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Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Hochdruck-
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Entladungslampe an einer Batterie Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung
zum Betrieb einer Hochdruck-Entladungslampe an einer Batterie, mit einem Transistor-Spannungswandler
und einem nachgeschalteten Transformator, dessen Ausgangs-Wechselspannung der Hochdruck-Entladungslampe
zugeführt wird, wobei parallel zur Entladungslampe ein Zündgerät geschaltet ist,
das nach dem Zünden der Lampe infolge des Spannungsabfalls an einer vorgeschalteten
Induktivität unwirksam wird.
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Hochdruck-Entladungslampen benötigen zum Betrieb eine Wechselspannung.
In der Regel sind die Lampen einschließlich der zugehörigen Schaltung, die üblicherweise
ein induktives Vorschaltgerät in Form einer Drossel zur Strombegrenzung enthält,
so ausgelegt, daß die Lampen entsprechend der allgemein in Europa üblichen Norm
an eine Spannung von 220 Volt mit einer Frequenz von 50 Hz angeschlossen werden
können.
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Um den infolge der Induktivität auftretenden Blindstrom zu kompensieren,
wird in der Regel noch ein Kompensationskondensator parallel zum Netz geschaltet,
dessen Kapazität je nach der Induktivität und der Leistung zwischen 15 uF bis 50
uF beträgt.
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Andere Hochdruck-Entladungslampen, z. B. Natriumdampf-Hochdrucklampen
oder Halogen-Metalldampflampen benötigen zum Betrieb noch ein Zündgerät, das in
der Startphase die erforderliche Zündspannung von 2 bis 4,5 kV erzeugt. Dieses Zündgerät
liegt hinter der Drossel parallel zur Lampe.
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Da nach dem Zünden der Lampe die Hochspannung nicht mehr benötigt
wird, ist das Zündgerät so ausgelegt, daß es sich nach dem Zünden der Lampe automatisch
abschaltet. Diese automatische Abschaltung wird dadurch bewirkt, daß nach dem Zünden
durch die Lampe Strom fließt und hinter dem Vorschaltgerät ein Spannungsabfall auf
etwa 190 V auftritt. Diese Spannung reicht nicht mehr aus, um das Zündgerät in Betrieb
zu halten.
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Hochdruck-Entladungslampen besitzen eine hohe Lichtausbeute, die
je nach Leistung zwischen 70 bis 120 lm/W beträgt, und es wäre daher erwünscht,
diese Lampen auch an Akkumulatoren mobil betreiben zu können. Gerade im mobilen
Einsatz werden in der Regel hohe Lichtleistungen benötigt, beispielsweise bei Verkehrsunfällen,
Feuerwehreinsätzen etc., wo man bisher ausschließlich Jod-Halogenlampen eingesetzt
hat, die im Gegensatz zu Hochdruck-Entladungslampen nur eine Lichtausbeute von ca.
22 lm/W besitzen.
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Beispielsweise hat eine 250 W-Halogen-Metalldampflampe die gleiche
Lichtleistung von 22 000 lm wie eine 1000-W-Halogen-Lampe.
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Bisher war es lediglich möylich, bei fehlendem Netzanschluß Hochdruck-Entladungslampen
an Generatoren mit Zwei- oder Vier-Takt-Otto- oder Dieselmotor ab 2 kW Leistung
zu betreiben, jedoch schränkt die Größe dieser Generatoren die Mobilität stark ein.
Versuche, Hochdruck-Entladungslampen an Akkumulatoren zu betreiben, sind zunächst
nicht gelungen. Versuche mit rotierenden Umformern kleiner Leistung mit einer Eingangsspannung
von 12 oder 24 Volt Gleichspannung und einer Ausgangsspannung von 250 V und 50 Hz
bei einer Leistung von etwa 600 W haben nicht zum Erfolg geführt.
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Bei dem Versuch mit der üblichen Schaltung mit induktivem Vorschaltgerät
und Kompensationskondensator zündete die Lampe überhaupt nicht, da der Kompensationskondensator
ohne
Stromfluß durch das Vorschaltgerät als kapazitive Last wirkt.
Der Generator wurde durch die kapazitive Last so stark belastet, daß die Spannung
unter den für das Zündgerät erforderlichen Wert zusammenbrach.
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Auch das Fortlassen des Kompensationskondensators führte nicht zum
Erfolg, denn es stellte sich heraus, daß nach Anschluß der Schaltung die Lampe zwar
zündete, aber nach kurzer Zeit der Generator durch den auftretenden Blindstrom so
überlastet wurde, daß die Ausgangs-Spannung - bedingt durch die Hochohmigkeit gegenüber
dem Netz - zusammenbrach und die Lampe erlosch.
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Dem hätte nur durch eine höhere Leistung des Generators entgegengewirkt
werden können, jedoch wäre dann - abgesehen von dem nicht vertretbaren Aufwand -
der Wirkungsgrad der Anordnung so schlecht gewesen, daß man ebenso eine 1000-W-Halogenlampe
anstatt der bei dem Versuch verwendeten 250-W-Halogen-Metalldampflampe hätte einsetzen
können.
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In der eigenen älteren Patentanmeldung P 32 02 458.4 wurde eine Schaltungsanordnung
angegeben, mit der Hochdruck-Entladungslampen auch an einem Akkumulator problemlos
betrieben werden können. Um einen Zusammenbruch der Betriebsspannung der Lampe infolge
der begrenzten Leistung der Batterie zu verhindern, ist bei der vorgeschlagenen
Schaltung dem induktiven Vorschaltgerät ein kapazitiver Widerstand vorgeschaltet,
und in Reihe mit dem mit dem Verbindungspunkt von Vorschaltgerät und dem kapazitiven
Widerstand verbundenen Kompensationskondensator ist ein normalerweise offener Schalter
angeordnet, wobei eine Sensorschaltung den Schalter in Abhängigkeit von dem nach
dem Zünden durch die Lampe fließenden Betriebsstrom schließt. Die Betriebsspannung
wird hier durch einen Transistor-Spannungswandler und einen diesem nachgeschalteten
Transformator erzeugt. Diese Schaltung hat sich in der
Praxis als
sehr zufriedenstellend in der Funktion erwiesen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich gegenüber der vorgeschlagenen Schaltung
durch eine Verringerung des technischen Aufwandes und damit von Gewicht und Preis
und einen noch besseren Wirkungsgrad auszeichnet.
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Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß
die Sekundärwicklung des Transformators für die Erzeugung der Betriebsspannung für
das Zündgerät ausgelegt ist und zugleich die vorgeschaltete Induktivität darstellt,
daß die Sekundärwicklung eine Anzapfung zum Abgreifen der gegenüber der Betriebsspannung
für das Zündgerät niedrigeren Brennspannung für die Entladungslampe enthält, und
daß Mittel für die Betätigung eines Umschalters vorgesehen sind, die nach dem Zünden
der Entladungslampe die Speisespannung von der Betriebsspannung für das Zündgerät
auf die Brennspannung umschalten.
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Es hat sich überraschend gezeigt, daß eine Hochdruck-Entladungslampe
auch unmittelbar an einer Transformatorwicklung funktioniert, wenn diese an die
Lampenfunktion zu den erforderlichen Zeitpunkten angepaßt wird und beim Zünden die
volle Betriebsspannung von etwa 220 V für das Zündgerät liefert, nach Eintritt der
Zündung aber auf die Brennspannung der Lampe von etwa 100 V umgeschaltet wird.
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Die Sekundärwicklung des Transformators übernimmt dabei die Funktion
der sonst üblichen Vorschaltdrossel, so daß diese entfallen kann, und auch der sonst
übliche Kompensationskondensator kann entfallen, weil wegen des Fehlens der Vorschaltdrossel
die Notwendigkeit für eine Blindstrom-Kompensation entfällt.
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Hierdurch wird die Schaltungsanordnung hinsichtlich Aufwand und Gewicht
erheblich entlastet.
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Durch den niedrigen Innenwiderstand der Entladungslampe nach dem
Zünden bricht nämlich die Spannung an der Sekundärwicklung des Transformators genauso
wie hinter einer Vorschaltdrossel zusammen, so daß das Zündgerät unwirksam wird,
und die Mittel für die Betätigung des Umschalters zur Wirkung kommen, die die Lampe
an ihre Brennspannung legen. Der Strom in der Lampe steigt an, so daß sich die Lampe
wie bei Netzbetrieb verhält. Nach drei bis vier Minuten hat die Lampe ihre volle
Lichtleistung erreicht.
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Die Mittel für die Betätigung des Umschalters bestehen vorzugsweise
aus einer Sensorschaltung, die den Umschalter in Abhängigkeit von dem nach dem Zünden
durch die Lampe fließenden Betriebsstrom betätigt.
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Dabei enthält die Sensorschaltung eine Lichtquelle, die an das Potential
vor dem Zündgerät angeschlossen und so bemessen ist, daß sie erlischt, wenn das
Zünden der Lampe an der Sekundärwicklung des Transformators einen Spannungsabfall
hervorruft, und die Lichtquelle wirkt auf einen Fotowiderstand, der den Umschalter
über eine Transistorschaltung steuert.
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In seiner Ruhestellung stellt der Umschalter eine Verbindung zwischen
der Entladungslampe und der Transformatorwicklung für die Brennspannung her, und
dem Einschalttaster ist ein Kontakt zugeordnet, durch den der Fotowiderstand kurzzeitig
kurzgeschlossen wird, so daß beim Einschaltvorgang der Umschalter die Entladungslampe
an die Betriebsspannungswicklung legt. Dadurch steuert die leuchtende Glimmlampe
über den Fotowiderstand den Umschalter so lange an, bis durch das Zünden der Entladungslampe
die Glimmlampe erlischt. Nach einer Zeitverzögerung von
ca. 10 Sekunden
fällt das den Umschalter betätigende Relais ab, so daß die Lampe an die Brennspannungs-Wicklung
gelegt wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
In den Zeichnungen bedeuten: Fig. 1 die bekannte Schaltung zum Betrieb von Hochdruck-Entladungslampen
mit dem erforderlichen Zündgerät, Fig. 2 die erfindungsgemäße Schaltung und Fig.
3a-b Oszillogramme von Strom und Spannung der Lampe bei Netz- und Batteriebetrieb.
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Bei der bekannten Schaltung gemäß Fig. 1 liegt an den Klemmen 1 und
2 eine Wechselspannung Un an, von der über eine Vorschaltdrossel 3 eine Hochdruck-Entladungslampe
4 gespeist wird. Parallel zur Spannungswelle UN ist ein Kondensator Ck zur Kompensation
des von der Drossel 3 verursachten Blindstroms vorgesehen. Ein Zündgerät 5 ist hinter
der Drossel 3 parallel zur Lampe 4 geschaltet, bei der es sich um eine Natriumdampf-Hochdrucklampe
oder eine Halogen-Metalldampflampe handelt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist die Spannungsquelle
UN von Fig. 1 durch einen statischen Transistor-Spannungswandler 6 mit nachgeschaltetem
Transformator 7 ersetzt. Der Transistor-Spannungswandler setzt die Batteriespannung
von z. B. 12 V in eine Wechselspannung um, die über den Transformator 7 auf eine
Ausgangsspannung UZ von 220 V und 50 Hz an der Sekundärwicklung umgesetzt wird.
Diese Spannung Uz stellt die Betriebsspannung für das der Entladungslampe 4 parallel
geschaltete Zündgerät 5 dar, wobei zwischen der Sekundärwicklung des Transformators
7 und dem Zündgerät 5 ein Umschalter 10 angeordnet ist, der durch ein Relais 11
betätigbar ist. Die Sekundärwicklung des Ausgangs-Transformators 7 besitzt eine
Anzapfung 12, an der
eine Spannung UL abgreifbar ist, die der Brennspannung
der Entladungslampe 4 entspricht. Vor dem Zündgerät 5 liegt parallel eine Glimmlampe
13, die eine Zündspannung von mehr als 180 V besitzt.
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Im Ruhezustand liegt der Umschalter 10 an der Anzapfung 12 der Sekundärwicklung
des Transformators 7. Damit die Glimmlampe leuchten kann, wird durch einen Parallel-Kontakt
beim Einschalt-Taster 8 der Fotowiderstand 9 kurzzeitig kurzgeschlossen, so daß
das Relais 11 anzieht und das Zündgerät mit der Betriebsspannung beaufschlagt wird,
die zugleich die Glimmlampe 13 zum Aufleuchten bringt. Nachdem die Lampe 4 gezündet
hat, bricht durch den anschließend gezogenen Strom die Spannung an der Sekundärwicklung
des Ausgangs-Transformators 7 zusammen, und die Glimmlampe 13 erlischt dadurch,
so daß über den Fotowiderstand 9 und die an diesen angeschlossene Transistorschaltung
14 der Umschalter 10 betätigt wird und die Entladungslampe 4 an die Brennspannung
UL gelegt wird.
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Als zusätzliche Sicherheitsmaßnahme kann dem Relais noch ein weiterer
Kontakt 15 zugeordnet werden, der beim Umschalten des Umschalters 10 auf die Brennspannung
jegliche Stromzufuhr zu dem Zündgerät 5 unterbricht.
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Lichtmessungen ergaben im Vergleich bei Netzbetrieb eine höhere Lichtausbeute
von 10 %, obwohl die elektrische Leistung an der Lampe bei Netz- und Batterie-Betrieb
gleich war.
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Eine Erklärung hierfür wurde durch Herstellung von Oszillogrammen
für Strom und Spannung gefunden. Dabei ergab sich nach dem Integrieren des Strombildes,
daß die Fläche des Lampenstromes bei Batterie-Betrieb ca. 10 % größer ist als bei
Netz-Betrieb. Es ergab sich ferner, daß in der Praxis die Hochdruck-Entladungslampe
an einer geradlinigen Rechteck-Spannung ohne die normalerweise benötigte Spannungsüberhöhung
am Anfang jeder Halbwelle betrieben werden kann.
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Anstelle der in Fig. 2 dargestellten Schaltung kann auch eine Verzögerungs-Schaltung
vorgesehen werden, die nach Einschalten der Lampe zur Wirkung kommt und in einer
vorgegebenen Zeit nach der Einschaltung der Lampe den Umschalter 10 betätigt.
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Messungen haben ferner ergeben, daß mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
gegenüber der vorgeschlagenen Schaltung der Wirkungsgrad von etwa 60% auf etwa 75%
gesteigert werden konnte.