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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Zünden und
Betreiben wenigstens einer Hochdruckenfladungslampe mit einer stabilen Entladung, und
diese Anordnung ist mit einem Vorschaltgerät zum Stabilisieren der Entladung im
Betrieb der Hochdruckentladungslampe und mit wenigstens zwei
Lampenanschlußpunkten versehen, die über einen Zweig mit einem Kondensator und einem Schaltelement
miteinander verbunden sind, wobei der Kondensator ebenfalls mit einer
Ladungsspannungsquelle verbunden ist.
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Eine Schaltungsanordnung eingangs erwähnter Art ist aus der
europäischen Patentschrift 0 111 956 (PHD 82134) bekannt. In diesem Fall ist ein Transistor
als Schaltelement zwischen dem Kondensator und der angeschlossenen Lampe
angeordnet. In der bekannten Schaltungsanordnung wird der Schalttransistor derart geschaltet,
daß von dem Kondensator jeweils beim Erreichen der Nullwerts durch die
gleichgerichtete Speisewechselspannung Strom geliefert wird. Dies begünstigt die Aufrechterhaltung
von Restionisierung der gasartigen Füllung der Lampe und daher die Neuzündung der
Entladung beim Erhöhen der Speisespannung. Eine derartige Begünstigung der
Neuzündung ist vorteilhaft für ein schnelles Starten der Hochdruckenfladungslampe. Der
Begriff "Starten" sei in diese Beschreibung als das Verhalten der Lampe zwischen dem
ersten Durchschlag beim Zünden und dem Zustand einer stabilen Entladung verstanden.
Wenn in der elektrischen Verbindung zwischen dem Kondensator und der Lampe ein
Schaltelement angeordnet ist, wird erreicht, daß die Speisung von Strom aus dem
Kondensator zeitlich begrenzbar ist, was in bezug auf Dissipation in der
Schaltungsanordnung vorteilhaft ist.
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Beim Zünden und beim warmen Neuzünden einer
Hochdruckentladungslampe lassen sich folgende Stufen unterscheiden:
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a) nicht gezündete Lampe; Spannung an der Lampe ist gleich der Speise-
Spannung,
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b) Durchbruch in der Lampe durch einen Zündimpuls; die Spannung an
der Lampe sinkt sprunghaft auf wenige zehn Volt,
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c) das Starten der Lampe; die Spannung an der Lampe steigt nach dem
sprunghaften Abfall auf einen Wert im Zusammenhang mit einer
stabilen Entladung in der Lampe; die Stromversorgung wird dabei über
die Speisequelle genommen.
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In der Stufe c) stellt sich für verschiedene Lampentypen das Phänomen ein, daß die
Spannung an der Lampe schnell auf weit über den Wert ansteigt, der einer stabilen
Entladung zugeordnet ist, und sinkt darauf allmählich auf den Wert der stabilen
Entladung. Dieses Phänomen tritt insbesondere bei warmem Neuzünden
niederenergetischer Hochdrucknatrium- und Hochdruckmetallhalidlampen auf.
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Für eine Lampe mit einer Nennspannung von 100 Volt mit einer stabilen Entladung
kann die Spannung an der Lampe direkt nach dem Durchbruch auf 500 Volt ansteigen.
Durch den starken Anstieg der Spannung an der Lampe erlischt die Entladung, wenn
keine Maßnahmen für eine derartige Stromversorgung der Lampe getroffen sind, daß
die Entladung aufrechterhalten wird.
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Im allgemeinen werden Entladungslampen in Verbindung mit einem
Stabilisationsgerät mit einer induktiven Kennlinie betrieben. Stromversorgung direkt
nach dem Durchbruch in der Lampe von der Speisequelle wird unter diesen
Bedingungen nur verhältnismäßig langsam wirksam. Daher ist die Übernahme der
Stromversorgung von der Speisequelle ein kritischer Punkt beim Zünden und Starten einer
Hochdruckentladungslampe.
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Bei der Benutzung von Hochdruckentladungslampen beispielsweise für
Innenbeleuchtung oder Fahrzeugbeleuchtung, ist nicht nur ein schnelles Starten, sondern
auch ein warmes Neuzünden erforderlich. Ein warmes Neuzünden einer Lampe ist die
Zündung der Lampe kurz nach dem Erlöschen durch Unterbrechung der
Speisespannung, während im wesentlichen in der Gasfüllung der Lampe keine Restionisierung
vorhanden ist. Da die Gasfüllung der Entladungslampe immer noch eine verhältnismäßig
hohe Temperatur hat und daher ebenfalls einen verhältnismäßig hohen Druck, ist die
Zündspannung entsprechend hoch. Die Benutzung von Zündimpulsen von wenigen kV
bis wenigen Zehn kV hat sich daher in der Praxis unausweichlich erwiesen.
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Ein anderes Merkmal der Benutzung von Hochdrucklampen für diese
Anwendungen ist der Wunsch, daß die Lampe direkt beim Zünden Licht emittiert. Eine
Maßnahme zu diesem Zweck besteht in der Zugabe von Xenon mit einem Druck bei
Raumtemperatur von wenigstens 6,7 kPa zur Füllung der Lampe. Dies ergibt ebenfalls
einen Anstieg der Zündspannung. Dies ergibt außerdem, daß der Pegel, auf den die
Spannung über die Lampe ansteigt, direkt nach dem Durchbruch stark ansteigt.
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Stromversorgung direkt nach dem ersten Durchbruch wird als besonders
wichtig für die Zündung einer derartigen Lampe mit einer sehr hohen Zünd- und
Neuzündspannung erachtet, und um dies zu erreichen, muß die Verzögerung zwischen
dem Durchbruch der Lampe und dem Schaltvorgang eines Schaltelements in Reihe mit
dem Kondensator einen Mindestwert haben. Halbleiterelemente als Schaltelement
schalten im allgemeinen jedoch langsam, oder wenn sie von einem Schnellschalttyp
sind, sind sie sehr teuer. Ein weiterer Nachteil der Benutzung eines Schalttransistors ist
die Notwendigkeit einer Steuerschaltung, die an sich bereits einen Verzögerungseffekt
einführt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Mittel zu schaffen, mit denen
es möglich ist, auf einfache Weise Strom von dem Kondensator sehr bald nach dem
Durchbruch in der Lampe zu liefern, während gleichzeitig die Benutzung eines
Schaltelements aufrechterhalten wird. Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß in einer
Schaltanordnung der eingangs erwähnten Art das Schaltelement ein gasgefülltes
Durchbruchselement.
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Die Schaltungsanordnung bietet den Vorteil, daß eine Steuerschaltung
überflüssig ist, und daß außerdem eine sehr schnelle Stromlieferung erfolgen kann. Ein
weiterer Vorteil ist, daß derartige Durchbruchselemente hohe Spannungen sehr gut
aushalten.
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Hochdruckentladungslampeen mit einer niedrigen Nennleistung werden
allgemein mit einer Frequenz betrieben, die in bezug auf das herkömmliche Speisenetz
höher ist. Eine Speisung mit einer nicht sinusförmigen Spannung wird ebenfalls häufig
für derartige Lampen benutzt. Unter derartigen Bedingungen sind Maßnahmen zur
Begünstigung der Neuzündung im allgemeinen nicht erforderlich. Daher kann die
Durchbruchspannung des Durchbruchelements so hoch gewählt werden, daß Durchbruch
nur beim Erscheinen eines Zündimpulses erfolgt. Der Vorteil davon ist, daß für die
Wahl der Abmessung des Kondensators nur die Zündung und das Startverhalten der
Lampe wichtig sind.
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Damit im leitenden Zustand des Durchbruchelements die Entladung des
Kondensators sich über eine ausreichend lange Zeit erstreckt, kann es vorteilhaft sein,
mit dem Kondensator eine Impedanz in Reihe zu schalten, beispielsweise ein Widerstand
und/oder eine Induktionsspule. Vorzugsweise wird diese Impedanz derart angeordnet,
daß nur der Entladestrom des Kondensators die Impedanz durchfließt, aber daß der aus
der Ladungsspannungsquelle abgeleitete Ladestrom diese Impedanz nicht durchfließt.
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Die Ladungsspannungsquelle kann aus der Speisequelle bestehen. Zum
Erhöhen der Spannung am Kondensator kann ein spannungserhöhendes Netz,
beispielsweise eine aus Dioden und Kondensatoren aufgebaute Kaskadenanordnung, zwischen
dem Kondensator und der Speisequelle angeordnet werden. Eine weitere Möglichkeit
ist, daß die Speisequelle ein spannungserhöhender Umsetzer ist. Die Verwendung einer
getrennten Ladungsspannungsquelle ist ebenfalls vorstellbar. Kombinationen der
erwähnten Möglichkeiten sind ebenfalls verwendbar.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der
Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
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Fig. 1 einen Schaltplan der effindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
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Fig. 2 eine graphische Darstellung der Spannung an der Lampe und des
Stroms durch die Lampe beim Zünden in zeitlicher Abhängigkeit, und
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Fig. 3 einen Schaltplan einer Abwandlung der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung.
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In Fig. 1 bezeichnen A und B Verbindungspunkte für den Anschluß einer
Gleichspannungsquelle, und bezeichnen C und D Lampenverbindungspunkte, zwischen
denen die Lampe 2 angeschlossen ist. Der Lampenverbindungspunkt C ist mit dem
Verbindungspunkt B über einen Kondensator 8 angeschlossen. Der
Lampenverbindungspunkt D ist über eine Parallelschaltung eines Schalters S1 und einer Diode 9 mit dem
Verbindungspunkt A verbunden. Der Verbindungspunkt B ist einerseits über eine Diode
mit der Diode 9 und andererseits über einen Schalter S2 mit dem Schalter S1
verbunden. Eine Reihenschaltung eines Starters 3 und einer Stabilisationsspule 1 ist
zwischen der Lampenverbindungsklemme D und einem Knotenpunkt 12 zwischen der
Diode 9 und der Diode 10 angeordnet. Ein Zweig mit einem Kondensator, der aus
einem Kondensator 4, einem Durchbruchelement 5 und einer Impedanz 7 gebildet wird,
wird parallel zur Lampe 2 und zum Starter 3 geschaltet. Ein Knotenpunkt zwischen dem
Kondensator 4 und dem Durchbruchelement 5 ist über einen Widerstand 6 mit der
Verbindungsklemme A verbunden. Die Schalter S1 und S2 werden über eine
Steuerschaltung 11 gesteuert. Die dargestellte Schaltungsanordnung ist ein kommutierender
Vorwärtswandler.
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In einem praktischen Ausführungsbeispiel ist die angeschlossene Lampe
eine Hochdruckmetallhalidentladungslampe mit einer 5-Bar-Xenon-Zugabe bei 300 K
und mit einer Nennleistung von 35 W bei einer Lampenspannung von 90 V. Das von
der Lampe emittierte Licht hat eine Farbtemperatur von etwa 2500 K und einen
Farbwiedergabeindex Ra von mehr als 80. Die Schaltungsanordnung ist an eine
Gleichspannungsspeisung von 300 V angeschlossen. Die Schalter S1 und S2 haben die
Form von MOSFET und werden im Betrieb abwechselnd bei einer Frequenz von 25
kHz geschaltet. Kommutierung des Lampenstroms erfolgt durch abwechselndes Schalten
jedes der Schalter S1 und S2. Die Kommutation erfolgt bei einer Frequenz von 100 Hz
im praktischen Ausführungsbeispiel. Der Kondensator 8 hat einen Wert von 47 uF; die
Stabilisationsspule 1 hat einen Wert von 17 mH. Der Kondensator 4 hat einen Wert von
10 nF und der Widerstand 6 beträgt bis zu 40 kΩ. Das Durchbruchelement ist eine
gasgefüllte Durchbruchpatrone mit einer Durchbruchspannung von 350 V. Die
Impedanz 7 hat die Form eines Widerstands von 10 Ω.
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Der Starter 3 mit bekannter Form ist derart bemessen, daß Zündimpulse
von 15 kV erzeugt werden. Die erzeugten Zündimpulse werden über die Lampe 2 und
die Reihenschaltung der Impedanz 7, des Durchbruchelements 5 und des Kondensators 4
angelegt. Beim Erscheinen eines Zündimpulses bricht das Durchbruchelement 5
zusammen und tritt in den leitenden Zustand.
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Beim Starten der Lampe wird nur der Schalter S1 bei einer hohen
Frequenz geschaltet, und Kommutation findet nicht statt. Zur Begünstigung der
Zündung kann der Kondensator 8 während der Zündung von einem in der Zeichnung
nichtdargestellten Schaltung kurzgeschlossen werden.
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In einem anderen praktischen Ausführungsbeispiel ist die angeschlossene
Lampe eine 35 W Hochdruckmetallhalidentladungslampe mit einer Zugabe von Xenon
bei einem Druck von 10 Barr bei 300 K. Der Widerstand 6 ist in diesem Fall nicht mit
der Verbindungsklemme A verbunden, sondern mit einer getrennten
Ladungsspannungsquelle von 1000 V. Der Wert des Widerstands 6 ist auf 150 kΩ angestiegen. In diesem
Fall beträgt der Wert des Kondensators 4 150 nF. Die Impedanz 7 hat jetzt die Form
einer Reihenschaltung eines Widerstands von 150 Ω und einer Spule von 1 mH. Das
Durchbruchelement 5 hat eine Durchbruchspannung von 1200 V.
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In Fig. 2 sind für die praktische Lampe mit einer Nennleistung von 35 W
mit einer 5 Bar Xenonzugabe die Änderungen der Spannung und des Stroms dargestellt.
Die Spannung an der Lampe in V und der Strom durch die Lampe in mA werden auf
der Abzisse aufgetragen, wahrend die Zeit in us auf der Ordinate aufgetragen wird. Die
Kurve I bezeichnet die Spannung an der Lampe und die Kurve II den Strom durch die
Lampe, wobei die Kurve III den Teil des vom Wandler gelieferten Stroms und die
Kurve IV den Teil des vom Kondensator 4 gelieferten Stroms bezeichnen. Der
Spannungsimpuls an P ist der Zündimpuls, der in diesem Fall 15 kV beträgt. Durchbruch in
der Lampe erfolgt bei Q, wonach die Spannung sprunghaft auf wenige Zehn Volt an R
abfällt, wonach sie schnell ansteigt und nach einiger Zeit langsam abfällt. Im
praktischen Fall wurde die Nennspannung nach etwa 1 s erreicht. Unter Verwendung eines
kleineren Werts für die Stabilisationsspule 1 kann der Teil des vom Wandler gelieferten
Stroms schneller auf der Kurve III ansteigen. Also läßt sich erreichen, daß die
Stromversorgung schneller erfolgt. Jedoch ist ein Nachteil, daß demnach die Welle auf dem
Strom durch die Lampe ebenfalls größer wird, wodurch es die Gefahr von Instabilitäten
durch akustische Resonanz auftritt.
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In Fig. 3 ist eine Abwandlung einer erfindungsgemaßen
Schaltungsanordnung dargestellt. Die Bauteile nach Fig. 1 sind dementsprechend angepaßt. In diesem
Fall handelt es sich um einen Rücklaufwandler, der sich zum Betrieb einer 35 W-
Hochdruckmetallhalidentladungslampe mit Xenon bei einem Druck von 7 Bar bei 300 K
eignet. Der aus einem Transformator 102, einem Schalter S100, einer Steuerschaltung
101, einer Diode 103 und einem Kondensator 104 zusammengesetzte Wandler eignet
sich zur Belieferung über einen 12 V-Akkumulator, der an die Verbindungspunkte A
und B anzuschließen ist. Der Induktor 1 in Reihe mit dem Starter 3 ist zwischen dem
Wandler und dem Lampenverbindungspunkt D angeschlossen. Eine Diode 110 ist
zwischen dem Induktor 1 und dem Starter 3 angeordnet. Der Wandler erzeugt eine
Höchstspannung von etwa 185 V am Kondensator 104. Die Schaltungsanordnung ist
außerdem mit Verbindungsstifen E und F zum Verbinden einer Ladungsspannungsquelle
von 1500 V zum Laden des Kondensators 4 vorgesehen. Das Durchbruchelement 5 hat
eine Durchbruchspannung von 1600 V.
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Ein zusätzlicher Vorteil einer Durchbruchspannung in den beschriebenen
Anordnungen ist, daß ebenfalls erreicht wird, daß der ganze Strom durch den Induktor
1 für die Lampe 2 verwendet wird und unter den vorgegebenen Umständen nicht zum
Laden des Kondensators 4 dient.
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In den beschriebenen Ausführungsbeispielen ist der Starter derart
aufgebaut, daß die Zündimpulse in Reihe mit der Lampe mittels eines Transformators
erzeugt werden. Jedoch beschränkt sich die Erfindung nicht auf die Benutzung eines
derartigen Starters. Starter, in denen die Zündimpulse parallel zur Lampe erzeugt
und/oder mittels einer Antenne zum Entladungsgefäß der Lampe angelegt werden,
können auch in erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen verwendet werden.