DE4039498A1 - Schaltkreis und verfahren zum dimmen von gasentladungslampen - Google Patents
Schaltkreis und verfahren zum dimmen von gasentladungslampenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Schaltkreis und ein Verfahren zum
Dimmen von Gasentladungslampen, insbesondere zum Dimmen von
Leuchtstofflampen und Kompakt-Leuchtstofflampen.
Eine Gasentladungslampe wandelt mit hohem Wirkungsgrad elek
trische Energie in sichtbare Energie um. Eine Gasentladungs
lampe besteht im allgemeinen aus einem längeren gasgefüllten
(gewöhnlich Quecksilberdampf mit niedrigem Druck) Rohr, das an
beiden Enden Elektroden aufweist. Jede Elektrode ist als Wi
derstands-Heizfaden (gewöhnlich aus Wolfram) ausgebildet, der
mit einem Thermionen aussendenden Material, wie beispielsweise
einem Gemisch aus Erdalkalioxiden beschichtet ist.
Der stationäre Betriebszustand einer Gasentladungslampe ent
steht folgendermaßen: Es wird an die Widerstandsheizfäden eine
Spannung angelegt, welche die Elektroden auf eine Temperatur
aufheizt, die ausreicht, um die thermionische Emission von
Elektronen in die Entladungsröhre hinein zu bewirken. Eine an
die Elektroden angelegte Spannung beschleunigt die Elektronen
in Richtung auf die Anode. Auf dem Weg zur Anode kollidieren
die Elektronen mit Gasatomen zur Erzeugung positiver Ionen und
zusätzlicher Elektronen, die in der Röhre ein Gasplasma aus
positiven und negativen Ladungsträgerteilchen bilden. Die
Elektronen strömen fortlaufend zur Anode und die positiven
Ionen zur Kathode und halten damit in der Röhre eine elektri
sche Entladung in Gang und heizen weiterhin die Elektroden
auf. Wenn die angelegte Spannung eine Wechselspannung ist,
kehren die Elektroden ihre Polarität in aufeinanderfolgenden
Halbperioden um.
Die Entladung bewirkt die Emission von Strahlung mit einer
Wellenlänge, die von dem speziellen Füllgas und den elektri
schen Parametern der Entladung abhängig ist. Weil jede Kolli
sion zusätzliche Elektronen und Ionen erzeugt, kann das An
wachsen des Lichtbogenstroms bewirken, daß die Spannung zwi
schen den Lampenelektroden abnimmt, ein charakteristisches
Merkmal, das als "negativer Widerstand" bekannt ist. Aufgrund
dieser Charakteristik des negativen Widerstandes ist der Be
trieb der Lampe von Natur aus instabil, und der Strom zwischen
den Elektroden muß durch äußere Mittel begrenzt werden, um
eine Beschädigung der Lampe zu vermeiden.
Gasentladungslampen, zu denen die Leuchtstofflampen gehören,
sind so gestaltet, daß sie ihre volle oder Nenn-Lichtausgangs
leistung bei einem besonderen Effektivwert des Lampenstroms
abgeben. In dieser Beschreibung und den folgenden Pa
tentansprüchen wird der Effektivwert, bei dem die Lampe gemäß
ihrer Ausbildung ihre volle Lichtausgangsleistung abgibt, als
"Nenn-Wert" des Lampenstroms bezeichnet.
Fluoreszierende Gasentladungslampen enthalten eine Leucht
stoffbeschichtung an der Innenseite des rohrförmigen Gehäuses
und die Anregung dieser Beschichtung durch von der Entladung
ausgehenden Strahlung erzeugt das abgegebene sichtbare Licht.
Übliche Leuchtstofflampen sind im allgemeinen gerade längere
Röhren, die einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt
mit variierenden Außendurchmessern besitzen, der zwischen 1
und 1 1/2 Zoll (2,54-3,81 cm) liegt.
Kompakt-Leuchtstofflampen unterscheiden sich von üblichen
Leuchtstofflampen darin, daß sie aus Röhren mit kleinerem
Durchmesser aufgebaut sind und einen Außendurchmesser von we
niger als etwa 7/8 Zoll (2,22 cm) besitzen. Auch sind die Lam
pen teilweise kompakt, weil die Röhre in mehreren Biegungen
mit kleinem Radius in sich selbst zurückgefaltet ist derart,
daß eine kompakte Form erreicht wird.
Das Regeln oder Dimmen von Gasentladungslampen ist gut be
kannt. Ein Schaltkreis zum Dimmen einer üblichen Leuchtstoff-
Gasentladungslampe ist in dem US-Patent No. 39 27 345 geoffen
bart, das am 16. Dezember 1975 für Licata u. a. erteilt worden
ist und auf das hier Bezug genommen wird. Licata offenbart
einen Phasensteuer-Regelkreis, der eine phasengesteuerte Wech
selspannung einer 60 Hz-Wechselspannungsquelle einer Leucht
stofflampe zuführt, die in Serie mit einem induktiven Vor
schaltgerät geschaltet ist. Der Regelkreis verwendet einen
bidirektionalen Thyristor vom Triodentyp (triac) als Haupt
schalteinrichtung und enthält einen Gleichspannungs-Kompensa
tionskreis zur Sicherstellung symmetrischer Zündverzögerungen
am Triac in jeder Halbperiode des Leistungsflusses von der
Wechselspannungsquelle her. Während der Zündverzögerung am
Triac fließt kein Strom durch die Lampe. Das symmetrische Zün
den des Triacs verhindert, daß Gleichstrom durch die Lampe
fließt, was ein Flimmern der Lampe bewirken kann und eine Sät
tigung des induktiven Vorschaltgerätes zur Folge haben kann.
Der Schaltkreis arbeitet über einen Dimm-Bereich von etwa 100%-50%
der vollen Lichtausgangsleistung. Unterhalb etwa 50%
Lichtausgangsleistung kann die elektrische Entladung nicht
aufrechterhalten werden, weil die Zündverzögerung am Triac
länger ist als die Endionisationszeit des Gasplasmas in der
Entladungsröhre.
Die Firma Roberts Transformers Comp. aus Chicago, Ill. stellt
ein Vorschaltgerät dieses Typs her, das speziell zum Betrieb
von Kompaktleuchtstofflampen bestimmt und ausgelegt ist. Das
Gerät besitzt einen begrenzten Regelbereich aufgrund der oben
erwähnten Zündverzögerung am Triac und kann im allgemeinen un
terhalb von 40% der vollen Lichtausgangsleistung nicht dimmen.
In dem US-Patent Nr. 24 07 498, das am 10. Juni 1980 für Spira
u. a. erteilt worden ist, wird ein Dimmer-System geoffenbart,
das einen zentralen Wechselrichter zur Zuführung eines im we
sentlichen symmetrischen Wechselstroms von 23 kHz zur Lampe
enthält. Die Lampe kann über einen Bereich von 100% bis 1%
der vollen Lichtausgangsleistung gedimmt werden, indem die Am
plitude des Wechselrichterausgangssignals entsprechend einge
stellt wird. Die Verwendung von Hochfrequenz-Wechselstrom kann
auch den Wirkungsgrad der Lampe um etwa 20% erhöhen. Bei
niedrigen Lichtpegeln (weniger als 30% der vollen Lichtaus
gangsleistung) jedoch hat die Lampe die Tendenz zur Streifen
bildung, d. h. zum Aufbrechen in wechselnde Bänder leuchtender
und abgedämpfter Bezirke entlang der Länge der Röhre. Dies be
grenzt die Verwendbarkeit dieses Dimmer-Systems über einen
weiten Bereich der Lichtausgangsleistung.
Bisherige Versuche zum Dimmen von Kompaktleuchtstofflampen
sind im ganzen nicht erfolgreich gewesen. Das beste der be
kannten Verfahren ist in einem Gerät verkörpert, das von
Lutron Electronics Company Inc. in Coopersburg, Pa. herge
stellt und unter dem eingetragenen Handelsnamen "HiLume" ver
trieben wird. Die Funktionsweise dieses Gerätes ist in dem US-
Patent Nr. 38 24 428 beschrieben, das am 16. Juli 1974 für
Spira u. a. erteilt wurde, sowie in dem US-Patent Nr. 46 63 570,
das am 5. Mai 1987 für Luchaco u. a. erteilt worden ist
und auf die hiermit Bezug genommen wird. Dieses Gerät erlaubt
ein Dimmen von Kompaktleuchtstofflampen bis auf 15% des Nenn
wertes ihrer Lichtausgangsleistung. Jedoch unterhalb dieses
Lichtpegels zeigen die Lampen ein lästiges flackerndes Verhal
ten, welches sie für Beleuchtungszwecke ungeeignet macht.
Eine andere bekannte Dimmersteuerung für Kompaktleucht
stofflampen wird von Innovative Industries in Tampa, Fl. her
gestellt. Diese Steuerung kann die Lampe bis zu Lichtpegeln
unterhalb von 15% ohne Flackern betreiben, aber sie leidet an
einer geringen Stabilität des Lichtbogenstroms der Lampe, wenn
sie unter etwa 40% des Nennwertes der Lichtausgangsleistung
betrieben wird. Der Lichtbogenstrom der Lampe, und damit die
Lichtausgangsleistung der Lampe, variieren innerhalb eines
weiten Bereiches bei einer gegebenen Einstellung des Dimmers.
So kann beispielsweise beim Betrieb einer 26 Watt Vierröhren-
T4-Lampe mit einem äußeren Röhrendurchmesser von etwa 0,5 Zoll
(1,27 cm) diese Variation von 4,7 mA bis 13,9 mA reichen, wenn
sich die Lampentemperatur über den Bereich von der normalen
Raumtemperatur von etwa 25°C bis zu ihrer normalen Betriebs
temperatur von etwa 50°C ändert. Die breite Variation in der
Lichtausgangsleistung, die sich aus diesem Bereich des Licht
bogenstroms ergibt, ist in praktischen Fällen nicht akzeptier
bar. So kann insbesondere, wenn die Lampe bei der Einstellung
eines gewünschten Lichtpegels sich auf Raumtemperatur befin
det, das Licht bei dieser Einstellung auf etwa den dreifachen
Wert des ursprünglichen Lichtpegels ansteigen, wenn die Lampe
bis zu ihrer normalen Betriebstemperatur erwärmt wird. Wenn
die Lampe sich zu Beginn auf einer im Gleichgewicht erreichten
Betriebstemperatur befindet und dann auf einen niedrigeren
Lichtpegel eingestellt wird, bewirkt die sich einstellende Ab
kühlung der Lampe, daß der Lichtpegel noch niedriger wird und
möglicherweise sogar der Lichtbogen ausgelöscht wird. Dies
macht es sehr schwierig einen gewünschten Lichtpegel einzu
stellen, wie er entsprechend den besonderen Bedürfnissen des
Systembenutzers gefordert wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Dimmersteuerung zu schaffen, mit der eine stabile Betriebs
weise von Kompaktleuchtstofflampen ohne Flackern oder Strei
fenbildung über einen Bereich von etwa 100% bis zu 1% des
Nennwertes der Lichtausgangsleistung möglich ist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den in den unabhängigen
Patentansprüchen angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiter
bildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrie
ben.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Dimmung
von Kompaktleuchtstofflampen bis hinunter zu etwa 15% des
Nennwertes der Lichtausgangsleistung ohne Flackern erreicht,
indem zum Betrieb der Lampe eine im wesentlichen symmetrische
hochfrequente Wechselstrom-Wellenform vorgesehen wird. Bei ei
ner symmetrischen Wechselstrom-Wellenform sind die Dauer, die
Amplitude und die Gestalt der positiven und negativen Halbwel
len im wesentlichen gleich.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung sieht beim Dimmen
von Kompaktleuchtstofflampen unterhalb etwa 40% des Nennwer
tes der Lichtausgangsleistung eine verbesserte Stabilität der
Lichtausgangsleistung bei niedrigen Lichtpegeln vor, indem
eine ungewöhnlich hohe Ausgangsimpedanzcharakteristik für die
Lampenstromquelle verwendet wird. Diese Impedanz ist größer
als etwa 5000 Ohm und bewirkt eine stabile Funktionsweise
dieser Kompaktleuchtstofflampen, welche einen unerwartet hohen
Wert des negativen Widerstandes bei niedrigen Lichtpegeln
verglichen mit üblichen Leuchtstofflampen aufweisen.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schlägt als
Mittel zur Erreichung dieser ungewöhnlich hohen Ausgangsimpe
danz eine Kombination passiver, in Serie geschalteter
Impedanzelemente und eine Rückkopplungssteuerung für den
Lichtbogenstrom der Lampe vor. Diese Kombination läßt es zu,
daß die passiven Impedanzelemente einen mäßigen Impedanzwert
haben, so daß sie körperlich klein aufgebaut sind und einen
geringen Energieverlust haben, während das Stromrückkopplungs
system einen relativ niedrigen Verstärkungsfaktor und verbes
serte Stabilität verglichen mit der Verwendung einer der bei
den Methoden für sich alleine besitzt.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung führt der Dim
merkreis allgemein den Elektroden einer Leuchtstofflampe einen
hochfrequenten Strom zu, um eine elektrische Entladung durch
die Lampe zu zünden und aufrechtzuerhalten, und gleichzeitig
wird in einem kleinen Anteil den Elektroden ein Gleichstrom
zugeführt, um somit einen Strom mit zusammengesetzter Wellen
form durch die Lampe hindurch zu erhalten. Der Gleichstrom ist
klein genug, daß er keine ungünstigen Wirkungen hat, wie sie
mit der Betriebsweise von Lampen mit Gleichstrom und asymme
trischen Wellenformen verbunden sind, aber er reicht aus, um
die sichtbare Streifenbildung in der Lampe beträchtlich zu re
duzieren. In einer alternativen Ausführungsform kann die
Gleichstromkomponente durch eine niederfrequente Wechselstrom
komponente ersetzt werden.
Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
besteht ein Verfahren zum Dimmen von Leuchtstofflampen darin,
daß der Lampe ein Strom mit einer zusammengesetzten Wellenform
zugeführt wird, der eine Wechselstromkomponente und eine
Gleichstromkomponente enthält. Diese zusammengesetzte Wellen
form ist bei Kompaktleuchtstofflampen besonders vorteilhaft,
wenn die Wechselstromkomponente eine im wesentlichen symmetri
sche Hochfrequenz-Wellenform besitzt. Die Gleichstromkompo
nente kann entweder positiv oder negativ sein und ihre Größe
ist vorzugsweise beträchtlich kleiner als die der Wechsel
stromkomponente. In alternativer Ausführung kann die Gleich
stromkomponente durch eine niederfrequente Wechselstromkompo
nente ersetzt werden.
Im Sinne der vorliegenden Beschreibung und der sich an
schließenden Ansprüche bedeutet der Ausdruck "Gleichstrom"
("dc") eine Spannungs- oder Strom-Wellenform, die in einer
Richtung verläuft und entweder pulsierend oder nicht pulsie
rend ausgebildet sein kann. Der Ausdruck "Wechselstrom" ("ac")
bedeutet eine Spannungs- oder Strom-Wellenform, welche in re
gelmäßig wiederkehrenden Zeitintervallen ihre Polarität wech
selt und abwechselnd positive und negative Werte annimmt. Der
Ausdruck "Gleichstromkomponente" bedeutet den Mittelwert einer
Wechselstrom- oder Gleichstrom-Wellenform. Der Ausdruck
"Wechselstromkomponente" bezieht sich auf den Teil einer Wech
selstrom- oder Gleichstrom-Wellenform, der übrig bleibt, wenn
ihre Gleichstromkomponente abgezogen worden ist.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand
der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine asymmetrische Wellenform eines Dim
mersystems nach dem Stand der Technik;
Fig. 2 zeigt eine Spannungs/Strom-Kennlinie für eine
typische Leuchtstofflampe;
Fig. 3 zeigt in einem vereinfachten Schaltbild eine
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 zeigt eine gegenüber Fig. 3 veränderte Ausfüh
rungsform der Erfindung;
Fig. 5A-C zeigen in graphischer Darstellung den Stromfluß
durch eine Kompaktleuchtstofflampe gemäß dem
Verfahren nach der Erfindung;
Fig. 6 zeigt eine zusammengesetzte Strom-Wellenform,
welche hochfrequente und niederfrequente Wech
selstromkomponenten aufweist;
Fig. 7 zeigt in einem vereinfachten Schaltbild eine
Einrichtung zur Herstellung der Wellenform nach
Fig. 6;
Fig. 8 zeigt in einem vereinfachten Schaltbild eine
Einrichtung zur Zuführung eines pulsierenden
niederfrequenten Gleichstroms zu einer Lampe;
Fig. 9 zeigt in einem vereinfachten Schaltbild eine
Einrichtung zur Zuführung eines pulsierenden
niederfrequenten asymmetrischen Wechselstroms
zu einer Lampe;
Fig. 10 zeigt ein Blockschaltbild eines Dimmerkreises
gemäß der Erfindung;
Fig. 11 zeigt das Schaltbild eines Dimmerkreises nach
der Erfindung;
Fig. 12 zeigt in graphischer Darstellung eine bevor
zugte Spannungs/Stromcharakteristik eines
Stromsensorkreises nach der vorliegenden Erfin
dung.
Die Lösung der Probleme des Flackerns, der instabilen Licht
ausgangsleistung und der Streifenbildung in Dimmersystemen für
Kompaktleuchtstofflampen ist nicht naheliegend.
So kann beispielsweise das oben beschriebene HiLume-Gerät bei
üblichen Leuchtstofflampen eingesetzt werden, die röhrenför
mige Gestalt besitzen mit Durchmessern hinunter bis etwa
1 Zoll (2,54 cm). Der Betrieb dieser Lampen reicht bis 1% des
Nennwertes der Lichtausgangsleistung ohne Flackern und mit ei
ner guten Stabilität der Lichtausgangsleistung, so daß das bei
der Verwendung dieses Gerätes zur Dimmung von Kompaktleucht
stofflampen unterhalb von 15% des Nennwertes der Lichtaus
gangsleistung beobachtete Flackern ganz unerwartet ist.
Die Untersuchung zeigt, daß das Flackern in Kompaktleucht
stofflampen auf das Auftreten von Anodenschwingungen in der
Lampe zurückzuführen ist. Anodenschwingungen sind ein gut be
kanntes Phänomen bei Gasentladungslampen, die mit Gleichstrom
betrieben werden oder mit Wechselstrom, der im Hinblick auf
die Entionisierungszeit des Lampenplasmas eine niedrige Fre
quenz aufweist. Es wird jedoch allgemein angenommen, daß beim
Betrieb einer Lampe mit Hochfrequenz Anodenschwingungen elimi
niert werden. Da das HiLume-Gerät mit einer solch hohen Fre
quenz von ungefähr 27 kHz arbeitet, war das Auftreten von
Anodenschwingungen in Kompaktleuchtstofflampen unerwartet.
Das HiLume-Gerät verwendet zum Betrieb der Lampe einen hoch
frequenten Wechselstrom, aber dieser Strom ist nicht symme
trisch. Fig. 1 zeigt das Diagramm einer Wellenform im HiLume-
Gerät bei niedrigem Pegel der Lichtausgangsleistung. Offen
sichtlich ist die Wellenform nicht symmetrisch, da sowohl die
Dauer als auch die Amplitude der positiven und negativen Halb
wellen sehr unterschiedlich sind. Es wird jedoch darauf hinge
wiesen, daß die Fläche unter der positiven Halbwelle immer
gleich der Fläche unter der negativen Halbwelle ist, so daß es
sich um eine reine Wechselstrom-Wellenform ohne Gleichstrom
komponente handelt. Der asymmetrische Charakter dieser Wellen
form ist bei üblichen Leuchtstofflampen mit einem Durchmesser
von 1 Zoll (2,54 cm) oder mehr vorteilhaft, weil er ein sehr
gleichmäßiges Dimmen des Lichtpegels hinab bis 1% oder weni
ger ohne Flackern oder sichtbare Streifenbildung zuläßt. Es
wurde jedoch herausgefunden, daß diese asymmetrische Wellen
form in Kompaktleuchtstofflampen trotz der hohen Betriebs
frequenz von 27 kHz Anodenschwingungen hervorruft, was be
wirkt, daß die Lampen unterhalb von 15% des Nennwertes der
Lichtausgangsleistung flackern.
Entsprechend den durchgeführten Experimenten führt eine Diffe
renz in der Dauer der positiven zur negativen Halbwelle von
mehr als 10% der Zeitdauer einer vollen Periode in Kompakt
leuchtstofflampen zu Anodenschwingungen und Flackern. Wenn die
Lampe beispielsweise mit einer rechteckigen Wellenform betrie
ben wird, welche eine Gesamtdauer von 100 µsec für eine volle
Periode besitzt, dann muß die positive Halbwelle oder die ne
gative Halbwelle eine Dauer aufweisen, die zwischen ca. 45 und
55 µsec beträgt, um Anodenschwingungen und Flackern zu vermei
den. Aus diesem Grunde besteht einer der Grundgedanken der Er
findung darin, daß eine Kompaktleuchtstofflampe mit einer im
wesentlichen symmetrischen hochfrequenten Wellenform betrieben
werden muß, um Anodenschwingungen und das darauf zurückgehende
Flackern bei niedrigen Lichtpegeln zu vermeiden.
Hochfrequenz im Sinne der vorliegenden Erfindung wird dabei
definiert als eine Frequenz, die größer ist als der reziproke
Wert der Entionisierungszeit der Lampe. Für Kompaktleucht
stofflampen liegt die Entionisierungszeit unterhalb von etwa
200 µsec, so daß die Hochfrequenz oberhalb von etwa 5 kHz lie
gen würde.
Die Dimmersteuerung nach dem Stand der Technik von Innovative
Industries ist nicht verwendbar, weil sie eine schlechte Sta
bilität der Lichtausgangsleistung bei Lichtpegeln unterhalb
von 40% des Nennwertes der Ausgangsleistung liefert. Sie
zeigt jedoch nicht das oben beschriebene Phänomen des
Flackerns, da sie zum Betrieb der Lampe eine im wesentlichen
symmetrische Strom-Wellenform verwendet.
Die Stabilität der Lichtausgangsleistung der Lampe ist im all
gemeinen abhängig von der Qualität der beim Betrieb der Lampe
verwendeten Stromquelle. Die Qualität der Stromquelle wird
zahlenmäßig beschrieben durch eine Größe, die ihre Ausgangsim
pedanz genannt wird. Die Ausgangsimpedanz wird definiert als
das Verhältnis der Änderung im Effektivwert der Ausgangsspan
nung zur entsprechenden Änderung im Effektivwert des Ausgangs
stroms und wird in der Einheit "Ohm" angegeben. Daher hat eine
Stromquelle, welche als Folge einer Änderung der Ausgangsspan
nung von 1 Volt eine Änderung des Strompegels von 0,001 A
zeigt, eine Ausgangsimpedanz von 1 Volt/0,001 A d. h. etwa
1000 0hm.
Das Dimmen von Gasentladungslampen erfordert eine höhere Aus
gangsimpedanz als der einfache Betrieb bei vollem Nennwert der
Ausgangsleistung. Ein stabiler Betrieb kann bei den meisten
Gasentladungslampen bei vollem Nennwert der Ausgangsleistung
erhalten werden mit einer Impedanz von weniger als etwa 1000 Ohm.
Das Dimmen der Lampen erfordert eine höhere Ausgangsimpe
danz, um die Stabilität über den ganzen Regelbereich sicherzu
stellen. Das Vorschaltgerät von Robertson erzielt eine Dimmung
bis hinunter zu etwa 40% der maximalen Lichtausgangsleistung
mit einer Ausgangsimpedanz von etwa 1500 Ohm. Größere Regel
bereiche erfordern höhere Ausgangsimpedanzen. So können bei
spielsweise mit der bekannten Einrichtung HiLume übliche
Leuchtstofflampen stabil bis zu weniger als 1% des Nennwertes
der Lichtausgangsleistung betrieben werden, wobei die Einrich
tung eine Ausgangsimpedanz in der Größenordnung von 3500 Ohm
zeigt. Aufgrund der oben beschriebenen asymmetrischen Wellen
form der Ausgangsleistung jedoch kann diese Einrichtung nicht
zum Betrieb von Kompaktleuchtstofflampen unterhalb etwa 15%
des Nennwertes der Lichtausgangsleistung ohne Flackern betrie
ben werden.
Die bekannte Einrichtung von Innovative Industries zeigt eine
Ausgangsimpedanz in der Größenordnung von 3200 Ohm. Sie kann
zum Betrieb von Kompaktleuchtstofflampen ohne Flackern verwen
det werden, aber leidet an der Veränderung im Lichtbogenstrom
im Verhältnis 1 : 3, wenn die Lampe sich erwärmt oder abkühlt.
Dies ist störend, weil es zu einer starken Veränderung der
Lichtausgangsleistung führt, wenn die Lampe sich erwärmt. Da
die HiLume-Einheit bei üblichen Leuchtstofflampen einen sehr
guten Lichtbogenstrom und eine hohe Stabilität der Lichtaus
gangsleistung zeigt und die Ausgangsimpedanz der Einrichtung
von Innovative Industries etwas niedriger liegt, aber dennoch
mit dem Wert für die HiLume-Einrichtung vergleichbar ist, kom
men die starken Änderungen des Lichtbogenstroms und der Licht
ausgangsleistung bei der bekannten Einrichtung von Innovative
Industries ganz unerwartet. Es wird angenommen, daß der Grund
für das Auftreten dieses unerwarteten Ergebnisses darin be
steht, daß die Kompaktleuchtstofflampen einen sehr viel größe
ren Wert des negativen Widerstandes über den Regelbereich auf
weisen und dies einen unerwartet hohen Wert für die Aus
gangsimpedanz erfordert, um eine akzeptable Stabilität für den
Lichtbogenstrom und die Lichtausgangsleistung zu erzielen.
Fig. 2 zeigt die Darstellung der Spannungs/Stromkennlinie ei
ner typischen Leuchtstofflampe. Der inkrementale Widerstand
der Lampe an jedem Betriebspunkt dieser Kurve ist definiert
als die Steigung der Kurve an diesem Punkt. Hieraus kann man
sehen, daß der inkrementale Widerstand der Lampe bei sehr
niedrigen Strömen positiv ist, dann an einem Maximalpunkt der
Spannung den Wert 0 erreicht und dann beim weiteren Anwachsen
des Stromes sehr schnell zu negativen Werten abfällt. Natür
lich gibt es einen Punkt, an welchem der inkrementale Wider
stand der Lampe den maximalen negativen Wert erreicht, und
dieser Punkt ist in Fig. 2 mit A bezeichnet. Der Punkt des
maximalen negativen Widerstandes ist der Betriebspunkt, an dem
die Lampe am wenigsten stabil ist, und am ehesten Änderungen
im Lichtbogenstrom und der Lichtausgangsleistung auftreten.
Aus diesem Grunde sollten Messungen der Ausgangsimpedanz des
Kreises am Punkt des maximalen negativen Widerstandes der
Lampe vorgenommen werden, damit sie ein geeigneter Indikator
der Betriebsstabilität der Lampe sind.
Übliche Leuchtstofflampen zeigen einen maximalen negativen Wi
derstand von weniger als etwa 250 Ohm, und dieser Punkt er
scheint bei etwa 25% des Nennwertes des Lichtbogenstroms oder
mehr. Mit der derartigen Lampen arbeitet die bekannte HiLume-
Einrichtung stabil bis zu 1% Lichtausgangsleistung oder weni
ger mit einer Ausgangsimpedanz von 3500 Ohm am Punkt des
maximalen Wertes des negativen Lampenwiderstandes.
In unerwarteter Weise zeigen Kompaktleuchtstofflampen einen
maximalen negativen Widerstand, der größer ist als etwa 330 Ohm,
und dieser Punkt erscheint bei etwa 10% des Nennwertes
des Lichtbogenstroms oder weniger. Es wurde daher herausgefun
den, daß eine Ausgangsimpedanz von mindestens 5000 Ohm erfor
derlich ist, um den stabilen Betrieb von Kompaktleucht
stofflampen bei niedrigen Ausgangslichtpegeln sicherzustellen.
Um kommerziell akzeptabel zu sein, ist für die Änderung der
Lichtausgangsleistung ein Verhältnis von 2 : 1 oder weniger
erforderlich. Daher besteht ein weiterer Grundgedanke der Er
findung darin, daß eine Kompaktleuchtstofflampe aus einer
Quelle betrieben werden muß, die eine ungewöhnlich hohe Aus
gangsimpedanz aufweist, welche größer als etwa 5000 Ohm am
Punkt des maximalen negativen Lampenwiderstandes ist.
Es wird angenommen, daß diese unerwarteten Eigenschaften von
Kompaktleuchtstofflampen, nämlich das Flackern unterhalb von
15% bei asymmetrischen Strom-Wellenformen und der ungewöhn
lich hohe Wert des maximalen negativen Widerstandes auf die
körperliche Konstruktion der Lampen zurückzuführen ist, insbe
sondere den kleinen Durchmesser der Röhre. Übliche Lampen da
gegen bestehen aus Röhren mit einem Durchmesser von 1 Zoll
(2,54 cm) oder jedenfalls mehr als etwa 7/8 Zoll (1,22 cm)
Außendurchmesser. Es ist bekannt, daß kleine Röhrendurchmesser
eine kurze Plasmaentionisationszeit bewirken und dies eine
weniger stabile Entladung zur Folge hat. Weiterhin enthalten
Kompaktleuchtstofflampen oft viele Bögen mit kleinem Biegungs
radius und/oder Einschnürungen verglichen mit üblichen Lampen
mit einem Durchmesser von 1 Zoll (2,54 cm) oder mehr. Es wird
angenommen, daß diese Störungen der Entladung auch zu der ver
minderten Lichtbogenstabilität beitragen mit dem Ergebnis von
höheren Werten für den maximalen negativen Widerstand und
einer verstärkten Tendenz zum Flackern.
Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Errindung zum
Betrieb einer Kompaktleuchtstofflampe, insbesondere bei nied
rigen Lichtpegeln enthält die erfindungsgemäße Einrichtung
eine Spannungsquelle 21 in Serie mit einer Hochimpedanzvor
richtung 23, wie in Fig. 3 dargestellt. Die Impedanz der Hoch
impedanzvorrichtung ist größer als etwa 5000 Ohm.
Das Ausgangssignal der Spannungsquelle 21 kann entweder eine
Wechselspannung oder eine Gleichspannung sein und kann aus ei
ner ganzen Anzahl von Komponenten mit unterschiedlichen Wel
lenformen bestehen. Die Spannungsquelle kann Schaltkreise, wie
Gleichspannungsvervielfacher oder dergleichen enthalten, ob
wohl die genaue Natur der Spannungsquelle für die hier be
schriebene Erfindung nicht kritisch ist und diese sogar außer
halb des Schaltkreises selbst liegen kann. Die Spannungsquelle
kann weiterhin schaltende Umrichter oder Wechselrichter oder
Pulsbreitenmodulationskreise enthalten.
Die Hochimpedanzvorrichtung 23 kann aus einer beliebigen An
zahl oder Kombination von ohmschen Komponenten oder Blindkom
ponenten zusammengesetzt sein, die eine Impedanz besitzt, wel
che größer als etwa 5000 Ohm ist. Eine Impedanz mit einem
hohen ohmschen Anteil kann dazu tendieren, Energie abzuführen
und vorübergehende Instabilitäten in der Lampe herauszu
dämpfen, die sonst zum Lampenflackern und/oder zur Bildung
sichtbarer Streifen führen könnten. Lichtausgangspegel unter
halb von 0,5% sind bei Verwendung einer konstanten Gleich
stromquelle in Serie mit einem hohem Widerstand erhalten wor
den. Andere Ströme oder Spannungen können der Lampe zusätzlich
zu dem Strom durch die Hochimpedanzvorrichtung 23 zugeführt
werden.
Die Hochimpedanzvorrichtung 23 kann alternativ auch ganz aus
Blindkomponenten zusammengesetzt sein. Diese Ausführungsform
hat einen Vorteil gegenüber der nur ohmschen Impedanz, wie sie
oben beschrieben ist, der darin besteht, daß die Blindkompo
nenten weniger Leistung verbrauchen. Ein als LC-Kombination
aufgebauter Resonanzkreis, der auf oder in der Nähe des Spit
zenwertes der Resonanzfrequenz betrieben wird, wird insbeson
dere für den Betrieb der Lampe bei niedrigen Lichtpegeln mit
hohem Wirkungsgrad bevorzugt. In dieser Beschreibung und den
sich anschließenden Ansprüchen wird unter einem Resonanzkreis
ein Kreis verstanden, der einen einzigen Grundzustand der Re
sonanz aufweist. Die Bezeichnung "Spitzenwert der Resonanzfre
quenz" bezieht sich auf die Frequenz, bei der dieser Resonanz
grundzustand ein Maximum hat. Die Hochimpedanzvorrichtung 23
kann auch als rein induktive oder kapazitive Impedanz aufge
baut sein. Alternativ dazu kann die Hochimpedanzvorrichtung 23
als irgendein passiver oder aktiver Schaltkreis aufgebaut
sein, der den Stromfluß durch die Lampe begrenzt und eine
äquivalente Ausgangsimpedanz hat, die größer als etwa 5000 Ohm
ist.
In Fig. 4 ist ein Blockdiagramm einer Hochimpedanzvorrichtung
dargestellt, die sowohl passive als auch aktive Elemente ent
hält. Die variable Wechselspannungsquelle 25 liefert Wechsel
spannung an einen Resonanz-LC-Kreis 27 mit einer Frequenz, die
auf oder in der Nähe des Spitzenwertes der Resonanzfrequenz
liegt. Der Resonanzkreis liefert Strom an die Lampe FL1. Ein
Stromsensor 29 sensiert den Anteil des Stromes durch die Lampe
und liefert ein Signal an ein summmierendes Knotenelement 30.
Das summierende Knotenelement 30 vergleicht dieses Signal mit
dem Signal eines Bezugselementes 31 und liefert ein Fehler
signal, das proportional der Differenz zwischen den beiden
Signalen ist, an den Verstärker 32. Der Verstärker 32 justiert
die variable Spannungsquelle 25 in dem Sinne, daß die Diffe
renz zwischen dem Signal des Stromsensors 29 und des Bezugs
elements 31 reduziert wird, wodurch die Größe der Stromschwan
kungen in der Lampe FL1 verkleinert und damit die Ausgangsim
pedanz des Kreises vergrößert wird. Auf diese Weise ist die
äquivalente Ausgangsimpedanz dieses Kreises sehr hoch; in der
Tat viel höher als die Impedanz des Resonanz-LC-Kreises 27
allein. Ein Dimmerkreis, der eine Hochimpedanzvorrichtung die
ser Ausbildung mit einer äquivalenten Ausgangsimpedanz von
etwa 35 000 Ohm hat, war in der Lage eine Kompaktleucht
stofflampe bei Lichtpegeln unterhalb 1% zu betreiben.
Die variable Spannungsquelle 25 kann irgendeine Wechselspan
nungsquelle sein, die eine variable Ausgangsspannung aufweist.
Vorzugsweise ist sie ein pulsbreitenmodulierter Wechselrich
terkreis zur Erzeugung von Wechselspannungsimpulsen variabler
Breite. Alternativ dazu kann das Element 25 auch durch eine
Konstantspannungsquelle mit variabler Frequenz ersetzt sein.
Der Resonanz-LC-Kreis 27 kann alternativ ersetzt werden durch
irgendeine Kombination von ohmschen Komponenten oder Blindkom
ponenten oder kann vollständig weggelassen werden. Wenn jedoch
das Element 27 eine relativ niedrige Impedanz aufweist, muß
der Stromsensor 29 schneller ansprechen und der Verstärker 32
muß einen höheren Verstärkungsgrad aufweisen, um die gleiche
äquivalente Ausgangsimpedanz für die Hochimpedanzvorrichtung
23 zu erhalten. Wenn die Ansprechgeschwindigkeit und die Ver
stärkung des Systems vergrößert werden, wird es schwieriger,
Schwingungen zu vermeiden und einen genügend stabilen Betrieb
zu erreichen. Alternativ hierzu ermöglicht ein relativ hoher
Impedanzwert für das passive Element (in diesem Falle der Re
sonanzkreis 27) einen niedrigeren Verstärkungsgrad und ein
langsameres Ansprechen, aber verursacht höhere Verluste im
passiven Element.
Als Stromsensor 29 kann jede Vorrichtung verwendet werden, die
ein Signal erzeugt, das eine Funktion des durch sie fließenden
Stromes ist. Dies ist vorzugsweise ein Widerstand mit niedri
gem Wert oder ein kleiner Transformator.
Ein Nachteil der Verwendung einer im wesentlichen symmetri
schen Hochfrequenz-Wellenform zum Betrieb von Leuchtstofflam
pen ist das Auftreten sichtbarer Streifen entlang der Länge
der Lampenröhre. Diese Streifen können stationär sein oder sie
können sich in einer oder der anderen Richtung mit wechselnden
Geschwindigkeiten bewegen, und sie treten am häufigsten auf,
wenn die Lampe unterhalb von etwa 30% des Nennwertes der
Lichtausgangsleistung betrieben wird. Es wurde herausgefunden,
daß die Hinzufügung eines schmalen Anteils eines Gleichstroms
oder eines niederfrequenten Wechselstroms diese sichtbaren
Streifen beträchtlich reduzieren oder eliminieren kann.
Entsprechend zeigt Fig. 5A die Wechselstromkomponente des
durch eine Leuchtstofflampe fließenden Stroms bei einer der
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Die Halbperiode
τ ist bestimmt durch die Frequenz des sinusförmigen Stromes
und ist vorzugsweise kürzer als die Entionisierungszeit des
Gasplasmas. Der Effektivwert des zur Lampe fließenden Wechsel
stromes bestimmt im wesentlichen die Leistung und damit die
Helligkeit der Lampe und kann von einem Wert, der ungefähr dem
Nennwert des Betriebsstromes der Lampe gleich ist, nämlich dem
Wert, bei welchem der Nennwert der Lichtausgangsleistung er
zielt wird, zu einem wesentlich niedrigeren Wert heruntergere
gelt werden.
Fig. 5B zeigt die Gleichstromkomponente des durch die Lampe
fließenden Stromes. Aus Gründen der besseren Darstellung ist
die Höhe der Gleichstromkomponente im Vergleich zur Wechsel
stromkomponente übertrieben dargestellt. In einem praktischen
Fall wird bei typischen Leuchtstofflampen eine Gleichstromkom
ponente von weniger ale etwa 5% des Nennwertes des Lampenbe
triebsstroms bevorzugt.
Fig. 5C zeigt den durch die Lampe fließenden Strom mit zusam
mengesetzter Wellenform. Die Gleichstromkomponente verschiebt
die Wechselstromkomponente vom Nullniveau des Stroms weg und
bewirkt eine leicht asymmetrisch zusammengesetzte Wellenform
des Stroms, welche die Lampenstreifen wesentlich reduziert.
Die Frequenz der Wechselstromkomponente beträgt vorzugsweise
mehr als 20 kHz, um hörbare Geräusche zu vermeiden, obwohl an
genommen wird, daß niedrigere Frequenzen ebenfalls noch zu dem
gewünschten Resultat führen.
Vorzugsweise ist die Gleichstromkomponente kleiner als 5% des
Nennwertes des Lampenbetriebsstromes, so daß das oben erwähnte
Flackern vermieden wird sowie Probleme aufgrund von Anoden
schwingungen, die mit dem Betrieb von Gasentladungslampen mit
Gleichstrom oder asymmetrischem Wechselstrom verknüpft sind.
Die Polarität der Gleichstromkomponente kann entweder positiv
oder negativ sein.
Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
kann die oben beschriebene Gleichstromkomponente des durch die
Lampe fließenden Stroms durch eine niederfrequente Wechsel
stromkomponente ersetzt werden.
Der Hauptvorteil der Betriebsweise der Lampe in dieser Art be
steht darin, daß eine niederfrequente Wechselstromquelle
leichter verfügbar ist als Gleichstromquellen.
Die Frequenz der niederfrequenten Wechselstromkomponente liegt
vorzugsweise beträchtlich niedriger als die bevorzugte Fre
quenz von 27 kHz der Steuerspannung. Frequenzen im Bereich
zwischen 30 Hz und 150 Hz werden bevorzugt. Frequenzen unter
halb von 30 Hz können ein unerwünschtes sichtbares Pulsieren
der Lampenhelligkeit verursachen. Frequenzen, die stark ober
halb von 150 Hz liegen, erfordern erhöhte Anteile des nieder
frequenten Stromes zur Reduzierung der Streifen, aber Frequen
zen bis zu mindestens etwa 5 kHz sind noch verwendbar.
Fig. 6 zeigt die zusammengesetzte Wellenform eines Stromes,
der sowohl hochfrequente als auch niederfrequente Wechsel
stromkomponenten, wie oben beschrieben, aufweist. Die zusam
mengesetzte Wellenform kann als Wechselstrom beschrieben wer
den, da sie in regelmäßig auftretenden Intervallen die Polari
tät wechselt und abwechselnd positive und negative Werte an
nimmt. Die Größe und die relative Frequenz der niederfrequen
ten Komponente ist aus Gründen der Darstellung übertrieben ge
zeichnet.
Der Amplitudenspitzenwert der niederfrequenten Komponente ist
vorzugsweise kleiner als der der hochfrequenten Komponente, so
daß die zusammengesetzte Wellenform ihre Polarität über jede
Halbwelle der Niederfrequenz mit einer hohen Frequenz wech
selt. Die Gleichstromkomponente der in Fig. 6 dargestellten
zusammengesetzten Wellenform ist vorzugsweise 0.
Eine bequeme Möglichkeit der Ableitung eines niederfrequenten
Wechselstromes ist in Fig. 7 dargestellt. In Fig. 7 sind den
Schaltelementen identische Bezugsziffern gegeben, welche iden
tisch mit den Schaltelementen sind, die weiter unten in Ver
bindung mit Fig. 9, 10 und 11 beschrieben werden. So sind der
Eingangsgleichrichter 7, der schaltende Wechselrichter 9 und
der Transformator T3 identisch mit den Schaltelementen, die
später beschrieben werden. In Fig. 7 wird ein Teil des
60 Hz-Eingangsstroms am spannungsführenden Eingang H über einen Wi
derstand R abgegriffen, der zwischen dem spannungsführenden
Eingang H und einer Seite der Sekundärwicklung des Transforma
tors T3 angeordnet ist, wo er dem Hochfrequenzwechselstrom
hinzugefügt wird, der vom schaltenden Wechselrichter 9 aus der
Lampe zugeführt wird. Der Wert des Widerstandes R100 ist so
gewählt, daß eine gewünschte Amplitude der Niederfrequenzkom
ponente zugeführt wird.
Ein Kondensator C100 verbindet die Verbindungsstelle zwischen
dem Widerstand R100 und der Sekundärwicklung des Transforma
tors T3 mit Masse. In der vorliegenden Beschreibung und den
sich anschließenden Ansprüchen bedeutet der Ausdruck
"Verbinden" im Zusammenhang mit elektrischen Elementen, daß
zwischen zwei oder mehreren Elementen ein leitender Pfad exi
stiert, der zusätzliche Elemente enthalten kann, die nicht
eigens erwähnt werden. Der Kondensator C100 ist so ausgewählt,
daß er einen Leitungsweg mit hoher Wechselstromimpedanz bei 60 Hz
zur Masse darstellt, so daß der niederfrequente Wechsel
strom, welcher der Sekundärwicklung des Transformators T3 zu
geführt wird, durch die Lampe fließt.
Der niederfrequente Wechselstrom, welcher der Lampe zugeführt
wird, bewirkt eher eine Wechselstromverschiebung als eine
Gleichstromverschiebung bei dem der Lampe zugeführten hochfre
quenten Wechselstrom, aber bewirkt außerdem einen Grad der
Asymmetrie bei dem hochfrequenten Wechselstrom, der ausreicht,
um das Auftreten von sichtbaren Streifen wesentlich zu redu
zieren.
Zusätzlich zu einem sinusförmigen niederfrequenten Wechsel
strom von 60 Hz können andere Wellenformen verwendet werden,
wie beispielsweise rechteckige, dreieckige oder sägezahnför
mige Wellenformen usw. Eine Rechteckwelle würde eine positive
Gleichstromverschiebung in einer Halbperiode und eine negative
Gleichstromverschiebung in der anderen Halbperiode des nieder
frequenten Wechselstroms hervorrufen, welche den hochfrequen
ten Wechselstrom in beiden Halbperioden asymmetrisch macht.
Weiterhin ist es nicht notwendig, daß entweder ein konstanter
Gleichstrom oder ein niederfrequenter Wechselstrom verwendet
werden, um sichtbare Streifen in Kompaktleuchtstofflampen zu
eliminieren. In alternativer Weise kann ein pulsierender
Gleichstrom, wie beispielsweise der pulsierende Gleichstrom
eines Vollweggleichrichters verwendet werden. Ein Schaltkreis
zur Erzeugung eines pulsierenden Gleichstroms ist in Fig. 8
dargestellt. In diesem Kreis ist eine Klemme der Gleichstrom
seite einer Diodenbrücke FWB im Eingangsgleichrichter 7 über
den Widerstand R101 mit einer Klemme der Sekundärwicklung des
Transformators T3 verbunden, so daß der hier abgegriffene
Strom dem hochfrequenten Wechselstrom hinzugefügt wird, der
der Lampe durch den schaltenden Wechselrichter 9 zugeführt
wird. Die Wellenform des pulsierenden Gleichstroms, der an der
Diodenbrücke FWB abgegriffen wird, ist in Fig. 8 als negativer
Strom dargestellt, aber es ist selbstverständlich, daß ein po
sitiver Strom ebenso die gewünschte Asymmetrie des hochfre
quenten Lampenstroms bewirken würde. In diesem Falle würde die
der Lampe zugeführte zusammengesetzte Wellenform sowohl eine
Gleichstromkomponente als auch eine niederfrequente Wechsel
strom- und eine hochfrequente Wechselstromkomponente enthal
ten.
Der an der Diodenbrücke FWB abgegriffene pulsierende Gleich
strom kann, wenn gewünscht, außerdem in einen asymmetrischen
niederfrequenten Wechselstrom umgewandelt werden, indem ein
den Gleichstrom abblockender Kondensator C101 in Serie zum Wi
derstand R101 geschaltet wird, wie dies in Fig. 9 dargestellt
ist. Die Wellenform des niederfrequenten Wechselstroms ist
ebenfalls in Fig. 9 dargestellt. Es handelt sich im wesentli
chen um die gleiche Wellenform wie sie in Verbindung mit Fig.
8 beschrieben wurde, aber mit einer Gleichstromkomponente, die
den Wert 0 hat. Es wird darauf hingewiesen, daß die genaue
Wellenform und die genaue Frequenz nicht kritisch sind. Es
wird außerdem darauf hingewiesen, daß die einzige dargestellte
Lampe durch mehrere in Serie oder parallel geschaltete Lampen
ersetzt werden kann.
Es wird zusätzlich betont, daß die hier dargestellte Erfindung
nicht auf spezielle Schaltkreise oder Wellenformen, wie sie
oben beschrieben wurden, beschränkt ist. In alternativer Weise
kann jede Art Strom-Wellenform, die sowohl Wechselstrom- als
auch Gleichstromkomponenten aufweist, der Lampe zugeführt wer
den, um sichtbare Streifenbildungen zu eliminieren.
Fig. 10 zeigt ein Blockschaltbild eines Dimmerkreises nach ei
ner Ausführungsform der Erfindung. Der in gestrichelte Linien
eingeschlossene Dimmerkreis 1 liefert einen variablen Lei
stungsanteil einer Leistungsquelle 3 mit sinusförmiger Aus
gangsspannung an eine Gasentladungslampe 5. Der Dimmerkreis
enthält allgemein einen Eingangsgleichrichter 7 zur Umwandlung
einer typischen niederfrequenten Wechselspannung der Lei
stungsquelle 3 in eine Gleichspannung, die dem schaltenden
Wechselrichter 9 zugeführt wird. Der schaltende Wechselrichter
9 wandelt die Gleichspannung in eine hochfrequente Wechsel
spannung um, welche aus aufeinanderfolgenden invertierten und
nicht invertierten rechteckigen Spannungsimpulsen mit va
riabler Impulsbreite besteht. Der Pulsbreitenmodulationskreis
(PDM) liefert eine Spannung mit modulierter Wellenform an den
schaltenden Wechselrichter 9 zur Steuerung der Dauer jedes Im
pulses.
Die hochfrequente Wechselspannung des schaltenden Wechselrich
ters 9 steuert den Resonanzkreis 13 so, daß er im wesentlichen
sinusförmig in Resonanz gerät mit einer Amplitude, welche
durch die Amplitude und Frequenz der ansteuernden Spannung und
den Gütefaktor Q des Resonanzkreises bestimmt ist. Der Reso
nanzkreis ist insbesondere eine Quelle für einen symmetrischen
hochfrequenten sinusförmigen Strom mit variabler Amplitude,
bestimmt durch die Impulsbreite der vom schaltenden Wechsel
richter 9 ausgehenden Steuerspannung.
Der vom Resonanzkreis 13 herrührende Strom wird der Lampe 5
zugeführt, um sie zu zünden und um in ihr über einen Bereich
wählbarer Leistungspegel eine stabile elektrische Entladung
aufrechtzuerhalten. Gleichzeitig richtet ein Ausgangs-Gleich
richter 15 einen vorgegebenen Anteil des Stromes des Resonanz
kreises 13 gleich und führt ihn der Lampe 5 zu, indem er somit
dem durch die Lampe fließenden Strom eine ausgewählte Gleich
stromkomponente hinzufügt zur Minimierung sichtbarer Streifen
bildungen.
Der Stromsensor 29 sensiert den Anteil des durch die Lampe
fließenden Stroms und liefert ein entsprechendes Signal an das
summierende Knotenelement 30. Das summierende Knotenelement 30
vergleicht dieses Signal mit dem Signal des Bezugselementes 31
und liefert ein Fehlersignal an den Verstärker 32, das propor
tional der auftretenden Differenz ist. Der Verstärker 32
justiert den Pulsbreiten-Modulationssteuerkreis 11 zur Redu
zierung der Differenz zwischen dem Signal des Stromsensors 29
und des Bezugselements 31, wodurch die Größe der Änderungen
des Stroms in der Lampe FL1 reduziert und damit die Aus
gangsimpedanz des Kreises erhöht wird.
Fig. 11 zeigt schematisch einen Schaltkreis einer Ausführungs
form eines Dimmerkreises nach der vorliegenden Erfindung. Die
Funktionsweise des Kreises ist folgende: Eine von einer Span
nungsquelle erzeugte Wechselspannung wird an die beiden Ein
gänge, den spannungsführenden Eingang H und den neutralen Ein
gang N angelegt. Die Dioden D1 und D2, der Widerstand R1, die
Kondensatoren C1 und C2 und die Zenerdiode Z1 bilden ein
Gleichspannungsnetzgerät für Niederspannung. Während jeder po
sitiven Halbperiode der Spannung fließt ein Strom vom span
nungsführenden Eingang durch den Kondensator C1, die Diode D2
und den Kondensator C2 zum neutralen Eingang, wodurch der Kon
densator C2, in der aus Fig. 11 ersichtlichen Weise, positiv
und negativ aufgeladen wird. Der Widerstand R1 und die Zener
diode Z1 regeln die an der Zenerdiode Z1 auftretende Ausgangs
spannung so, daß das Netzgerät insbesondere eine Gleichspan
nungsquelle ist, welche eine Gleichspannung liefert, die an
genähert gleich der Durchbruchsspannung der Zenerdiode Z1 ist.
Die Diode D1 stellt einen Entladungsweg für den Kondensator C1
während jeder negativen Spannungshalbperiode dar.
Die Vollweggleichrichterbrücke (FWB) richtet die von der Span
nungsquelle kommende Wechselspannung gleich und liefert eine
pulsierende Gleichspannung an den Ausgangsklemmen (+) und (-).
Der pulsierende Gleichstrom wird durch den Kondensator C3 ge
filtert, der parallel zu den Ausgangsklemmen der Vollweg
gleichrichterbrücke geschaltet ist. Der Widerstand R2 liegt
parallel zum Kondensator C3 und führt dessen Ladung ab, wenn
die Spannung abgeschaltet ist. Die Dioden D3, D4, D5 und D6,
die MOS-FETS Q1 und Q2, die Widerstände R3 und R4, der Trans
formator T1 und der Kondensator C4 bilden einen schaltenden
Wechselrichter zum Schalten und Umpolen der gefilterten
Gleichspannung in eine hochfrequente steuernde Wechselspan
nung. Während des Betriebs lädt sich der Kondensator C4 auf
ungefähr den halben Wert der Spannung am Kondensator C3 auf.
Wenn Q1 leitend ist, wird eine Steuerspannung an die Primär
wicklung P des Transformators T2 angelegt, die positiv ist und
deren Wert der Spannung an C3 abzüglich des Wertes der Span
nung an C4 (etwa die Hälfte der Spannung an C3) entspricht.
Wenn Q2 leitend ist, wird die Steuerspannung umgekehrt und ihr
Wert ist gleich der Spannung an C4. Wenn Q1 und Q2 abwechselnd
mit hoher Frequenz (≈27 kHz) geschaltet werden, werden
rechteckige Impulse einer steuernden Wechselspannung erzeugt,
welche einen Spannungswert von Spitze zu Spitze aufweist, der
im wesentlichen gleich der Spannung am Kondensator C3 ist.
Die Steuerfrequenz liegt vorzugsweise zwischen 20 kHz und 50 kHz
und ist bestimmt durch die steuernde Wechselspannung vom
Pulsbreiten-Modulationskreis IC1, der unten erläutert wird.
Frequenzen unterhalb 20 kHz liegen im menschlichen Hörbereich
und sind deswegen unerwünscht. Frequenzen oberhalb von 50 kHz
sind unerwünscht, weil sie dazu tendieren, hohe thermische
Verluste in den MOS-FETS Q1 und Q2 zu erzeugen, und sie ver
größern den Fluß eines Verluststroms durch die kapazitive Im
pedanz der Zuleitungsdrähte gegen Erde, was die Betriebsweise
bei niedrigen Lichtpegeln schwieriger macht.
Die Widerstände R3 und R4 dämpfen Schwingungen, die sonst auf
grund der Streuinduktivität der Sekundärwicklungen S1 und S2
des Transformators T1 und der Gate-Kapazität der MOS-FETS Q1
und Q2 auftreten können. Die Dioden D3 und D4 verhindern das
Rückwärtsfließen von Strömen jeweils durch die MOS-FETS Q1 und
Q2. Die Dioden D5 und D6 bilden einen Kommutierungsweg für die
jeweils durch Q2 und Q1 fließenden Ströme.
Die Schaltelemente Q1 und Q2 können von jedem Typ eines Halb
leiterschalters sein, so beispielsweise FETS oder bipolare
Transistoren; jedoch werden die dargestellten MOS-FETS vorge
zogen wegen ihrer raschen Schaltfähigkeit und wegen ihres re
lativ niedrigen Gate-Stromes. In alternativer Weise kann der
schaltende Wechselrichter durch einen weniger kostspieligen
Gleichstrom-Frequenzumwandler auf Halbleiterbasis ersetzt wer
den, welcher eine nicht pulsierende Gleichspannung in eine mit
Hochfrequenz pulsierende Gleichspannung umwandelt. Ein
Schwingkreis vom Invertertyp, der Gleichspannung in Wechsel
spannung umwandelt, wird jedoch vorgezogen, da er für den
gleichen Anteil an übertragener Energie einen geringeren
Spitzenwert des magnetischen Flusses im Kern der leistungs
übertragenden Transformatoren besitzt und eine symmetrischere
Wellenform erzeugt.
Der unten beschriebene integrierte Schaltkreis IC1 erhält eine
Spannung (+ VDC) von der Gleichspannungsquelle und liefert
eine steuernde Wechselspannung an die Primärwicklung P des
Transformators T1 zur Steuerung des leitenden Zustandes der
MOS-FETS Q1 und Q2 und entsprechend der Breite jedes Recht
eckimpulses der Steuerspannung. Die Sekundärwicklungen S1 und
S2 des Transformators T1 sind so angeordnet, daß an die Gates
der MOS-FETS Q1 und Q2 Spannung von entgegengesetzter Polari
tät angelegt wird, so daß in einem gegebenen Zeitpunkt nur
eine der beiden Schaltvorrichtungen im leitenden Zustand ist.
Die in ihrer Pulsbreite modulierte Steuerspannung wird der
Primärwicklung P des Transformators T2 zugeführt sowie dem Re
sonanzkreis, der aus der Spule L1 und dem Kondensator C5 be
steht, die in Serie geschaltet sind. Der Resonanzkreis
schwingt im wesentlichen sinusförmig auf der Steuerfrequenz
mit einer Amplitude, die durch die Pulsbreite der Steuerspan
nung und den Gütefaktor Q des Resonanzkreises bestimmt ist.
Der Gütefaktor Q ist in diesem Falle in erster Linie durch die
Impedanz der Lampen FL1 und FL2 bestimmt, die in Parallel
schaltung den Resonanzkreis belasten.
Die Belastung des Resonanzkreises in Parallelschaltung ten
diert dazu, den Betrieb der Gasentladungelampen zu stabili
sieren. Insbesondere nimmt der Gütefaktor Q des Resonanzkrei
ses ab, wenn der Strom durch die Lampen anwächst und damit die
Leitfähigkeit der Lampen steigt und dadurch wird die Resonanz
reaktion verkleinert. Wenn umgekehrt der Strom durch die Lam
pen abnimmt und damit die Leitfähigkeit der Lampen abnimmt,
steigt der Gütefaktor Q des Resonanzkreises und dadurch wird
die Resonanzreaktion angehoben. Der Resonanzkreis benimmt sich
insbesondere wie eine Wechselstromquelle und liefert einen
hochfrequenten sinusförmigen Strom durch den Transformator T3
zu den Lampen FL1 und FL2. Die Stärke des Stroms ist variabel
in Abhängigkeit von der Pulsbreite der Steuerspannung und
reicht aus, die elektrische Entladung in den Lampen zu zünden
und aufrechtzuerhalten.
Um die Stabilität des Resonanzkreises weiter zu steigern, ist
die Frequenz der Steuerspannung (≈27 kHz) kleiner als der
Spitzenwert der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises (≈33 kHz).
Alternativ hierzu kann der Resonanzkreis zusätzlich ge
dämpft werden, indem der Gütefaktor Q reduziert wird. Dies je
doch würde seinen Wirkungsgrad reduzieren und unerwünschte
Wärme erzeugen.
Der Kondensator C6, die Widerstände R5 und R6 und die Diode D7
bilden einen Ausgangs-Gleichrichterkreis, um durch die in Se
rie geschalteten Lampen FL1 und FL2 einen Gleichstrom zu
schicken. Der zwischen die Sekundärwicklungen S1 und S2 des
Transformators T3 geschaltete Kondensator C6 ist so ausge
wählt, daß er im wesentlichen alle hochfrequenten sinusförmi
gen Ströme vom Resonanzkreis zu den Lampen FL1 und FL2 durch
läßt. Der Widerstand R6 ermöglicht es, daß Gleichstrom durch
die Diode D7 fließt und eine Gleichstromverschiebung am Kon
densator C6 bewirkt, so daß der sinusförmige Strom durch die
Lampen FL1 und FL2 eine Gleichstromkomponente enthält, die
durch den Widerstand R6 bestimmt ist. Der Widerstand R5 ist
insbesondere ein Ableitwiderstand zur Entladung des Kondensa
tors C6, wenn die Spannung abgeschaltet ist. Der Widerstand R5
begrenzt auch den Anteil der Gleichstromverschiebung am Kon
densator C6, wenn die Leitfähigkeit der Lampen bei niedrigen
Leistungspegeln abnimmt.
Zwischen den Sekundärwicklungen S1 und S2 des Transformators
T3 liegt als Bezugspunkt die mit Erde verbundene Masse. Die
relative Größen der Sekundärwicklungen werden derart ausge
wählt, daß eine bezogen auf Erde ausreichende Spannung erzeugt
wird, um die Lampen FL1 und FL2 durch die Kapazität jeder
Lampe gegenüber Erde zu zünden. Sie wird außerdem so ausge
wahlt, daß die durch jede Lampe fließenden Erdströme ausgegli
chen werden, so daß der hochfrequente sinusförmige Strom die
Lampen in gleicher Weise mit Energie versorgt. In diesem be
sonderen Schaltkreis ist ein Kompromiß notwendig, um eine aus
reichende Zündspannung zu erzeugen und daher ist der durch die
Lampe FL1 fließende Erdstrom etwas größer als der durch die
Lampe FL2 fließende Erdstrom. Um dieses Ungleichgewicht zu
korrigieren, ist der Kondensator C7 im Nebenschluß zur Lampe
FL1 geschaltet, um einen kompensierenden Strom durch die Lampe
FL2 zu bewirken. Der Kondensator C8 verhindert, daß das hoch
frequente Schaltrauschen der MOS-FETS Q1 und Q2 im schaltenden
Wechselrichter die Lichtabgabe der Lampen FL1 und FL2 ungün
stig beeinflußt.
Die Sekundärwicklungen S1, S2 und S3 des Transformators T2
liefern eine Spannung an die Heizfäden der Lampen FL1 und FL2,
um sie aufzuheizen. Die Primärwicklung P des Transformators T2
erhält eine impulsbreitenmodulierte Spannung vom schaltenden
Wechselrichterkreis, der die MOS-FETS Q1 und Q2 enthält. Zu
sätzlich fließt, nachdem Q1 abgeschaltet ist und bevor Q2
eingeschaltet ist, der Strom durch Q1 und die Spule L1 über
die Diode D6 zurück und schaltet sie ein. Dies bewirkt einen
zusätzlichen Spannungsimpuls an der Primärwicklung P des
Transformators T2, der eine Amplitude besitzt, die dem Wert
der Spannung am Kondensator C4 entspricht. Wenn die Spannung
am Kondensator C5 ihren Spitzenwert erreicht, kehrt sich der
Strom durch die Spule L1 um und der Kondensator C5 entlädt
sich, indem er die Diode D5 einschaltet. Dies bewirkt an der
Primärwicklung P einen zweiten Spannungsimpuls, dessen Ampli
tude den gleichen Wert und das gegengesetzte Vorzeichen hat
wie der erste Impuls. Die beiden zusätzlichen Spannungsimpulse
überdecken im wesentlichen die Zeitdauer, nachdem Q1 abge
schaltet ist und bevor Q2 eingeschaltet ist. Der Kreis verhält
sich ähnlich während der Zeitdauer, nachdem Q2 abgeschaltet
ist und bevor Q1 eingeschaltet ist. Die resultierende Hochfre
quenzspannung an der Primärwicklung P hat einen Effektivwert,
der über den Regelbereich der Lampen im wesentlichen konstant
ist. In dieser Weise erzeugen die Sekundärwicklungen S1, S2
und S3 auch konstante Spannungseffektivwerte, um die Heizfäden
der Lampen SL1 und SL2 über den ganzen Regelbereich aufzuhei
zen.
Der integrierte Schaltkreis IC1 ist vorzugsweise ein inte
grierter Schaltkreis zur Pulsbreitenmodulation mit der indu
striellen Standardbezeichnung SG3526. Die innere Funktions
weise des integrierten Schaltkreises ist beschrieben in dem
Silicon General Product Katalogue 1989, Abschnitt 4, Seiten
111-119 und Abschnitt 12, Seiten 49-74, auf die hiermit
Bezug genommen wird. Die Klemmen 14 und 17 des integrierten
Schaltkreises IC1 sind an die Spannungszuführung VDC ange
schlossen zur Zuführung niedriger Gleichspannung aus dem oben
beschriebenen Gleichspannungszuführungskreis. Der Kondensator
C13 ist ein Bypass-Kondensator zur Aufrechterhaltung einer sta
tionären Spannung an den Klemmen 14 und 17. Der Kondensator
C14 und die Widerstände R9 und VR1 sind über die Klemmen 9 und
10 des IC1 mit einem inneren Oszillator verbunden und bestim
men die Modulationsfrequenz. Die Kombination des Widerstandes
R9 mit dem variablen Widerstand VR1 kann wahlweise ersetzt
werden durch einen einzigen Festwiderstand. Aber die darge
stellte Kombination wird vorgezogen, da sie eine leichte
Justierung der Modulationsfrequenz ermöglicht.
Das Ausgangssignal des integrierten Schaltkreises IC1 besteht
aus aufeinanderfolgenden Impulsen einer positiven Spannung,
die an den Klemmen 13 und 16 (Ausgänge A und B) abgegeben
wird. Diese pulsierende Spannung wird den Eingängen A und B
des Transformators T1 zugeführt und steuert die leitenden
Phasen der MOS-FETS Q1 und Q2. Die Breite jedes Impulses ist
vorzugsweise variabel zwischen dem Wert 0 bis zum Wert von 18 µs,
welcher die maximale Impulsbreite darstellt, welche noch
eine gewisse Totzeit zwischen den Impulsen bei der bevorzugten
Modulationsfrequenz (≈27 kHz) ermöglicht. Diese Totzeit kann
vergrößert werden, indem zwischen die Klemme 1 und Erde ein
nicht dargestellter Widerstand wahlweise eingeschaltet wird.
Die Dioden D20 und D21 (vorzugsweise Schottky-Dioden) verhin
dern, daß die Ausgänge A und B jeweils durch den Magnetisie
rungsstrom des Transformators T1 weit ins Negative gezogen
werden.
Der integrierte Schaltkreis IC1 enthält vorzugsweise einen
Fehlerverstärker zum Bewirken einer Rückkopplungssteuerung für
den Strom durch die Lampen FL1 und FL2. An die negative Seite
des Fehlerverstärkers wird eine Spannung (-ERROR) angelegt,
die vom tatsächlichen Lampenstrom abhängig ist. In die posi
tive Seite des Fehlerverstärkers wird eine Bezugsspannung
(+ERROR) angelegt, die durch das Potentiometer VR2 eingestellt
wird, welches, wie dargestellt, ein Teil einer Dimmer-Steuer
vorrichtung sein kann. Das Ausgangssignal des Fehlerverstär
kers steuert die Pulsbreite an den Ausgängen A und B und steu
ert damit den Strom durch die Lampen FL1 und FL2. Die Spannung
Vref ist eine eng gereglte Spannung von 5 V an der Klemme 18
des integrierten Schaltkreises abgegeben wird.
Ein Stromsensorkreis, der die Dioden D8, D9, D10 und D11, die
Widerstände R7, R8 und R14 und den Kondensator C17 enthält,
erzeugt eine Spannung (-ERROR), die von der Höhe des Lampen
stroms abhängt. Der Stromsensorkreis arbeitet wie folgt. Wäh
rend jeder positiven Halbwelle des Stromflusses (iFL) durch
die Lampen FL1 und FL2 fließt Strom durch den Kondensator C6
und die Diode D8. Während jeder negativen Halbwelle fließt
Strom durch den Kondensator C6, die Diode D9, den Widerstand
R7 und entweder den Widerstand R8 oder die in Serie geschalte
ten Dioden D10 und D11.
Bei niedrigen Strompegeln ist der Spannungsabfall am Wider
stand R8 zu klein, um die Dioden D10 und D11 einzuschalten. In
diesem Falle ändert sich die Spannung (-ERROR) proportional
mit dem Lampenstrom und der Summe der Widerstandswerte R7 und
R8. Bei größeren Strömen schalten die Dioden D10 und D11 ein
und erzeugen einen im wesentlichen konstanten Spannungsabfall,
der unabhängig vom Lampenstrom (iFL) ist. Die Spannung
(-ERROR) variiert in diesem Falle proportional mit dem Lampen
strom und dem Wert des Widerstandes R7.
Fig. 12 zeigt die resultierende Beziehung zwischen dem Lampen
strom (iFL) und der Rückkopplungsspannung (-ERROR). Die zwei
fache Steigungscharakteristik dieser Beziehung ermöglicht eine
hohe Empfindlichkeit und enge Steuerung des Lampenstroms bei
niedrigen Strompegeln, welche zu einer hohen Ausgangsimpedanz
bei niedrigen Strompegeln und geringen Verlusten in den Sen
sorwiderständen bei hohen Strompegeln führt. Der Widerstand R7
hat vorzugsweise einen kleineren Wert als der Widerstand R8.
Ein Widerstandsverhältnis von etwa 4 : 1 wird über eine
Steuerung über den vollen Regelbereich bei den meisten Typen
von Kompaktleuchtstofflampen bevorzugt. Die Dioden D8 und C9
sind vorzugsweise Dioden mit schneller Erholungszeit. Der Wi
derstand R14 und der Kondensator C17 vergrößern die Stabilität
des Rückkopplungssteuersystems durch Dämpfung irgendwelcher
Wechselspannungskomponenten, die von der Klemme 2 des inte
grierten Schaltkreises IC1 abgegeben werden.
Claims (55)
1. Steuersystem zum Betrieb einer Gasentladungslampe bei
Lichtpegeln unterhalb von ca. 40% des Nennwertes der Lichtaus
gangsleistung, gekennzeichnet durch Mittel (21-23) zur Erzeu
gung eines Wechselstroms in der Lampe, wobei diese Mittel eine
Ausgangsimpedanzcharakteristik besitzen, die größer als ca.
5000 Ohm ist.
2. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Wechselstrom ein pulsbreitenmodulierter Strom ist.
3. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Wechselstrom ein im wesentlichen sinusförmiger Strom ist.
4. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Wechselstrom eine hohe Frequenz aufweist.
5. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Wechselstrom im wesentlichen symmetrisch ist.
6. Steuersystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Wider
standsmittel zur Erzeugung der Ausgangsimpedanzcharakteristik.
7. Steuersystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Induk
tormittel zur Erzeugung der Ausgangsimpedanzcharakteristik.
8. Steuersystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Konden
satormittel zur Erzeugung der Ausgangsimpedanzcharakteristik.
9. Steuersystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Schwing
kreismittel (13) zur Erzeugung der Ausgangsimpedanzcharakteri
stik.
10. Steuersystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Steuer
mittel für den Lampenstrom mit Stromrückkopplungsmitteln (29,
30, 32, 11) zur Erzeugung der Ausgangsimpedanzcharakteristik.
11. Steuersystem nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Steuer
mittel für den Lampenstrom mit Stromrückkopplungsmitteln zur
Erzeugung der Ausgangsimpedanzcharakteristik.
12. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ausgangsimpedanzcharakteristik größer als etwa 10 000 Ohm
ist.
13. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ausgangsimpedanzcharakteristik größer als etwa 35 000 Ohm
ist.
14. Steuersystem zur Zuführung elektrischer Leistung aus einer
Quelle zumindest einer Gasentladungslampe, gekennzeichnet
durch
- a) Mittel zur Erzeugung eines Stroms mit zusammengesetzter Wellenform, wobei diese Wellenform eine Wechselstromkom ponente und eine Gleichstromkomponente aufweist, und
- b) Mittel zur Zuführung dieser zusammengesetzten Wellenform zu der Lampe oder den Lampen, wodurch sichtbare Strei fenbildungen in der Lampe bzw. den Lampen im wesentli chen verhindert werden.
15. Steuersystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
die Wechselstromkomponente der zusammengesetzten Wellenform
des Stroms eine Hochfrequenzwechselstromkomponente ist.
16. Steuersystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
die Wechselstromkomponente der zusammengesetzten Wellenform
des Stroms eine im wesentlichen symmetrische Wechselstromkom
ponente ist.
17. Steuersystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
die Wechselstromkomponente der zusammengesetzten Wellenform
des Stroms eine im wesentlichen symmetrische Hochfrequenzwech
selstromkomponente ist.
18. Steuersystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
die Wechselstromkomponente der zusammengesetzten Wellenform
des Stroms eine pulsbreitenmodulierte Wellenform ist.
19. Steuersystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
die Wechselstromkomponente der zusammengesetzten Wellenform
des Stroms eine im wesentlichen sinusförmige Wellenform ist.
20. Steuersystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
die Mittel zur Erzeugung eines Stroms mit zusammengesetzter
Wellenform folgende Elemente enthalten:
- a) Mittel zur Erzeugung einer Wechselstromkomponente;
- b) von diesen getrennte Mittel zur Erzeugung einer Gleich stromkomponente; und
- c) Mittel zur Kombination der Wechselstromkomponente und der Gleichstromkomponente zur Herstellung der zusammen gesetzten Wellenform.
21. Steuersystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
der Wert der Gleichstromkomponente weniger als ca. 5% des
Nennbetriebstromes bei voller Lichtausgangsleistung beträgt.
22. Steuersystem zur Zuführung elektrischer Leistung aus einer
Quelle zu mindestens einer Gasentladungslampe, gekennzeichnet
durch
- a) Mittel zur Zuführung einer Wechselstromkomponente mit einer ersten Frequenz zu der Lampe oder den Lampen; und
- b) Mittel zur gleichzeitigen Zuführung einer Wechselstrom komponente mit einer zweiten Frequenz zu der Lampe oder den Lampen, wobei die zweite Frequenz wesentlich niedri ger ist als die erste Frequenz zur Herstellung einer zu sammengesetzten Wellenform des Stroms in der Lampe bzw. den Lampen, welche das Auftreten sichtbarer Streifen im wesentlichen verhindert.
23. Steuersystem nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die
zweite Frequenz zwischen 30 Hz und ca. 5 kHz liegt.
24. Steuersystem nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die er
ste Frequenz höher ale ca. 5 kHz ist.
25. Steuersystem nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß
die Wechselstromkomponente mit der ersten Frequenz eine im we
sentlichen symmetrische Wechselstromkomponente ist.
26. Steuersystem nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß
die Wechselstromkomponente mit der ersten Frequenz eine puls
breitenmodulierte Wechselstromkomponente ist.
27. Steuersystem nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß
die Wechselstromkomponente mit der ersten Frequenz eine im we
sentlichen sinusförmige Wechselstromkomponente ist.
28. Steuersystem nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß
die Mittel zur Zuführung einer Wechselstromkomponente mit ei
ner ersten Frequenz und die Mittel zur Zuführung einer Wech
selstromkomponente mit einer zweiten Frequenz Teil einer ein
zigen Stromzuführungseinrichtung sind.
29. Steuersystem nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß
der Effektivwert der Wechselstromkomponente mit einer zweiten
Frequenz kleiner ist als ca. 5% des Effektivwertes des Nennbe
triebsstroms der Lampe bei voller Lichtausgangsleistung.
30. Steuersystem zum Betrieb einer Gasentladungslampe bei
Lichtpegeln unterhalb von ca. 40% des Nennwertes der Lichtaus
gangsleistung, dadurch gekennzeichnet, daß es eine maximale
Ausgangsimpedanzcharakteristik von mindestens ca. 5000 Ohm be
sitzt und folgende Elemente enthält:
- a) eine Hochfrequenzstromquelle mit relativ niedriger Aus gangsimpedanz;
- b) mindestens ein passives Impedanzelement, das in Serie zwischen die Stromquelle und die Lampe geschaltet ist;
- c) Stromsensormittel zur Sensierung des Wirkstroms in der Lampe und
- d) Verstärkermittel, welche auf die Stromsensormittel an sprechen, zur Anhebung der effektiven Ausgangsimpedanz charakteristik des Steuersystems über den Wert des passiven Impedanzelementes allein hinaus.
31. Steuersystem nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß
die Hochfrequenzstromquelle einen pulsbreitenmodulierten Strom
erzeugt.
32. Steuersystem nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß
die Hochfrequenzstromquelle einen im wesentlichen sinusförmi
gen Strom erzeugt.
33. Steuersystem nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ausgangsimpedanz der Hochfrequenzstromquelle kleiner als
ca. 500 Ohm ist.
34. Steuersystem nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß
das passive Impedanzelement einen Impedanzwert von weniger als
ca. 4500 Ohm besitzt.
35. Steuersystem nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß
die Lampe einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt auf
weist, wobei dieser Querschnitt einen Durchmesser von weniger
als etwa 7/8 Zoll (2,22 cm) besitzt.
36. Steuersystem nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß
die Hochfrequenzstromquelle einen im wesentlichen symmetrischen
Hochfrequenzstrom erzeugt.
37. Steuersystem nach Anspruch 30, gekennzeichnet durch Mittel
zur Erzeugung einer Gleichstromkomponente in der Lampe, welche
sichtbare Streifen im wesentlichen eliminiert.
38. Steuersystem nach Anspruch 30, gekennzeichnet durch Mittel
zur Erzeugung einer niederfrequenten Wechselstromkomponente in
der Lampe, welche sichtbare Streifen im wesentlichen elimi
niert.
39. Steuersystem nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ausgangsimpedanzcharakteristik größer als etwa 10 000 Ohm
ist.
4o. Steuersystem nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ausgangsimpedanzcharakteristik größer als etwa 35 000 Ohm
ist.
41. Verfahren, um das Auftreten von sichtbaren Streifen in ei
ner Gasentladungslampe im wesentlichen zu eliminieren, gekenn
zeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
- a) Zuführen eines Wechselstroms zu der Lampe zum Zünden und Aufrechterhalten einer elektrischen Entladung durch die Lampe hindurch und
- b) gleichzeitiges Zuführen einer Gleichstromkomponente zu der Lampe, wodurch eine zusammengesetzte Wellenform in der Lampe erzeugt wird, welche das Auftreten von sicht baren Streifen im wesentlichen eliminiert.
42. Verfahren und das Auftreten von sichtbaren Streifen in ei
ner Gasentladungslampe im wesentlichen zur Eliminierung, ge
kennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
- a) Zuführen einer Wechselstromkomponente mit einer ersten Frequenz zu der Lampe;
- b) gleichzeitiges Zuführen einer Wechselstromkomponente mit einer zweiten Frequenz zu der Lampe, wobei die zweite Frequenz wesentlich niedriger ist als die erste Fre quenz, wodurch eine zusammengesetzte Wellenform in der Lampe erzeugt wird, welche das Auftreten von sichtbaren Streifen im wesentlichen eliminiert.
43. Verfahren um das Auftreten von sichtbaren Streifen in ei
ner Gasentladungslampe im wesentlichen zu eliminieren, gekenn
zeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
- a) Erzeugen eines Wechselstroms mit einer ersten Frequenz;
- b) Erzeugen einer Wechselstromkomponente mit einer zweiten Frequenz, die wesentlich niedriger ist als die erste Frequenz;
- c) Zusammenfügen der beiden Wechselstromkomponenten mit der ersten und der zweiten Frequenz zu einem zusammengesetz ten Wechselstrom und
- d) Zuführen des zusammengesetzten Wechselstroms zur Gasent ladungslampe, um das Auftreten von sichtbaren Streifen im wesentlichen zu eliminieren.
44. Steuersystem zum Betrieb einer Gasentladungslampe bei
Lichtkegeln unterhalb von ca. 40% des Nennwertes der Lichtaus
gangsleistung, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampe einen
Querschnitt mit einem Durchmesser von weniger als ca. 7/8 Zoll
(1,22 cm) aufweist sowie eine Spannungs/Strom-Charakteristik,
welche mindestens einen Bereich mit negativem Widerstand be
sitzt und die Mittel zur Erzeugung eines Wechselstroms in der
Lampe aufweist, welche eine Ausgangsimpedanzcharakteristik be
sitzen, die größer als etwa 5000 Ohm ist.
45. Steuersystem nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, daß
der Wechselstrom ein Hochfrequenzstrom ist.
46. Steuersystem nach Anspruch 44, gekennzeichnet durch Induk
tormittel zur Erzeugung der Ausgangsimpedanzcharakteristik.
47. Steuersystem nach Anspruch 44, gekennzeichnet durch Kon
densatormittel zur Erzeugung der Ausgangsimpedanzcharakteri
stik.
48. Steuersystem nach Anspruch 44, gekennzeichnet durch
Schwingkreismittel zur Erzeugung der Ausgangsimpedanzcharak
teristik.
49. Steuersystem nach Anspruch 44, gekennzeichnet durch
Steuermittel für den Lampenstrom mit Stromrückkopplungsmitteln
zur Erzeugung der Ausgangsimpedanzcharakteristik.
50. Steuersystem zum Betrieb einer Gasentladungslampe bei
Lichtpegeln unter etwa 40% des Nennwertes der Lichtausgangs
leistung, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampe eine Span
nungs/Strom-Charakteristik aufweist, die mindestens einen Be
reich mit negativem Widerstand besitzt und das Mittel zur Er
zeugung eines im wesentlichen symmetrischen Wechselstroms in
der Lampe aufweist, welche eine Ausgangsimpedanzcharakteristik
besitzen, die größer als ca. 5000 Ohm ist.
51. Steuersystem nach Anspruch 50, dadurch gekennzeichnet, daß
der im wesentlichen symmetrische Wechselstrom eine hohe Fre
quenz besitzt.
52. Steuersystem nach Anspruch 50, gekennzeichnet durch Induk
tormittel zur Erzeugung der Ausgangsimpedanzcharakteristik.
53. Steuersystem nach Anspruch 50, gekennzeichnet durch Kon
densatormittel zur Erzeugung der Ausgangsimpedanzcharak
teristik.
54. Steuersystem nach Anspruch 50, gekennzeichnet durch
Schwingkreismittel zur Erzeugung der Ausgangsimpedanzcharak
teristik.
55. Steuersystem nach Anspruch 50, gekennzeichnet durch Steu
ermittel für den Lampenstrom mit Stromrückkopplungsmitteln zur
Erzeugung der Ausgangsimpedanzcharakteristik.
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