz-Leitung über Eingangsanschlüsse rl, /2 angeschlossen ist, erzeugt Gleichspannung für den Betrieb des Inverters. Ein an die Ausgangsanschlüsse des Gleichrichters angeschlossener Siebkondensator C2 bewirkt eine ausreichende Glättung, um Rückzündungsprobleme infolge einer Netzfreqeunzmodulation des Hochfrequenzausganges zu vermeiden. Ein Transformator Tmit Ferritkern enthält eine Primärwicklung P, eine Sekundär-Hochspannungswicklung 51, eine Rückkopplungswicklung 52 und eine Fühlerwicklung 53.

Obwohl die einzelnen Wicklungen in der Zeichnung getrennt angeordnet sind, sind sämtliche Wicklungen miteinander magnetisch gekoppelt, und der Wicklungssinn ist in üblicher Weise durch einen Punkt am zugehörigen Ende der Wicklung angezeigt. Die Streureaktanz zwischen Primärwicklung und Sekundärwicklung ist ebenfalls in üblicher Weise durch Querlinien zu den Kernhauptlinien dargestellt. Die Primärwicklung P, der Kollektor-Emitter-Weg eines Transistors Q\ und die Rückkopplungswicklung 52 sind sämtlich in Serie in den Hauptprimärstromweg geschaltet. In diesem Weg stellt ein Widerstand RZ einen Strombegrenzerwiderstand und eine Diode D 2 einen Stromumkehrschutz für den Transistor Q 1 dar. Widerstände R1 und R 2, eine Diode D1 und ein Kondensator CZ bilden den Basispreis für diesen Transistor. Die Sekundär-Hochspannungswicklung ist mit Zuleitungen 6, 7 verbunden, die zur Metalldampflampe 3 führen.

Im folgenden wird die Glühfadensteuerschaltung beschrieben. Der Glühfaden 4 an den Zuleitungen 8,9 ist in Serie mit elektronischen Schaltern in Form eines gesteuerten Silizium-Gleichrichters (SCR) an den Anschlüssen 7*1, T2 der 120 V, 60 Hz-Leitung angeschlossen. Der Glühfaden wird unter Energiezufuhr gesetzt, wenn der SCR angesteuert wird, wobei zu dieser Zeit der Stromfluß aus gleichgerichteten Sinushalbwellen besteht. Da die Effektivspannung der Sinushalbwellenspannung 1/χ/2 (oder 0,707) des Wertes der entpsrechenden Vollwellenspannung beträgt, gestattet dies die Verwendung eines robusteren Niederspannungs-Glühfadens für die zusätzliche Leuchtfunktion. Falls dies jedoch nicht erwünscht ist, kann der SCR durch einen Triac ersetzt werden. Der Glühfaden wird dann durch einen üblichen Wechselstrom mit Netzspannung unter Energiezufuhr gesetzt.

Wenn das Vorschaltgerät angeschaltet wird, so ist die Spannung an der Metalldampflampe vor der Zündung hoch, sie fällt bei der Zündung erheblich ab und steigt dann allmählich bis zum Arbeitspegel an, was in F i g. 2 durch die Kurve a dargestellt ist. Die Lichtabgabe der Metalldampflampe ist durch die Kurve b dargestellt, sie beginnt bei Null und steigt bis zum Arbeitspegel an, wobei die drei kleineren Spitzen in der Kurve von der Verdampfung der verschiedenen in der Füllung enthaltenen Metallhalogene herrühren, wenn die Temperatur der Lampenhülle durch den Verdampfungspunkt jedes dieser Halogene hindurchgeht Diese Reihenfolge und der niedrige Lichtpegel beim Aufheizen der Metalldampflampe kann als Kaltstartverzögerung bezeichnet werden. Wenn ein kurzzeitiger Stromausfal! auftritt, selbst nur für wenige Perioden, so muß die rasche Entionierungscharakteristik der Metalldampflampe diese zum Erlöschen bringen. Die Lampe muß dann für eine halbe Minute oder langer abgekühlt werden, bis der Dampfdruck zu dem Punkt abgenommen hat, wo die angelegte Spannung den Bogen wieder zünden kann. Während dieses Zeitintervalls ist die Spannung an der Metalldampflampe hoch, es geht jedoch kein Strom durch sie hindurch, und die Lichtabgabe ist NuIL Dann, unmittelbar nach der Zündung, ist die Lichtabgabe niedrig, bis sich die Lampe wieder aufheizt Diese gesamte Reihenfolge kann als Heißwiederstartverzögerung bezeichnet werden. Während der Kaltstart- bzw. der Heißwiederstartverzögerung, wenn von der Metalldampflampe wenig oder kein licht ausgeht, liegt die an ihr angelegte Spannung oberhalb des Pegels V2 bzw. unterhalb des Pegels Vl in F i g. 2. Zu diesen Zeiten bewirkt die der Fühlerwicklung 53 zugeordnete Glühfadensteuerschaltung ein Ansteuern des SCR und ein Einschalten des Standby-Glühfadens.

Die Glühfadensteuerschaltung enthält zwei Zener-Dioden D3 und D 4, die in einer Vergleichsschaltung geschaltet sind und das Ausgangssignal V₅ der Fühlerwicklung 53 empfangen. Die Zener-Diode DZ weist eine Durchbruchspannung auf, welche die Fühlerwicklungs-Ausgangsspannung lediglich vor der Zündung der Lampe übersteigt, d. h. während des Stadiums des Abkühlens des Heißwiederstartes. Die Diode D4 weist eine niedrigere Durchbruchspannung auf, die vor der Zündung und während des normalen Betriebs der Lampe überschritten wird, nicht jedoch während ihrer Aufheizzeit. Die durch die Fuhierwicklung S3 erzeugte Spannung V₅ ist im allgemeinen der an der Lampe angelegten Spannung proportional, sie braucht hier jedoch nicht linear-proportional zu sein. Die Vergleichsschaltung kann als elektronischer Verstärker mit einer Übertragungscharakteristik angesehen werden, der dann ein Signal erzeugt, wenn V₅ entweder größer als V₂ oder kleiner als V\ ist, wobei V\ und V₂ die durch Transformation der Spannungen Vi und Vi an der Lampe gewonnenen Spannungen sind. Wenn ein Ausgangssignal vorhanden ist, fließt durch den SCR ein Strom, und der Glühfaden wird eingeschaltet. Wenn aber V₅ zwischen Vj und V'2 liegt, so existiert kein Ausgangssignal, und der Glühfaden wird ausgeschaltet.

Im Betrieb wird die Ausgangsspannung der Fühlerwicklung 53 durch eine Diode DS gleichgerichtet, um eine Spannung für eine Steuerschaltung mit einem Transisor QZ zu erzeugen, der den SCR steuert Vor der Zündung der Lampe ist die Ausgangsspannung V_s der Fühlerwicklung hoch und erreicht die Zenerspannung der Diode D 3 (24 V beim beschriebenen Ausführungsbeispiel). Dies führt direkt zur Ansteuerung des SCR, der dann den Glühfaden unter Energiezufuhr setzt, um eine Bereitschaftsbeleuchtung bei einem Heißwiederstart zu erzeugen. Die Zener-Diode D 4 bricht ebenfalls durch, dies hat jedoch zu dieser Zeit keine Folgen. Nachdem die Lampe ausreichend abgekühlt ist, erfolgt ihre Zündung. In diesem Augenblick fällt die Ausgangsspannung V₅ der Fühlerwicklung auf einen so niedrigen Wert ab, daß weder die Zener-Diode /73 noch die Zener-Diode D4 leitet Unter diesen Bedingungen ist genügend Ansteuerung für die Basis des Transistors Q 3 vorhandea um diesen durchzuschalten. Dies bewirkt wiederum eine Ansteuerung des SCR und eine Energiezufuhr zum Glühfaden, um beim Kaltstart oder während der Nachzündungs-Aufheizzeit des Heißwiederstarts eine Bereitschaftsbeleuchtung zu erzeugen. Wenn sich die Lampe der normalen Arbeitstemperatur nähert, wächst die Spannung V_sbis zum Punkt an, wo sie ausreichend ist, um die Zenerspannung der Diode D 4 zu durchbrechen. Wenn dies auftritt, wird die Basis des Transistors Q 2 in bezug auf seinen Emitter aufgrund eines Stromflusses durch D 4, Ä9, Ä8 und R 7 positiv gehalten. Dann leitet der Transistor Q 2 und erniedrigt die Spannung an der Basis des Transistors Q 3 in bezug auf seinen Emitter. Q 3 wird auf diese Weise gesperrt, die Ansteuerung des SCR entfällt, und der Glühfaden erlischt, während die Metalldampflampe normal arbeitet

In der beschriebenen Schaltung kann der SCR natürlich durch irgendeine andere Form eines gesteuerten Gleichrichters oder eben elektronischen Schalter ersetzt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Hochdruck-Metalldampflampe und eines Glühfadens einer Glühlampe an einem Wechselspannungsnetz, wobei durch eine Steuerschaltung, die die Spannung an der Hochdruck-Metalldampflampe erfaßt, gleichrichtet und mit zwei Bezugsspannungen vergleicht ein mit dem Glühfaden in Reihe liegender steuerbarer Schalter immer dann geschlossen wird, wenn die Hochdruck-Metalldampflampe nach dem Einschalten während einer Aufheizzeit oder nach einem unbeabsichtigten Erlöschen der Gasentladung während einer Abkühlzeit wenig oder kein Licht emittiert, und wobei die Hochdruck-Metalldampflampe über ein Vorschaltgerät an das Wechselspannungsnetz angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruck-Meialldampflampe (3) und der Glühfaden (4) innerhalb ein und desselben Glaskolbens (2) angeordnet sind und daß das Vorschaltgerät der Hochdruck-Metalldampflampe (3) aus einem direkt an die Netzwechselspannung angeschlossenen Gleichrichter (BR) und einem nachgeschalteten Generator für eine Wechselspannung mit einer Frequenz von 20 bis 50 kHz besteht und einen Transformator (T) aufweist, an dessen Sekundärwicklung die Metalldampflampe angeschlossen ist und der eine Wicklung (S3) zur Erfassung der Spannung der Metalldampflampe trägt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator einen Sperrschwinger umfaßt, der von einer Rückkopplungswicklung (S2) des Transformators (T) gesteuert ist, und daß eine Reaktanz (R3) zum Begrenzen des Stromflusses in Reihe mit der Rückkopplungswicklung (S2) geschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß der Schalter ein gesteuerter Gleichrichter (SCR)oder ein Triac ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung ein Paar von Zener-Dioden (Di, Da) enthält, von denen eine eine höhere Durchbruchsspannung als die andere aufweist, wobei keine der Zener-Dioden leitet, wenn die Ausgangsspannung der Wicklung (S3) unterhalb eines vorbestimmten niedrigen Pegels liegt, und lediglich die Zener-Diode mit der niedrigeren Durchbruchsspannung leitet, wenn die Ausgangsspannung der Wicklung (S3) zwischen dem niedrigen und einem vorbestimmten hohen Pegel liegt, und beide Zener-Dioden leiten, wenn die Ausgangsspannung oberhalb des hohen Pegels liegt.