DE3807719A1 - Betriebsschaltung fuer eine gasentladungslampe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Betriebsschaltungen für Gasentla­ dungslampen und insbesondere auf eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Gasentladungslampe durch ge­ steuertes unterbrechen des Lampenstroms.

Eine Niederdruck-Quecksilberdampf-Entladungslampe, wie beispiels­ weise eine Fluoreszenzlampe, ist eine elektrische Vorrichtung, die spezielle elektrische Charakteristiken aufweist, zu denen eine negative Impedanz-Charakteristik gehört, was bedeutet, daß, nachdem der Lampenbogen übergeschlagen ist oder sich ausgebildet hat, ein erhöhter Strom durch das Entladungsmedium innerhalb der Lampe eine verminderte Spannung zwischen den Lampenelektroden zur Folge hat. Aufgrund dieser Charakteristik des Betriebs der Entladungslampe ist es notwendig, eine Schaltungsanordnung zur Strombegrenzung in Versorgungsschaltungen zum Betreiben von Ent­ ladungslampen vorzusehen. Wenn keine Strombegrenzung vorgesehen ist, ist im allgemeinen ein Lampenfehler oder ein Durchbrennen der Speiseschaltung die Folge. Deshalb ist es bekannt, elektri­ sche Impedanzelemente mit der Fluoreszenzlampe zur Stromsteue­ rung in Reihe zu schalten.

Die US-PS 37 71 013 beschreibt ein Beleuchtungssystem, das eine statische Gleichstrom-Versorgungsschaltung verwendet, um Fluo­ reszenzlampen zu betreiben. Dort ist eine Fluoreszenzlampen- Versorgungsschaltung beschrieben zum Betreiben einer speziell ausgelegten Lampe an einer Gleichspannung innerhalb des positi­ ven Bereiches ihrer Strom-Spannungs-Charakteristik. Die an die Lampe angelegte Quellenspannung wird vermindert, falls die Lampe außerhalb des positiven Bereichs ihrer Strom-Spannungs-Charakte­ ristik arbeitet, die abgetastet wird, wenn ein vorbestimmter maximaler Strom erreicht worden ist, so daß der der Lampe zuge­ führte Strom überwacht und unterhalb eines vorbestimmten maxima­ len Stromwerts gehalten wird, bei dem ein Durchgehen oder eine Beschädigung der Lampe auftreten könnte. Eine Analyse des Durch­ gehens einer Fluoreszenzlampe ist in dem Aufsatz mit dem Titel "Current Runaway in Fluorescent Lamps", in Journal of IES, Okto­ ber 1972, von John F. Waymouth, beschrieben. Die Analyse in die­ sem Aufsatz kommt zu der Schlußfolgerung, daß beim Anlegen einer Gleichspannung V, siehe Fig. 2a der folgenden Anmeldung, der Strom einen anfänglichen "augenblicklichen" Sprung auf i ₁ innerhalb von etwa 2 Mikrosekunden macht und dann exponential mit der Zeit ansteigt, wie es hier in Fig. 2b gezeigt ist. Auf der Basis dieser Analyse wurde es für notwendig gehalten, den Lampenstrom bei einem gewissen vorbestimmten Wert zu kappen, um ein Durch­ gehen des Stroms und eine Zerstörung der Lampe zu verhindern. Die Analyse in dem Aufsatz von Waymouth stellt auf Seite 43, rechte Spalte, Zeilen 13 bis 16, fest, daß "das Problem der Schaltungs­ anordnung darin besteht, daß für jeden Strom größer als Null und Spannungen gleich V _S , die Startspannung (Hervorhebung im Origi­ nal) der Entladung, alle Spannungs- und Strompunkte in der Abhängigkeit von <0 sind, so daß der Strom stetig mit der Zeit ansteigt bis zur Zerstörung", wobei die zeitliche Änderungsgeschwindigkeit der Elektronendichte darstellt. Gemäß dem vorgenannten Aufsatz wird der Lampenstrom dadurch gesteuert, daß die Lampenstromversorgung abgeschaltet wird, bevor der Lam­ penstrom einen vorbestimmten Wert erreicht (siehe Seite 46, linke Spalte, Zeilen 1 bis 6).

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Einspeisung für eine Entla­ dungslampe zu schaffen, die für eine konstante Ladung der Lampe sorgt. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine schaltende Schaltungsanordnung für eine Versorgung einer Entladungslampe zu schaffen, die die Einschaltzeit der Lampe steuert bzw. regelt.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält eine Be­ triebsschaltung für eine Fluoreszenzlampe eine Diodenbrücke, deren Eingang oder Wechselspannungsseite mit der Lampe in Reihe ge­ schaltet ist, einen Festkörperschalter, der über den Ausgang oder die Gleichstromseite der Diodenbrücke geschaltet ist, und eine Steuerschaltung, um die Folgefrequenz des Leistungsschalters zu steuern, um so den der Lampe zugeführten Strom in vorteilhafter Weise zu steuern.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist ein schematisches Schaltbild und stellt die Versor­ gungsschaltung gemäß der Erfindung dar.

Fig. 2a und 2b sind Spannungs- bzw. Stromkurvendiagramme und zeigen die bekannte Analyse vom Betrieb einer Fluores­ zenzlampe.

Fig. 3a zeigt eine Kurve der Leitungsspannung, die an die Steuer­ schaltung gemäß der Erfindung angelegt ist.

Fig. 3b steht in Beziehung zu Fig. 3a und zeigt den Verlauf der Steuereingangsspannung für die Steuerschaltung.

Fig. 3c steht in Beziehung zu den Fig. 3a und 3b und zeigt die Kurve der Ausgangsspannung eines Steueroszillators zum Ansteuern des Leistungsschalters gemäß der Erfin­ dung.

Fig. 4 zeigt den Verlauf des Stroms, der in einer Fluoreszenz­ lampe durch einen Spannungsimpuls induziert wird.

Fig. 5 stellt die Stromkurve gemäß Fig. 4 mit einem gespreiz­ ten Zeitmaßstab dar.

Fig. 6a stellt eine sinusförmige Eingangsspannung dar.

Fig. 6b zeigt die Spannungsimpulse, die an die Fluoreszenzlampe durch die in Fig. 1 gezeigte Schaltungsanordnung an bestimmten Punkten in der Kurve gemäß Fig. 6a angelegt werden.

Fig. 6c zeigt die Stromimpulse, die in der Lampe durch Anlegen der in Fig. 6b gezeigten Spannungsimpulse induziert werden.

Fig. 7 ist eine Strom-Spannungs-Kurve und stellt die Lampen­ ionisationssteuerung gemäß der Erfindung dar.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Konstantstrom-Versorgungsschaltung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, die Anschluß­ klemmen 12 und 14 zur Verbindung mit einer üblichen Wechselstrom­ quelle aufweist, wie beispielsweise einem Netz mit 110 bzw. 220 Volt. Eine Niederdruck-Quecksilberdampf-Entladungslampe 16, wie beispielsweise eine Leuchtstoff- oder Fluoreszenzlampe, ist mit den Eingangs- oder Wechselspannungsanschlüssen 25 und 27 einer Diodenbrücke 18 verbunden, die ihrerseits den Wechselspannungs­ anschlüssen 12 und 14 parallel geschaltet ist. Ein Starterschal­ ter 20, wie beispielsweise ein Glimmschalter, ist der Lampe 16 parallel geschaltet, um die Zufuhr von Heizstrom zu den Lampen­ elektroden 22 und 24 der Lampe 16 vor ihrem Starten zu steuern. Die Diodenbrücke 18 besteht aus Dioden 26, 28, 30 und 32, die in der gezeigten Schaltung angeordnet sind.

Eine Speiseschaltung, die eine Diode 36, einen Widerstand 38, einen Kondensator 40 und eine Zenerdiode 42 enthält, ist zwi­ schen den Anschluß 12 und einen geerdeten Anschluß 34, die Erdung ist bei 47 gezeigt, der Diodenbrücke 18 geschaltet, um so eine konstante Referenzspannung für die Steuerschaltung des Leistungsschalters 46 zu liefern, wie es nachfolgend näher er­ läutert wird. Ein Eingangskondensator 48 ist den Anschlüssen 12 und 14 parallel geschaltet, um die Schaltungskomponenten vor transienten Spannungen zu schützen, die auf der Netzleitung vor­ handen sein können. Die in Fig. 1 gezeigte Brückenanordnung 18, bei der einer ihrer Ausgangs- oder Gleichspannungsanschlüsse mit einem Wechselstromschalter 46 verbunden ist, gestattet, daß der Leistungsschalter 46, der eine Gleichspannungsvorrichtung ist, einen Wechselstrom schaltet, um so den Stromfluß zur Lampe 16 und deshalb die Ionisationsladung innerhalb der Lampe zu steuern.

Die Folgefrequenz des Wechselspannungsschalters 46, der vorzugs­ weise ein Leistungs-MOSFET ist, wird gesteuert, um eine nahezu konstante Ladungsübertragung durch die Lampe 16 hindurch aufrecht zu erhalten. Der Wechselspannungs-Leistungs­ schalter 46 kann auch ein Oberflächen-Transistor (IGT) oder eine Darlington-Vorrichtung sein. Die Steuerschaltung wird von einem Oszillator 50 gebildet, der aus einem Gatter 51, einem Widerstand 52 und einem Kondensator 54 aufgebaut ist. Das Gatter 51 ist ein Invertierer mit Schmidt-Eingängen, wodurch der Invertierer eine Hysterese besitzt, d.h. der Ausgang des Gatters 51 wird von H auf L geschaltet, wenn die Eingangsspannung auf einen bestimmten hohen Wert geht, aber der Ausgang kehrt nicht auf H zurück, bis der Eingang auf einen Spannungspegel gesenkt wird, der kleiner als derjenige ist, bei dem der erste Ausgangswechsel von H nach L auftrat. Diese Differenz zwischen den Eingangsspannungspegeln, an denen eine Umschaltung erfolgt, ist der Hysterese-Zustand, der in der Oszillatorschaltung gemäß der Erfindung benutzt wird. Wenn der Kondensator 54 in einem geladenen Zustand ist, dann ist die Ausgangsspannung des Gatters 51 hoch und lädt den Kondensa­ tor 54 über die Bahn, die durch den Widerstand 52 gebildet ist. Der Kondensator 54 lädt sich auf, bis der positiv werdende Schalt­ schwellwert des Gatters 51 erreicht ist. An diesem Punkt wird der Eingang zum Gatter 51 an der Stelle 56 auf H geschaltet, und die Ausgangsspannung des Gatters 51 geht auf L, wodurch der Konden­ sator 54 sich zu entladen beginnt. Der Kondensator 54 entlädt sich weiterhin, bis der negative Schaltschwellwert des Gatters 51 erreicht wird, wodurch der Ausgang des Gatters 51 auf H geht. Das Gatter 51 wiederholt dann den vorstehend beschriebenen Pro­ zeß. Die Oszillatorschaltung 50 oszilliert weiterhin, wobei sich der Kondensator 54 zwischen den zwei Schwellwerten auflädt und entlädt und der Ausgang des Gatters 51 umschaltet zwischen dem Pegel der Spannung und Erde bzw. Masse, mit denen das Schaltungs­ element 51 verbunden ist.

Der Eingang 56 des Gatters 51 ist über einen Widerstand 58 mit dem Ausgang eines integrierten Komparators 60 verbunden. Der Komparator 60 weist einen ersten oder positiven Eingang 62 auf, der über einen Spannungsteiler, der Widerstände 64 und 66 enthält, mit einer Referenzspannung am Punkt 43 verbunden ist, um so eine Referenzspannung am Eingang 62 zu liefern. Der Komparator 60 hat ferner einen zweiten oder negativen Eingang 68, der mit einem integrierenden Kondensator 74 und über einen Widerstand 72 mit einem Knotenpunkt 70 verbunden ist, der durch einen Widerstand 44 und ein MOSFET 46 gebildet ist.

Die Schaltungsanordnung zum Steuern der Ladungsübertragung durch die Lampe 16 enthält ferner parallel geschaltete, integrierte In­ vertierer 76, 78 und 80, die an ihren entsprechenden Eingangen 82, 84 und 86 mit einem Ausgang 88 des Oszillators 50 verbunden sind und die auch an ihren entsprechenden Ausgangsanschlüssen 90, 92 und 94 mit einem Gate-Element 96 des MOSFET 46 verbunden sind. Der Source-Anschluß 98 des Leistungs-MOSFET 46 ist mit dem Knoten­ punkt 70 verbunden, und der Drain-Anschluß 100 des MOSFET 46 ist mit dem Anschluß 102 verbunden. Der Leistungs-MOSFET 46 ist so angeordnet, daß er den Gleichspannungs-Anschlüssen 34 und 102 der Diodenbrücke 18 parallel geschaltet ist.

Das Grundkonzept der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Schal­ tungsanordnung kann unter Bezugnahme auf den Strom beschrieben werden, der innerhalb der Fluoreszenzlampe 16 fließt. Der inner­ halb der Lampe fließende Strom wird unterbrochen, bevor er eine Chance hat, den Durchgeh-Zustand oder den Abschnitt der Strom- Spannungs-Kurve der Lampe zu erreichen, der ein Durchgehen ge­ stattet, d.h. bevor der Strom auf einen Wert ansteigt, der eine Beschädigung der Lampe ermöglicht. Um diese Steuerung zu erhal­ ten, ist eine geeignete Ausschaltzeit für die Lampe erforderlich, um eine Deionisation des ionisierten Mediums in der Lampe zu gestatten, um so die Ladungsträgererzeugung auszugleichen, die während der Einschaltzeit der Lampe 16 erfolgt. Es wurde gefunden, daß für die Stromunterbrechungs-Steuerschaltung gemäß Fig. 1 mit einer angelegten sinusförmigen Eingangsspannung an den Klem­ men 12 und 14 für eine Verwendung mit einer Niederdruck-Quecksil­ ber-Entladungslampe mit einer Argonfüllung von etwa 2,0 Torr es wünschenswert ist, einen Lampenstrom mit Kurvenformen 110 und 120 zu haben, die in Fig. 4 gezeigt sind.

Der in der Lampe 16 fließende Strom wächst zunächst rasch auf einen Spitzenwert 112 an und fällt dann schnell ab, wie es bei 116 ge­ zeigt ist, auf ein Minimum 114, von wo an der Strom exponential ansteigt, wie es bei 118 gezeigt ist. Wenn er nicht unterbrochen würde, würde der Strom auf einen Durchgeh-Zustand ansteigen, wie es durch die gestrichelte Linie 118′ angedeutet ist, bis die Lam­ pe ausfällt. Der einen positiven Widerstand aufweisende Abschnitt 116 der Kurve hat eine kurze, aber endliche Zeitdauer inder Größen­ ordnung von 2 bis 5 Mikrosekunden. Dieser einen positiven Wider­ stand aufweisende Abschnitt 116 der Stromkurve ist bisher nicht erkannt worden, wie es in Verbindung mit Fig. 2b erörtert wurde. Während dieses Zeitintervalles 116 besteht keine Tendenz zum Durchgehen des Stromes. Es wurde gefunden, daß diese einen posi­ tiven Widerstand aufweisende Betriebs-Charakteristik ausgenutzt werden kann, um für eine gewünschte Lampenbetriebssteuerung zu sorgen. Deshalb wird durch eine geeignete Steuerung des Schaltens des Lampenstroms eine Reihe von Stromimpulsen 120 erzeugt, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Jeder Impuls 120 enthält den Abschnitt 116 der Stromkurve 110, der eine positive Widerstands-Charakteri­ stik aufweist, und einen Abschnitt 118, der die negative Wider­ stands-Charakteristik besitzt, wodurch sich der Impuls 120 mit einer Dauer 122 von etwa ein Fünftel (1/5) bis ein Zehntel (1/10) der Dauer 124 der Ausschaltzeit bezüglich der Lampe 16 ergibt. Durch Begrenzen der Einschaltzeit auf nicht mehr als die Puls­ dauer 122 hält die Steuerschaltung den Ionisationspegel der Lampe innerhalb eines Bereiches, der eine schnelle Lampenrückzündung gestattet, ohne daß ein Durchgehen des Stroms auftritt.

Eine bevorzugte Steuerung besteht darin, den Einschaltimpuls 120, der vergrößert in Fig. 5 gezeigt ist, auf das Intervall 126 zu begrenzen, wodurch eine Kurve 128 erzeugt wird, die einen ver­ kleinerten, einen negativen Widerstand aufweisenden Abschnitt 118 hat, so daß die Lampe im wesentlichen als eine Vorrichtung mit positivem Widerstand betrieben werden kann. Die Schaltungsan­ ordnung gemäß der Erfindung gestattet eine genaue Steuerung der Lampeneinschaltzeit, die durch den Impuls 120 gezeigt ist, und wenn die Umschaltung so ausgeführt wird, daß diese Einschaltzeit innerhalb eines vorbestimmten Bereiches liegt, beispielsweise weniger als 5 Mikrosekunden, kann die Steuerung der Lampe auf zweckmäßige Weise dadurch ausgeführt werden, daß die Pulsbreite 122 gesteuert wird, beispielsweise mit der bereits beschriebenen Oszillatorschaltung. Für diese Steuerung hängt die Lampenlicht­ stärke gemäß der Erfindung von der der Lampe zugeführten Ladung ab, und nicht, wie bei bekannten Methoden, von dem Spitzenstrom, der der Lampe zugeführt ist.

Die Steuerschaltung zum Ansteuern des MOSFET 46, um die gewünsch­ ten Wellenformen, die in Fig. 5 gezeigt sind, zu erzeugen, arbei­ tet in der Weise, daß, wenn das Gate 96 ein Signal empfängt, das den MOSFET 46 durchschaltet, ein Strom durch die Lampe 16 und den Diodenbrückengleichrichter 18 fließt, und eine Spannung über dem Widerstand 44 aufgedrückt wird, der bei 47 geerdet bzw. an Masse gelegt ist. Die Spannung über dem Widerstand 44 wird über einen Widerstand 72 an den integrierenden Kondensator 74 angelegt. Der Kondensator 74 liefert eine Eingangsspannung V _C , die in Fig. 3b gezeigt ist, an den negativen Eingang 68 des Komparators 60.

Fig. 3b bildet zusammen mit den Fig. 3a und 3c eine Schar von miteinander in Beziehung stehenden Kurven. Fig. 3a zeigt eine Kurvenform von einem Abschnitt der ersten Halbwelle der Leitungs­ spannung der angelegten Wechselspannnungsquelle. Fig. 3b zeigt die Kurve V _C mit verschiedenen Steigungen 144 _A , 144 _B und 144 _C , die ansteigen, wenn die Amplitude der Kurve gemäß Fig. 3a an­ steigt. Umgekehrt zeigt Fig. 3c Kurvenformen V _S mit verschiede­ nen Zeitdauern 145 _A , 145 _B und 145 _C , die abnehmen, wenn die Ampli­ tude der Kurve gemäß Fig. 3a abnimmt.

Der Komparator 60, der zu der Spannung V _C in Fig. 3b in Beziehung steht, hat eine steuerbare Referenzspannung, die an seinem Ein­ gang 62 durch einen Stellwiderstand 66 geliefert wird. Durch Ein­ stellen des Abgriffes auf den Widerstand 66 kann der Spannungspe­ gel am Eingang 62 des Komparators 60 gewählt werden, um den rich­ tigen Schaltspannungspegel für den Komparator 60 zu liefern, um so den Schaltpegel und deshalb die Einschaltzeit und die Aus­ schaltzeit des Oszillators 50 zu steuern, der seinerseits die Ein­ schaltzeit und Ausschaltzeit des MOSFET 46 steuert. Der Ausgang 61 des Komparators 60 ist mit dem Eingang 56 des Oszillators 50 verbunden und steuert die Folgefrequenz des Oszillators 50. Der Oszillator 50 liefert eine im wesentlichen rechteckförmige Aus­ gangsgröße an die Invertierer 76, 78 und 80, die ihrerseits eine rechteckförmige Eingangsgröße V _S , die in Fig. 3c gezeigt ist, an das Gate 96 des MOSFET 46 liefern. Wenn die Spannung, die durch den integrierenden Kondensator 74 an den Eingang 68 des Kompara­ tors 60 gelegt wird, positiver wird als die an den Eingang 62 an­ gelegte Bezugsspannung, wird die eine Seite des Widerstandes 58 durch den Komparator 60 an Erde bzw. Masse gelegt. Dies bewirkt, daß der Kondensator 54 länger braucht, um sich auf einen gegebenen Spannungspegel aufzuladen, weil ein Teil des Stroms von dem Wider­ stand 52 des Oszillators über den Widerstand 58 nach Erde bzw. Masse abgeleitet wird. Deshalb ist die Länge der Zeit, während der die Ausgangsgröße am Anschluß 88 des Oszillators 50 auf einem hohen Pegel ist, länger, als sie ohne den Widerstand 58 sein würde. Umgekehrt ist die Ausgangsgröße am Anschluß 88 des Oszilla­ tors 50 auf einem niedrigen Pegel für eine kürzere Zeit, weil beide Widerstände 52 und 58 den Kondensator 54 entladen, wenn die Ausgangsgröße am Anschluß 88 auf einem niedrigen Pegel ist. Der Ausgang am Anschluß 61 des Komparators 60 ist ein offener Kollek­ tor, so daß, wenn der Plus-Eingang 62 (Referenzspannung) höher ist als der Minus-Eingang 68, die Ausgangsgröße bei 61 schwimmend ist, und die Wirkung auf den Oszillator ist so, als wenn der Wi­ derstand 58 nicht dort wäre. Der Ausgang des Oszillators 50 ist mit dem Gate 96 des Leistungs-MOSFET 46 durch die parallel ge­ schalteten Invertierer 76, 78 und 80 verbunden, um vorzugsweise die erhöhte Treiberkapazität für den MOSFET 46 zu liefern. Durch Betreiben des Komparators 60 und des Oszillators 50 in Verbin­ dung mit dem Kondensator 54, wie es vorstehend beschrieben wurde, wird die Frequenz des MOSFET 46 sehr genau gesteuert. Die Aus­ gangsgrößen der drei Invertierer 76, 78 und 80 sind hoch für eine kürzere Zeitdauer und niedrig für eine längere Zeitdauer, weil die Ausgangsgröße des Oszillators 50 niedrig für eine kürzere Zeitdauer und hoch für eine längere Zeitdauer ist aufgrund der vorstehend beschriebenen Eingangssteuerschaltung. Deshalb ist die Einschaltzeit für den MOSFET 46 kürzer als seine Ausschalt­ zeit, wie es in Fig. 3c gezeigt ist, was die Wirkung hat, daß der Gesamtstrom durch den MOSFET 46 und folglich die Lampe 16 ver­ kleinert wird.

Der Integrationskondensator 74 und der Widerstand 72 mitteln den Strom durch den Widerstand 44 mit einer Zeitkonstante, die kurz ist im Vergleich zu der Dauer einer Halbwelle der Netzfrequenz von 50 oder 60 Hz. Die Spannung am Eingang 68 des Komparators 60 ist proportional zu dem Strom durch den Widerstand 44 und des­ halb zu dem Strom durch den MOSFET 46 und die Lampe 16. Die Um­ schaltung der Ausgangsgröße bei 61 des Komparators 60 wird be­ stimmt durch die Ladegeschwindigkeit des Kondensators 74, die Größe V _C in Fig. 3b, die von dem Strom durch den Widerstand 44 und dem MOSFET 46 abhängig ist. Deshalb ändert sich, wie es in Fig. 3c gezeigt ist, die Arbeitsfrequenz des MOSFET 46 während jeder Halbwelle der Netzfrequenz invers zu der Spannung über der Lampe, d.h. die Eingangsgröße V _S zum Gate 96 des MOSFET ist hoch für eine kürzere Zeitdauer, wie es bei 144 _A gezeigt ist, wenn die Spannung hoch ist, und sie ist hoch für eine längere Zeitdauer, wie es bei 144 _B gezeigt ist, wenn die Spannung klein ist, mit dem Ergebnis, daß der mittlere, durch die Lampe fließende Strom kon­ stant gehalten ist. Wenn der Strom durch den Widerstand 44 zu hoch ist, legt der Kondensator 74 schnell ein Signal an den nega­ tiven Eingang 68 des Komparators 60 an, wodurch der Ausgang des Komparators 60 mit Erde bzw. Masse verbunden wird, wodurch durch den Widerstand 58 ein Teil des Stroms abgeleitet wird, der norma­ lerweise über den Widerstand 52 den Kondensator 54 aufladen würde. Dies verlängert die Einschaltzeit des Oszillators 50 und die Aus­ schaltzeit des MOSFET 46 und deshalb den Strom durch die Lampe 16, wodurch der mittlere Lampenstrom verkleinert wird. Auf diese Wei­ se wird der mittlere Strom, der durch die Lampe 16 fließt, kon­ stant gehalten, und zwar unabhängig von der Lampenspannung.

Die Kurvenformen für die Lampenspannung und den Strom sind in den Fig. 6b bzw. 6c gezeigt für eine sinusförmige Eingangsspannung, die teilweise bei 130 in Fig. 6a gezeigt ist, als Eingangsgröße an den Anschlüssen 12 und 14. Der Strom durch die Lampe ist pro­ portional zu der Spannung über der Lampe, wenn die Lampe in dem einen positiven Widerstand aufweisenden Abschnitt 116 der Lampen- Charakteristik arbeitet. Der Oszillator 50 schaltet den MOSFET 46 mit einer hohen Frequenz, beispielsweise etwa 20 kHz, ein und aus, wenn der Komparator 60 nicht einen Schaltübergang erzwingt. Wenn der MOSFET 46 bei einem hohen Spannungspegel einschaltet, wie es bei 145 _C in Fig. 3c gezeigt ist, ist der Lampenstrom groß, wo­ durch ein großer Strom durch den Widerstand 44 fließt, um den Kon­ densator 74 auf einen positiven Spannungsschwellwert in einer kürzeren Zeit aufzuladen, wie es bei 144 _C in Fig. 3b gezeigt ist, als die normale Oszillatorfrequenz, damit der Komparator 60 den Oszillator 50 umschaltet und dadurch den MOSFET 46 sperrt, um den Lampenstrom nach einem kürzeren Einschaltintervall zu unter­ brechen.

Wenn, wie gezeigt ist, die Lampe bei einem niedrigen Spannungspe­ gel 132 in Fig. 6a eingeschaltet wird, hat der Spannungsimpuls 134 in Fig. 6b eine kleine Amplitude und eine längere Zeitdauer 136 als die Dauer 138 eines Spannungsimpulses 140 mit einer großen Amplitude, die aus dem Durchschalten bei dem Spannungspegel 142 der Eingangskurve 130 resultiert. In ähnlicher Weise hat der Stromimpuls 135 eine kleine Amplitude im Vergleich zu dem Strom­ impuls 141, aber eine viel längere Dauer. Bei den kleineren Span­ nungspegeln ist der Strom durch den Widerstand 44 zu klein, um den Kondensator 74 auf eine ausreichende Spannung aufzuladen, um den Komparator 60 zu schalten. Deshalb wird der Lampenstrom ein- und ausgeschaltet bei der Oszillatorfrequenz bei niedriger Amplitude, wie es durch die Stromimpulse 135 in Fig. 6c gezeigt ist. Auf diese Weise wird die Lampen-Ionisationsladung im wesent­ lichen konstant gehalten.

Die Ionisationssteuerung folgt für einen Betrieb gemäß der Erfin­ dung der in Fig. 7 gezeigten Charakteristik 150. Es sei darauf hingewiesen, daß in Fig. 7 kein wesentlicher Bereich mit nega­ tiver Impedanz existiert, in welchem die Spannung sinkt, wenn der Strom steigt. Den Lampenstrom begrenzende Elemente sind in der Betriebsschaltung nicht erforderlich, und die Lampensteuerung wird vereinfacht auf einen zeitgesteuerten Schaltbetrieb, weil Strom und Spannung immer zueinander proportional sind.

Es wurde gefunden, daß, wenn die Schaltzeit der Unterbrechungs­ schaltung genügend verkleinert wird, so daß die Einschaltzeit kleiner als etwa 20 Mikrosekunden und die Ausschaltzeit kleiner als etwa 100 Mikrosekunden ist, Wirkungsgradverbesserungen von mehr als 50% möglich sind. Dies liegt an drei Faktoren: (1) Im Gegensatz zu Beobachtungen für statischen Betrieb und für einen Betrieb in dem Durchgehbereich für dynamisch gesteuerte Systeme tritt kein Nachteil auf im positiven Säulenwirkungsgrad, wenn eine Lampe unter Verwendung dieser hohen Stromimpulse für kurze Zeiten betrieben wird. Da eine sehr kleine Ionisation und Deioni­ sation für Einschaltzeiten von weniger als 20 Mikrosekunden auf­ treten, werden offenbar mit der Ionenerzeugung verbundene Ver­ luste vermieden. Tatsächlich tritt eine so kleine Ladungsträger­ erzeugung auf, daß das Durchgehen durch Steuerung der Ladung (Integral des Stroms) gesteuert werden kann anstatt durch Steue­ rung des Spitzenstroms für jeden Impuls. (2) Durch Aufdrücken der Netzspannung auf die Lampe wird das Verhältnis des positiven Säulenabfalls zum Elektrodenabfall verbessert, wodurch der Elek­ trodenverlust verkleinert wird. (3) Verbesserungen des Ballast­ bzw. Vorschaltwirkungsgrades aufgrund von Elektronik sorgen für eine wesentliche Verbesserung des Lampenwirkungsgrades im Ver­ gleich zu konventionellen Systemen. Deshalb schafft die Erfin­ dung einen Mechanismus zum Steuern der Leistung, die elektri­ schen Entladungslampen zugeführt ist, ohne daß energiespeichern­ de, strombegrenzende Vorrichtungen erforderlich sind, wie bei­ spielsweise eine konventionelle elektromagnetische Vorschaltan­ ordnung.

Zwar wurde vorstehend die Lampe als eine Niederdruck-Quecksilber­ dampf-Entladungslampe, wie beispielsweise eine Leuchtstofflampe, beschrieben, aber die Erfindung ist in gleicher Weise auf andere Lampen anwendbar, wie beispielsweise Hochdruck-Quecksilberlampen, Hoch- und Niederdruck-Natriumlampen, Hoch- und Niederdruck-Xenon­ lampen und Metallhalogenidlampen. Für alle denkbaren Anwendungs­ fälle braucht für den Betrieb aller Lampen mit einem Kolben, der Ent­ ladungsgasatome enthalten kann, nur eine Spannung angelegt zu wer­ den, die elektrisch mit der jeweiligen Lampe und einem Stromunter­ brechungsschalter in Reihe geschaltet ist. Die jeweiligen Anwen­ dungsfälle brauchen dann nur die Arbeitsfrequenz zum Stromunter­ brechungsschalter zu steuern, um so einen vorbestimmten Leistungs­ pegel in dem Kolben der jeweiligen Lampe in einer Art und Weise beizubehalten, wie es zuvor gewünscht wurde.

Ferner wurde zwar vorstehend die Erregung als eine Wechselspan­ nungsquelle beschrieben, aber es kann auch eine Erregung aus einer Gleichstromquelle verwendet werden. In ähnlicher Weise muß die Wechselspannungserregung nicht auf eine sinusförmige Kurvenform begrenzt sein, da auch andere Formen, wie beispielsweise rechteck­ förmige und sägezahnförmige Kurven, verwendet werden können.

Zusammenfassend werden also eine Schaltungsanordnung und ein Ver­ fahren zum Betreiben einer Entladungslampe geschaffen, die selek­ tiv die Einschaltzeiten der Entladungslampe steuern, um so auf vorteilhafte Weise eine vorbestimmte Ionisation der Entladungs­ lampe beizubehalten.

Claims (22)

1. Verfahren zum Betreiben von Gasentladungslampen, gekennzeichnet durch:
Anlegen einer Eingangsspannung elektrisch in Reihe mit einer Gasentladungslampe mit einem Kolben, der Entla­ dungsgasatome enthält, und einem Stromunterbrechungs­ schalter und
Steuern der Arbeitsfrequenz des Stromunterbrechungs­ schalters derart, daß ein vorbestimmter Leistungspegel in dem Lampenkolben aufrechterhalten ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß als Gasentladungslampe eine Hochdruck-Natriumentla­ dungslampe, eine Niederdruck-Natriumentladungslampe, eine Hochdruck-Quecksilberlampe, eine Niederdruck-Queck­ silberlampe, eine Niederdruck-Xenonlampe, eine Hochdruck- Xenonlampe oder eine Metallhalogenidlampe verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung aus einer Gleichstromquelle entnommen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung aus einer Wechselstromquelle entnom­ men wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannung mit einer sinusförmigen, rechteckför­ migen oder sägezahnförmigen Kurve verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Betreiben von Niederdruck-Gasentladungslampen folgende Schritte ausgeführt werden:
Anlegen einer sinusförmigen Eingangskurve an zwei Wech­ selspannungsklemmen einer Gleichrichterschaltung, die elektrisch mit einer Niederdruck-Gasentladungslampe in Reihe geschaltet ist,
Anlegen einer Spannung an die Elektroden der Nieder­ druck-Gasentladungslampe zum Starten der Lampe,
Anlegen einer hochfrequenten Kurve an die Lampe mit einer variablen Arbeitsfrequenz und
Steuern der Arbeitsfrequenz derart, daß ein vorbestimm­ ter Ionisationspegel der Entladungsgasatome innerhalb des Lampenkolbens aufrechterhalten wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die angelegte Spannung eine relativ hohe Spannung ist und eine impulsähnliche Form hat.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Folge von elektrischen Stromimpulsen an die Elektroden der Lampe angelegt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasentladungslampe in einem einen positiven Widerstand aufweisenden Bereich der Lampenstrom-Betriebs­ charakteristik betrieben wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsgröße eines steuerbaren Oszillators an das Gate eines Wechselstromschalters angelegt wird, der mit der Lampe in Reihe geschaltet ist, um die Ein­ schaltzeit des Stromflusses durch die Lampe derart zu steuern, daß die Länge der Einschaltzeit kleiner als oder gleich einem Fünftel der Lampenstrom-Ausschaltzeit ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Wechselstromschalter ein Leistungs-MOSFET, ein Oberflächen-Transistor oder eine Darlington-Vorrichtung verwendet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschaltzeit ein Zeitintervall von weniger als 20 Mikrosekunden aufweist und die Ausschaltzeit ein Zeit­ intervall von weniger als 100 Mikrosekunden aufweist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß an den Eingang des Oszillators ein schaltendes Ein­ gangssignal angelegt wird, das von dem Integral des Lampenstroms abhängig ist.

14. Schaltungsanordnung zum Betreiben von Niederdruck-Queck­ silberdampf-Gasentladungslampen, gekennzeichnet durch: eine Gleichrichterschaltung (18) mit zwei Wechselspan­ nungsanschlüssen (25, 27) und zwei Gleichspannungsan­ schlüssen (34, 102), wobei der eine Wechselspannungsan­ schluß (27) einen Eingang für eine Verbindung mit einer Wechselspannungsquelle bildet und der andere Wechsel­ spannungsanschluß (25) ein Mittel für eine Reihenschal­ tung mit wenigstens der einen Elektrode (24) der Nieder­ druck-Quecksilberdampf-Gasentladungslampe (16) bil­ det,
eine mit den Wechselspannungsanschlüssen verbundene Steuerschaltung, die aufweist:
Mittel (50) zum periodischen Unterbrechen des der Lampe (16) zugeführten Wechselstroms mit einer vorbestimmten Frequenz, die größer als die Frequenz der Wechselspan­ nung ist, und
Mittel (72, 74) zum Steuern des Mittelwertes des Wechsel­ stroms durch die Lampe (16) durch Steuern der Einschalt­ zeit des Wechselstroms durch die Gleichrichterschaltung (18).

15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung ferner aufweist:
eine Festkörper-Schaltvorrichtung (46), die den Gleich­ spannungsanschlüssen der Gleichrichterschaltung (18) parallel geschaltet ist,
eine Oszillatorschaltung (50), die mit der Schaltvor­ richtung (46) verbunden ist, zur Lieferung von Ein/Aus- Impulsen bei der vorbestimmten Frequenz und
mit der Oszillatorschaltung (50) verbundene Steuermit­ tel zum Steuern der Umschaltung der Oszillatorschaltung bei Stromfluß durch die Festkörper-Schaltvorrichtung (46).

16. Schaltungsanordnung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch Mittel zum Zuführen eines Umschaltsteuer-Eingangssig­ nals zur schaltenden Steuervorrichtung in Abhängigkeit von dem Integral des Gleichstroms, der durch die Fest­ körper-Schaltvorrichtung (46) fließt.

17. Schaltungsanordnung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch einen Regler bzw. Stabilisator, der mit dem Eingang der Oszillatorschaltung (50) verbunden ist, zum Steuern des Tastverhältnisses der Oszillatorschaltung.

18. Schaltungsanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltsteuervorrichtung aufweist:
einen Komparator (60) mit einem ersten Eingang (68) zum Empfangen eines ersten Eingangssignals, das dem Integral des Stroms durch die Lampe proportional ist, und mit einem zweiten Eingang (62) zum Empfangen eines Referenzsignals zum Vergleichen des ersten Eingangs­ signals und des zweiten Eingangssignals und zum Liefern eines Ausgangssignals in Abhängigkeit von dem Vergleich an die Oszillatorschaltung (50) zum Steuern des Be­ triebszustandes der Oszillatorschaltung.

19. Schaltungsanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler bzw. Stabilisator ferner aufweist:
einen Ladungsspeicher-Kondensator (54) zum Steuern der Eingangsspannung am Eingang der Oszillatorschaltung (50) und Entlademittel zum Steuern der Geschwindigkeit des Ladens und Entladens des Ladungsspeicher-Kondensators.

20. Schaltungsanordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stellwiderstand (66) an seinem Abgriff mit dem zweiten Eingang (62) des Komparators (60) verbunden ist und das Referenzsignal liefert, und eine Einspei­ sung (bei 43) mit dem Stellwiderstand (66) verbunden ist zur Lieferung eines Gleichspannungssignals der vor­ bestimmten Spannung an den Stellwiderstand.

21. Schaltungsanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Festkörper-Schaltvorrichtung (46) einen Lei­ stungs-MOSFET aufweist, dessen Gate (96) mit dem Aus­ gang der Oszillatorschaltung verbunden ist, dessen Drain mit dem einen Gleichspannungsanschluß der Gleich­ richterschaltung (18) verbunden ist und dessen Source mit den Mitteln zum Liefern eines Schaltsteuer-Eingangs­ signals verbunden ist.

22. Schaltungsanordnung nach Anspruch 14 , dadurch gekennzeichnet, daß die Ausschaltzeit ein Zeitintervall von weniger als 30 Mikrosekunden aufweist und daß die Einschalt­ zeit ein Zeitintervall von weniger als 3,0 Mikrosekun­ den aufweist.