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Verfahren zum Betrieb kleiner
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Hochdruck-Metalldampfentladungslampen und Schaltungsanordnung zur
Ausübung dieses Verfahrens Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb
kleiner Eochdruck-Metalldampfentladungslampen mittels einer periodisch sprunghaft
in der Phase geänderten periodischen Betriebsspannung mit einer Frequenz von über
5 KHz. Unter einer periodischen Betriebsspannung ist z.B. eine sinus-, dreick- oder
rechteckförmige Spannung und unter kleinen Hochdruck-Metalldampfentladungslampen
sind solche mit einem Kolbenvolumen bis maximal etwa 2 ccm zu verstehen.
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Beim Betrieb von Hochdruck-Metalldampfentladungslampen, wie Hochdruck-Natriumdampfentladungslampen,
-Quecksilberdampfentladungslampen und -Metallhalogenidentladungslampen, oberhalb
der Netzfrequenz treten in bestimmten Frequenzbereichen in den Lampen Bogeninstabilitäten
auf. Diese werden durch akustische Resonanz des Entladungsbogens im Lampenkolben
hervorgerufen. Bei einigen Lampentypen treten Bogeninstabilitäten in sehr großen
Frequenzbereichen der Betriebsspannung auf. Bisher wurde daher angenommen, daß ein
stabiler Betrieb dieser Lampen nur in relativ schmalen Frequenzbändern möglicn ist.
So sind z.B. in der DE-OS 2 847 840 für Miniatur-Metallhalogenidentladungslampen
instabilitätsfreie Frequenzbänder von 3 bis 5 Kllz Breite zwischen 20 und 50 KHz
beschrieben.
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Zur Ausdehnung des instabilitätsfreien Frequenzbereiches ist in der
DE-Pat.Anm. P 31 22 183.1 vorgeschlagen, die Lampenbetriebsspannung sprunghaft in
der Phase zu ändern.
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Ein besonders gutes Ergebnis erreicht man, wenn die Phasenänderung
nicht periodisch, sondern statistisch, d.h.
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in unregelmäßigen Abständen, vorgenommen wird. Ein
Generator
für derartige statistisch verteilte Phasenänderungen ist jedoch schwierig herstellbar.
Aus diesem Grunde geht die Erfindung von periodischen Phasenänderungen aus, die
sich relativ einfach erzeugen lassen.
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Bei periodischen Phasenänderungen treten aber, insbesondere bei Miniatur-Metallhalogenidentladungslampen,
im bei statistischer Phasenänderung instabilitätsfreien Frequenzbereich der Betriebsspannung
bogeninstabile Frequenzbänder auf.
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Aus der DE-OS 2 735 589 ist es darüber hinaus bekannt, zur Vermeidung
von Bogeninstabilitäten hervorrufenden akustischen Resonanzen bei Niederdruck- und
Hochdruck-Quecksilberdampfentladungslampen die hochfrequente Versorgungsspannung
(z.B. 20 KHz) mit einem niederfrequenten Signal zu modulieren. In dieser DE-OS wird
aber zugegeben, daß selbst ein hoher Grad von Frequenzmodulation nicht ausreicht,
um Resonanzeffekte vollständig zu unterdrücken.
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Gemäß der US-PS 3 890 557 vermeidet man akustische Resonanzen bei
mit einem pulsierenden Strom betriebenen Quecksilberdampfentladungslampen, indem
die Zerhackerfrequenz automatisch gewobbelt wird. Es gibt aber Resonanzfrequenzen,
bei denen ein Wobbeln der Zerhackerfrequenz versagt. Insbesondere bei kleinen Hochdruck-Metalldampfentladungslamper
hat sich ein Wobbeln der Betriebsspannung als praktisch w rkungslos erwiesen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum
Betrieb von kleinen Hochdruck-Metalldampfentladungslamper für Frequenzen über 5
KHz zu schaffen, bei dem die periodische Betriebsspannung periodisch sprunghaft
in der Phase geändert wird und
dennoch über einen großen Frequenzbereich
von z.B. 20 bis 60 KHz in den Lampen praktisch keine akustischen Resonanzen und
dadurch verursachte Bogeninstabilitäten auftreten.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren eingangs erwähnter Art gemäß
der Erfindung dadurch gelöst, daß die Betriebsspannung gleichzeitig in ihrer Frequenz
gewobbelt wird.
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Uberraschenderweise hat sich herausgestellt, daß durch das allein
praktisch wirkungslose Wobbeln der Betriebsspannungsfrequenz bei gleichzeitigen
periodischen Phasenänderungen der von akustischen Instabilitäten freie Frequenzbereich
gegenüber dem Stabilitätsbereich bei alleiniger periodischer Phasenänderung nicht
nur erweitert, sondern auch von bogeninstabilen Zwischenbändern befreit wird.
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Bei Wechselstrombetrieb kann die Betriebsspannung Phasensprünge von
50 bis 150°, vorzugsweise von 90°, aufweisen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens nach der Erfindung
wird der Betriebsspannung eine Gleichspannung überlagert. Ein derartiger pulsierender
Gleichstrombetrieb läßt sich durch ein elektronisches Vorschaltgerät einfacher realisieren
als ein reiner Wechselstrombetrieb. Bei kleinen Lampen, insbesondere Miniatur-Netallhalogenidentladungslampen,
bringt ein pulsierender Gleichstrombetrieb keine Probleme mit sich, da hier, im
Gegensatz zu Hochdruckentladungslampen mit großem Elektrodenabstand, die axiale
Entmischung der Substanzen durch Kataphorese praktisch keine Rolle spielt.
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Im Fall des pulsierenden Gleichstrombetriebes kann die Betriebsspannung
Phasensprünge von 100 bis 250°,
vorzugsweise von 1800, aufweisen.
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Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Schaltungsanordnung zur
Ausübung des beschriebenen Verfahrens, bei der ein periodisches Signal eines spannungsgesteuerten
Signalgenerators einmal direkt und einmal über einen Phasenschieber einem Analog-Multiplexer
und von dort über einen Leistungsverstärker der Hochdruck-Metalldampfentladungslampe
als Betriebsspannung zugeführt wird, wobei mit Hilfe eines digitalen Impulsgenerators
der Analog-Multiplexer periodisch abwechselnd direkt oder über den Phasenschieber
den Signalgenerator mit dem Leistungsverstärker verbindet.
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Diese Schaltungsanordnung ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet,
daß der spannungsgesteuerte Signalgenerator von einem Spannungsgenerator konstanter
Amplitude Uw und Frequenz fw derart beaufschlagt wird, daß sein Ausgangssignal in
der Frequenz um eine Mittenfrequenz fO mit einem Frequenzhub ist geändert wird.
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Ziir Uberlagerung der Betriebsspannung mit einer Geichspannung ist
gemäß einer Weiterbildung der Schaltunsanordnung nach der Erfindung zwischen Leistungsverstärker
und Lampe eine Gleichspannungsquelle geschaltet.
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Ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung wird nunmehr anhand der
Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Pig. 1 ein BLockschaltbild einer Schaltungsanordnung
zum Betr-ieb eine kleinen Hochdruck-Metalldampfen-tladungslampe, Fig. 2 den Verlauf
der Lampenspannung für den Fall eines pulsierenden Gleichstrombetriebes.
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Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 erzeugt ein
Spannungsgenerator
1 eine periodische, z.B. sinusförmige Spannung der Amplitude U und der Prequenz
fw, mit der ein spannungsgesteuerter Signalgenerator 2 beaufschlagt wird.
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Dieser erzeugt wiederum eine periodische, im vorliegenden Fall sinusförmige
Ausgangsspannung, deren Prequenz um eine einstellbare Mittenfrequenz fo herum mit
der Wobbelfrequenz zwischen fO- bf und fO+ t f geändert wird, wobei der Frequenzhub
ß f durch die Amplitude UW der Wobbelspannung bestimmt wird. Diese in ihrer Frequenz
dauernd geänderte Ausgangsspannung des Signalgenerators 2 wird dann vom Knotenpunkt
3 aus einmal über eine Leitung 4 direkt und einmal über einen Phasenschieber 5 einem
Analog-Multiplexer 6 zugeführt. Der Ausgang 7 des Analog-Multiplexers 6 ist mit
einem linearen Leistungsverstärker 8 verbunden, an den eine kleine Hochdruck-Metalldampfentladungslampe
9 in Reihe mit einer Ballastimpedanz 10 angeschlossen ist.
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Der Analog-Multiplexer 6 wirkt praktisch wie ein Schalter mit zwei
Schaltkontakten S1 und S2. Uber Leitungen 11 und 12 wird der Analog-Multiplexer
6 von einem digitalen Impulsgenerator 13 gesteuert. In die Leitung 12 ist ein Inverter
14 zwischengeschaltet. Ist der Ausgang des digitalen Impulsgenerators 13 auf LOW-Signal
(L) geschaltet, so steht an der Leitung 11 ebenfalls L an, wahrend die Leitung 12
über den Inverter 14 auf HIGH-Signal (H) geschaltet St. In diesem Zustand schließt
der Analog-Multiplexer 6 seinen Schalter S1, so daß am Ausgang 7 direkt die gewobbelte
Spannung des Signalgenerators 2 anliegt. Wenn der Ausgang des digitalen Impulsgenerators
13 auf H geschaltet ist, so steht auch an der Leitung 11 H an, während die Leitung
12 über den Inverter 14 auf L gesetzt wird. In diesem Zustand schließt der Schalter
S2 des Analog-Multiplexers 6, so daß an seinem Ausgang 7 die
phasenverschobene
und gewobbelte Spannung des Signalgenerators 2 anliegt. Die Phasenänderung der Ausgangsspannung
des Analog-Multiplexers 6 gegenüber der Ausgangsspannung des Signalgenerators 2
kann mit Hilfe des Phasenschiebers 5 durch Phasensprünge von vorzugsweise 90" bei
Wechselstrombetrieb erfolgen; die gewünschte Phasenänderung kann am Phasenschieber
5 eingestellt werden.
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Da der digitale Impulsgenerator 13 eine periodische Impulsreihe liefert,
erscheint am Ausgang 7 des Analog-Multiplexers 6 abwechselnd die direkte gewobbelte
Spannung oder die phasengeänderte gewobbelte Spannung des Signalgenerators 2. Die
Frequenz der Phasenänderung der Ausgangsspannung des Analog-Multiplexers 6 ist durch
die Grundfrequenz fp der periodischen Impulsreihe des digitalen Irnpulsgenerators
17 gegeben. eine Phasenänderung am Ausgang 7 des Analog-Multiplexers 6 tritt also
jeweils nach etwa /fp- Perioden der Signalgeneratorspannung auf, so da3 sich durch
Wahl dieses.Verhältnisses die Zeitfolge der Phasenänderungen einstellen läßt. Die
so erhaltene Ausgangsspannung des Analog-Multiplexers 6 mit periodi3chen Phasenänderungen
in Form von Phasensprüngen wird dann über den linearen Leistungsverstärker 8 der
Lampe 9 als Betriebsspannung zugeführt.
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In der Schaltngsanordnung nach Pig. 1 ist zwischen de Leistungsverstärker
8 und die Lampe 9 eine ztsätzliche Cleichspannungsqltelle 15 (z.B. 100 X) geschaTtet.
1)adu'ch wird die Lampe 9 mit Gleichstrom betrieben, dem der vom Leistungsverstärker
8 gelieferte Betriebswechselstrom überlagert ist. In diesem Fall des pulsierenden
Gleichstrombetriebes stimmen die Frequenzen der Spannungsmodulation und der Leistungsmodulation
überein.
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Um einen Phasensprung von 1800 in der Leistung zu erreichen, muß deshalb
der Phasensprung der Betriebsspannung ebenfals 1800 betragen, im Gegensatz zu 90"
bei reinem Wechselspannungsbetrieb der Lampe. Der zulässige Bereich für den Phasensprung
beträgt etwa 100 bis 250".
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Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel war die Lampe 9 eine zlliptische
45 J-Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe mit etwa 7 mm Kolbendurchmesser und
einem Kolbenvolumen von etwa 0,5 ccm. Der spannungsgesteuerte Signalgenerator 2
erzeugte eine Spanung mit einer Mittenfrequenz f0 im Frequenzbereich zwischen 20
und 50 KHz. Der Frequenzhub f betrug 500 Hz bis 15 KHz, vorzugsweise 5 KHz. Die
Wobbelfrequenz f W des Spannlngsgenerators 1 lag zwischen 30 Hz und 15 K[Iz, vorugsweise
bei 100 filz.
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In Fig. 2 ist der zeitliche Verlauf der Lampenspannung UL für den
Pall eines 1800-Phasensprunges der gewobbelten sinusförmigen Ausgangsspannung des
Signalgenerators 2 dargestellt (die einzelnen Phasensprünge sind durch Pfeile oberhalb
des Spannungsverlaufes gekennzeichnet). Der Spannungsverlauf kann auch so liegen,
daß er die Null-Linie überhaupt nicht berührt. Mit dem dargestellten Spannungsverlauf
ergab sich für die Lampe 9 ein instabilitätsfreies Frequenzband von etwa 25 KHz
Breite. Im Gegensatz dazu betrug das instabilitätsfreie Frequenzband bei Betrieb
der Lampe mit einer reinen sinusförmigen Betriebsspannung nur etwa 3 KHz.
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Das breite Stabilitätsfrequenzband erlaubt hohe Toleranzen bei der
Prequenzfestlegung der elektronischen
Vorschaltgeräte und auch
bei der Einhaltung der Lampenabmessungen.
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Bei der Anwendung des Verfahrens auf elektronische Hochfrequenzvorschaltgeräte
wird in der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 der aus Leistungsverstärker 8, Ballastimpedanz
10 und Gleichspannungsquelle 15 bestehende Schaltungsteil durch die Leistungselektronik
des entsprechenden Vorschaltgerätes ersetzt, die dann vom Ausgangssignal des Analog-Multiplexers
6 angesteuert wird.