DE4407674A1 - Stromversorgungsschaltung für eine Entladungslampe, deren Verwendung und Verfahren zum Betrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungsschaltung für eine Entladungslampe mit einer Strombegrenzung und einer Zündvorrichtung, wobei die Zündvorrichtung der von Lampen-Elek­ troden gebildeten Entladungsstrecke der Lampe parallel geschaltet ist und einen steuerbaren elektronischen Schalter auf Halbleiterbasis aufweist, sowie die Verwendung einer solchen Stromversorgungsschaltung und ein Verfahren zum Betrieb einer Entladungslampe.

Aus der DE-PS 31 08 547 ist eine Zündschaltung für eine Hochdruckmetalldampfentladungs­ lampe bekannt, bei der Zündimpulse mit Hilfe einer symmetrisch schaltenden Vier-Schicht-Diode oder einem entsprechend gesteuerten Triac über einen Impulstransformator an die Elektroden der Entladungsstrecke der Entladungslampe weitergeleitet wird; in der Praxis sind derartige Schaltungsanordnungen nur für die Zündung von wechselspannungsbetriebenen Entladungs­ lampen anwendbar während sie für gleichspannungsbetriebene Entladungslampen wie Deuterium- bzw. Wasserstofflampen nicht geeignet sind.

Weiterhin ist aus der DE-PS 39 08 553 eine mit Deuterium- oder Wasserstoffgas gefüllte Ga­ sentladungslampe bekannt, aus deren Beschreibung alternative Verfahren zur Zündung von Gasentladungslampen bekannt sind. Als alternatives Verfahren sind dort beschrieben

• A) Zündung durch Anlegen einer Hochspannung von beispielsweise 350 Volt zwischen An­ ode und Kathode.
• B) Zündung durch Anlegen einer Hochspannung im Bereich von circa 250 Volt zwischen An­ ode und Kathode, wobei Anode und Lampengehäuse mittels eines hochomigen Wider­ standes miteinander verbunden sind. Solange kein Strom fließt, liegen Anode und Gehäuse auf gleichem Potential, so daß die Bogenlänge beim Zündvorgang verkürzt und die Zündspannung somit reduziert wird.
• C) Die Zündung der Lampe wird durch einen Triggerimpuls an das im Betrieb elektrisch iso­ lierte Lampengehäuse initialisiert, wobei ein elektrischer Überschlag zwischen Kathode und Gehäuse erzielt wird und Ladungsträger erzeugt werden, die dann einen Bogen zwi­ schen Anode und Kathode zünden; hierdurch reduziert sich die notwendige Zündspan­ nung auf einen Wert von ca. 100 Volt.

Weiterhin beschreibt die DE-PS 14 89 350 eine Gasentladungslampe mit einer Gasfüllung aus Deuterium- oder Wasserstoffgas, die eine Vorrichtung zur Ausgestaltung des unter (B) genann­ ten Verfahrens angibt. Weiterhin sind in dieser Patentschrift Zündverfahren durch Erwärmung eines Bi-Metallstreifens bekannt, der im kalten Zustand zwischen der Anode und dem die An­ ode umgebenden Gehäuse elektrisch kontaktierend anliegt und bei Stromdurchfluß mittels Vo­ rionisierung und Glimmentladung von dem Gehäuse abhebt, woraufhin die Gasentladungslam­ pe gezündet wird; als problematisch erweist sich bei solchen Gasentladungslampen die verhält­ nismäßig starke Erwärmung der im Kolben befindlichen Gasfüllung, wobei insbesondere bei kleineren Blenden, beispielsweise bei Blenden mit einem Durchmesser von weniger als 0,5 mm die Zündung von Deuteriumlampen stark erschwert wird; darüberhinaus ist eine erneute Zün­ dung einer bereits vorgewärmten Gasentladungslampe außerordentlich erschwert.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Entladungslampe, insbesondere eine Wasserstoff- bzw. Deuteriumentladungslampe mit heizbarer Elektrode mit hoher Zuverlässig­ keit unter geringer Wärmeentwicklung nach dem Beginn der Aufheizphase zu zünden; dabei sollen auch Deuterium- oder Wasserstoffentladungslampen mit einem Blendendurchmesser kleiner als 0,5 mm mit hoher Sicherheit gezündet werden. Weiterhin soll die erneute Zündung bereits vorgewärmter Deuterium- oder Wasserstofflampen mit hoher Zuverlässigkeit erreichbar sein.

Außer einer Stromversorgungsschaltung für Entladungslampen soll auch deren Verwendung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Entladungslampe angegeben werden.

Die Aufgabe wird vorrichtungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Stromversorgungsschaltung sind in den Ansprüchen 2 bis 5 angegeben.

Die Verwendung einer Stromversorgungsschaltung erfolgt gemäß Anspruch 6 bei einer Deuterium- und Wasserstoffentladungslampe.

Die Aufgabe wird verfahrensgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 7 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 8 bis 10 angegeben.

Als vorteilhaft erweist sich beim Gegenstand der Erfindung die Möglichkeit einer exakten zeitli­ chen Vorgabe der Zündung, wobei durch exakte zeitliche Definition der Überlappungsphase von Heiz- und Zündphase ein Zündvorgang mit hoher Präzision auch für Deuteriumlampen mit einer Blende im Bereich von 0,3 bis 0,5 mm und kleiner sichergestellt ist; weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, daß die Lampe auch im Heißzustand mit hoher Sicherheit wiedergezündet werden kann und daß auch bei Exemplarstreuungen in vorgegebenen Fertigungstoleranzen ei­ ne zuverlässige Zündung möglich ist.

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, daß die Vorgabe von Heiz- und Zündphase durch digi­ tale Ansteuerung mittels Mikroprozessor möglich ist, wobei die zeitliche Vorgabe von Heiz- und Zündphase aus einem Festwertspeicher abrufbar ist, so daß kostengünstige und zuverlässige Bauelemente für den exakten zeitlichen Ablauf zur Verfügung stehen.

Im vorgenannten ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Stromversorgungsschaltung für eine Deuteriumlampe;

Fig. 2 zeigt ein Zeitdiagramm für Heiz- und Zündphase der Deuteriumlampe.

Gemäß Fig. 1 weist die Deuteriumlampe 1 in ihrem Lampenkolben zwei schematisch darge­ stellte Elektroden 2, 3 auf, von denen Elektrode 2 als Anode dient, während Elektrode 3 als Glühelektrode ausgebildet ist und als Kathode dient; ein Ende der Wendel der Kathode 3 ist mit der Masse 4 verbunden, während das andere Ende der Wendel mit Anschluß 5 der Stromver­ sorgungsschaltung 6 verbunden ist; die als Anode dienende Elektrode 2 ist über Anschluß 8 mit der Stromversorgungsschaltung 6 verbunden. Da es sich hier um eine schematische Darstel­ lung des Lampenaufbaus handelt, wird zum besseren Verständnis der konstruktiven Ausgestal­ tung einer solchen Lampe auf die bereits eingangs erwähnte DE-PS 39 08 553 verwiesen.

Die Stromversorgungsschaltung 6 enthält eine Konstantstromquelle als Gleichstromquelle 10, eine Reihenschaltung von Zündspannungsgenerator 12, Vorwiderstand 13 und elektronischem Schalter 14, welche in Reihe mit der von den Elektroden 2 und 3 gebildeten Entladungsstrecke der Lampe 1 verbunden sind; zwischen Ausgang 16 des Zündspannungsgenerators 12 und Vorwiderstand 13 ist parallel zum Ausgang 16 ein Kondensator 17 geschaltet, der mit einer Elektrodenplatte auf Massepotential 4, d. h. auf dem Potential der Kathode 3 liegt.

Der elektronische Schalter 14 ist als Optotriac ausgebildet, wobei die zwischen den Anschlüs­ sen 18 und 19 liegende Schaltstrecke mit Hilfe eines Steuersignals betätigt wird, welches über die Steueranschlüsse 20, 21 dem Steuereingang des elektronischen Schalters 14 zugeführt wird; dabei wird das Steuersignal innerhalb des Schalters 14 mittels Photodiode 29 optisch auf die im Strahlungsbereich liegende Vierschichtdiode nach dem Optokoppler-Prinzip übertragen, so daß eine Potentialtrennung zwischen Steuersignal und Schaltimpuls erzielt wird. Die An­ steuerung des Schalters 14 erfolgt über die Anschlußkontakte 22, 23 der Stromversorgungsschaltung 6. Die Stromversorgung des Zündspannungsgenerators 12 erfolgt über Anschlußkontakt 25, während das Ein-Ausschaltsignal für den Zündspannungsgenerator über Anschlußkontakt 26 zugeführt wird. Die Stromversorgung der Heizwicklung der Elektrode 3 erfolgt über Anschlußkontakt 27 der Stromversorgungsschaltung 6 durch eine externe, eben­ falls steuerbare Versorgungseinheit.

Die Funktionsweise der Schaltungsvorrichtung gemäß Fig. 1 wird nachfolgend unter Zuhilfe­ nahme der Zeitdiagramme gemäß Fig. 2 näher erläutert.

Gemäß Fig. 2 zeigt Diagramm A den als Aufheizphase H bezeichneten zeitlichen Verlauf der Elektrodenheizung über Anschluß 27 gemäß Fig. 1, Diagramm B den als Zündphase Z be­ zeichneten Ansteuerimpuls über die Anschlüsse 22, 23 gemäß Fig. 1 und Diagramm C die Überlappungsphase U der Aufheizphase H gemäß A und der Zündphase Z gemäß B über der Zeit t. Weiterhin ist beispielhaft ein breiter Überlappungsimpuls U′ in Diagramm D dargestellt, wie er sich aus einer zum Zeitpunkt t₂′ beginnenden Zündphase Z′ gemäß der gestrichelten Dar­ stellung des Diagramms B ergibt; das Ende beider Zündphasen Z und Z′ ist der Zeitpunkt t₄.

Gemäß Diagramm A und Fig. 1 beginnt die Aufheizphase H durch Ansteuerung der externen Versorgungseinheit und den über Anschluß 27 fließenden Heizstrom zur Vorheizung der Elek­ trode 3. Nach Ablauf einer vorgegebenen Vorheizzeit wird gemäß Diagramm B zum Zeitpunkt t₂ eine Zündphase Z über die Anschlußklemmen 22, 23 an die Steuereingänge 20, 21 des als Op­ totriac ausgebildeten Schalters 14 geleitet, welches durch Bestrahlung des aus Photodiode 29 abgegebenen Lichtimpulses die Steuerbasis des Triacs 30 nach dem Optokopplerprinzip bestrahlt, so daß die Schalterstrecke zwischen den Anschlüssen 18, 19 des Schalters 14 durchgeschaltet wird und der vom Zündspannungsgenerator 12 aufgeladene Kondensator 17 sich über Vorwiderstand 13 die Anschlußstrecke 18, 19 des Schalters über die Elektroden 2 und 3 zur Masse 4 hin entlädt. Die in Diagramm B dargestellte Zündphase Z ist schematisch als Rechteckimpuls dargestellt, wobei sich der eigentliche Kurvenverlauf dieses Impulses aus der Zeitkonstante von Kondensator 17 und Vorwiderstand 13 ergibt. Die Zeit der eigentlichen Über­ lappungsphase von Zündphase Z und Heizphase H ist dem Diagramm C zu entnehmen, wobei der Überlappungsimpuls U zum Zeitpunkt t₂ beginnt, wobei sich seine Impulsdauer über die Zeit erstreckt, in der sich die Aufheizphase H und die Zündphase Z jeweils mit dem symbolischen Wert 1 überlagern; bei Abfall eines der beiden als Aufheizphase und Zündphase bezeichneten Impulse wird der Überlappungsimpuls gemäß Diagramm C wiederum auf 0 gesetzt, womit der eigentliche Zündvorgang hier im Beispiel zum Zeitpunkt t₃, dem Ende der Aufheizphase H ab­ geschlossen ist, auch wenn sich die Zündphase Z noch bis zum späteren Zeitpunkt t₄ erstreckt.

Je nach Ausgestaltung von Kondensator und Vorwiderstand und Ansteuerungsbeginn ist es auch möglich, die Zündphase Z′ gemäß Diagramm B früher zu starten, so daß die eigentliche Überlappungsphase gemäß Diagramm D bereits im Zeitpunkt t₂ beginnt und ebenfalls mit dem Ende der Aufheizphase H gemäß Diagramm A zum Zeitpunkt t₃ endet.

Als besonders vorteilhaft erweist es sich, daß mittels eines digitalen Rechner- und Speichersy­ stems die zeitliche Folge des Funktionsablaufes von Aufheizphase H und Zündphase Z vorpro­ grammiert ist und in einer optimierten Reihenfolge abgerufen werden kann; dabei sind die Wer­ te für die Zeitpunkte t₁, t₂, t₃ und t₄ in einem Festwertspeicher vorgegeben und werden durch den Betrieb eines Mikroprozessors nacheinander zwecks Ansteuerung über die Eingänge 27, 26, 22 und 23 abgerufen.

Claims (10)

1. Stromversorgungsschaltung für eine Entladungslampe mit einer Strombegrenzung und einer Zündvorrichtung, wobei die Zündvorrichtung der von Lampen-Elektroden gebildeten Entladungsstrecke der Lampe parallel geschaltet ist und einen steuerbaren elektroni­ schen Schalter auf Halbleiterbasis aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektro­ den (2, 3) der Entladungsstrecke der Lampe (1) mit einer Gleichstromquelle (10) verbun­ den sind und die Zündvorrichtung aus der Reihenschaltung eines Zündspannungsgenera­ tors (12), eines Vorwiderstandes (13) und der Schaltstrecke des elektronischen Schalters (14) und der Entladungsstrecke besteht, wobei dem mit dem Vorwiderstand (13) verbundenen Ausgang (16) des Zündspannungsgenerators ein Kondensator (17) parallel geschaltet ist und daß der elektronische Schalter (14) über ei­ nen Eingang (20, 21) ansteuerbar ist.

2. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der steuer­ bare Schalter (14) als Optokoppler ausgebildet ist.

3. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuereingang (20, 21) des elektronischen Schalters (14) mit einem Zündimpulsgenerator verbunden ist.

4. Stromversorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromquelle (10) als Konstantstromquelle ausgebildet ist.

5. Stromversorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie über Eingang (27) an eine steuerbare Vorrichtung zur Erzeugung eines Heiz­ stromes angeschlossen ist, die über Ausgang (5) mit einer als Glühelektrode ausgebilde­ ten Elektrode (3) der Entladungslampe (1) verbunden ist.

6. Verwendung der Stromversorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, für eine Deuterium- oder Wasserstofflampe.

7. Verfahren zum Betrieb einer als Wasserstoff- oder Deuteriumlampe ausgebildeten Entla­ dungslampe, welche nach Beginn der Aufheizphase einer als Kathode dienenden Glühe­ lektrode entlang ihrer Entladungsstrecke mit einer Zündphase beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach Beginn der Aufheizphase ein elektronischer Schalter so ange­ steuert wird, daß sich über einen vorgegebenen Zeitraum eine zeitliche Überlappung der Aufheizphase und der Zündphase des elektronischen Schalters der Zündvorrichtung ergibt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Phase der zeitlichen Über­ lappung von Aufheizphase und Zündphase wenigstens im Bereich von 5 bis 50% der Dauer der Zündphase liegt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Überlappung im Bereich von 500 µs bis 100 ms liegt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitu­ de der Zündspannung im Bereich von 200 bis 1000 V liegt.