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Spannungsimpulsgenerator zum Zünden einer Gasentladungslampe Die Erfindung
bezieht sich auf einen Spannungsimpulsgenerator zum Zünden einer Gasentladungslampe,
bestehend aus einer mit der Lampe in Reihe geschalteten Drosselspule und einem parallel
zur Lampe geschalteten nicht-linearen Kondensator mit einem ferroelektrischen keramischen
Dielektrikum auf der Basis von substituiertem Blei-Titanat/ Zirkonat.
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Ein derartiger Spannungsimpulsgenerator ist bekannt aus der NL-OS
77 01 271 und aus "Japan. J. Appl. Phys." Vol.16 (1977), No. 10, Seiten 1871 und
1872. Hierbei ist der nichtlineare Kondensator (NLC) zum Zünden einer Hochdruckgasentladungslampe
dieser Lampe allein parallel geschaltet, während zum Zünden einer Niederdruckquecksilberdampfentladungslampe,
z.B. einer Leuchtstofflampe, mit vorheizbaren Elektroden parallel zum NLC noch ein
vorzugsweise elektronisches Schaltglied liegt, welches zum Kurzschließen und damit
zum Vorheizen der Lampenelektroden dient.
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In Verbindung mit der in Reihe mit der Lampe geschalteten Drosselspule
dient der zur Lampe parallel geschaltete NLC zur Erzeugung von Spannungsspitzen,
welche die betreffende Gasentladungslampe zünden. Hierbei sind Spannungsüberhöhungen
von mehreren 100 V erreichbar. Ferroelektrische keramische Materialien weisen eine
Ladungs/Spannungs-Abhängigkeit in Form einer Hysteresekurve auf. Beim Anlegen einer
Wechselspannung fließt jeweils beim Uberschreiten der Koerzitivfeldstärke ein relativ
hoher Umladungsstrom. Die Stromspitzen, die bei der Koerzitivfeldstärke entstehen
und durch die der Lampe vorgeschaltete Drosselspule fließen, induzieren in dieser
eine so hohe Spannung, daß die Gasentladungslampe zündet.
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Für die Anwendung in Spannungsimpulsgeneratoren ist somit die beim
Umpolarisieren des NLC maximal auftretende Stromstärke wichtig, da diese die induzierte
Spannung direkt beeinflußt. Für die Prüfung der Kondensatormaterialien wurden die
verschiedenen NLC in Reihe mit einem 20 W-Vorschaltgerät (L = 1,1 Hy) an eine Wechselspannungsquelle
von 220 V, 50 Hz angeschlossen und der maximale Strom gemessen. Die daraus errechnete
maximale Stromdichte, welche der maximal auftretenden Stromstärke pro Flächeneinheit
der Elektroden des NLC entspricht, wurde als Maß für die Brauchbarkeit von NLC in
Spannungsimpulsgeneratoren herangezogen.
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Bei dem aus der NL-OS 77 01 271 bekannten Spannungsimpulsgenerator
besteht das Dielektrikum des NLC aus mit Barium und/oder Strontium substituiertem
Blei-Titanat/Zirkonat.
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Das dort im einzelnen genannte Material der Zusammensetzung 80 Ba10
r10 Zr80 Ti20 0300 erzielt jedoch nur eine maximale Stromdichte von unter 70 mA/cm2.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für einen Impulsgenerator
eingangs erwähnter Art ein Kondensatordielektrikum mit wesentlich höheren maximalen
Stromdichten anzugeben, mit dem sich hohe Spannungen zum Zünden von Gasentladungslampen
induzieren lassen.
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Diese Aufgabe wird bei einem Spannungsimpulsgenerator eingangs erwähnter
Art dadurch gelöst, daß das Kondensatordielektrikum aus einem Material der Zusammensetzung
entsprechend der Formel Pb100,x Lax Ti100-Y Y 0300 besteht, worin
Dieses Dielektrikum liegt in dem in Fig. 1 dargestellten Koordinatensystem im trapezförmigen
Bereich ABCD mit folgender Zusammensetzung der Eckpunkte:
A: Pbgg
La1 Ti44 Zr56 0300 B: 93.75 La6.25 Ti36 Zr64 0300 C: Pb93.75 La6.25 Ti30 Zr70 O300
D: Pbgg La1 Ti11 Zrgg 0300 Vorzugsweise haben x und y in der angegebenen Formel
folgende Werte:
Diese Materialien entsprechen in Fig. 1 einem Dreieck mit den Eckpunkten EGF folgender
Zusammensetzungen: E: pb98 La2 Ti42.5 Zr57.5 O300 F: Pb95 La5 Ti38 Zr62 O300 G:
pb98 La2 Ti20 Zr80 O300 Kondensatoren mit einem Dielektrikum im Bereich ABCD weisen
maximale Stromdichten von mehr als 100 mA/cm2 auf, während der Bereich EFG maximale
Stromdichten von mehr als 160 mA/cm2 umfaßt.
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Es sei noch erwähnt, daß keramische Materialien auf der Basis von
mit Lanthan substituiertem Blei-Titanat/Zirkonat an sich bekannt sind, allerdings
mit im wesentlichen anderen Zusammensetzungsbereichen und für andere Anwendungszwecke
(z.B. aus GB-PS 1 280 808, DE-OS 2 234 455 und DE-OS 2 625 535).
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Einige Ausführungsbeispiele nach der Erfindung werden nunmehr anhand
der Zeichnung näher erläutert.
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In Fig. 1 ist im rechtwinkligen Koordinatensystem mit Zr(y) als Abszisse
und La(x) als Ordinate der beanspruchte Zusammensetzungsbereich des keramischen
Dielektrikums dargestellt.
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Fig. 2 zeigt eine Schaltung eines Spannungsimpulsgenerators zum Zünden
einer Niederdruckquecksilberdampfentladungslampe.
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Fig. 3 ist eine Schaltungsanordnung eines ähnlichen Spannungsimpulsgenerators
mit einem abgewandelten Starter.
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In der graphischen Darstellung des Zusammensetzungsbereiches des ferroelektrischen
Dielektrikums gemäß Fig. 1 sind die maximalen Stromdichten (mA/cm2) folgender Zusammensetzungen
angegeben: Pb La Ti Zr marx 96.25 3.75 39 61 180 95 5 38 62 161 93.75 6.25 36 64
101 94 6 35 65 125 97.5 2.5 32 68 186 98 2 30 70 172 97 3 30 70 186 96 4 30 70 148
94 6 30 70 164 96 4 25 75 117 98 2 20 80 187 97 3 20 80 114 98 2 15 85 133
Die
keramischen Kondensatoren wurden folgendermaßen hergestellt: PbO, Zur02, TiO2 und
La203 wurden in den für die entsprechende chemische Zusammensetzung erforderlichen
Mengen eingewogen und in einem Trockenmahlverfahren intensiv gemischt.
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Das gemischte Pulver wurde bei 9000C vorgesintert, anschließend zerkleinert,
erneut intensiv gemahlen und dann ohne Bindemittelzusatz isostatisch (Druck etwa
4 kbar) zu Körpern von ca. 7x7x20mm gepreßt. Die Sinterung der so erhaltenen Körper
erfolgte bei ca. 12800C, 4 Stunden in Sauerstoffatmosphäre in abgedeckten, mit Platin
ausgekleideten Tiegeln aus Aluminiumoxid. Zur Verhinderung von Bleiabdampfung wurde
den Proben eine PbZr03-Menge zugegeben, deren hoher PbO-Dampfdruck das Abdampfen
von PbO aus den Proben verhindert.
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Die dichtgesinterten Körper wurden für die elektrischen Messungen
durch mechanische Bearbeitung (sägen, läppen, polieren) zu Scheiben mit einer Dicke
von 400/u und einem Durchmesser von 5mm geformt. Auf den polierten Oberflächen wurden
im Hochvakuum über einer Nickel-Chrom-Haftschicht Goldelektroden aufgedampft.
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In der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 sind zwei Anschlußklemmen 1
und 2 zum Anschließen an eine Wechselspannungsquelle von 220 V, 50 Hz, vorgesehen.
Diese Anschlußklemmen 1 und 2 sind über eine Vorschaltdrosselspule 3 mit einer Niederdruckquecksilberdampfentladungslampe
4 (z.B. einer
65 W-Leuchtstofflampe) verbunden. Die Lampe 4 besitzt
vorheizbare Elektroden 5 und 6, die über einen der Lampe 4 parallel geschalteten
Starter 7 miteinander verbunden sind.
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Der Starter 7 besteht aus der Parallelschaltung eines nichtlinearen
Kondensators 14 (NLC) mit einem Dielektrikum der oben beschriebenen Zusammensetzung
und einem Vorheizkreis 8 bis 12, der zum Vorheizen der Leuchtstofflampe 4 notwendig
ist, jedoch für Hochdruckgasentladungslampen entfallen kann, da diese nicht vorgeheizt
zu werden brauchen. Dieser Vorheizkreis enthält einen die Lampenelektroden 5 und
6 miteinander verbindenden Triac 8. Dieser Triac 8 wird gesteuert mit Hilfe einer
aus einem Gleichrichter 9, einem Kondensator 10 und einem Widerstand 11 bestehenden
Reihenschaltung, die zwischen die Lampenelektrode 6 und die Steuerelektrode 13 des
Triacs 8 geschaltet ist. Parallel zu Kondensator 10 liegt ein weiterer Widerstand
12. Zum Vorheizen der Lampe 4 schließt der Vorheizkreis 8 bis 12 über den Triac
8 die äußeren Elektrodenanschlüsse kurz, so daß durch die Drosselspule 3 und die
Lampenelektroden 5 und 6 ein Vorheizstrom fließt, der die Elektroden auf Betriebstemperatur
bringt. Durch diesen Kurzschluß ist gewährleistet, daß während der Vorheizphase
der nicht-lineare Kondensator 14 wirkungslos bleibt. Nach kurzer Zeit (100 bis 300
msec)wird der Triac 8 hochohmig und die nun am nicht-linearen Kondensator 14 liegende
volle Netzspannung führt zu Stromspitzen beim Umpolarisieren, die in der Vorschaltdrosselspule
3 hohe Spannungsspitzen induzieren und zur Zündung der
Gasentladung
führen. Nach dem Zünden der Lampe 4 verringert sich die Spannung über den Lampenelektroden
5 und 6 auf die Brennspannung. Da der nicht-lineare Kondensator 14 mit seiner Koerzitivstärke
so bemessen ist, daß die zum Umpolarisieren notwendige Spannung oberhalb der Brennspannung
der Lampe 4 liegt, bleibt nach dem Zünden der Lampe der nichtlineare Kondensator
14 inaktiv.
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Uber die Reihenschaltung 9 bis 12 fließt beim Einschalten der Lampe
4 ein pulsierender Gleichstrom, der den Triac 8 durchschaltet und so das Vorheizen
bewirkt. Durch diesen Gleichstrom lädt sich der Kondensator 10 auf, so daß der durch
die Reihenschaltung 9, 10, 11 fließende Strom abnimmt und schließlich nicht mehr
zum Durchschalten des Triacs 8 ausreicht. Damit ist die Vorheizphase beendet und
der nicht-lineare Kondensator 14 kann Zündspannungsimpulse erzeugen. Der Widerstand
12 dient zum Entladen des Kondensators 10 nach dem Ausschalten der Lampe, so daß
beim Wiedereinschalten der Ladestrom vom Kondensator 10 ausreicht, um erneut vorzuheizen.
Der Widerstand 12 ist so dimensioniert, daß der durch ihn fließende Strom nicht
ausreicht, den Triac 83 zu zünden.
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Der SpanrlungsirrlpuLsgeneeltor nach Fig. 5 unter suche det sich von
dem nach Fig. 2 lediglich durch den Steuerkreis des Triacs 8. Dieser Steuerkreis
enthält anstelle des Gleichrichters
9 nunmehr eine Gleichrichterbrücke
15, deren beide ersten Anschlüsse in Reihe mit dem Widerstand 11 mit der Steuerelektrode
13 des Triacs 8 bzw. mit der Lampenelektrode 6 verbunden sind. Die beiden anderen
Anschlüsse der Gleichrichterbrücke 15 sind an die Parallelschaltung, bestehend aus
dem Kondensator 10 und dem Widerstand 12, angeschlossen.
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Der Unterschied in der Wirkungsweise der beiden Schaltungsanordnungen
nach Fig. 2 und 3 besteht darin, daß nach Fig. 2 nur jeweils eine Halbwelle durchgeschaltet
wird, während gemäß Fig. 3 in der Vorheizphase beide Halbwellen durchgeschaltet
werden. Dies ist für ein wirkungsvolleres Vorheizen günstig, da die Drosselspule
3 für Gleichstrom einen niedrigeren Innenwiderstand aufweist und daher höhere Vorheizströme
möglich sind.
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Beide Triac-Schaltungen können zwar schon allein ein Starten der Lampe
4 bewirken. Zur Erhöhung der Zündsicherheit ist dem Triac 8 jedoch der nicht-lineare
Kondensator 14 parallel geschaltet, welcher bewirkt, daß nach der Vorheizphase der
220 V-X{echselspannung noch zusätzliche Sparinungsimpulse überlagert werden.
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Bei einer Schaltungsanordnung nach Fig. 2 sind folgende Schaltungselemente
verwendet: Triac 8: 2N5574 Gleichrichter 9: BY 207 Kondensator 10: 0,1 /uF Widerstand
11: 5 k i2 Widerstand 12: 10 M2L Drosselspule 3: 65 W, 0,57 Hy Der Kondensator 14
hat als Scheibenkondensator folgende Werte: Zusammensetzung des Dielektrikums Pbg4
La6 Ti30 Zr70 0300 Scheibendurchmesser: 12 mm Elektrodenquerschnitt: 1,13 cm2 Scheibendicke:
0,3 mm Die Lampe 4 war eine 65 W-Leuchtstofflampe und wurde jeweils 6 sec ein- und
6 sec ausgeschaltet. Die mittlere Startzeit betrug etwa 130 msec. Aufgrund der dadurch
bedingten kurzen Vorheizzeiten zeigte die Lampe nach 45000 Zündungen nur ganz leichte
Schwärzungen im Bereich der Elektroden. Ohne den nicht-linearen Kondensator 14 betrug
bei beiden beschriebenen Schaltungsanordnungen die mittlere Startzeit etwa 350 msec.
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Daraus ergibt sich eine erheblich schnellere Zündung der Lampe infolge
des durch den Kondensator 14 induzierten zusätzlichen Spannungsimpulses.