DE3010417C2

DE3010417C2 - Verfahren zur Helligkeitssteuerung einer elektrodenlosen Gasentladungslampe

Info

Publication number: DE3010417C2
Application number: DE3010417A
Authority: DE
Inventors: Armand Pasquale Schenectady N.Y. Ferro
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1979-03-22
Filing date: 1980-03-19
Publication date: 1982-11-04
Also published as: DE3010417A1; JPS5917520B2; JPS55128300A; US4219760A; CA1115765A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Helligkeitssteuerung einer elektrodenlosen Gasentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs!.

Gasentladungslampen mit quellfreiem elektrischen Feld, die auch kurz SEF-Lampen genannt werden, sind leistungsfähige Leuchtstofflampen, die so aufgebaut sind und so betrieben werden, daß sie als Ersatz für herkömmliche Glühlampen dienen können, die mit niedrigen energetischen Wirkungsgraden arbeiten; insbesondere ist bei einer Glühlampe eine Lichtausbeute von 15 Im/W üblich, während die Lichtausbeute bei SEF-Lampen 50 Im/W übersteigen
hinaus haben Glühlampen, selbst im
herkömmlichen Leuchtstoffröhren, eine relativ kurze Lebensdauer. SEF-Lampen haben jedoch einen hohen energetischen Wirkungsgrad und eine lange Lebensdauer. Solche SEF-Lampen sind beispielsweise in den US-PS 4128 785 und 4117 378 beschrieben. Diese SEF-Lampen haben zwar eine hohe Lichtausbeute und eine lange Lebensdauer, bislang ist aber noch kein Kerns überschritten wird. Weiterhin ist die Helligkeitssteuerung auf der Basis der Verwendung Von ■Vollwegöder halb weggleichgerichteten Sinusströmen nicht wirkungsvoll, da SEF-Lampen erst einschalten,' wenn sie sich deutlich in der Stromwelle befinden, was insbesondere für Lampen gilt die mit einem hohen Leistungsfaktor arbeiten. Wenn solche Lampen bei einem hohen Leistungsfaktor arbeiten, ändert sich die Lampenspannung während des »Ein«-Teils der Lampenperiode vom to Spitzenwert auf null, und die Sinusfrequenz nimmt daher über jedem dieser gleichen Spitzenströme ab. Eine solche Lampe schaltet daher von sich aus zu irgendeiner beliebigen Zeit ab, wenn die angelegte Spannung kleiner als die Rückwirkungslampenspannung ist Zur Erzielung eines bestimmten mittleren Leistungswertes müssen die augenblicklichen oder periodischen Leistungswerte während der frühen Teile der Periode beträchtlich höher sein. Da sich Lampen- und Ballastunwirksamkeiten ergeben, ist es erwünscht mil einem konstanten Leistungswert zu fahren, was einen Betrieb mit niedrigem Leistungsfaktor bedeutet Bei dem Lampenbetrieb mit niedrigem Leistungsfaktor besteht daher die einzige Methode, die der Lampe zugeführte Leistung zu verringern, darin, die Spitzen- oder Eifektivstromwerte zu verringern. Das führt jedoch, wie oben dargelegt, zum Erhitzen des Kerns und zur Verschlechterung des Wirkungsgrades und außerdem zur Plasmasättigung, die zu einer Verringerung des Wirkungsgrades um ungefähr 12% führt Außerdem führt die Helligkeitssteuerung bei SEF-Lampen, die bei hohem Leistungsfaktor mit sinusförmigen Wellen arbeiten, zu einem Verlust an voller Lampensteuerung und zu einer geringeren Lichtausbeute. Ein Betrieb mit niedrigem Leistungsfaktor ist zwar einem Betrieb mit hohem Leistungsfaktor vorzuziehen, die Helligkeitssteuerung bei einem Betrieb mit niedrigem Leistungsfaktor ist aber bei herkömmlichen Helligkeitssteuerungen uneffizient.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur kann. Darüber 4o Helligkeitssteuerung der eingangs genannten Gattung Vergleich zu zu schiffen, die ein verlustarmes und betriebssicheres Dimmen erlaubt

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß eine elektrodenlose Gasentladungslampe wie eine Glühlampe gedimmt werden kann,

wirksamer Weg gefunden worden, um die Helligkeit

dieser Lampen zu steuern, ohne die Lichtausbeute der 50 um sowohl den gewünschten ästhetischen Eindruck als

Lampe nachteilig zu beeinflussen. Da die Helligkeits- auch eine Energieeinsparung zu erhalten.

steuerung von Lampen sowohl aus ästhetischen Das Verfahren gemäß der Erfindung gewährleistet

Gründen angestrebt wird als auch durch verringerte insbesondere ein sicheres intermittierendes Ein- und Leistungsaufnahme zur Energieeinsparung führen kann, Ausschalten der Lampe für die jeweils gewünschte

ist es sehr erwünscht, SEF-Lampen auf diese Weise zu 55 Helligkeit und vermeidet übermäßige Kernerwärmun-

betreiben. gen und Kernverluste, indem aufgrund der gewählten

Alle SEF-Lampen enthalten ein ionisierbares Medium, durch das ein elektrischer Strom fließt Dieses ionisierbare Medium weist eine negative Widerstandscharakteristik auf, d.h., wenn der Entladungsstrom ansteigt, nimmt der Spannungsabfall längs des Entladungsweges zu. Das Verringern der Spitzenströme in SEF-Lampen führt daher zu einer erhöhten Betriebsspannung, die einen entsprechenden Anstieg, nahezu

mit der dritten Potenz, der Flußdichte in dem Ringkern 65 SEF-Lampen mit hohem Leistungsfaktor dargestellt ist, der Lampe verursacht. Das führt zu übermäßigen F i g. 2 ein Diagramm, in welchem die Stromrichter-

Kernverlusten und geringerem Wirkungsgrad und ausgangsspannung über der Zeit gemäß der bevorzugerhöht die Möglichkeit, daß die Curie-Temperatur des ten Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist und

Unterbrechungsfrequenz zwischen aufeinanderfolgenden Impulsstößen keine Entionisiening jn der Lampe auftritt

Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein Diagramm, in welchem die Lampenspannung über der Zeit für sinusförmige Erregung von

3(ΠΌ^]417

B-.Ei:g*-3 das Blockschaltbild einer Schaltung zur Ausübung .des Verfahrens nach der Erfindung zur Helligkeitssteuerung von SEF-Lampen.

Fig. 1 zeigt.eine herkömmliche Lampenspannungskurve, die sich bei Helligkeitssteuerungen ergibt, bei denen eine volhvellengleichgerichtete Sinusstromquelle verändert wird. Eine derartige Kurve ergibt sich aus der üblichen Netzspannung von 50 bzw. 60 Hz. Die in F i g. 1 gezeigte Lampenspannung zeigt, wie erwähnt, eine Helligkeitssteuerung für eine SEF-Lampe, die mit hohem Leistungsfaktor betrieben wird. Wiederstartimpulse A und B werden verzögert, bis ein beträchtlicher Teil der Periode vollendet ist. Wenn nicht so vorgegangen würde, würde im Anschluß an die Wiederstartimpulse eine nicht ausreichende Spannung is für den Betrieb der Lampe vorhanden sein. Daher geht eine wirksame Steuerung über einen beträchtlichen Teil des Lampenbetriebszyklus verloren. Darüber hinaus nimmt, wie erwähnt, die Frequenz ab, damit dieselben Spitzenströme erreicht werden. Unter diesen Betriebsbedingungen schaltet die Lampe von sich aus zu willkürlichen Zeiten ab. Wiederum ist eine volle Lampensteuerung nicht möglich.

F i g. 2 zeigt die Spannung, die gemäß der Erfindung an eine SEF-Lampe angelegt wird. Demgemäß werden Stromimpulse mit einer Periode Tin Stoßen veränderlicher Breite an die Lampe angelegt Die Impulsfrequenz 1/7^ist,aus akustischen Gründen typischerweise größer als 25 kHz, sie kann aus Bereichssteuergründen aber unter· diesem Wert legen. Diese Impulse werden periodisch unterbrochen und dann wieder gestartet Die Zeitperiode T₁ stellt das Intervall zwischen aufeinander · folgenden Wiederstarts der Impulse dar, die die Frequenz MT haben. Gemäß Fig.2 stellt die Zeitperiode T₀ die Zeit dar, während der die Stromimpulse an die Lampe angelegt werden. Der Bruch T_nITy stellt das Tastverhältnis dar und daher kann durch Verändern der Größe T₀ zwischen 0 und Ti die mittlere Leistung, die der Lampe zugeführt wird, zwischen 0 bzw. 100% der vollen Leistung verändert werden. Die Zeitperiode, für die der Lampe keine Leistung zugeführt wird, nämlich Ti — 7J, ist vorzugsweise kleiner als die Plasmaentionisierungszeit des in der SEF-Lampe enthaltenen ionisierbaren Mediums. Notwendigerweise ist dann gemäß F i g. 2 T₀ kleiner als oder gleich T₁ und V ist typischerweise um wenigstens eine Größenordnung kleiner als Ti. Je größer die Differenz zwischen T' und Ti ist, um so größer ist die Auflösung, mit der die Helligkeit der Lampe gesteuert werden kann. In F i g. 2 ist der Startimpuls A typischerweise etwas größer als die Wiederstartimpulse ßund C, insbesondere wenn die Größe Ti — T₀ beträchtlich kleiner als die Plasmaentionisierungszeit ist. Mit der Spannungskurve von Fig.2 kann die mittlere Leistung, die der Lampe zugeführt wird, leicht, ^vpn kleinen Werten auf der Basis der Betriebsfreq(lenz bis zu 100% gesteuert werden. Die Stromimpulse, die an die Lampe angelegt werden, sind im wesentlichen konstant und es besteht keine Gefahr, daß die Lampe vorzeitig abschaltet oder daß Teile des Speisezyklus, während denen eine Steuerung nicht möglich ist vergeudet werden. Ebenso fördert die Spannungskurve von F i g. 2 weder die Sättigung und das Überhitzen des Ferrits noch die Sättigung des Plasmas, mit denen ein entsprechender Abfall der Lichtausbeute verbunden wäre. Die Spannungskurve, die in F i g. 2 gezeigt ist, ist insbesondere bei SEF-Lampen anwendbar, die mit niedrigem Leistungsfaktor arbeiten, wobei der Strom in mehr oder weniger kontinuierlichen Impulsen geliefert wird. Die gemäß der Erfindung in ihrer Helligkeit gesteuerte Lampe arbeitet daher auf einem Teil der Leistungskurve, auf welchem der Strom hoch und die Spannung niedrig ist Diese relativ niedrige Betriebsspannung führt zu geringer Kernerwärmung oder Plasmasättigung. Diese Gefahren bestehen bei herkömmlichen Leuchtstofflampen nicht, denn bei diesen ist es unerheblich, ob die Spannung tatsächlich ansteigt wenn der Strom verringert wird. Es gibt offensichtlich alternative Wege zum Einstellen der Zeitperioden in Abhängigkeit von den Einzelheiten der gewählten Schaltung. ..^

Fig.3 zeigt ein Blockschaltbild einer Helligkeitssteuerung. Ein aus einer herkömmlichen Wechseßfromquelle gespeister Stromrichter (Umrichter) 11 erzeugt Impulse, die eine Frequenz MT haben. Das Ausgangssignal eines monostabilen Multivibrators 13 kann benutzt werden, um den
Steuerschaltung Ha eintatsächlichen Schaltungen,
werden kann, lassen sich
integrierten Standard-Niederspannungsschaltungselementen leicht herstellen und die Schaltungseinzelheiten sind nicht gezeigt Grundsätzlich kann der Stromrichter 11 ein Standard-IS-Stromrichter sein, wie beispielsweise spitzenstromgesteuerter Stromrichter, der typiid i

Stromrichter über eine und auszuschalten. Die mit denen das erreicht unter Verwendung von

ein pg

scherweise gestartet wird, indem ein Thyristorschalter getriggert wird, damit Ladungen in einen der Stromrichterleistungstransistoren verschoben werden. Das Abschalten des Stromrichters kann erfolgen, indem die Basis eines der Steuertransistoren an Masse gelegt wird, um das Arbeiten des Stromrichters zu blockieren. Diese Steuerung ist leicht mit den Signalen möglich, die von einem monostabilen Multivibrator 13 geliefert werden, der Signalsteuerimpulse erzeugt die eine Periode T₍ und ein Tastverhältnis T₀ITx haben. Das Tastverhältnis, das direkt von To abhängig ist wird mittels einer Stellvorrichtung 14 festgelegt bei der es sich typischerweise um ein Schleif- oder Drehpotentiometer handelt. Das Ausgangssignal des Stromrichters, das auf diese Weise gesteuert wird, wird an die SEF-Lampe 12 angelegt.

Beispielsweise ist eine SEF-Lampe ohne Verlust an Lichtausbeute leicht in ihrer Helligkeit steuerbar, wie es die folgende Tabelle zeigt in der die erste Spalte die Lampenspannung, die zweite Spalte der Lampenstrom, die dritte Spalte die der Lampe zugeführte mittlere Leistung, die vierte Spalte der abgegebene Lichtstrom der Lampe und die fünfte Spalte die Lichtausbeute in Lumen pro Watt ist:

V	A	W	Im	Lichtausbeute
				lm/W
120	0,59	40	2 048	51,2
120	0,20	11,8	609	51,6
119,7	0,338	19,9	1036	52,1
119,4	0,482	29,9	1553	51,9

Die der obigen Tabelle zugrunde liegende Lampe arbeitet mit einem Leistungsfaktor, der einem Phasenwinkel von ungefähr 56° zwischen dem Strom Und der Spannung entspricht. Es ist somit zu erkenrien.'daß die Lampe von einem abgegebenen Lichtstrom von 2048 Im auf 609 Im wirksam gesteuert werden kann, ohne daß es zu einem Abfall in der Lichtausbeute der Lampe kommt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

30_hl,0_r417

' " " Patentansprüche: '

j. Verfahren zur Helligkeitssteuerung einer elektrodenlosen (Gasentladungslampe mit quellfreiem elektrischen Feld, das mittels eines Magnetkerns, dessen Wicklung an eine Stromquelle angeschlossen ist^erzeugtwird, dadurch gekennzeichnet, daß alle Tg Sekunden Stromimpulse mit einer Frequenz 1/7"während eines Zeitintervalls T₀ an die Wicklung gelegt werden, wobei Γ'kleiner als 7Ί ist und 7ö nicht größer als Ti ist, und daß zur Änderung der. Helligkeit das Tastverhältnis T₀ZTt geändert w|d.

' ^?X Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß hochfrequente, konstante Stromimpulse an die auf einem Ferrit-Ringkern angeordnete Wicklung angelegt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß l/7^Ygrößerals 25 kHz ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß 71 — 7J kleiner als die Plasmaentionisierungszeit ist