DE3942425A1

DE3942425A1 - HF igniter with loss compensation for discharge lamp - occupies min. space with components laid out according to criteria of size instead of energy loss

Info

Publication number: DE3942425A1
Application number: DE19893942425
Authority: DE
Inventors: Stefan Blattl
Original assignee: Lee Colortran Kobold Lich GmbH
Current assignee: "KOBOLD" LICHT BELEUCHTUNGSTECHNIK GMBH, 82515 WOL
Priority date: 1989-12-21
Filing date: 1989-12-21
Publication date: 1991-06-27

Abstract

The smallest available ignition transformer (Tr1), capacitor (C), spark gap and Tesla coil (Tr2) are used irrespective of losses encountered in the energy balance, which are compensated by increased capacitance. The ignition transformer may be protected from the higher voltages arising during the ignition phase by rearrangement of the spark gap in parallel with its sec. winding, and the capacitor in series with the tap of the Tesla coil. ADVANTAGE - No separate ignitor housing is required, thermal degradation of operational reliability is avoided, and lamp can be held and operated by one hand. (5pp Dwg.No.1/2) (Printed in week 9128)

Description

Die Erfindung betrifft ein Zündgerät für Ent ladungslampen insbesondere für HMI-Brenner nach dem Prinzip der HF-Überlagerungszündung arbei tend, welches Zündspannungen im Bereich von 8-25 KV produzieren kann, in seinen Abmessungen und Gewichten bei gleicher Zünd leistung wesentlich kleiner ist als dies bis her der Fall war, so daß es sogar in den Hand griff von Leuchten eingebaut werden kann. Dies ermöglichte nicht ein neues Prinzip, sondern eine ausgewogene Abstimmung der bekannten ver wendeten Teile.The invention relates to an ignition device for Ent charge lamps especially for HMI burners work on the principle of HF superimposed ignition tend which ignition voltages in the range of 8-25 KV can produce in its Dimensions and weights with the same ignition performance is significantly less than this ago the case was so that it even in hand handle of lights can be installed. This did not allow a new principle, but a balanced vote of the known ver turned parts.

State of the art

Zündgeräte mit HF-Überlagerungszündung arbeiten nach dem Prinzip der gedämpften HF-Schwingungen eines LC-Kreises im MHz-Bereich. Die relativ hohen Zündspannungen von etlichen KV′s werden dann in einem Tesla-Trafo erzeugt, dessen Primär- Wicklung Teil des Schwingkreises ist. Ein Kondensator wird dabei an eine Spannungsquelle gelegt und lädt sich auf. Nach Erreichen einer bestimmten Spannung entlädt sich der Kondensator mit Hilfe eines Schwellwertschalters (meist Luft funkenstrecke oder Überspannungsableiter) über die Primärwicklung des Teslatrafos und beginnt gedämpft zu schwingen. Folgende Bauteile werden für ein solches Zündgerät meistens verwendet:Ignitors work with HF superimposed ignition based on the principle of damped HF vibrations of an LC circuit in the MHz range. The relative high ignition voltages of several KV’s then generated in a Tesla transformer whose primary Winding is part of the resonant circuit. A capacitor is connected to a voltage source laid and charging. After reaching one certain voltage, the capacitor discharges with the help of a threshold switch (mostly air spark gap or surge arrester) the primary winding of the Tesla transformer and begins dampened to swing. The following components are mostly used for such an ignitor:

1. ignition transformer (voltage source),
2nd spark gap (threshold switch),
3. capacitor,
4. Tesla transformer.

Die im Kondensator gespeicherte Energie be trägt , wobei letztlich infolge Verluste nur ein bestimmter Prozentsatz davon an den Elektroden zum Aufbau der Ionisationsstrecke zur Verfügung steht. Die für eine einwandfreie, zuverlässige Zündung nötige Energie ist ab hängig von den Anforderungen des Brenners und meist direkt proportional zu seiner Nenn leistung. Weil die Brennerhersteller meist nicht in der Lage sind, genaue Spezifikationen über die nötige Zündenergie zu liefern, hat man in der Praxis die Zündgeräte in ihren Bauteilen überdimensioniert, was dann zu relativ großen Bauformen führte. Dazu kommt noch die Schwierig keit der meßtechnischen Beherrschung der physi kalischen Vorgänge im Bereich von KV′s und MHz-Schwingungen, was wiederum die Zündgeräte- Entwicklung mehr veranlaßte, zu probieren statt nach genauen Erkenntnissen zu optimieren. Um mit Teslatrafos mit einer Übersetzung von 1 : 10 auf Zündspannungswerte von 20 KV zu kommen, muß die Spannung am Kondensator ca. 2-4 KV betra gen. Schwellwertschalter mit so hohen Ansprech spannungen lassen sich eigentlich nur mit einer Luft-Funkenstrecke realisieren. Um den Abbrand in Grenzen zu halten, müssen die Elektroden mit Wolfram behandelt sein. Außerdem ist dienlich, den Abstand zwischen den Elektro den einstellbar zu gestalten.The energy stored in the capacitor carries, ultimately due to losses only a certain percentage of it to the Electrodes to build up the ionization path is available. The for a flawless, reliable ignition necessary energy is off depending on the requirements of the burner and mostly directly proportional to its nominal power. Because the burner manufacturers mostly are unable to provide accurate specifications you have to deliver the necessary ignition energy in practice the ignitors in their components oversized, which then becomes relatively large Designs led. Then there is the difficult part metrological mastery of physi calic processes in the area of KV’s and MHz vibrations, which in turn the ignitor Development caused more to try instead to optimize according to precise knowledge. Around with Tesla transformers with a ratio of 1:10 to reach ignition voltage values of 20 KV the voltage at the capacitor is about 2-4 KV Threshold switch with such high response tensions can actually only be with an air spark gap. To the To keep the burn up within limits Electrodes treated with tungsten. Furthermore is useful the distance between the electrical to make it adjustable.

Nachteilig ist die starke Abhängigkeit der Schwellwertspannung von Lufttemperatur, -druck und -feuchte. Für nicht leicht zündbare Brenner, wie z. B. alle HMI-Brenner im kleinen Leistungs bereich bis etwa 400 W bedeutet die Verwendung von Luft-Funkenstrecken eine gewisse Unsicher heit in der Zuverlässigkeit. The strong dependency of the Threshold voltage of air temperature and pressure and moisture. For burners that are not easily ignitable, such as B. all HMI burners in low power range up to about 400 W means use of air spark gaps a certain degree of uncertainty reliability.

Gasgefüllte Überspannungsableiter gibt es nur bis ca. 1000 V, die sich daher nur für Zünd geräte bis ca. 10 KV eignen, da sonst das Über setzungsverhältnis des Tesla-Trafos und damit die Energieverluste zu groß werden würden. Teslatrafos sind meist als zylindrische Spulen mit HF-Pulverkernen ausgeführt. Bessere Tesla trafos verwenden Ringkerne, die dann aufgrund geringer Streufelder weniger Störstrahlung pro duzieren. Diese haben jedoch den Nachteil, daß man in der Wahl des Leitungsquerschnittes und der Anzahl der Windungen geometrisch begrenzt ist. Zur Verbesserung der Güte des Tesla schwingkreises verwendet man überdimensionale Querschnitte, um die Oberfläche wegen des Skin-Effektes groß zu gestalten. Eine weitere Forderung an den Tesla-Trafo ist seine niedrige Impedanz wegen der relativ hohen Brenner-Ströme (1,7-8 A). Die Kondensatoren dieser Über lagerungszündgeräte müssen aufgrund von Auf schaukelungsprozessen ein Vielfaches der Schwellwertschalter-Spannung aushalten. Typische Werte dieser Kondensatoren liegen bei 1nF Kapa zität und einer Nennspannung von 15 KV. Zündgeräte werden meist als Beipackgeräte irgendeiner Form an Leuchten direkt befestigt, um Hochspannungsverluste, verursacht durch längere Leitungen, zu vermeiden. Außerdem würden solche längeren Leitungen wegen der hohen Isolationsanforderungen viel zu teuer. Nach teilig an dieser Bauweise ist, daß sich die Zündgeräte im Betrieb durch die Eigenwärme der Leuchte je nach thermischer Isolierung mehr oder weniger aufheizen. Dies führt zu schlech teren Zündungen und auch zum Ausfall von Bau teilen im Zündgerät. There are only gas-filled surge arresters up to approx. 1000 V, which is therefore only for Zünd devices up to approx. 10 KV are suitable, otherwise the over setting ratio of the Tesla transformer and thus the energy losses would become too large. Tesla transformers are mostly as cylindrical coils with HF powder cores. Better Tesla transformers use toroidal cores, which are then due less stray fields less interference per reduce. However, these have the disadvantage that one in the choice of the wire cross section and geometrically limited the number of turns is. To improve the quality of the Tesla resonant circuit one uses oversized Cross sections to the surface because of the Make skin effects big. Another The Tesla transformer is required to be low Impedance due to the relatively high burner currents (1.7-8 A). The capacitors of this over storage igniters must be due to rocking processes a multiple of Withstand the threshold switch voltage. Typical The values of these capacitors are 1nF Kapa and a nominal voltage of 15 KV. Ignitors are mostly used as accessories some form directly attached to lights, to high voltage losses caused by avoid longer lines. Besides, would such longer lines because of the high Insulation requirements far too expensive. After part of this design is that the Ignitors in operation by the natural heat of the Luminaire depending on the thermal insulation or heat up less. This leads to bad Ignitions and also to failure of construction share in the ignitor.

Besonders kritisch ist dies, wenn die Leuchten in senkrechter Lage nach unten leuchten, während das obenbefindliche Zündgerät sich infolge der ansteigenden Wärme kräftig aufheizt. Auch ein zu häufiges Betätigen des Zündgerätes etwa bei er folgloser Zündung verursacht aufgrund der bewußten Unterdimensionierung des Zündtrafos eine Erwärmung desselben, die letztlich auch zur Zerstörung des Zündtrafos führen kann.This is particularly critical when the lights shine down in a vertical position while the ignitor located above due to the rising heat heats up vigorously. One too frequent actuation of the igniter, for example, when he unsuccessful ignition caused due to the conscious Undersizing the ignition transformer a heating the same, which ultimately also for the destruction of the Ignition transformers can lead.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Zündgerät für einen bestimmten Brenner zu schaffen, welches so klein ist, daß es in Handgriffen von Leuchten untergebracht werden kann und sich somit nicht mehr durch die Leuchte selbst erwärmt.The object of the invention is to provide an igniter for to create a certain burner, which so is small that it is in the grips of lights can be accommodated and therefore not warmed more by the lamp itself.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die kleinsten Baugrößen (Trafo, Funkenstrecke, Kondensator, Tesla-Trafo) der einzelnen Teile un abhängig der in der Energiebilanz ausgewiesenen Verluste Verwendung finden, wobei die höheren Verluste durch die erhöhte Kapazität des Konden sators kompensiert werden, um ein einwandfreies Zünden zu gewährleisten.According to the invention, the object is achieved by that the smallest sizes (transformer, spark gap, Capacitor, Tesla transformer) of the individual parts and depending on those shown in the energy balance Losses are used, the higher Losses due to the increased capacity of the condenser sators to be compensated for a flawless To ensure ignition.

Embodiment 1

Dies bedeutet, daß die Auslegung der Schaltung zunächst von der klein sten Funkenstrecke ausgeht bei maximaler An sprechspannung. Hier bieten sich als Optimum edelgasgefüllte Überspannungsableiter mit einer Ansprechgleichspannung von ca. 1000 V an. Sie sind klein in den Abmessungen (7,5 mm×9 mm ⌀) im Bereich ± 20% konstant im Ansprechverhalten und zeigen so gut wie keine Abnützungserschei nungen. Um auf Zündspannungswerte von ca. 25 KV zu kommen, müßte diese Spannung dann um den Faktor 32 (ausgehend von 800 V) mit Hilfe eines Tesla-Trafos hochgespannt werden. This means that the Interpretation of the circuit first from the small most spark gap goes out at maximum on speech voltage. Here are the best gas surge arrester with a DC response voltage of approx. 1000 V on. they are small in size (7.5 mm × 9 mm ⌀) constant response in the range of ± 20% and show almost no wear and tear mentions. To achieve ignition voltage values of approx. 25 KV to come, this tension would then have to Factor 32 (starting from 800 V) with the help of a Tesla transformers can be pulled up.

In der Praxis hat sich gezeigt, daß der Tesla trafo mit einem Übersetzungsverhältnis von 1 : 40 ausreichend dimensioniert ist, um die Tesla- Kreis-Spannungsverluste abzudecken. Für einen HMI-Brenner mit 125 W Leistung und einem Nenn strom von 1,7 A reicht ein Ringkern von 20 mm Außendurchmesser und einer Dicke von 8 mm be wickelt mit einem teflonisolierten Draht von 0,5 qmm Querschnitt. Aufgewickelt werden 40 Windungen, wobei der Abgriff für die Primär wicklung nach einer Windung erfolgt. Um die nötige Zündenergie dieses 125 W Brenners zu decken, benötigt man eine Kondensator-Kapazität von 30 nF. Die Spannungsbelastung des Konden sators ist theoretisch maximal 1200 V. Es hat sich jedoch gezeigt, daß durch nicht eindeutig physikalisch zu definierende Vorgänge während der Zündphase weitaus höhere Spannungen den Kondensator beaufschlagen. Damit diese höheren Spannungen am Kondensator nicht über den Zünd trafo das EVG spannungsmäßig belasten und wegen der energiemäßig geringeren Bedämpfung des Tesla-Schwingkreises infolge Wegfall des paral lelliegenden Zündtrafo-Widerstandes wurde die Schaltung dergestalt geändert, als Kondensator und Funkenstrecke einfach die Plätze in der Schaltung tauschen (Fig. 2). Da diese höheren Spannungen für ein sicheres Zünden nicht not wendig sind und dies lediglich einen relativ großen Kondensator erforderlich machen würde, werden diese parasitären Überspannungen mittels Überspannungsableiter abgeblockt. In dem Zündgerät für den 125 W HMI-Brenner wurden 3 parallel geschaltete 10 nF/3 KV Keramik- Scheibenkondensatoren verwendet. In practice it has been shown that the Tesla transformer with a gear ratio of 1:40 is sufficiently dimensioned to cover the Tesla circuit voltage losses. For an HMI burner with a power of 125 W and a nominal current of 1.7 A, a ring core with an outer diameter of 20 mm and a thickness of 8 mm is sufficient, covered with a Teflon-insulated wire with a cross-section of 0.5 mm. 40 turns are wound up, with the tap for the primary winding being taken after one turn. A capacitor capacitance of 30 nF is required to cover the necessary ignition energy of this 125 W burner. The voltage load of the capacitor is theoretically a maximum of 1200 V. However, it has been shown that much higher voltages act on the capacitor during the ignition phase due to processes that cannot be clearly defined physically. So that these higher voltages on the capacitor do not stress the electronic ballast via the ignition transformer and because of the lower energy damping of the Tesla resonant circuit due to the elimination of the parallel ignition transformer resistance, the circuit was changed so that the capacitor and spark gap simply swapped places in the circuit ( Fig. 2). Since these higher voltages are not necessary for safe ignition and this would only require a relatively large capacitor, these parasitic overvoltages are blocked by means of surge arresters. In the ignitor for the 125 W HMI burner 3 parallel 10 nF / 3 KV ceramic disc capacitors were used.

Als Überspannungsableiter wurden 2×1400 V- Typen mit den Abmessungen 8 mm×8 mm ⌀ in Serie geschalten, dem Kondensator parallelge legt. Der als Spannungsquelle fungierende Zündtrafo muß so dimensioniert werden, daß die an den Kondensatoren ansteigende Spannung auch den Schwellwert der Funkenstrecke sicher erreicht bei einer bestimmten Versorgungs frequenz. Da die Einschaltdauer im %-Bereich liegt, kann der Trafo bezogen auf die gefor derte Leistung2 × 1400 V Types with the dimensions 8 mm × 8 mm ⌀ in Series connected, the capacitor in parallel sets. The one that acts as a voltage source Ignition transformer must be dimensioned so that the voltage rising across the capacitors also the spark gap threshold reached at a certain supply frequency. Since the duty cycle in the% range the transformer can be based on the gefor performance

wesentlich unterdimen sioniert werden. In unserem Beispiel für einen 125 W HMI-Brenner ist eine Leistung von 2 VA bei 10 Hz ausreichend.significantly underdim be sioned. In our example for a 125 W HMI burner is a power of 2 VA at 10 Hz is sufficient.

Insgesamt ergibt sich also für einen 125 W HMI-Brenner geeignetes Zündgerät folgender Platzbedarf:Overall, this results in a 125 W. HMI burner suitable igniter of the following Space requirement:

1 Zündtrafo 28 × 20 × 40 mm,
1 Funkenstrecke 7,5 × 9 mm ⌀,
3 Scheibenkondensatoren 3 × 5 mm × 20 mm ⌀,
2 Überspannungsableiter 2 × 8 × 8 mm,
1 Teslatrafo bewickelt 15 × 25 mm ⌀.1 ignition transformer 28 × 20 × 40 mm,
1 spark gap 7.5 × 9 mm ⌀,
3 disk capacitors 3 × 5 mm × 20 mm ⌀,
2 surge arresters 2 × 8 × 8 mm,
1 Tesla transformer wrapped 15 × 25 mm ⌀.

Diese Bauteile lassen sich bequem auf einer Platine mit den Abmessungen 80 mm×28 mm bei einer maximalen Bauteilehöhe von 20 mm unterbringen.These components can be conveniently placed on one Board with the dimensions 80 mm × 28 mm with a maximum component height of 20 mm accommodate.

Dies bedeutet gleichzeitig die Einbaumöglich keit auch z. B. in den Handgriff einer Leuchte. Die Vorteile für die Leuchte liegen auf der Hand:This also means that it can be installed speed also z. B. in the handle of a lamp. The advantages for the lamp are on the Hand:

1. No separate ignitor housing required - The lamp is getting smaller.
2. The result of thermal coupling of the ignitor heating occurring with the lamp and the related deterioration of Operational reliability or the thermal higher component requirements especially when hot ignition does not occur more in appearance.
3. If there are several misfiring attempts, the Er heating mainly of the ignition transformer in the can be felt by hand, which makes cooling necessary pause the destruction of the ignitor prevent can be registered.
4. Appropriately, the supply cable will open into the handle, which in turn offers two advantages:

a) The otherwise hanging cable no longer rubs on the operator's hand.

b) The on / off switch can also be found in the handle instead of on the lamp, making one-hand operation possible.

Auch eine teilweise Optimierung solcher Zünd geräte ist denkbar. So läßt sich z. B. ein für einen 125 W HMI-Brenner geeignetes Zündgerät auch mit einer Luft-Funkenstrecke bezüglich Gesamtvolumen auf die gleiche Weise wie im Hauptanspruch ausgeführt optimieren. Speziell im Falle des 125 W HMI-Brenners sieht die Lösung folgendermaßen aus:Also a partial optimization of such ignition devices is conceivable. So z. B. one for a 125 W HMI burner suitable ignitor also with an air spark gap regarding Total volume in the same way as in Optimize main claim executed. Specifically in the case of the 125 W HMI burner, the Solution as follows:

Embodiment 2

1 Zündtrafo 2 VA 28 × 20 × 40
1 Funkenstrecke (Luft) 30 mm × 20 mm ⌀
2 × 10 nF/3 KV Scheibenkondensatoren in Serie
(5 nF/6 KV) 2 × 5 × 20 mm ⌀
1 Tesla-Trafo 1 : 24, 8,5 × 18 mm ⌀.1 ignition transformer 2 VA 28 × 20 × 40
1 spark gap (air) 30 mm × 20 mm ⌀
2 × 10 nF / 3 KV disc capacitors in series
(5 nF / 6 KV) 2 × 5 × 20 mm ⌀
1 Tesla transformer 1:24, 8.5 × 18 mm ⌀.

Durch die hohen erreichbaren Schwellwert spannungen reicht eine Erhöhung der Kapazität lediglich von typisch bisher 1 nF auf 5 nF bei gleichzeitiger Verkleinerung des Tesla-Trafos, dessen Kern die Maße 7 mm×16,5 mm ⌀ besitzt und die Wicklung aus 24 Windungen eines teflonisolierten 0,4 qmm starken Drahtes mit Anzapfung bei 1 Windung besteht, aus. Auch diese Lösung beansprucht nicht mehr Platz als die erste beschriebene, jedoch haften an ihr die Nachteile der Luftfunkenstrecke zu denen zu den bereits genannten auch noch der höhere Preis zählt. Ebenfalls zählt zu den Nachteilen die höhere Geräuschentwicklung. Bei vergleichs weisen Zündgeräten für einen 200 W HMI-Brenner wurden zwei Teslatrafos mit den Abmessungen 2×45 mm×23 mm ⌀ verwendet, was einem Volumen von 37 cm³ entspricht. Der hier im 2. Ausführungsbeispiel verwendete Teslatrafo benötigt lediglich ein Volumen von 2,16 cm³. Man kann sich auch vorstellen, solche kleinen Zündgeräte inklusive Ein/Aus-Schalter statt in den Griff in ein Plastikgehäuse ähnlich einem Schnur-Zwischenschalter in das frei hängende Kabel einzubauen. Man könnte sich auch ein als Universal-Griff ausgelegtes Ge häuse, welches sich sowohl für den Einsatz als Leuchtengriff als auch als Schnur zwischenschalter eignet, vorstellen. Thermische Probleme treten damit nicht mehr auf.Due to the high threshold voltages that can be achieved, an increase in capacitance is sufficient from the previous typical 1 nF to 5 nF with simultaneous reduction of the Tesla transformer, the core of which has the dimensions 7 mm × 16.5 mm und and the winding consists of 24 turns of a Teflon-insulated 0 , 4 qmm thick wire with tapping at 1 turn consists of. This solution also does not take up more space than the first one described, but it does have the disadvantages of the air spark gap, of which the higher price is one of those already mentioned. Another disadvantage is the higher noise level. In comparative ignitors for a 200 W HMI burner, two Tesla transformers with the dimensions 2 × 45 mm × 23 mm ⌀ were used, which corresponds to a volume of 37 cm ³ . The Tesla transformer used here in the second exemplary embodiment only requires a volume of 2.16 cm ³ . One can also imagine installing such small ignitors including an on / off switch instead of in the handle in a plastic housing similar to a cord intermediate switch in the free-hanging cable. One could also imagine a housing designed as a universal handle, which is suitable for use as a lamp handle as well as a cord intermediate switch. Thereby thermal problems no longer occur.

Claims

1. Ignitor for discharge lamps, in particular for HMI burners, working on the principle of HF superimposed ignition, characterized in that the smallest sizes of the known parts (ignition transformer, capacitor, spark gap, Tesla transformer) are used independently of the losses shown in the energy balance, the higher losses (based on previous versions) are compensated for by increasing the capacitance of the capacitor.

2. Ignitor for discharge lamps, thereby ge indicates that the capacitor is in its sanction strength in the range of smaller, theoretical ones for achieving the ignition voltage necessary value det and occurring overvoltages Surge arresters are intercepted.

3. Ignitor for discharge lamps, thereby ge indicates that the spark gap is parallel to the supply voltage source and the capacitor in series with the Tesla transformer Primary winding also parallel to the spark stretch or supply voltage source lies.

4. Ignitor for discharge lamps, thereby ge indicates that it is in the grip of Lights is installed.

5. Ignitor for discharge lamps, thereby ge indicates that it is in the supply Cable run of lights in the manner of a Cord intermediate switch is installed.

6. Ignitor for discharge lamps, thereby ge indicates that for ignition voltages 10 KV small button surge arrester with precious gas filling used as a spark gap will.

7. ignitor for discharge lamps, thereby ge indicates that for ignition voltages 10 KV the Tesla transformer is designed as a toroidal transformer is.

8. Ignitor according to claim 1, characterized records that only partially the components be minimized.