DE3302007A1 - Start- und betriebsschaltung fuer in reihe geschaltete gasentladungslampen - Google Patents

Description

9O41-LD-8684

Start- und Betriebsschaltung für in Reihe geschaltete

Gasentladungslampen

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Starten und Betreiben von in Reihe geschalteten, mit Wechselstrom betriebenen Gasentladungslampen, wie beispielsweise Leuchtstofflampen, die Katoden haben, welche zum Erleichtern des Startens anfänglich durch einen Heizwechselstrom erhitzt werden, der dann während des normalen Betriebes abgeschaltet ist.

In Leuchtstofflampen dieses Typs erfolgen die Gasentladungen aufgrund von Elektronenemission aus den Katoden in jeder Lampe. Die Elektronen werden nicht aus der gesamten Katode emittiert, sondern aus einem kleinen "heissen Fleck" jeder Katode, wobei sich die heißen Flecken anfänglich an dem Ende jeder Katode befinden, an das die

Lampenbetriebsspannung angelegt wird, und sich während der Lebensdauer der Lampe allmählich längs der Katoden in Richtungen weg von deren Enden, an die die Betriebsspannung angelegt wird, bewegen, weil sich das Emissionsmaterial an den heißen Flecken im Gebrauch verschlechtert. Die alternierende Elektronenemission aus jeder Katode jeder Lampe ionisiert das Gas in der Lampe, wodurch Ionen erzeugt werden, die zu der anderen Katode der Lampe fließen und diese bombardieren, wodurch die heißen Flecken abwechselnd in den Lampenkatoden während jeder Halbperiode der Betriebswechselspannung erzeugt werden und aufgrund der thermischen Trägheit der Katoden heiß bleiben, um die Elektronenemission aus denselben während der nächsten Halbperiode des Wechselstrombetriebes, in der die Lampenspannung umgepolt wird, zu erleichtern.

Die US-PSen 4 009 412 und 4 010 339 beschreiben in Reihe geschaltete Leuchtstofflampen mit Schaltungen, die eine Betriebsspannung an die in Reihe geschalteten Lampen anlegen und außerdem am Anfang den Katoden Heizstrom zum Erhitzen derselben auf die Elektronenemissionstemperatur zuführen und dann den Heizstrom während des normalen Lampenbetriebes und nach der Ausbildung der .heißen Katodenflecken abschalten, wobei die Temperatur dieser heißen Flecken ausreicht, um eine ausreichende Elektronenemission während des normalen Betriebes der Lampen zu bewirken. Dieses Abschalten der Katodenheizströme führt zur Einsparung von mehreren Watt an elektrischer Energie, die sonst verbraucht würden, wenn die Lampenkatoden während des normalen Betriebes der Lampen ständig durch den Heizstrom beheizt würden. Ein Grundkonzept der Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß in solchen Lampensystemen die Lebensdauer der Lampen durch die beschleunigte Verschlechterung der Lampenkatoden verkürzt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Wechselstromschaltung und ein verbessertes System zum Starten und Betreiben von mehreren in Reihe geschalteten Gasentladungslampen, wie beispielsweise Leuchtstofflampen, zu schaffen, bei denen deren Katoden am Anfang durch einen zugeführten Heizwechselstrom erhitzt werden, der während des normalen Betriebes der Lampen abgeschaltet ist. Insbesondere soll die Lebensdauer der Lampen verlängert werden, indem die Lebensdauer ihrer Katoden verlängert wird. .

Die Erfindung beinhaltet, kurz gesagt, in einer bevorzugten Ausführungsform eine Schaltung zum Starten und Betreiben von mehreren in Reihen geschalteten Gasentladungslampen, wie beispielsweise Leuchtstofflampen, bei denen ein Katodenheizwechselstrom den Lampenkatoden am Anfang zugeführt wird, um deren Starten zu erleichtern, und anschließend während des normalen Betriebes der Lampen abgeschaltet ist. Die Erfindung verbessert und verlängert die Betriebslebensdauer der Lampen durch Schaffung einer Lampenbetriebsschaltung, die bewirkt, daß die Elektronen emittierenden "heißen Flecken" der Katoden bei abgeschalteten Katodenheizströmen an denselben Stellen auf den Katoden bleiben, wo sie sich vor dem Abschalten der Katodenheizströme befanden. Das wird erreicht, indem eine Transformatorwicklung mit Mittelanzapfung vorgesehen wird, die Mittelanzapfung mit einem Ende jeder der Katoden an der Verbindungsstelle der in Reihe geschalteten Lampen verbunden wird und die Enden dieser Wicklung mit den übrigen Enden dieser Katoden verbunden werden. Die Wicklung mit Mittelanzapfung kann aus zwei Wicklungen bestehen, die miteinander verbundene Enden haben, um eine äquivalente Wicklung mit Mittelanzapfung zu bilden.

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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben» Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild einer bekannten Reihenschaltung von Leuchtstofflampen bei an die Lampen .angelegter Betriebsspannung und bei den Katoden zugeführten Katodenheizströmen sowie eine repräsentative Richtung des Elektronen¹-flusses in jeder Lampe zwischen einem heissen Fleck auf einer Katode und einem heißen Fleck auf der anderen Katode,

Fig. 2 dasselbe Schaltbild wie in Fig. 1, mit der Ausnahme, daß die Katodenheizströme für den normalen Betrieb der Lampen abgeschaltet worden sind und sich die Position des heißen Fleckes auf einer der Katoden (unerwünschtermaßen) geändert hat,

Fig. 3 ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Schaltung nach der Erfindung für eine Reihenschaltung von Leuchtstofflampen bei an diese angelegter Betriebsspannung und bei den Katoden zugeführten Heizströmen sowie eine repräsentative Richtung des Elektronenflusses in jeder Lampe zwischen einem heißen Fleck auf einer Katode und einem heissen Fleck auf der anderen Katode und

Fig. 4 dasselbe Schaltbild wie in Fig. 3, mit der Ausnahme, daß die Katodenheizströme für den normalen Betrieb abgeschaltet worden sind, wobei gezeigt ist, daß die Positionen der heißen Katodenflecken dieselben wie in Fig. 3 bleiben.

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Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 wird zunächst der Stand der Technik beschrieben. Gemäß Fig. 1 sind zwei langgestreckte Leuchtstofflampen 11 und 12 elektrisch in Reihe geschaltet, Die Lampe 11 hat auf herkömmliche Weise zwei Katoden '3, 14 nahe ihrem einen bzw. anderen Ende, und die Lampe 12 hat auf herkömmliche Weise zwei Katoden 16, 17 nahe ihrem einen bzw. anderen Ende. Bei diesen Katoden handelt es sich beispielsweise jeweils um einen herkömmlichen gewendelten Wolframdraht, der mit einem Material überzogen ist, das leicht Elektronen emittiert, wenn es ausreichend heiß ist. Die Katoden 14, 16 sind an der Verbindungsstelle der Lampen 11, 12 elektrisch parallel geschaltet, wobei die Enden a der Katoden miteinander verbunden sind und wobei die Enden b der Katoden miteinander verbunden sind.

Die Schaltung hat eine Wechselstromquelle 18, die eine Lampenbetriebsspannung geeigneten Wertes, z.B. einige hundert Volt, liefert, die sie an einer Ausgangswicklu-ng 19 abgibt und bei der es sich um eine sogenannte HF-Spannung von etwa 20 kHz bis TOO kHz handeln kann, obgleich die Erfindung nicht auf irgendeinen besonderen Frequenzbereich beschränkt ist. Das Ende a der Wicklung 19 ist mit dem Ende a der Lampenkatode 13 verbunden, und das andere Ende b der Wicklung 19 ist mit dem Ende b der Lampenkatode 17 verbunden. Ein Katodenheiztransformator 21 hat eine Primärwicklung 22, die an die gesamte oder an einen Teil der Ausgangswicklung 19, nämlich an die Punkte b und c derselben, über einen Schalter 23 angeschlossen ist, der von irgendeinem geeigneten Typ sein kann einschließlich denjenigen, die in den eingangs erwähnten Patentschriften beschrieben sind. Der Katodenheiztransformator hat eine Sekundärwicklung 26, die an die Lampenkatode 13 angeschlossen ist, eine Sekundärwicklung 27, die mit den beiden Lamponkatoden

14 und 16 verbunden ist, und eine Sekundärwicklung 28, die an die Lampenkatode 17 angeschlossen ist, wobei die Spannungen dieser Sekundärwicklungen ausreichen, um die Katoden auf die Elektronenemissionstemperaturen aufzuheizen.

Wenn der Schalter 23 geschlossen ist, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, liegen die Katoden an der Heizspannung und nehmen Heizstrom auf. Die Katodenheizspannung und die Lampenbetriebsspannung, die von der Wicklung 19 abgegeben werden, sind Wechselspannungen mit derselben Frequenz. Fig. 1 zeigt die Spannungspolungen während der Halbperioden, in denen die Lampenbetriebsspannungspolung an dem Ende a der Katode 13 positiv und an dem Ende b der Katode 17 negativ ist und in denen die Enden a sämtlicher Katoden positiv und deren Enden b negativ gepolt sind. Während der anderen Halbperioden der Spannung sind alle diese Polungen umgekehrt. Während der gezeigten Betriebshalbperiode werden, weil die Betriebsspannung, die von der Wicklung 19 abgegeben wird, an der Katode 13 eine positive Polarität und an der Katode 17 eine negative Polarität hat und wegen der einzelnen Katodenpolungen, die so wie dargestellt sind, Elektronen in der Lampe 11 von dem negativ gepolten Ende b der Katode 14 und in der Lampe 12 von dem negativ gepolten Ende b der Katode 17 aus fließen. In der Lampe 11 bewirken die von dem Ende b der Katode 14 ausgehenden Elektronen, daß das Gas in der Lampe ionisiert wird und Gasionen zu der Katode 14 an (oder nahe) dem Ende b derselben fließen, diese bombardieren und dadurch einen kleinen Bereich erhitzen und einen "heißen Fleck" erzeugen; diese Bewegung der Elektronen von der Katode 14 aus ist durch einen Pfeil 31 angegeben. Ebenso bewirken in der Lampe 12 die von dem Ende b der Katode 17 ausgehenden Elektronen, daß das Gas in der Lampe ionisiert wird und Gasionen zu der Katode 17 an dem Ende b

derselben fließen und diese bombardieren, wodurch ein Bereich erhitzt und ein heißer Fleck erzeugt wird; diese Bewegung von Elektronen von der Katode 17 aus ist durch einen Pfeil 32 angegeben. Während der nächsten Halbperiode der Wechselspannungen sind sämtliche in Fig.

1 gezeigten Polungen umgekehrt, und Elektronen fließen von den heißen Flecken an den Enden a der Katoden 13 und 16 aus, und Gasionen fließen zu den Enden a der Katoden 13, 16 und erzeugen an diesen Elektroden heiße Flecken. Aufgrund der thermischen Trägheit der Katoden bleiben diese während der abwechselnden Halbperioden ausreichend heiß, so daß aus ihnen leicht Elektronen emittiert werden können. Nachdem diese heißen Flecken gebildet worden sind, sind die Katodenheizströme nicht mehr nötig und können abgeschaltet werden. Der Elektronenfluß und der Ionenfluß der Lampe, die insgesamt durch die Pfeile 31 und 32 dargestellt sind, erzeugen Gasentladungen in dem Gasdampf der Lampen, welche eine ultraviolette Strahlung erzeugen, die bewirkt, daß Leuchtstoffüberzüge auf den Lampenkolben auf bekannte Weise sichtbares Licht erzeugen.

Wenn der Katodenheizsteuerschalter 23 abgeschaltet wird, um die Katodenheizströme zu unterbrechen, wie es in Fig.

2 gezeigt ist, wird sich der heiße Fleck auf einer der Katoden 14, 16 zu deren anderem Ende verschieben, was durch die neue Position des Pfeils 32' angegeben ist, in der der heiße Fleck der Katode 16 zu dem Ende b derselben verschoben ist. Das ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß der Strom den Weg niedrigster Impedanz sucht. Diese Verschiebung des heißen Fleckes zu einem Teil der Katode, der nicht erhitzt ist oder dessen Aufheizung aufgrund des Abschaltens des Katodenheizstroms vermindert worden ist, verursacht eine Verschlechterung des Elektronenemissionsmaterials der Katode,

und zwar wegen der Zugwirkung des elektrischen Feldes oder des "Zerstäubens" des Elektronenemissionsmaterials auf der Katode, wodurch die Lebensdauer der Lampe verkürzt wird. Diese Verschiebung des heißen Flekkes ist auf die Parallelschaltungen der Katoden und der Katodenheizwicklung 27 zurückzuführen. Zu der Verschiebung des heißen Fleckes wird es an der Katode 14 oder an der Katode 16 kommen, was davon abhängt, welche von .ihnen den heißeren Hitzefleck hat; der heißere heiße Fleck wird bestrebt sein, seine Lage beizubehalten.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in den Fig. 3 und 4 gezeigt, die insgesamt das gleiche Schaltbild wie in den Fig. 1 und 2 zeigen, mit der Ausnahme, daß die Schaltungsverbindung und die Katodenheizschaltungsanordnung für die miteinander verbundenen Katoden 14 und 16 der in Reihe geschalteten Lampen 11, 12 so geändert worden ist, daß die Verschiebung des heißen Katodenfleckes verhindert wird, wenn die Katodenheizströme abgeschaltet sind.

Gemäß Fig. 3 werden die miteinander verbundenen Katoden 14 und 16 der Lampen 11 und 12 durch eine mit einer Mittelanzapfung 37 versehene Sekundärwicklung 36, die auf dem Katodenheiztransformator 21 vorgesehen ist, beheizt; die Mittelanzapfung 37 ist sowohl mit dem Ende b der Katode 14 als auch mit dem Ende a der Katode 16 verbunden, und die Enden der Wicklung 36 sind mit dem Ende a der Katode 14 bzw. dem Ende b der Katode 16 verbunden. Dieser Schaltungsaufbau der Katodenheizschaltung schafft eine direkte elektrische Verbindung zwischen dem Ende b der Katode 14 und dem Ende a der Katode 16. Anders als in Fig. 1, nach der die Enden der Katoden 14 und 16, die dieselben Heizspannungspolungen haben, miteinander verbunden sind, ist in Fig. 3 ein Ende jeder Katode mit dem anderen verbunden, wobei diese Enden entgegengesetzte Heizspannungspolungen haben. Die Elektronenflüsse 31, 32

in den Lampen sind die gleichen wie in Fig. 1 .

Gemäß Fig. 4 bleiben, wenn der Katodenheizschalter 23 abgeschaltet wird, um den Katodenheizstrom zu unterbrechen, die Elektronenflußwege 31, 32 in den Lampen ungeändert, und die heißen Flecken, die sich an dem Ende b der Katode 14 und dem Ende a der Katode 16 gebildet hatten, behalten ihre Lage bei und verschieben sich nicht wie in dem Fall der bekannten Schaltung nach den Fig. 1 und 2. Die Erfindung verlängert daher die Lampenlebensdauer, indem sie verhindert, daß es zu einer Verschiebung des heißen Katodenfleckes kommt, wenn der Katodenheizstrom abgeschaltet wird, da diese Verschiebung, wie oben erläutert, das Herausziehen oder Zerstäuben des Elektronenemissionsmaterials der Katode während der Ausbildung des neuen verschobenen heiss.en Fleckes verursachen würde. Gemäß der Erfindung wird diese Verbesserung erreicht, indem eine neue Katodenverbindungs- und -heizschaltung geschaffen wird, die eine direkte elektrische Verbindung zwischen den Enden, an denen sich die Elektronen emittierenden heißen Flecken bilden, wenn der Heizstrom den Katoden zugeführt wird, der miteinander verbundenen Katoden enthält. Die Elektronenflußpfeile 31 und 32 stellen, " wie dargelegt, die Richtung des Elektronenflusses von den heißen Flecken an oder nahe den Enden a der Katoden 13 und 16 während der Halbperioden der Lampenbetriebsspannung (aus der Spannungsquelle 18) dar, wenn die Ausgangswicklung 19 an der Lampenkatode 13 positiv und an der Lampenkatode 17 negativ gepolt ist; während der übrigen Halbperioden der Lampenbetriebsspannung wird die Polung umgekehrt, die Pfeile 31 und 3 2 kehren ihre Richtungen um, und die Elektronen emittierenden heißen Flecken sind an den Enden b der Katoden 14 und 17. Diese heißen Flecken behalten eine im

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wesentlichen stetige Elektronenemissionstemperatur während des Lampenbetriebes aufgrund der Frequenz der Betriebswechselspannung bei.

Claims (3)

1 River Road
Schenectady, N.Y./U.S.A.

Patentansprüche :.

/r. Schaltung zum Starten und Betreiben von mehreren in Reihe geschalteten Gasentladungslampen (11, 12), die jeweils zwei Katoden (13, 14; 16, 17) haben, von denen jede zwei Klemmen (a, b) zum Empfangen von Katodenheizstrom hat, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (18, 19) zum Anlegen einer Betriebswechselspannung an die in Reihe geschalteten Lampen (11, 12), durch eine Einrichtung (21) zum Zuführen eines Heizwechselstroms zu den Lampenkatoden, die eine Transformatorwicklung (36) mit einer Mittelanzapfung (37) aufweist, durch Einrichtungen, die die Wicklungsmittelanzapfung (37) mit einer Klemme jeder der Katoden (14, 16) an der Verbindungsstelle der in Reihe geschalteten Lampen (11, 12) verbinden, und durch Einrichtungen, die die Enden der mit der Mittelanzapfung (37) versehenen Wicklung (36) mit den übrigen Klemmen der letztgenannten Katoden verbinden.

2. Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine ,Vorrichtung (23) zum Abschalten des Heizstroms der Katoden (14, 16), nachdem Betriebsgasentladungen in den Lam-

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pen (11, 12) eingesetzt haben.

3. Schaltung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum späteren Einschalten des Heizstroms der Katoden (14, 16), nachdem dieser abgeschaltet worden ist.