DE3230893A1

DE3230893A1 - Vorschaltgeraet fuer entladungslampen

Info

Publication number: DE3230893A1
Application number: DE3230893A
Authority: DE
Inventors: William J. 89448 Zephyr Cove Nev. Elliott
Original assignee: QUIETLITE INTERNATIONAL Ltd
Current assignee: QUIETLITE INTERNATIONAL Ltd
Priority date: 1980-06-16
Filing date: 1982-08-19
Publication date: 1984-03-22
Also published as: SE8204688L; AU555559B2; AU8727882A; GB2125240A; JPS5935394A; FR2532509B1; US4358717A; SE8204688D0; NL8203309A; FR2532509A1; CA1184238A

Description

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Vorschaltgerät für Entladungslampen

Die Erfindung betrifft ein Vorschaltgerät für eine elektrische Entladungslampe nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Elektrische Entladungslampen erzeugen im Vergleich zu herkömmlichen Glühlampen (mit Wolfram-Glühdraht) Licht mit erheblich größerem Wirkungsgrad und weisen eine sehr viel längere Lebensdauer auf. Mit dem angestiegenen Bewußtsein für die Notwendigkeit, Energie einzusparen und Wartung sowie Kosten zu reduzieren, sind Entladungslampen hoher Intensität (HID) in vielen Fällen Glühlampen vorgezogen worden, insbesondere um industrielle, gewerbliche und Bedürfnisse der Straßenbeleuchtung zu decken.

Herkömmliche HID-Lampen werden normalerweise mit Wechselstrom ver

sorgt, der durch ein induktives Vorschaltgerät oder eine Ballast- « drossel (magnetischer Kern und Spule) fließt. Das Vorschaltgerät

wird benötigt, um den Stromfluß durch die Entladungslampe mit ihrem !'■; negativen Widerstand zu begrenzen. Zur Unterbringung und Halterung

l": der notwendigerweise großen und schweren Ballastdrossel müssen die

f\ Halterungen der Lampe und die Lampenaufhängung selbst groß und kräftig

|< ausgebildet werden. Die relativ hohen Gesamtinstallationskosten von

!fj¹ HID-Beleuchtungssystemen können somit zu einem großen Teil den Kosten

|j der Größe und dem Gewicht der herkömmlichen magnetischen Wechselstrom-

';i ballastdrossel zugeschrieben werden.

In dem US Patent 4,289, 993 wird ein elektronisches Festkörper-Vorschaltgerät beschrieben, das kleiner, leichter und weniger teuer als eine konventionelle Ballastdrossel mit Kern und Spule ist und das einen effektiven Betrieb der elektrischen Gasentladungslampe

während

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w-'ihrend des Startens, des Anlaufens und des kontinuierlichen Betriebs ermöglicht, ohne elektromagnetische Störungen odor akustische Schwingungen zu erzeugen.

Bei dieser früheren Anordnung wird die Entladungslampe in Reihe mit einem Halbleitervorschaltgerät an eine Gleichstromquelle angeschlossen. Das Vorschaltgerät überwacht und steuert den Energiefluß zur Lampe, indem es den Stromfluß zur Lampe auf einen sicheren Wert begrenzt, wenn diese erstmalig gezündet wird und anschließend, indem der effektive Widerstand der Steuerschaltung herabgesetzt wird, wenn der Dampfdruck in der Lampe ansteigt, so daß die im Vorschaltgerät verbrauchte Energie beim normalen Betrieb stark reduziert ist und der Wirkungsgrad steigt. Das in Reihe mit der Lampe geschaltete Halbleiter-Vorschaltgerät enthalt einen festen Ballastwidersland und einen oder mehrere dazu parallel geschaltete Transistoren. Zu der Zeit, wenn die Lampe zündet, ist der Paralleltransistor im wesentlichen gesperrt, so daß praktisch der gesamte Lampenstrom durch den festen Ballastwiderstand fließt. Mit ansteigender Lampenspannung und sinkendem Lampenstrom (aufgrund des zunehmenden Dampfdrucks innerhalb der Lampe während der aufheizzeit) werden Einrichtungen verwendet, die auf die sich ändernden Betriebsparameter der Lampe ansprechen, um die Leitfähigkeit des oder der Transistoren zu erhöhen, damit wird eine zweite Stromquelle für die Lampe zur Verfügung gestellt und der effektive Widerstand und der Energieverbrauch des Vorschaltgeräts reduziert.

Obwohl die Festkörper-Vorschaltgeräte, die entsprechend den im genannten US- Patent angegebenen Grundsätzen gebaut sind, beträchtliche Vorteile aufweisen, führt die dort verwendete Halbleitertechnologie (diskrete bipolare Elemente) zu einem etwas komplexen physikalischen Gerät, das durch eine beträchtliche Anzahl von Einzelkomponenten charakterisiert ist und somit höhere Herstellkosten und ein höheres Fehlerrisiko aufgrund des Ausfalls von Komponenten oder Montagefehlern mit sich bringt.

Die

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Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, ein Vorschaltgerät der eingangs genannten Art anzugeben, das einfacher, billiger und kleiner als die bisherigen Geräte ist. Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch gekennzeichnete Erfindung gelöst; Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Bei der hier vorgeschlagenen Erfindung wird die an eine elektrische Entladungslampe gelieferte elektrische Energie dadurch gesteuert, daß die Lampe zusammen mit dem dazu in Reihe geschalteten Source-Drain-Kanal eines Isolier-Feldeffekttransistors (FET) an eine Gleichstromquelle angeschlossen wird, wobei die Leitfähigkeit des Kanals durch ein an die Gateelektrode angelegtes Steuerpotential bestimmt wird.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird als FET vorzugsweise ein Leistungstransistor des Typs vertikaler Metalloxidhalbleiter (VMOS) verwendet, bei dem der Kanal bezüglich der "horizontalen" Hauptebene des Halbleiterplättchens "vertikal" liegt. Solche VMOS Bauelemente werden bekanntlich dadurch hergestellt, daß ein V-förmiger Graben in die Oberfläche eines Siliciumplättchens geätzt wird und der vertikale (oder fast vertikale) Kanal längs den Seiten des Grabens ausgebildet wird.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung betrifft die genaue und sichere Steuerung der Kanal-Leitfähigkeit, die aufgrund der hohen Eingangsimpedanz und der großen Verstärkung von VMOS FET ermöglicht wird, als Funktion sowohl der Schwankungen des Lampenstroms und der Lampenspannung mithilfe eines vereinfachten Steuerschaltkreises, der in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung die Kombination der folgenden Elemente umfaßt: Ein Widerstand (der in Reihe mit der Lampe geschaltet ist, um den Lampenstrom abzufühlen), ein Spannungsteiler (der parallel zur Lampe geschaltet ist, um die Lampenspannung abzufühlen) und ein einzelner Transistor geringer

Leistung

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Leistung, der ein Steuerpotential an die Gateelektrode des FET liefert, um den Betrieb der Lampe zu steuern.

Das verbesserte Festkörper-Vorschaltgerät der vorliegenden Erfindung wird zweckmäßig in Form eines einzelnen hybriden mikroelektronischen Schaltkreises hergestellt, bei dem Siliciumplättchen mit dem VMOS FET, dem bipolaren Steuertransistor und den Gleichrichterdioden für die Gleichstromversorgung direkt mit einem nichtleitenden Substrat verbunden sind, auf dem ein entsprechendes Muster metallischer Leiter und Dünnfilmwiderstände angebracht wurden. Auf diese Art können alle Komponenten des Vorschaltgeräts (mit Ausnahme des festen Ballastwiderstands und der Stromversorgungskondensatoren) auf eine einzelne Komponente reduziert werden, die einfach in großen Stückzahlen

U hergestellt werden kann. $

Die geringe Größe des Vorschaltgeräts erlaubt es, dieses als integralen J

Teil der Lampe selbst herzustellen, wobei der Ballastwiderstand in ■

Form eines Wolframglühdrahts ausgebildet ist, der während der Zünd- j periode der Dampflampe eine Glühbeleuchtung erzeugt.

In den Schaltkreis zur Steuerung der Leitfähigkeit des VMOS FET-Kanals > kann weiterhin ein manuell einstellbarer Widerstand eingebaut werden, um so den von der Lampe gelieferten Beleuchtungspegel manuell zu .

ändern (sogenanntes Dimmen).

In einer weiteren Ausgestaltung kann ein lichtempfindlicher Halbleiter < verwendet werden, um die Leitfähigkeit des VMOS-Bauelements zu steuern ^: und um so den Belex.chtungspegel in der Umgebung der Lampe zu regulieren.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

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Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines verbesserten ■·.

Vorschaltgeräts für Gasentladungslampen, mit dem die an eine Gasentladungslampe hoher Intensität gelieferte Energie gesteuert werden kann;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines im Stand der

Technik bekannten Vorschaltgeräts mit diskreten bipolaren Transistoren;

Fig. 3 eine Leuchtstofflampe großer Intensität, bei der

das Vorschaltgerät in den Hals der Lampe eingebaut ist und der Ballastwiderstand eine Glühwendel darstellt, die zusammen mit der Röhre für die Bogenentladung in einer weiteren Glaskugel untergebracht ist;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Festkörper-

Vorschaltgeräts mit Dimmeinrichtung und

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Vorschalt

geräts für konstante Beleuchtung, in dem ein Phototransistor auf den Beleuchtungspegel in der Umgebung der Lampe anspricht, um die Leitfähigkeit des VMOS-Kanals zu steuern.

Das Festkörper-Vorschaltgerät, das innerhalb des gestrichelt gezeichneten Rechtecks lOO in Fig. 1 dargestellt ist, stellt eine Verbesserung und beträchtliche Vereinfachung des Schaltkreises innerhalb des gestrichelten Rechtecks 100 in Fig. 2 dar. Beim Vergleich der Figuren 1 und 2 zeigt sich, daß in beiden Schaltungen die außerhalb des Rechtecks lOO liegenden Komponenten identisch sind. In der folgenden

Beschreibung

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Beschreibung wird zuerst die Wirkungsweise des verbesserten Schaltkreises in Fig. 1 erläutert und anschließend dieser verbesserte Schaltkreis mit dem im Stand der Technik bekannten und in Fig. dargestellten verglichen.

Das hauptsächliche aktive Element im verbesserten Vorschaltgerät nach Fig. 1 ist ein Feldeffekttransistor (FET 1O) vom Typ Vertikalmetalloxid-Halbleiter (VMOS), dessen Source-Drain-Kanal zwischen dem positiven Anschluß einer Gleichstromquelle und oinem Ende eines Widerstandes 125 zum Abfühlen des Stroms angeschlossen ist. Ein fester Ballastwiderstand 11 ist parallel zum Kanal des FET 10 geschaltet. Die Gateelektrode von FET 10 ist mit dem Kollektor eines bipolaren Transistors 12 verbunden, dessen Emitter an den Verbindungspunkt eines Paars von Widerständen 13 und 14 angeschlossen ist. Die Reihenschaltung der Widerstände 13 und 14 stellt einen Spannungsteiler dar, der in Reihe mit einer in Sperrichtung vorgespannten Zener-Diode parallel zur Lampe 35 geschaltet ist. Der Kollektor des Transistors 12 und das Gate von FET 10 sind über einen Widerstand 15 mit dem positiven Anschluß der Gleichstromquelle verbunden. Ein Widerstand verbindet die Basis des Transistors 12 mit der Source von FET

Die Gleichstromquelle enthält einen herkömmlichen Doppelweggleichrichter mit Dioden 30, einem Paar von Spannungsverdopplungs-Kondensatoren 31 und einem Filterkondensator 32. Wenn bei nicht gezündeter Lampe 35 eine Wechselstromnetzspannung an die Klemmen 12O und 121 angelegt wird, steigt die Spannung am Filterkondensator 32 auf einen Wert, der ausreicht, die Lampe 35 zu "feuern" (ungefähr 300 Volt für eine Quecksilber-Dampflampe). Aufgrund der kleinen Kapazität des Verdopplungskondensators 31 (relativ zu der des Filterkondensators 32) hört die Spannungsverdopplung auf, sobald die Lampe 35 anfängt, einen nicht unbeträchtlichen Strom aus der Stromversorgung zu ziehen.

Unmittelbar

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Unmittelbar nach der Zündung sinkt die Spannung an der Lampe 35 auf einen geringen Wert ab (zum Beispiel 15 Volt). Diese geringe anfängliche Lampenspannung kommt daher, daß bei HID-Lampen der anfängliche Elektronenstrom ausschließlich durch ein Startgas erfolgt, beispielsweise Argon. Wenn die Lampe weiterbrennt, fängt die dabei entwickelte Wärme an, das Quecksilber, Natrium oder Metall-Halogenid zu verdampfen, das auf den Innenseiten der kalten Röhre für die Bogenentladung abgeschieden ist. Mit ansteigendem Dampfdruck innerhalb der Röhre steigt die Spannung an der Lampe, und der Strom durch die Lampe nimmt ab.

Um die Lampe vor übermäßigem Strom zu schützen und sie zum gewünschten Betriebspunkt zu führen, wird der Kanal von FET 10 anfänglich in einem nichtleitenden Zustand gehalten, so daß praktisch der gesamte Lampenstrom unmittelbar nach der Zündung durch den festen Ballastwiderstand 11 fließt. Diese anfängliche Sperrung des FET 10 wird durch den hohen Startstrom sichergestellt, der durch den Abfühlwiderstand 125 fließt und so die Basij-Emitterschicht des Transistors 12 in Vorwärtsrichtung polt, um die Gate-Source-Spannung von FET 10 sicher auf einem Wert zu halten, der für die Leitfähigkeit des Kanals nicht ausreicht.

Der Widerstandswert des festen Ballastwiderstands 11 wird vorzugsweise so gewählt, daß der anfängliche Lampenstrom auf einen Wert begrenzt wird, der ungefähr gleich 120 % des Nennstroms der Lampe bei ihrer Nennspannung beträgt.

Mit steigender Lampenspannung und abnehmendem Larapenstrom während der Aufheizperiode wird schließlich ein Schwellwert erreicht, bei dem der bipolare Transistor 12 allmählich ausgeschaltet wird und so das an die Gateelektrode von FET 10 angelegte Potential anhebt und den Source-Drain-Kanal von FET IO leitfähig macht. Wenn der Stromfluß sowohl durch den Kanal von FET 10 als auch durch den Widerstand 11 einsetzt, hat ein zusätzlicher Stromfluß durch den Widerstand 125 die Tendenz, Transistor 12 einzuschalten und FET 10 auszuschalten. Die kombinierte Verstärkung der Transistoren 12 und FET 10 arbeitet

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also in Gegenkopplung, um den Lampenstrom nach Erreichen des Schwell- .! werts zu regulieren.

Aufgrund variierender Herstellbedingungen arbeiten verschiedene Lampen ·,-> des gleichen Typs tatsächlich bei verschiedenen Spannungen und Strömen/ * wenn sie voll aufgeheizt sind. Zur Normierunr, der erzielten Beleuchtung || ist es wünschenswert, diesen Lampen eine vorbestimmte Nennleistung zu- Ls zuführen, unabhängig von Variationen ihrer Betriebsspannungen. Dazu f| wird das Festkörper-Vorschaltgerät auch so ausgelegt, daß es auch ^;;

auf Variationen der Lampenspannung reagiert. Die Spannungsteilung der Widerstände 13 und 14 erzeugt eine Vorspannung am Widerstand 14, die zur Folge hat, daß der Schwellwert für den Lampenstrom für Lampen, die eine höhere Betriebsspannung haben, zu einem geringeren Wert verschoben wird. Solange die Larapenspannung die umgekehrte Durchbruch- ' spannung der Zener-Diode 18 übersteigt, hat die Lampenspannung keine Wirkung auf die Leitfähigkeit des FET IO, der einen konstanten Strom ;

ΐ an die Lampe 35 liefert, sobald er zum ersten Mal leitfähig geworden ' ist. Wenn Diode 18 jedoch einmal leitet, reduziert jedes weitere An- j steigen der Lampenspannung den Schwellwert des Lampenstroms, so daß '■: im Bereich der Nennbetriebsspannung der Lampe (bei vollem Dampfdruck) der Schaltkreis die Abgabe einer Nennleistung an die Lampe : sicherstellt.

Es ist darauf hinzuweisen, daß das Vorschaltgerät die Leistungsabgabe an die Lampe ausschließlich als Funktion der Betriebsbedingung der -Lampe selbst steuert und unabhängig von Schwankungen der Netzspannung ί ist, die bei kommerziellen Netzen zwischen 1Ο8 und 132 Volt Wechselstrom liegen kann. ^:

Um eine im wesentlichen konstante Leistung an die Lampe zur Erzeugung einer normierten Beleuchtungsstärke abzugeben, sind die relativen Werte der Widerstände 13, 14 und 125 so ausgewählt, daß beim Nennbetrieb der Lampe jede Abnahme der Lampenspannung durch eine Zunahme

des '

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des Lampenstroms kompensiert wird (und umgekehrt).

Beispielsweise sind zum Betrieb von Quecksilberdampf- Lampen mit 175 Watt des Typs H39 die folgenden Komponenten und Werte geeignet:

VMOS FET IO

Widerstand 11 Transistor 12 Widerstand 13 Widerstand 14 Widerstand 15 Widerstand 16 Diode 18 Kondensator 31 Kondensator 32 Lampe 3 5 Widerstand 125

VN 034 OMl (erhältlich von Supertex, Inc. in

Sunnyvale, Kalifornien)

85 0hm lOO Watt

Type 3904 NPN Bipolartransistor

180 KOhm, 1/4 Watt

50 0hm, 1/4 Watt

lOO KOhm, 1/4 Watt

2OO Ohm, 1/4 Watt

lOO Volt, 1 Watt

5 Mikrofarad, 2OO Volt Wechselstrom

240 Mikrofarad, 350 Volt

H39 Quecksilber-Dampf

5 Ohm, 5 Watt.

Der VMOS Feldeffekttransistor weist Eigenschaften auf, die ihn in einmaliger Weise zur Steuerung von Strom durch eine elektrische Entladungslampe befähigen. Zum ersten besitzen Isolierschicht-Feldeffekttransistoren, die auf anderen physikalischen Grundlagen als Bipolartransistoren beruhen, eine sehr hohe Eingangsimpedanz, so daß sie durch Steuerelemente mit sehr geringer Leistung beaufschlagt werden können. Feldeffekttransistoren vom planaren Metalloxidhalbleiter-(MOS)-Typ, werden zwar beim Aufbau von komplexen integrierten Schaltungen häufig verwendet, weisen aber einen hohen Spannungsabfall im eingeschalteten Zustand auf, so daß Standard-MOS-FET-Bauelemente zur Steuerung von starken Strömen nicht geeignet sind. Daher werden für solche Anwendungen mit hoher Leistung häufig Bipolarelemente eingesetzt. Die erst vor kurzem entwickelten neuen Familien von VMOS-Elementen, die so aufgebaut sind, daß der Kanalstrom im wesentlichen vertikal zur horizontalen Hauptebene des Siliciumplättchens fließt, erlauben es, das Verhältnis von Kanallänge zu Kanalbreite stark zu reduzieren

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und somit die Eigenschaften zur Steuerung von Strömen deutlich zu verbessern. Ein im Stand der Technik bekanntes Vorschaltgerät mit bipolaren Leistungstransistoren ist in Fig. 2 dargestellt (und dem US Patent 4,289,993 entnommen) und zeigt im Vergleich die vorteilhaften Eigenschaften der Verwendung von VMOS-FET als hauptsächliches aktives Eallastelement der Lampe.

Entsprechend Fig. 2 wurde früher ein Paar paralleler bipolarer Leistungstransistoren, die durch einen Thermistor GO geschützt wurden, verwendet, um den Ballastwiderst-*\nd 40 zu überbrücken. Zwei Bipolartransistoren (statt des einzelnen VHOS-Elernents 10) wurden zur Führung der starxen auftretenden Ströme benötigt, ebenso Emitterwiderstände 55 und 57, um sogenanntes "current hogging" (parasitärer Stromentzug) durch einen der Bipolartransistoren zu unterdrücken; das letztgenannte Problem verstärkt sich noch durch die Tatsache, daß Bipolarelemente der sogenannten "thermischen Drift" und dem "zweiten Durchbruch" unterliegen. Im Gegensatz dazu führt im VMOS FET in Fig. 1 eine Temperaturerhöhung nicht zu einer Erhöhung der Leitfähigkeit des Elements, und es tritt kein zweiter Durchbruch auf.

Weiterhin ist im Gerät nach dem Stand der Technik ein beträchtlicher Basisstrom für die Leistungstransistoren 51 und 53 erforderlich, so daß wiederum eine Anzahl von in Reihe geschalteten Transistoren im Steuerschaltkreis erforderlich ist, um die notwendige Vorstärkung aufzubringen. Mit zunehmender Zahl der hintereinander geschalteten Transistoren erfordert der mögliche kuramulative Effekt von Herstellungsschwankungen der Verstärkung (ß) der Transistoren den Einbau einer weiteren Verstärkung mit negativer Rückkopplung, um einen verläßlichen Betrieb zu gewährleisten. Insgesamt waren im Vorschaltgerät des Standes der Technik mit Bipolareleraenten nach

Fig. 2

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Fig. 2 25 Einzelkomponenten erforderlich (entsprechend der Darstellung innerhalb des gestrichtelten Rechtecks 1OO in Fig. 2), während die verbesserte Schaltung nach Fig. 1 nur 8 Komponenten erfordert; wie früher erwähnt, sind diese sogar geeignet, in eine einzelne hybride mikroelektronische Schaltung vereinigt zu werden. Die hohe Eingangsimpedanz, die hohe Verstärkung und die Fähigkeit des VMOS FET, hohe Ströme zu verarbeiten, tragen alle dazu bei, den Schaltkreis zu vereinfachen und seine Abmessungen, seine Kosten und sein Gewicht zu reduzieren.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann das kleine billige Vorschaltgerät vorteilhafterweise als integrierender Bestandteil der Lampenanordnung ausgebildet werden, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Die hauptsächlichen elektronischen Komponenten des Vorschaltgeräts können wie früher erwähnt in Form eines einzelnen hybriden Schaltkreises lOO hergestellt werden, der schematisch auf der rechten Seite in der Figur dargestellt ist und im Hals der Lampenanordnung untergebracht werden, die schematisch auf der linken Seite von Fig. 3 gezeichnet ist.

Die verschiedenen Komponenten des Schaltkreises arbeiten wie früher beschrieben und wurden mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen. In dem in Fig. 3 dargestellten hybriden Schaltkreis wurde die Schaltung zur Abfühlung der Spannung modifiziert, um die vergleichsweise teure, für hohe Spannungen ausgelegte Zener-Diode 18 in Fig. 2 wegfallen lassen zu können. Diode 18 und die Widerstände 13 und 14 werden durch eine Reihenschaltung von Widerständen 18 und 20 ersetzt, die parallel zur Lampe liegen (zwischen den Klemmen B und D), eine in Vorwärtsrichtung vorgespannte Diode 19, die zwischen dem Emitter des Transistors 12 und dem Verbindungspunkt der Widerstände und 20 liegt und einen Widerstand 21, der den Emitter des Transistor

mit

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mit Klemme D verbindet (dem Verbindungspunkt des Widerstands 125 für die Abfühlung des Stroms und der Röhre 230 für die Bogenentladung). Von der Lampenspannung erscheint nur ein Bruchteil am Widerstand 20, so daß Diode 19 erst dann leitend wird, wenn sich das Potential an der Röhre 230 für die Bogenentladung seinem normalen Betriebswert nähert.

Die hybride Schaltung 2OO wird in bekannter Weise gefertigt durch Plattieren eines elektrisch nichtleitenden Substrats (beispielsweise aus Keramik, Silicium oder Berylium) mit einem metallisierten Muster von Leiterzügen, die mit den Halbleiterschaltplättchen (dem VMOS FET 10, dem bipolaren Transistor 12 und den Dioden 30) verbunden werden. Die Widerstände 13 bis 15 und 125 bestehen aus halbleitendem Material oder aus niedergeschlagenen Schichten. Die Toleranzen der absoluten Werte der Dünnschichtwiderstände können mit einer der bekannten Trimmtechniken (Oxidation, Anlassen, Laser-Trimmen oder Materialabtragung) auf 1 bis 0,01 % des gewünschten Wertes eingestellt werden. Auf diese Weise können die Verhältnisse der Widerstandswerte 13, 14 und 125 so genau eingestellt werden, daß die hybride Schaltung 200 die gewünschte Leistung an die HID-Bogenlampe liefert.

In der Anordnung nach Fig. 3 wird die Funktion des festen Ballastwiderstandes 11 aus Fig. 1 durch einen 200 Watt Wolframglühdraht übernommen, der in Fig. 5 mit 210 bezeichnet ist und in der äußeren Glasbirne 220 der Lampe angeordnet ist. Die Birne 220, die teilweise evakuiert und/oder mit einem Edelgas gefüllt ist, um den Glühdraht 210 vor Oxidation zu schützen, enthält auch die Bogenröhre 23O aus Quarz für die Quecksilberdampf-Entladungslampe der Anordnung. Der Glühdraht 210, die Birne 220 und die Bogenröhre 23O sind herkömmlich aufgebaut. Die elektrische Verbindung zur Wechselstromquelle wird durch ein Standardlampengewinde 24O vermittelt. Die Bezugsbuchstaben A bis D in Fig. 3 zeigen

an

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an, wie die Elemente der Lampe innerhalb der Birne 230 mit der hybriden Schaltung 2OO , dem an den Lampenfuß 240 angelegten Wechselstrom, dem Filterkondensator 32 und dem Kondensator 31 für die Spannungsverdopplung verbunden sind. (Es ist zu erwähnen, daß nur ein Kondensator zur Spannungsverdopplung verwendet ist.)

Mit der integrierten Ausgestaltung von Vorschaltgerät und Lampe nach der Darstellung in Fig. 3 ist es möglich, ohne Änderung der Lampenhalterung direkt die unwirtschaftliche Glühlichtbeleuchtungen auf HID-Beleuchtungen umzustellen. Dazu wird nur die alte Glühbirne durch die HID-Lampe ersetzt, die einen höheren Wirkungsgrad aufweist, mehr Licht abgibt und eine längere Lebensdauer besitzt. Der Start-Glühdraht 2Io liefert zusätzliches Licht während der Anlaufperiode der HID-Bogenröhre 230, schützt die Röhre gegen zu starke Ströme und gibt die Wärme im Ballastwiderstand in Form von Strahlung ab. Die äußere Umhüllung 240, mit der die hybride Schaltung 2OO in thermischem Kontakt steht, umgibt den Hals der Lampenanordnung und wirkt als Wärmesenke, um das Auftreten von hohen Temperaturen zu verhindern. In einer anderen Ausführungsform kann die hybride Schaltung auch dazu verwendet werden, eine Kombination herkömmlicher und HID-Lampe in getrennten Birnen mit Leistung zu versorgen, die entweder in gemeinsamen oder getrennten Halterungen untergebracht sind, wobei die Glühlampe nur während der Anlaufperiode eingeschaltet ist.

Es versteht sich von selbst, daß die bisher beschriebenen Anordnungen nur eine Anwendung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung erläutern. Innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung sind selbstverständlich zahlreiche Änderungen des Vorschaltgeräts und der Konstruktion der Lampe möglich.

Die vorliegende Erfindung kann auch dazu verwendet werden, ein HaIbleitervorschaltgerät anzugeben, in dem Vorrichtungen zur manuellen Einstellung des Beleuchtungspegels enthalten sind, der von einer HID-Dampflampe abgegeben wird. In Fig. 4 ist eine derartige Anordnung

dargestellt.

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dargestellt. Die Schaltung ähnelt der in den Fign. 1 und 3, und enthält einen Bipolartransistor 12, mit dem die Kanalleitfähigkeit des FET IO gesteuert wird, der parallel zum festen Ballastwiderstand 11 geschaltet ist. (Wie früher im Zusammenhang mit Fig. 3 erwähnt, kann Widerstand 11 in Form einer Glühwendel ausgebildet sein.) Die Elemente zum Abfühlen der Spannung in den früher diskutierten Steuerschaltungen sind jedoch in der Anordnung nach Fig. 4 weggelassen, und der feste Widerstand 125 zum Abfühlen des Stroms ist durch ein manuell einstellbares Potentiometer 21 ersetzt. Ein Widerstand 22 verbindet den Gleitkontakt des Potentiometers mit der Basis von Transistor 12, dessen Emitter direkt mit dem positiven Anschluß der Lampe 35 verbunden ist.

Wenn Potentiometer 21 eine bestimmte Stellung für den Nennstrom der Lampe 35 aufweist, bleibt FET IO nichtleitend, wenn sich Lampe 35 unmittelbar nach der Zündung aufheizt. Wenn der Strom durch das Potentiometer 22 auf den Schwellwert abfällt, beginnt Transistor 35 abzuschalten, und FET 10 wird angesetzt. Danach hält der in Fig. 4 dargestellte Schaltkreis einen konstanten Strom durch die Lampe 35 aufrecht, solange sie sich in der Aufwärmperiode befindet und vollen Dampfdruck entwickelt.

Wenn Potentiometer 21 während des Normalbetriebs so eingestellt wird, daß der zur Stromabfühlung verwendete Widerstand zwischen der Basis von Transistor 12 und der Lampe 35 zunimmt, liefert ein kleinerer Lampenstrom dieselbe Vorspannung in Vorwärtsrichtung an den Transistor 12. Als Folge davon kann der Lampenstrom über einen beträchtlichen Bereich eingestellt werden, um den von der Lampe abgegeben Beleuchtungspegel zu steuern. Wenn die Lampe einmal ihren vollen Dampfdruck erreicht hat, bleibt die Lampenspannung im wesentlichen konstant, wenn der Lampenstrom zum Abdunkeln der Lampe herabgesetzt wird.

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Da son.it der Strom durch die Lampe durch das Herabsetzen der Leitfähigkeit von FET 10 vermindert wird, nimmt die in FET 10 dissipierte Leistung ebenfalls ab.

Da mit dem hier vorgeschlagenen Vorschaltgerät der von der Lampe abgegebene Beleuchtungspegel gesteuert werden kann, ist es auch möglich, einen lichtempfindlichen Halbleiter in die Steuerschaltung einzubauen, so daß der Beleuchtungspegel in der Umgebung der Lampe geregelt werden kann. Fig. 5 zeigt ein Beispiel einer solchen Einrichtung mit einem Fototransistor 25, der zur Steuerung der Leitfähigkeit des Source-Drain-Kanals von FET 10 dient. In der Anordung nach Fig. 5 wird ein Potentiometer 26 in Reihe zum Source-Drain-Kanal von FET IO und Lampe 35 geschaltet. Der Gleitkontakt des Potentiometers 26 ist mit der Basis von Bipolartransistor 12 über eine Reihenschaltung vcn Widerständen und 28 verbunden. Der Kollektor-Emitterpfad eines Fototransistors 27 ist mit der Source-Klemme von FET 10 und dem Verbindungspunkt der Widerstände 27 und 28 verbunden.

Wie im Fall der bisher diskutierten Schaltkreise hält der nach Zündung ursprünglich hohe Lampenstrom-Transistor 12 an und FET 12 aus, bis Lampe genügend erhitzt ist. Wenn Poteniometer 26 so eingestellt ist, daß der gewünschte Beleuchtungspegel abgegeben wird, führt jede Abnahme des Lichtpegels, die vom Fototransistor 25 festgestellt wird, zu einer Abnahme der an Transistor 12 angelegten Vorwärtsspannung, so daß dieser Transistor eingeschaltet und FET 10 ausgeschaltet wird. In ähnlicher Weise führt jede Erhöhung des Beleuchtungspegels, die vom Fototransistor 25 festgestellt wird, zu einer Herabsetzung des an Lampe 35 gelieferten Stroms. Fototransistor 25 kann als NPN planarer Siliciumfototransistor ausgebildet sein (beispielweise die Type General Electric L 14 H 3), der im wesentlichen als Konstantstromquelle wirkt und einen Strom abgibt, der direkt der festgestellten Lichtintensität proportional ist. Beispielsweise variiert der von GE Type L 14 H 3 abgegebene Strom von

2 ungefähr 0, Im A bei einer Beleuchtung von 2 mWatt/cm bis ungefähr

1,2 mA bei 20 mWatt/cm . Ein HID-Vorschaltgerät der in Fig. 5 dargestellten

- 2O -

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stellten Art, das für Lichtintensität empfindlich ist, kann dazu dienen, eine konstante Beleuchtung durch die Lampe sicherzustellen, da sein Wirkungsgrad abnimmt, wenn der Fototransistor direkt optisch mit der Lampe gekoppelt ist. -In einer anderen Ausführungsform kann der Fototransistor vor direkter Strahlung der Lampe geschützt werden, so daß er auf das Umgebungslicht anspricht. Fiber-optische Lichtleiterröhren können weiterhin verwendet werden, um Licht von dem gewünschten Punkt an den Fototransistor zu leiten. Bei der letztgenannten Anordnung wird die Lampe automatisch verdunkelt, wenn die Raumbeleuchtung teilweise von der Sonne geliefert wird; am Abend oder bei Bewölkung wird die Lampe wieder automatisch heller. Wenn der Lampenstrom unter den Pegel abfällt, der erforderlich ist, um die Lampe erhitzt zu halten, geht diese von selbst aus; zusätzliche (nicht dargestellte) fotoempfindliche Einrichtungen können dann verwendet werden, um zu verhindern, daß die Lampe von neuem gezündet wird, sofern der Pegel der vorhandenen Beleuchtung nicht unter einen vorbestimmten Wert abfällt. Auf diese Art kann der Steuerschaltkreis nach der vorliegenden Erfindung beispielrweise dazu verwendet werden, den Betrieb von Raum- oder Außenbeleuchtungen zu steuern, die automatisch eingeschaltet werden, ihre Helligkeit ändern, um sich ändernden Anforderungen an die Beleuchtung anzupassen, und die automatisch abschalten, wenn überhaupt keine Beleuchtung erforderlich ist.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

die an eine Gleichstromquelle angeschlossen wird und einen Ballastwiderstand enthält,

gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

der Source-Drain-Kanal eines Isolierschicht-Feldeffekttransistors (FET 10) vom Typ VMOS und die Gasentladungslampe sind als Reihenschaltung mit der Gleichstromquelle verbunden;

der Ballastwiderstand (11) ist parallel zum Kanal des FET geschaltet; und

es sind Steuereinrichtungen (13, 14, 125) vorgesehen, mit denen die an die Lampe abgegebene elektrische Leistung abgefühlt wird, um das an die Gate-Elektrode des FET angelegte Potential zur Änderung der Leitfähigkeit des Kanals zu ändern.

Vorschaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtungen das an die Gate-Elektrode angelegte Potential ändern, um die Leitfähigkeit des Kanals zu erhöhen, wenn der Stromfluß durch die Lampe unter einen Schwellwert absinkt.

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3. Vorschaltgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zur Herabsetzung des Schwellwerts bei ansteigender Lampenspannung vorgesehen sind.

4. Vorschaltgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtungen einen in Reihe zur Lampe geschalteten Widerstand (125) enthalten, mit dem der Betrag des durch die Lampe fließenden Stroms bestimmt wird.

5. Vorschaltgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet, daß Widerstände (13, 14) zum Abfühlen der Lampenspannung mit der Lampe verbunden sind und daß ein Steuertransistor (12) eine mit den Abfühlwiderständen verbundene Eingangsschaltung sowie eine Ausgangsschaltung aufweist, die mit dem Gate des Feldeffekttransistors (10) verbunden ist.

6. Vorschaltgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

daß der Steuertransistor (12) das Gate-Potential des Feldeffekttransistors (10) ändert, um die Leitfähigkeit des Kanals in Abhängigkeit vom zunehmenden Dampfdruck in der Lampe anzuheben.

7. Vorschaltgerät nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Basis-Emitter-Pfad des bipolaren Steuertransistors (12) parallel zu den Widerständen für die Stromabfühlung liegt und daß der Kollektor-Emitter-Pfad mit der Gate-Elektrode verbunden ist.

8. Vorschaltgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in den Einrichtungen zur Änderung des Gate-Potentials manuell einstellbare Einrichtungen (21) vorgesehen sind, mit denen das Gate-Potential geändert werden kann, um den durch die Lampe nach dem völligen Aufheizen fließenden Strom zu ändern und dadurch den von der Lampe erzeugten Beleuchtungspegel zu steuern.

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9. Vorschaltgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

daß der Wert des für die Stromabfühlung verwendeten Widerstands geändert wird, um den von der Lampe gelieferten Beleuchtungspegel zu ändern.

10. Vorschaltgerät nach Anspruch S, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert manuell geändert wird.

11. Vorschaltgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in den Einrichtungen zur Änderung des Gate-Potentials ein lichtempfindlicher Halbleiter (25) vorgesehen ist, der den Beleuchtungspegel in der Umgebung der Lampe abfühlt, um ihn im wesentlichen konstant zu halten.

12. Vorschaltgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,

daß der lichtempfindliche Halbleiter (25) in den Basis-Emitter-Pfad des bipolaren Steuertransistors (12) eingebaut ist.

13. Vorschaltgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gleichrichter zur Erzeugung einer Gleichspannung vorgesehen ist.

14. Gasentladungslampe hoher Intensität, dadurch gekennzeichnet,

daß in einer gemeinsamen Glasbirne (220) eine Entladungsröhre (230) für eine elektrische Gasentladung und ein Wolfram-Glühdraht (210) angeordnet sind und daß der Glühdraht als Ballastwiderstand für ein Vorschaltgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 13 dient.

15. Lampe nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorschaltgerät im Halsteil zwischen Lampensockel und Glasbirne angeordnet ist.

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16. Lampe nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Lampensockel zum Anschluß an eine Wechselstromquelle vorgesehen ist und das Vorschaltgerät einen Gleichrichter enthält.