DE3019543A1

DE3019543A1 - Startwicklung fuer entladungslampen mit quellenfreiem elektrischen feld

Info

Publication number: DE3019543A1
Application number: DE19803019543
Authority: DE
Inventors: Armand Pasquale Ferro
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1979-05-24
Filing date: 1980-05-22
Publication date: 1980-11-27
Also published as: GB2050685A; GB2050685B; JPS55155463A; BE883450A; US4233541A; CA1144225A; DE3019543C2

Description

Startwicklung für Entladungslampen mit quellenfreiem elektrischen Feld

Die Erfindung bezieht sich auf Lampen mit einem quellenfreien elektrischen Feld und insbesondere auf eine Schaltungsanordnung zum Starten der Lampe.

Aus den US-Patentschriften 4 005 330 und 4 017 764 sind durch Induktion ionisierte Leuchtstofflampen bekannt, bei d^nen ein hochfrequentes, quellenfreies elektrisches Feld durch einen toroidförmigen Lampenkern gebildet wird, dor in der Mitte eines im wesentlichen kugelförmigen Kolbens angeordnet ist. Die darin beschriebenen Lampen können in einer Form gefertigt werden, die elektrisch und mechanisch mit den üblichen Kolben einer Glühlampe kompatibel ist und die für einen wesentlich effizienteren Betrieb als übliche Glühlampen sorgt.

Bei derartigen Lampen mit quellenfreiem elektrischen Feld ist ein typischerweise aus Ferrit bestehender Ringkern innerhalb oder um ein ionisierbares Gas herum, wie beispielsweise Quecksilberdampf, angeordnet. Dieser Ringkern besitzt eine elektrische Wicklung für eine Kopplung mit einer hochfrequenten Energiequelle. Die dieser Kernwicklung zugeführte elektrische Energie ruft ein quellenfreies elektrisches Feld innerhalb des ionisierbaren Mediums mit ausreichender Stärke hervor, um in dem Plasma einen Stromfluß zu erzeugen, wenn eine Plasmaionisation einmal aufgetreten ist. Die Plasmaionisation und der nachfolgende Stromfluß erzeugen eine elektromagnetische Strahlung mit einer ersten Frequenz durch einen Elektronenübergang in dem Medium. Wenn das ionisierbare Medium Quecksilber als einen Hauptbestandteil aufweist, liegt die elektromagnetische Strahlung üblicherweise im ultravioletten Bereich des Spektrums. Im typischen Fall ist die ultraviolette Strahlung als solches nicht die optimale gewünschte Ausgangsgröße, und der das ionisierbare Medium

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enthaltende Kolben ist üblicherweise mit einem Leuchtstoff überzogen, der Energie mit der ersten Frequenz absorbiert und erneut elektromagnetische Energie mit einer zweiten optischen Frequenz oder Frequenzen abstrahlt, was von der Kombination der verwendeten Leuchtstoffe abhängt.

Die Lampe mit quellenfreiem elektrischen Feld weist zwei Hauptbestandteile auf. Erstens ist der Kolbenteil selbst vorhanden, der üblicherweise einen Kolben, einen oder mehrere toroidförmige Ferritkerne mit darauf angeordneten Wicklungen und ein ionisierbares Füllgas in dem Kolben umfaßt, der üblicherweii; einen inneren Leuchtstoffüberzug besitzt. Ferner weist die Lampe mit quellenfreiem elektrischen Feld eine Vorschaltanordnung auf, die üblichen Netzstrom in Spannungsimpulse mit höherer Frequenz umwandelt, die für den Lampenbetrieb einen besseren Wirkungsgrad haben. Im Gegentakt arbeitende Wechselrichterschaltungen mit entsprechenden Steuerungen sind besonders brauchbar zur Zuführung der gewünschten Spannungsimpulse. Da das ionisierbare Medium eine negative Widerstandscharakteristik aufweist, muß die Kernwicklung mit der Vorschaltanordnung über eine oder mehrere Vorschaltreaktanzen elektrisch gekoppelt werden, um den Stromfluß nach der Plasmaionisation zu begrenzen, während der der effektive Widerstand des Plasmas abfällt. Somit arbeitet der Lampenkern in einem Transformator, dessen Primärwicklung die mit der Vorschaltanordnung verbundene Kernwicklung und dessen Sekundärwicklung die einzelne Windung des Stromflusses durch das Plasma entlang den Linien des quellenfreien elektrischen Feldes ist.

Bevor die Lampe in den einen negativen Widerstand aufweisenden Abschritt ihrer Betriebskurve eintr'tt, muß zunächst ein Teil des Plasmas ionisiert werden, um einen einfachen Lampenstart herbeizuführen. Es ist zwar möglich, das Starten der Lampe einfach durch Zufuhr von mehr Energie in die Kernwicklung während einer kurzen Periode herbeizuführen, dieses Verfahren ist jedoch unerwünscht, da es unnötig viel Kernwärme erzeugt und dadurch die Möglichkeit erhöht, daß die Curie-Temperatur des Ferrit-

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Kernes überschritten wird, und dieses Verfahren hat auch ein unerwünscht hohes Geräusch von den Lampenkomponent^n zur Folge. Ein anderes Verfahren zum Starten der Lampe besteht darin, eine zusätzliche Wicklung oder Wicklungen auf dem Lampenkern anzuordnen. Die Startwicklung auf dem Kern kann eine zweite getrennte Wicklung sein, dies ist aber nicht vorteilhaft. Alternativ kann die Startwicklung auf dem Kern angeordnet und mit der Primärwicklung auf dem Kern gebildet sein, um als ein Spartransformator zu arbeiten, wie es in der BE-PS 867 347 beschrieben ist. Wegen der relativ hohen Temperatur, bei der der Kern arbeitet, insbesondere bei einer Lampe mit quellenfreiem elektrischen Feld, wobei der Kern innerhalb des ionisierbaren Mediums selbst angeordnet ist, muß jedoch eine teuere Hochtemperaturisolation f;.-.r die zusätzlichen Windungen vorgesehen sein, die au! dem Kern erforderlich sind.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, Mittel zum Starten einer

mit
Lampe/quellenfreiem elektrischen Feld zu schaffen, die einen Heißstart erleichtern, die Notwendigkeit einer Hochtemperaturisolation vermeiden und die Kosten der Lampenfertigung nicht erhöhen.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungbeispiel der Erfindung ist die Startwicklung für eine Lampe mit quellenfreiem elektrischen Feld auf dem Vorschaltdrosselkern angeordnet und befindet sich in einer Spartransformatorschaltung, um so einen hohen Startimpuls an eine Starterelektrode zu liefern, die entweder innerhalb oder auf der Außenseite des Lainpenkoibens angeordnet ist. Die zum Einleiten der Plasmaionisation zugeführten Stcirtspannungen bewirken somit keine Erhitzung des Lampenkernes. Da es sehr erstrebenswert ist, einen Kern für die Vorschaltimpedanz oder für einen Impedanzanpassi'ngs—Transformator vorzusehen, ist es einfach, eine extra Wicklung auf einem derartigen Kern vorzusehen, um die erforderliche Startspannung zu liefern. Wenn die Startwicklung auf dem Vorschaltreaktanzkern angeordnet ist, braucht keine Hochtemperaturisolation vorgesehen zu sein, die bei der Anordnung der Wicklung auf dem Lampenkern selbst notwendig ist. Zusätzlich ist auch das heiße Wiederstarten der Lampe mit der

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Anordnung der Wicklung auf einem Vorschaltkern erleichtert.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung von Äusführungsbeispielen näher erläutert.

Figur 1 ist eine perspektivische Ansicht von einer Startwicklung auf dem Lampenkern.

Figur 2 ist ein Schaltbild gemäß der Erfindung und stellt die Anordnung der Startwicklung auf dem Vorschaltreaktanzkern dar.

Figur 3 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel der in Figur gezeigten Schaltungsanordnung.

Figur 4 zeigt schematisch die interne Anordnung der Starterelektrode.

Figur 5 zeigt schematisch die externe Anordnung der Starterelektrode.

Figur 1 zeigt den Lampenteil einer üblichen bekannten Lampe mit quellenfreiem Feld, wobei der Vorschaltabschnitt durch eine hochfrequente Energiequelle 140 angedeutet ist. Die Lampe weist einen Kolben 100 auf, der ein ionisierbares Medium 210 enthält, wie beispielsweise Quecksilberdampf oder Quecksilberdampf gemischt mit inerten Gasen, wie beispielsweise Argon oder Krypton. In dem ionisierbaren Medium ist ein Kern 120 angeordnet, der typischerweise Ferrit aufweist. Der toroidförmige Lampenkern 120 weist einen Tunnelabschnitt 130 auf, durch den Wicklungen 101, 102 und 103 in der gezeigten Weise angeordnet sind. Der Wicklungsabschnitt 101 arbeitet als die Primärwicklung der Lampe, wobei die Sekundärwicklung der Lampe durch die Stromschleife durch das ionisierbare Medium gebildet ist. Zusätzlich zu dem Primärwicklungsabschnitt 102 sind auch Wicklungsabschnitte 102 und 103 auf dem Kern "> 20 angeordnet und mit dem Wicklungsabschnitt 101 verbunden, um als ein Spar- oder

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Autotransformator zu wirken, um Hochspannungsimpulse zu induzieren, um so eine hohe Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 108 und 110 hervorzurufen, die vorzugsweise entlang de: Mittelachse des Lampenkernes 102 angeordnet sind. Der Kolben 100 ist typischerweise ein lichtdurchlässiger, evakuierbarer Kolben, wie beispielsweise Glas, und ist vorzugsweise mit einem licht—umwandelnden Leuchtstoff überzogen. Wie vorstehend ausgeführt wurde, hat die Anordnung der Startwicklung in dieser Weise den Nachteil, daß heiße Rückstarts den Lampenkern 102 unnötig erhitzen, da die Startwicklung direkt darauf anaeordnet ist.

Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung, bei dem die Vorschaltanordnung eine Startwicklung aufweist, die auf dem gleichen Kern enthalten ist wie die Vorschaltreaktanz. Genauer gesagt, ist die Startwicklung 14 auf dem gleichen Kern wie die Vorschaltreaktanzen 11 und 12 angeordnet, wie es durch die punktierte Linie zwischen den Kernabschnitten angedeutet ist. Wie durch die Punkte an den Wicklungen angegeben ist, ist die Wicklung 14 in der gleichen Richtung wie die Wicklung 11 gewickelt, so daß in diesen Spulen erzeugte Spannungen gleichphasig sind und sich verstärken, wie es bei Spar- bzw. Autotransformatoren üblich ist. Aufgrund der Symmetrie der Schaltungsanordnung könnte die Startwicklung genau so einfach mit der "oberen" Seite der Spule verbunden sein, wenn ihre Wickelrichtung umgekehrt ist, um so an diejenige der Spule 12 angepaßt zu sein. Die Spulen 11 und 12 arbeiten als Vorschaltre^ktanzen und begrenzen den Strom in der Plasmaentladung. Die Spulen 11 und 12 sind gegenphasig angeordnet, wie es durch die Punkte gezeigt ist, und ihre "unteren" Seiten sind jeweils mit entsprechenden Transistoren Q1 und Q2 verbunden, die als die Schalter in einer Gegentakt-Wechselrichterschaltung arbeiten. Diese Transistoren werden abwechselnd ein- und ausgeschaltet durch eine Steuerschaltung 10, die auf Steuervariable ansprechen kann, wie beispielsweise den Spitzenstrom oder die Änderungsgeschwindigkeit des Stromes. Ein Resonanzkondensator 18 kann in der gezeigten Weise zwischen die "oberen" Seiten der Vorschaltreaktanzen geschaltet

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sein, um das Starten noch weiter zu erleichtern. Eine Starterelektrode 17 kann in einer üblichen Lage auf der Außenfläche des Kolbens einer Lampe mit quellenfreiem elektrischen Feld angeordnet sein, wie es in Figur 5 gezeigt ist. Obwohl es nicht vorgezogen wird, kann die Starterelektrode jedoch auch tatsächlich innerhalb des Kolbens selbst angeordnet sein, wie es in Figur 4 gezeigt ist, anstatt auf der außenseitigen Wand des Kolbens.

Eine derartige Elektrode 17' ist vorzugsweise eine überzogene leitende Zuleitung mit einer freiliegenden Spitze, wie es in Figur 4 gezeigt ist. Der von den Transistoren Q1 und Q2 gesteuerte Stromfluß wird über eine Mittelanzapfung auf der Spule 16 mit einem Kern 15 zugeführt. Somit arbeiten die Wicklung 16, der Kern 15 und die Wicklung 21 auf dem Kern 15 als ein Anpassungstransformator, der Leistung in eine Spule 19 einkoppelt, die auf dem Lampenkern angeordnet ist. Somit entspricht die Wicklung 19 gemäß Figur 2 dem Wicklungsteil 101 in Figur 1. Auf Wunsch kann auch eine Impedanzanpassung erleichtert werden durch die Verwendung eines Kondensators 20, der in üblicher Weise in der Vorschaltanordnung angeordnet ist. Es sei auch bemerkt, daß die Kerne 13 und 15 zu einem einzigen Magnetkern zusammengefaßt sein können.

Da eine Spitzenspannung zwischen etwa 700 und etwa 900 Volt erforderlich ist, um die meisten Lampen unter normalen Bedingungen angemessen zu starten, muß für die Spule 14 eine entsprechende Windungszahl verwendet werden. Beispielsweise kann für eine Lampe mit quellenfreiem elektrischen Feld mit einem derzeit bevorzugten Aufbau die Spule 14 etwa 30 oder 40 Windungen aus sehr dünnem Draht aufweisen. Wenn dagegen die Startwicklung auf dem Lampenkern selbst angeordnet ist, und selbst wenn weniger Drahtwindungen erforderlich sind, muß der Draht einen sehr großen Durchmesser haben, da dieser am zweckmäßigsten von der gleichen einen hohen Strom führenden Primärwicklung bestimmt ist. Wenn weiterhin die Startwicklung auf dem Lampenkern selbst angeordnet ist, muß eine zusätzliche Isola-

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tion vorgesehen sein, um sie vor der hohen Temperatur zu schützen, die innerhalb der Lampe selbst entwickelt wird.

Figur 3 stellt ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung dar, bei dem ein einziger Magnetkern 30 in der gezeigten Weise verwendet ist. Dieser Aufbau hat den zusätzlichen Vorteil der Einfachheit, da die Vorschaltreaktanz, die in Figur 2 durch die Spulen 11 und 12 gebildet wird, nunmehr einfach durch den Spalt 31 in dem Mittelschenkel des Kernes 30 gebildet ist.

Ob nun die Anordnung gemäß Figur 3 oder Figur 4 verwendet wird, in jedem Fall vergrößert die Anordnung der Startwicklung in Reihe mit dem Vorschaltmagnetkern wesentlich den Wirkungsgrad beim Starten, da die Startwicklung 14 nunmehr einer höheren Spannung pro Windung ausgesetzt ist, die ein einfacheres, wirksameres Starten der Lampe fördert. Der Startwicklung werden höhere Leistungen durch resonantes Schwingen der Startwicklung zugeführt, indem die Pulsfrequenz erhöht wird, die durch die Steuerschaltung 10 bestimmt wird. Nach dem Starten der Lampe kann die Pulsfrequenz gesenkt werden, um mit der Lampenkerninduktanz in Resonanz zu schwingen.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird somit deutlich, daß erfindungsgemäß eine einfache und billige Starterschaltung für eine Lampe mit quellenfreiem elektrischen Feld geschaffen wird. Zusätzlich ist ersichtlich, daß Isolationskosten eingespart und die heißen Wiederstartcharakteristiken von Lampen mit quellenfreiem elektrischen Feld verbessert werden.

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Claims

Ansprüche

'1^ Lampe mit quellenfreiem elektrischen Feld mit folgenden Merkmalen:

einem lichtdurchlässigen, evakuierbaren Kolben, der ein ionisierbares gasförmiges Medium enthält und auf dem ein Leuchtstoff angeordnet ist zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung mit einer ersten optischen Frequenz aus ('ein .Medium und zur Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung mit einer zweiten optischen Frequenz,

einem Lampenmagnetkern, der elektromagnetisch mit dem Medium gekoppelt ist und auf dem eine Leiterwicklung angeordnet ist,

einer elektronischen Vorschaltanordnung zur Zuführung von Leistung mit hoher Frequenz,

Mitteln zur Bildung einer Vorschaitreaktanz für die Vorschaltanordnung,

einem Transformator mit einem Kern, einer Primärwicklung, die elektromagnetisch mit der Vorschaltanordnung gekoppelt ist, und einer Sekundärwicklung, die mit dem Lampenkern gekoppelt ist,

dadurch gekennzeic hnet, daß eine Starterwicklung (14) auf einem Magnetkern (13, 15, 30) angeordnet und als ein Spar- bzw. Autotransformator mit der Sekundärwicklung des Transformators verbunden und

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weiterhin mit einer Starterelektrode (17, 17') verbunden ist, die in der Nähe des gasförmigen Mediums (210) angeordnet ist.
2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Lampenkern (120) in dem gasförmigen Medium (210) angeordnet ist.
3. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Starterelektrode (17) ein elektrisch leitender Streifen ist, ier an der Außenwand des Kolbens (100) angeordnet ist.
4. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Starterelektro-.e (17') eine überzogene Zuleitung mit einer freiliegenden Spitze ist, die innerhalb des gasförmigen Mediums (210) angeordnet ist.
5. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorschaltreaktanz zwei entgegengesetzte, elektromagnetische gekoppelte Spulen (11, 12) aufweist.
6. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorschaltreaktanz einen mehrere Schenkel aufweisenden Magnetkern (30) aufweist, wobei der eine Schenkel einen Luftspalt (31) zur Bildung einer Streureaktanz besitzt.
7. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformatorkern und die Vorschaltreaktanz (11 - 13) einen gemeinsamen Magnetkern teilen.
8. Lampe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Starterwicklung (14) ebenfalls den gemeinsamen Magnetkern teilt.

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