DE3141189A1 - Speiseschaltung fuer eine hochleistungsentladungslampe - Google Patents

Description

The Nuarc Company, Inc., Chicago, 111. (V.St.A.) Speiseschaltung für eine Hochleistungsentladungslampe

Die Erfindung betrifft eine Speiseschaltung zur Speisung einer Hochleistungsentladungslampe, insbesondere einer Metallhalogenlampe, gemäß Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei Speiseschaltungen für Hochleistungsentladungalampen besteht das Problem, daß in der Lampe eine Entladung zustandezubringen ist sowohl, wenn die Lampe kalt ist und dabei nur einen sehr geringen Spannungsabfall bewirkt, als auch wenn die Lampe heiß ist und nur kurzzeitig ausgeschaltet wurde. Im letzteren Fall stehen die in der Lampe enthaltenen heißen Gase unter hohem Druck, wodurch die Lampe eine hohe Durchbruchsspannung aufweist. Bei heißer Lampe müssen sogenannte Wiederzündimpulse ausserordentlich großer Amplitude erzeugt werden, was gewöhnlich durch zwei zu beiden Seiten mit der Lamp« hintereinandergeschaltete Impulstransformatoren geschieht, um den hohen Innenwiderstand der Lampe zu überwinden und eine Entladung einzuleiten. Schaltungsanordnungen mit solchen Impulstransformatoren sind in der DE-OS 31 25 261 wie auch in den eingangs darin genannten Vorveröffentlichungen beschrieben.

Bei kalter Lampe ist es verhältnismäßig leicht, in dieser einen Lichtbogen zu zünden, doch da an der kalten Lampe ein sehr geringer Spannungsabfall auftritt, müssen Vorkehrungen dafür getroffen werden, den von der Lampe zu Beginn der Entladung gezogenen Strom auf einen höchstzulässigen Wert zu begrenzen.

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Herkömmlicherveise geschieht dies durch einen Ballastwiderstand, gewöhnlich in Form einer Induktivität ©d@r Kapazität, der mit dem Spelsetransformator hlntereinandergeschaltet ist, um den durch die Lampe hindurchfliessenden strom gering zu halten. Wird der Strom auf den Betriebsnennstrom der Lampe begrenzt, so kann die Aufheizzeit, die erforderlich ist, bis die Lampe ihre volle Licht» ausgangsleistung erreicht hat, zwischen 90 Sekunden und mehreren Minuten betragen.

Verschiedenartige Schaltungsmaßnahmen wurden b©r©its zu vorgeschlagen, diese Aufheizzeit zu reduzieren. spielsweise sieht die US-PS 3 555 352 eine Schaltungsataordnung mit einem sättigbaren Autotransformator und einem damit in Reihe geschalteten Kondensator vor, die während des Aufheizens im oder beinahe im Resonanzbereich arbeiten, um den durch die Lampe hindurchfliessenden Strom zu erhöhen und damit die Lampenaufheizzelt auf etwa 45 Sekunden zu verringern.

Nach der US-PS 3 944 876 soll die Aufheizzeit durch Verwendung eines eigenen Autotransformators reduziert werden, der bedarfsweise zugeschaltet wird, vermittels eines durch einen Impulsgenerator gesteuerten Triacs. Diese Schaltung soll zu einer Verringerung der Spannung und des effektiven Ballastwiderstandes an der Lampe während der Aufheizzeit verhelfen.

Beide diese bekannten Anordnungen erfordern eigene kostspielige Schaltungskomponenten, um die beiden Funktionen des Startens der Lampe im heißen oder kalten Zustand und der Vergrößerung des zu Beginn durch die kalte Lampe hindurchfliessenden Stromes zu bewirken, so daß sich die bis zum Erreichen

der vollen Lichtausgangsleistung verstreichende Aufheizzeit verringert.

Der Erfindung liegt von daher die Aufgabe zugrunde, eine Speiseschaltung der gattungsgemäßen Art so auszubilden, daß die vorausgehend geschilderten Mängel vermieden werden und insbesondere die Schaltungsanordnung zur Verringerung der Aufheizzeit der Lampe und zur Erzeugung von Wiederzündimpulsen verhältnismäßig großer Amplitude zum Wiederzünden der heißen Lampe nach kurzzeitiger Abschaltung vereinfacht wird.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Kurz gesagt werden mit der Erfindung die herkömmlichen, in Reihe geschalteten Ballastwiderstände vermieden und stattdessen die zu beiden Seiten mit der Lampe in Reihe geschalteten Zündimpulstransformatoren selbst als die einzigen Strombegrenzungselemente sowohl für die Aufheizzeit als auch für den anschließenden normalen Betrieb verwendet, bei dem die Lampe ihre volle Lichtausgangsleistung liefert.

Da der Ballasteffekt der beiden Impulstransformatoren verhältnismäßig klein ist, soll in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Speiseschaltung eine Lampe mit ungewöhnlich hohem Betriebsnennstrom Verwendung finden. Dabei lassen die Impulstransformatoren während der Aufheizzeit einen entsprechend hohen Strom durch die Lampe fließen, womit sich die Aufheizzeit von beispielsweise 45 Sekunden auf etwa 15 - 20 Sekunden wesentlich verkürzt.

Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten an.

Nachfolgend werden entsprechende Ausfübrungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren im einzelnen beschrieben. Dabei zeigt

Fig. 1 ein schematisches Gesamtschaltbild einer erfindungsgemäßen Speiseschaltung,

Fig. 2 eine andere Ausfuhrungsform des dabei verwendeten Speisetransformators,

Fig. 3 eine Seitenansicht eines der in der Schaltung nach Fig. 1 auftretenden Zündimpulstransformatoren und,

Fig. 4 eine Stirnansicht desselben von der linken Seite der Fig. 3.

Gemäß Fig. 1 findet als Speisetransformator ein Autotransformator 10 Vervendung, um die Spannung aus dem Wechselstromnetz an den Ausgängen 12 und 14 dds Transformators auf die erforderliche Speisespannung zu bringen. Mit den Ausgängen 12 und 14 ist unmittelbar über Leitungen 26 und sowie die Sekundärwicklungen 18 bzw. 20 zweier Zündimpulstransformatoren 22 und 24 die Metallhalogenlampe 16 verbunden. Dabei wirken die Sekundärwicklungen 18 und 20 selbst als die einzigen Strombegrenzungselemente der Schaltung. Die Impulstransformatoren 22 und 24 besitzen Primärwicklungen 30 bzw. 32, an die Lampenzündstromimpulse verhältnismäßig hoher Stromstärke von einem Lampenzündimpulsschaltkreis geliefert werden. Um dem Lampenzündimpulsschaltkreis 34 Treiberimpulse zuzuführen derart, daß dieser Schaltkreis synchron mit der Wechselstromquelle arbeitet, ist zwischen den Ausgängen 12 und 14 des Autotransformators 10 ein Nulldurchgangsdetektor 36 vorgesehen, der einen Ausgangsimpuls

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bei einem jeden Nulldurchgang der Wechselspannung von dem Autotransformator liefert. Diese Impulse werden in einem Verzögerungsschaltkreis 38 um einen Phasenwinkel von etwa 75° verzögert, so daß die Lampenzündimpulse aus dem Schaltkreis 34 an einem Punkt der Wechselstromwelle auftreten, an dem die Wechselspannung an der Lampe 16 beinahe ihren Maximalwert erreicht hat. Die verzögerten Nulldurchgangsimpulse gelangen an einen Treiberschaltkreis 40, der geeignete Ausgangsimpulse zum Betrieb des Schaltkreises 34 liefert. Ein 2s-Zeitgeber 39, der selbst durch den Einschaltvorgang gesteuert wird, dient dazu, den Verzögerungsschaltkreis 38 so zu steuern, daß der Lampenzündimpulsschaltkreis 34 den Primärwicklungen 30 und 32 Lampenzündstromimpulse nur für die kurze Dauer von 2 Sekunden nach dem Einschalten der Stromversorgung liefert, wonach der Verzögerungsschaltkreis 38 sperrt und keine weiteren Lampenzündstrorrimpulse mehr auftreten, wie in der erwähnten DE-OS 31 25 261 im einzelnen beschrieben. Es wird dabei angenommen, daß 2 Sekunden in jedem Falle hinreichen, um in der Lampe 16 eine Entladung zustandezubringen, gleichgültig ob die Lampe kalt oder heiß ist.

Vorzugsweise ist der Lampenzündimpulsschaltkreis 34 von der gleichen Art wie in der genannten DE-OS 31 25 261 beschrieben. Bei einem solchen Schaltkreis wird die an dem Transformator 10 abgegriffene Spannung durch einen Gleichrichter 42 gleichgerichtet und mittels einer Parallelschaltung aus einem Kondensator 44 und einem Widerstand gefiltert, worauf die erhaltene Gleichspannung dazu Verwendung findet, zwei Lampenzündkondensatoren innerhalb des Schaltkreises 34 zu laden, wie in der genannten DE-OS 31 25 261 im einzelnen angegeben.

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Ein Nebenschlußkondensator 48 zwischen den Enden der Sekundärwicklungen 18 und 20 verhindert, daß die an diesen Wicklungen auftretenden Lampenzündimpulse an den Autotransformator 10 gelangen. Ebenso liegt ein verhältnismäßig großer Phasenschieberkondensator 50 zwischen den Ausgängen 12 und 14 des Autotransformators.

Schließlich ist den Kondensatoren 48 und 50 ein Metall» oxid-Schutzelement 52 parallelgeschaltet, welches verhindert, daß an den Ausgängen 12 und 14 des Autotransformators große Spannungsimpulse auftreten, indem es die maximale Spannung zwischen diesen Punkten auf 420 V begrenzt.

In den Figuren 3 und 4 ist ein ausgeführter Lampenzünd*- impulstransformator dargestellt, wie er sich für die Erfüllung der beiden Funktionen nach der Erfindung als geeignet erwiesen hat, nämlich, Lampenzündimpulse hoher Amplitude zu erzeugen, dabei aber als Ballastelement zur Begrenzung des maximalen Stromflusses durch die Lampe zu dienen, wenn die Lampe im kalten Zustand gezündet wird.

Nach dieser Darstellung ist die Sekundärwicklung, im Beispiel die Wicklung 18 des Impulstransformators 22, auf einen Vierkantkern 60 mit etwa 32 mm χ 32 mm Profilkantenlänge aufgebracht. Sie weist etwa 300 Windungen eines Drahte von quadratischem Querschnitt mit der Typenbezeichnung Nr. 10 AWG auf mit einer geeigneten Isolierung zwischen den Windungen, wobei der Wicklungsanfang 62 auf einer Stirnseite des Transformators in der Nähe des Kernes und das Wicklungsende 64 auf der gleichen Stirnseite in der Nähe der Peripherie der Wicklung 18 herausragt. Der Kern ist von einer viereckigen Kernummantelung 66 umgeben, auf di®

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die Wicklung 18 aufgebracht ist.

Die Primärwicklung, 30, weist etwa 3 Windungen umwundenen Drahtes mit der Typenbezeichnung Nr. 20 AWG auf, wobei jede Windung aus fünf separaten Leitern besteht, die nebeneinanderliegend (quinta-filar) auf die Sekundärwicklung 18 aufgebracht sind. Diese Windungen liegen mit Abstand nebeneinander, so daß sie drei über die Länge der Sekundärwicklung 18 verteilte Leiterbänder, 68, 70 und 72, bilden. Der Wicklungsanfang 74 und das Wicklungsende 76 ragen auf der dem Wicklungsanfang 62 und dem Wicklungsende 64 gegenüberliegenden Seite aus dem Transformator heraus.

Der soweit beschriebene Impulstransformator muß geeignet isoliert sein, daß seine Primärwicklung einer Spannung von etwa 500 V und seihe Sekundärwicklung einer solchen von 35 000 V widersteht und daß auch die Durchschlagfestigkeit zwischen beiden Wicklungen 35 000 V beträgt.

Die Lampe 16 der erfindungsgemäßen Schaltung ist eine solche, die einen wesentlich höheren Betriebsnennstrom als gewöhnliche Lampen mit der gleichen Lichtausgangslei tung aufweist. Beispielsweise hat bei einer Leistung im 2kW-Bereich eine herkömmliche Lampe einen Betriebsnennstrom von 10 A bei einem Spannungsabfall von 200 V, während diejenige nach der Erfindung einen Betriebsnennstrom von 20 A, d.h. das doppelte desjenigen der herkömmlichen Lampe, bei einem Spannungsabfall von 100 V besitzt.

Unter Verwendung der Konstruktion nach den Figuren 3 und 4 haben die Sekundärwicklungen 18 und 20 der Impulstransformatoren 22 und 24 jeweils eine Induktivität von 9 mH, so daß die beiden Sekundärwicklungen zusammengenommen einen Serien-

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widerstand mit der Lampe von 7 Λ bei 60 Hz des Wechselstromes bilden. Auf diese Weise erhält man bei dem Betriebsnennstrom von 20 A in der Lampe 16 an den beiden Sekundärwicklungen 18 und 20 einen Spannungsabfall von etwa 110 V, so daß die Ausgangs·* spannung des Autotransformators 10 210 V betragen kann, um an der Lampe 16 den erforderlichen Spannungs*- abfall von 100 V hervorzubringen. Andererseits ist eine Speisespannung von 210 V Wechselstrom ausreichend, um die Lampe 16 am Erlöschen zu hindern, obgleich diese Lampe unmittelbar von der Wechselspannung aus dem Autotransformator 10 betrieben wird. Bei einer solchen 2 kW-Stromversorgung kann der Kondensator 48 einen Wert von 2,0,uF und der Kondensator 50 einen solchen von 180 AiF besitzen, während das Schutzölement 52 eine Durchbruchsspannung von 420 V aufweist. Weiterhin werden bei einer Ausführung der Impulstransformatoren 22 und 24 gemäß Fig. 3 und 4 an einer jeden der beiden Sekundärwicklungen 18 und 20 Lampehzündimpulse von etwa 17 500 V erhalten, so daß die Amplitude der Lampenzündimpulse insgesamt etwa 35 000 V beträgt, was völlig ausreichend ist, um eine 2kW-Lampe selbst im heißen Zustand nach kurzzeitiger Ausschaltung fast augenblicklich zu zünden.

Die gleichen Zündimpulstransformatoren und sonstigen Schaltelemente können jedoch auch für den Betrieb einer Lampe mit 5 kW Ausgangsleistung Verwendung finden, wozu es lediglich erforderlich ist, einen anderen AutotranS'-formator 10 vorzusehen, der eine Ausgangsspannung von etwa 310 V besitzt. In diesem Falle wird die Lampe 16 so gewählt, daß sie einen Betriebsnennstrom von 25 A bei einem Spannungsabfall von 200 V besitzt. Damit wird im normalen Betrieb der betreffenden 5kW-Lampe an den Sekün-

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därvicklungen 18 und 20 ein Spannungsabfall von etwa 110 V erhalten. Der Strom zu Beginn des Betriebs der kalten Lampe 16 (Startstrom) wird durch den Widerstand der beiden Sekundärwicklungen 18 und 20 auf einen für die Lampe zulässigen maximalen Wert begrenzt. Da jedoch die Sekundärwicklung 18 und 20 eine verhältnismäßig geringe Impedanz besitzt, ist der maximale Startstrom wesentlich größer als bei herkömmlichen Speiseschaltungen, so daß auch die Plasma-Energiedichte, die dem Quadrat des Stromes proportional ist, gegenüber derjenigen im herkömmlichen Lampenbetrieb wesentlich größer ist. Infolgedessen wird die Aufheizzeit bis zum Erreichen der vollen Lichtleistung der Lampe 16 beträchtlich reduziert. Genauer gesagt entsteht unter Verwendung der 2kW-Lampe, wobei vom Transformator 10 eine Spannung von 210 V erhalten wird, an der kalten Lampe 16 sogleich nach dem Zünden ein Spannungsabfall von etwa 20 V, und die beiden Sekundärwicklungen 18 und 20, die zusammen eine impedanz von etwa 7,0Λ besitzen, begrenzen den Startstrom auf etwa 30 A.

Unter Verwendung der 5kW-Lampe und bei einer Speisespannung von 310 V aus dem Transformator 10 entsteht an der kalten Lampe unmittelbar nach der Zündung ein Spannungsabfall von etwa 40 V, und die Sekundärwicklungen 18 und 20 begrenzen den Startstrom auf etwa 40 A. So wird mit der erfindungsgemäßen Schaltung bei der 5kW-Lampe eine Aufheizzeit von 10 - 12 Sekunden und bei der 2kW-Lampe eine solche von 12 - 15 Sekunden erhalten, d.h. eine wesentlich geringere als bei herkömmlichen Lampenspeiseschaltungen. Sodann beträgt sowohl bei der 2kW- als auch bei der 5kW-Ausführung der maximale Startstrom weniger als das Doppelte des normalen Betriebsstroms der Lampe, wohingegen bei herkömmlichen Lampenspeiseschaltungen der maximale Startstrom etwa beim

Dreifachen des normalen Betriebsstromes liegt und dennoch die Lampenaufheizaseit gewöhnlich 45 Sekunden oder mehr beträgt.

Die in Fig. 1 gezeigte Schaltung weist keine Stabilisierungsmittel gegen Schwankungen der dem Autotransformator 10 zugeführten Wechselspannung auf* Wenn jedoch die Lampe 16 im graphischen Gewerbe Verwendung finden soll, wo die Lichtausgangsleistung in Abhängigkeit von gewünschten Belichtungszeiten genau gesteuert werden muß, kann ein LichtIntegrations-Zeitgeber Verwendung finden, wie er in der US-amerikanischen Patentanmeldung Nr. 138 923 vom 10.4.1980 der gleichen Anmelderin beschrieben ist, um die erforderliche Kompensation der Netzspannungsschwankungen herbeizuführen, die sonst die Ausgangsleistung der Lampe 16 beeinflussen würden.

Alternativ hierzu kann aber auch eine Spannungsregelschaltung Anwendung finden, worin der Autotransformator 10 durch einen Eisenresonanz-Transformator nach Pig. 2 ersetzt ist, um eine Spannungsstabilisierung zu erreichen. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, hat der betreffende Eisenresonanz-Transformator 80 eine vom Wechselstromnetz gespeiste eigene Primärwicklung 82. Seine Sekundärwicklung 84 bildet einai Resonanzkreis mit dem Kondensator 86, der an den Ausgängen 12 und 14 eine stabilisierte Wechselspannung gewünschter Größe entstehen läßt.

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Claims (9)

1. PATENTANSPRÜCHE

   Speiseschaltung zum Speisen einer Hochleistungsentladungslampe aus einer Wechselstromquelle, mit einem von der Wechselstromquelle gespeisten, ein© Ausgangswicklung aufweisenden Speisetransformator (10, 80), einer Kaitkathoden-Hochleistungsentladungslampe (16), zwei jeweils eine Primär- und eine Sekundärwicklung (30, 32 bzw. 18, 20) aufweisenden Lampenzündimpulstransformatoren (22, 24) und einer Einrichtung (34) zur Lieferung von Lampenzündstromimpulsen an die Primärwicklungen (30, 32), wobei das Verhältnis der Windungszahlen der Primär- und der Sekundärwicklungen ein solches ist, das an den Sekundärwicklungen! (18, 20) Lampenzündimpulse ausreichender Grüße entstehen, um selbst in der heißen Lampe eine Entladung herbeizuführen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reihenschaltung der Lampe (16) und der Sekundärwicklungen (18, 20) der Zündimpulstransformatoren (22, 24) unmittelbar mit der Ausgangswicklung des Speisetransformators (10) verbunden ist und daß die Zündimpulstrlansformatoren so ausgelegt sind, daß die Sekundärwicklungen beim Zünden der kalten Lampe ungesättigt bleiben, um beim anschließenden Aufheizen der Lampe den Stromfluß durch diese auf einen höchstzulässigen Wert zu begrenzen.
2. 2. Speiseschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampe (16) einen Betriebsnennstrom von etwa der Hälfte des genannten hochstzulässigen Wertes für die Aufheizung der Lampe aufweist.
3. 3« Speiseschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die heiße Lampe (16) einen Betriebsnennstrom von etwa 25 A und eine Betriebenem-

   Spannung von etwa 200 V hat.
4. 4. Speiseschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die heiße Lampe (16) einen Betriebsnennstrom von etwa 20 Ä und eine Betriebsnennspannung von etwa 100 V hat.
5. 5. Speiseschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklungen (18, 20) der Zündimpulstransformatoren (22, 24) zusammen eine Induktivität von etwa 18 mH besitzen.
6. 6. Speiseschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Windungszahlen zwischen Sekundärwicklung (18, 20) und Primärwicklung (30, 32) der Zündimpulstransformatoren (22, 24) bei 100 : 1 liegt.
7. 7. Speiseschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zündimpulstransformatoren (22, 24) an ihren Sekundärwicklungen (18, 20) Jeweils Lampenzündimpulse in der Größenordnung von 25 000 V hervorzubringen vermögen, womit sich die Lampe (16) im heißen Zustand fast augenblicklich wiederzünden läßt.
8. 8. Speiseschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Speisetransformator (10) als Autotransformator ausgebildet ist und seine Ausgangswicklung bei dem höchstzulässigen Wert des Stromes beim Aufheizen der Lampe (16) ungesättigt bleibt.
9. 9. Speiseschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Speise-

   transformator (80) ein Eisenresonanz-Transformator ist, der ungeachtet irgenwelcher Spannungsschwankungen auf Seiten der Wechselstromquelle an seiner Ausgangswicklung (84) eine im wesentlichen konstante Spannung hervorbringt.

   10· Speiseschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennze i chnet, daß die Lampe (16) eine Metallhalogenlampe verhältnismäßig geringen Drucks ist, so daß die während der Aufheizzeit in der Lampe zu verdampfende Metallmeng® gering ist.