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FACHGEBIET
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Die Erfindung betrifft die Zündung mehrerer Hochenergie-Bogenlampen,
die in einer Reihenkonfiguration verbunden sind, und die sequentielle
Zündung
der oben genannten Bogenlampen jeweils zu einer Zeit, während eine
bekannte, vorgegebene maximale Spannung auf mindestens einer Seite
jeder der Bogenlampen während
der Zündung
beibehalten wird, wobei eine dielektrische Isolierung auf der Hochspannungsseite
eine Miniaturisierung der Hochspannungsschaltungsanordnung ermöglicht.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Bei bestimmten spezifischen Anwendungen ist
es erwünscht,
Bogenlampen mit einem kurzen Bogenabstand in Reihe zu betreiben,
da der Spannungsabfall solcher Lampen relativ niedrig ist (15– 18 Volt).
Das einzelne (d. h. parallel geschaltete) Betreiben mehrerer Bogenlampen
führt zu
einem uneffizienten hohen Stromdurchgang durch die Lampen aufgrund
eines erhöhten
Schaltverlusts der zugeordneten Stromflußschaltungsanordnung, was mit
der Modulation der Lampen in einem Hochstrommodus zusammenhängt. Durch
Reihenschaltung der Bogenlampen liegt eine niedrige Spannung an
der Stromflußschaltungsanordnung
an, so daß die
VI-Verluste und die I2R-Verluste, die mit
Stromflußschaltungen verbunden
sind, reduziert werden. Eine verbesserte Effizienz ist von größter Bedeutung,
wenn Bogenlampen mit Hochstrompegeln moduliert werden (zum Beispiel
400 A Spitzenstrom und Einschaltzyklen von annähernd 50%).
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Das Betreiben von Bogenlampen in
einer Reihenkonfiguration kann jedoch einen untragbaren Zustand
während
der Zündung
der Bogenlampen mit sich bringen, wenn eine Anzahl von Bogenlampen
in Reihe geschaltet ist. Die Zündspannung
für typische Bogenlampen
liegt in der Größenordnung
von 11000 Volt. Um eine Reihenschaltung von Bogenlampen zu zünden, wären daher
Spannungen von 22000 Volt für zwei
in Reihe geschaltete Lampen, von 33000 Volt für drei in Reihe geschaltete
Lampen usw. erforderlich. In Anwendungen, die bestimmten, in großer Höhe in der
Luft befindlichen Infrarotstöreinrichtungen
gemeinsam sind, haben sich Spannungen, die größer sind als 2300 Volt in Höhenlagen,
aufgrund der notwendigen Spannungsabstandsentfernungen, die erforderlich
sind, damit die Umgebungsluft einen Lichtbogenüberschlag zu der Struktur des
Störsystems
verhindert, als untragbar erwiesen. Eine Reihenzündung mehrerer Lampen, die
22000 Volt, 33000 Volt usw. erfordert, ist unerschwinglich teuer aufgrund
der ausgedehnten dielektrischen Isolierung, die in der mechanischen
Anordnung der in der Luft befindlichen Struktur erforderlich ist.
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Die grundsätzliche Schaltungsstruktur
gemäß der vorliegenden
Erfindung weist Modifikationen und Verbesserungen der in gemeinsamen
Eigentum befindlichen Schaltung auf, die in Patent US-A-5 495 150 von Zawislak
et al., 27. Februar 1996, offenbart ist. Was die Unterschiede und
Unterscheidungsmerkmale betrifft, so verwendete Zawislak weder Spannungsbegrenzungsvorrichtungen,
noch Anodendielektrikum, noch Mehrfachlampenzustandsmessung zur
individuellen Steuerung der dazwischenliegenden Simmerstromregler.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Aufgaben der vorliegenden Erfindung
sind unter anderem die Bereitstellung von:
in Reihe geschalteten
Bogenlampen, die auf einfache Weise unter Verwendung relativ niedriger
Spannung gezündet
werden,
- – eine
Topologie, die unabhängig
von einer Zeitkonstantensteuerung der Zündungsschaltungsanordnung zur
Zündung
von in Reihe geschalteten Lampen ist;
- – einer
Einrichtung zum Messen des Zustands der Lampen (zum Beispiel ein
und leitend oder aus und zündbedürftig),
- – ein
Verfahren zur Spannungsbegrenzung eines Endes der Bogenlampe, des
emittierenden Endes, auf einem Niedrigspannungspegel, um einen Lichtbogenüberschlag
außerhalb
der Bogenlampe zu irgendeiner Umgebungsstruktur zu vermeiden, und
- – eine
Einrichtung zum Kapseln des Hochspannungsendes der Bogenlampe, um
einen Lichtbogenüberschlag
außerhalb
der Bogenlampe zu irgendeiner Umgebungsstruktur zu vermeiden.
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zum Zünden
und Leuchtenlassen einer Vielzahl von Bogenlampen, die in Reihe
geschaltet sind, nach Anspruch 1, und ein Verfahren zum Zünden und
Leuchtenlassen einer Reihe von Bogenlampen, nach Anspruch 12.
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In der vorliegenden Erfindung werden
eine Anzahl von Bogenlampen in Reihe geschaltet und von einer einzelnen
Hochspannungsstromversorgung mit Hilfe einer Entladung eines geladenen
Kondensators über
eine Funkenstrecke gezündet,
und nachdem die Plasmalichtbögen
der Bogenlampen stabilisiert worden sind, werden sie (ionisiert)
mit sehr hohem Strom in Reihe moduliert, um ein Hochenergie-Leuchten
zu bewvken.
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Da ferner gemäß der Erfindung jede Lampe gezündet wird,
wird ein geregelter Niedrigpegelstrom in jeder Bogenlampe beibehalten,
in Erwartung der Hochstromionisierung (Leuchten) der in Verwendung befindlichen
Bogenlampen mittels eines Hochstrommodulators, der eine Impuls-Hochstromionisierung an
die gesamte Reihe von Bogenlampen insgesamt liefert.
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In der vorliegenden Erfindung erfolgt
eine aufeinanderfolgende erfolgreiche Zündung der einzelnen Bogenlampen
durch die tatsächliche
mechanische und elektrische Konfiguration der Lampen. Die erste
Bogenlampe in der Reihenanordnung (die Lampe, die der Lampenstromversorgung
in der Schaltung am nächsten
ist) muß zuerst
gezündet werden,
damit die Spannung an die zweite Bogenlampe in der Reihenanordnung
angelegt werden kann. Die zweite Bogenlampe muß gezündet werden, bevor die Spannung
an die dritten Lampe in der Anordnung angelegt werden kann usw.
Durch Ausnutzung der mechanischen und elektrischen Konfiguration
der Lampe zur sequentiellen Zündung
können schnellere
Zeitkonstanten zur Zündung
gewählt
werden (wenn beispielsweise eine Lampe erlischt, ist die Zeitkonstante
bis zur Neuzündung
nicht künstlich lang,
in Erwartung der Abfolge aller vorherigen Bogenlampen in der Reihenanordnung).
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird nach erfolgreicher Zündung
jeder Bogenlampe jede Bogenlampe durch einen Simmerstromregler in
dem gezündeten
Zustand gehalten, während
die anderen Bogenlampen gezündet
werden. Da jede einzelne Bogenlampe gezündet wird, wird der Lichtbogen
in der einzelnen Lampe durch den entsprechenden Simmerstromregler
gehalten, bis die nächste
sequentielle Lampe in der Reihenanordnung gezündet wird. Nachdem die nächste Lampe
gezündet
worden ist, beginnt der Simmerstromregler, der dieser neu gezündeten Lampe
entspricht, den Simmerstrom in der neu gezündeten Bogenlampe und allen
vorher gezündeten
Bogenlampen, die der neu gezündeten Bogenlampe
in der Reihenanordnung vorausgehen, zu halten, und der/die Simmerstromregler,
der bzw. die der/den vorherigen Bogenlampe(n) in der Reihe entspricht/entsprechen,
wird ausgeschaltet.
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Diese Methode reduziert die Gesamtverlustleistung
in der Schaltungsanordnung. Nur der notwendige minimale Bogenstrom
wird in den Reihenlampen als Simmerstrom beibehalten, unter der Steuerung
eines einzigen Simmerstromreglers, so daß keine Leistungsverlustprobleme
im Falle eines Langzeit-Zündausfallfolgen
in den in Reihe geschalteten Lampen auftritt. Der Zustand jeder
Lampe (zum Beispiel ein und leitend oder aus und zündbedürftig) wird
von einer Erfassungsschaltung gemessen, die den Spannungsabfall
an jeder Bogenlampe mit einer Referenzspannung vergleicht, um zu
bestimmen, ob der Lampendifferenzspannungspegel den Lampenzustand
als einen Zustand "Lampe
ein" oder "Lampe aus" definiert. Der gegenwärtige Zustand,
der für jede
Lampe bestimmt wird, wird verwendet um die Abfolge der Simmerstromregler
zu steuern und außerdem
die Zündstromversorgung
zu sperren, wenn alle Bogenlampen in der Reilenanordnung erfolgreich
gezündet
worden sind.
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Gemäß der Erfindung wird die Hochspannung,
die verwendet wird, um jede der Lampen zu zünden, differentiell an jede
der Lampen angelegt. Die Kathode, oder das energieemittierende Ende
der Lampe, ist durch eine MOV- oder andere geeignete Spannungsbegrenzungsvorrichtung,
die bewirkt, daß die
gesamte Hochspannung am Anodenende jeder der Lampen anliegt, auf
einen Niedrigspannungspegel spannungsbegrenzt. Die Hochspannung
wird dann unter Verwendung einer Sättigungsdrosselspule ferngehalten,
die geeignet ist, den Hochspannungszündimpuls für die erforderlichen Volt-Sekunden
ferngehalten, um den Lichtbogen in der Bogenlampe zu zünden. Der
Hochspannungszündimpuls ist
somit einzig am Anoden/Sättigungdrosselpulenknoten
eingefangen, und dadurch, daß dieser
einzige Knoten in einem entsprechenden Dielektrikum enthalten ist,
können
sehr enge und kleine mechanische Zwischenräume für das Dielektrikum verwendet
werden, das die Bogenlampen umgibt. Diese Methode erlaubt eine beträchtliche
Reduzierung der Größe für in großer Höhe in der
Luft befindliche Infrarotstöreinrichtungen.
Die Sättigungsdrosselspulen
sind so ausgeführt,
daß sie
es ermöglichen,
daß sie
den Hochspannungsimpuls während
der Zündung
fernhalten, wobei der Lichtbogen in der Bogenlampe erzwungen wird,
während
bei Simmerstrompegeln eine Sättigung
erfolgt, so daß sie
bis zur Hochstrommodulationsschaltungsanordnung transparent werden,
die verwendet wird, um die Lampen leuchten zu lassen.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Zündung von
in Reihe geschalteten Bogenlampen, die nur die Spannung verwenden,
die notwendig ist, um eine einzelne Bogenlampe zu zünden, indem
ein Ende jeder der Bogenlampen auf eine bekannte niedrige Spannung
spannungsbegrenzt wird und das Hochspannungsende in einem entsprechenden
Dielektrikum eingefangen wird, um eine Miniaturisierung der mechanischen
Anordnungen einer in großer Höhe in der
Luft befindlichen Infrarotstöreinrichtung zu
ermöglichen.
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Weitere Aufgaben und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden unter Berücksichtigung der Zeichnungen
und der nachstehenden Beschreibung derselben deutlich.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein vereinfachtes schematisches Blockschaltbild, das die Schaltung
für eine
sequentielle, unsymmetrische Bogenlampenzündung, bei der der Zustand
jeder Bogenlampe erfaßt
wird und der Bogenstrom in den Bogenlampen gehalten wird, und für ein Hochstrom-Leuchten
darstellt. Die Beispielschaltung, die hier dargestellt ist, stellt
zur Vereinfachung des Beispiels nur drei Bogenlampen in der Reihenanordnung
dar.
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2 zeigt
die Hochspannungsisoliertechnik, die eine Miniaturisierung der mechanischen
Bogenlampenanordnungen ermöglicht.
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3 ist
ein vereinfachtes schematisches Blockschaltbild des Hochstrommodulators.
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4 zeigt
die Wellenform-Zeit-Beziehung der Elemente in 3.
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BESTE MÖGLICHKEIT
ZUR AUSFÜHRUNG
DER ERFINDUNG
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Mit Bezug auf 1 ist eine Vielzahl von Bogenlampen 6–8 (3
Lampen sind in diesem Beispiel dargestellt), die jeweils ihrer entsprechenden
Zündschaltungsanordnung 9–11 zugeordnet
sind, so verbunden, daß die
Bogenlampen zwischen einer Lampenstromversorgung 12 und
einem Hochstrommodulator 13 in Reihe geschaltet sind.
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Jede der Zündschaltungsanordnungen 9–11 ist
mit den anderen identisch. Zwischen der Lampenstromversorgung 12 und
dem Hochstrommodulator 13 ist jede Bogenlampe 6–8 an
ihrem Anoden-(+)-Anschluß mit einer
Drosselspule 16 verbunden und an ihrem Kathoden- oder (–)-Anschluß mit einem
Spannungsbegrenzungsbauelement 17 (zum Beispiel einem MOV,
Metalloxidvaristor oder einem anderen geeigneten Bauelement) und
einem Simmerstromregler 29–31 verbunden. Ein
Ladenetzwerk 21 ist an jede der Bogenlampen 6–8 angeschlossen.
Jedes Ladenetzwerk weist einen Ladekondensator 22 auf, der über ein
Paar hochohmige Widerstände 23, 24 (mit
möglichen
Widerstandswerten in der Größenordnung
von 3 Megaohm) an den Ausgang einer Hochvolt-Zündgleichstromversorgung 25 angeschlossen ist.
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Die Bogenlampenzündstromversorgung 25 kann
mit Hilfe eines Sperrwandlers 33 gebildet werden, der beispielsweise
mit einem geregelten Eingangsstrom von 220 bis 310 Volt, vorzugsweise
+225 Volt versorgt wird. Wenn der Sperrwandler 33 durch ein
Zündfreigabesignal
auf einer Leitung 34 freigegeben wird, legt er einen Gleichstrom
an die Primärspule
eines Aufwärtstransformators 35 an,
dessen Sekundärspule
eine sehr hohe Wechselspannung an einen Gleichrichter 36 liefert,
der die Zündspannung
in der Größenordnung
von 11000 Volt in diesem Beispiel erzeugt.
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Während
des Zündvorgangs
legt die Zündstromversorgung 25 die
11000 Volt an die Ladenetzwerke 21 an. Wenn jeder Ladekondensator 22 eine Ladung
nahezu dieses Betrages erreicht, ermöglicht es eine Funkenstrecke 26 in
jedem der Ladenetzwerke, daß der
betreffende Kondensator 22 sich über die zugeordnete Bogenlampe 6–8 entlädt.
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In der gegenwärtigen Topologie ist keine
Ablaufsteuerung der Zündschaltungsanordnung
durch die Steuerung der RC-Ladezeitkonstanten der Ladenetzwerke 21 notwendig,
denn die Schaltungstopologie liefert eine ihr eigene Ablaufsteuerung
der erfolgreichen (gleichbleibenden) Zündung, das heißt, die erste
Bogenlampe 6 in der Reihenanordnung muß zünden und bleibt gezündet, um
eine Brennspannung an die zweite Bogenlampe 7 in der Anordnung zur
erfolgreichen Zündung
zu liefern, die wiederum zündet
und gezündet
bleibt, um eine Brennspannung an die dritte Bogenlampe 8 in
der Anordnung für
eine erfolgreiche Zündung
zu liefern. Da ein unabhängiger Betrteb
möglich
ist, kann eine unabhängige
und schnellere Ladezeitkonstante festgelegt werden, um eine schnellere
Neuzündung
der folgenden Lampen zu ermöglichen,
falls eine der Lampen erlischt. Wenn jede der Bogenlampen 6–8 erfolgreich
zündet,
wird ein minimaler Lichtbogen-(Simmer-)Strom in der Bogenlampe durch
einen entsprechenden Simmerstromregler 29–31 gehalten,
der mit dem Kathodenanschluß jeder
Bogenlampe 6–8 verbunden
ist, bis die nächste
sequentielle Bogenlampe in der Reihenanordnung gezündet wird.
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Wenn der Simmerstromregler 30, 31 einer folgenden
Lampe 7, 8 in der Reihenanordnung eingerichtet
ist, kann dieser Simmerstromregler den Simmerstrom in allen vorhergehenden
Bogenlampen 6, 7 in der Reihenanordnung steuern.
Der Simmerstromregler 29, 30, der jeder der vorhergehenden
Bogenlampen 6, 7 in der Reihenanordnung entspricht,
ist für
diese vorhergehende Lampe in der Reihenanordnung nicht mehr notwendig.
Um die Effizienz zu erhöhen,
werden die vorhergehenden Simmerstromregler 29, 30 ausgeschaltet
(das heißt,
wenn die zweite Bogenlampe 7 in der Reihe erfolgreich zündet und durch
ihren entsprechenden Simmerstromregler 30 in den Simmerstrommodus übergegangen
ist, erkennt die Erfassungsschaltung 53, daß die zweite Lampe 7 gezündet ist
und im Simmerstromzustand ist und unterbricht den Simmerstromregler 29 für die erste
Bogenlampe 6 in der Reihe). Diese Ablaufsteuerung des Einschaltens
nachfolgender Simmerstromregler 30, 31 zusammen
mit der erfolgreichen Zündung
der entsprechenden Bogenlampen 7, 8, und des anschließenden Ausschaltens
aller vorhergehenden Simmerstromregler 29, 30 setzt
sich im gesamten Zündablauf
fort, bis nur noch der letzte Simmerstromregler 31 in der
Reihenanordnung eingeschaltet ist und den Simmerstrom in allen Bogenlampen 6–8 in
der Reihenanordnung steuert.
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Nach erfolgreicher Zündung jeder
der Bogenlampen 6–8 setzt
das entsprechende Ladenetzwerk 21 die Wiederaufladung und
nachfolgende Entladung durch die oben erwähnte Bogenlampe fort, obwohl,
wenn der Simmerstrom einmal eingerichtet ist, diese Zündimpulse
keine Konsequenz für
diese Lampe haben, mit der Ausnahme möglicher Übergangsspannungen, die an
der Bogenlampe verbleiben. Dieser Wiederauflade/Entladeryklus der
Zündimpulse
setzt sich fort, bis alle Bogenlampen 6–8 in der Reihenanordnung
erfolgreich gezündet
sind und der Simmerstrom vom letzten Simmerstromregler in der Reihenanordnung
gesteuert wird, wobei dann die Zündspannung
von 11000 Volt gesperrt und von den Ladenetzwerken 21 ferngehalten
wird.
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Der Schutz der Simmerstromregler
und die Vermeidung von Hochspannungsüberschlägen zu irgendeiner der Umgebungsstrukturen
der Bogenlampen 6–8 wird
durch geeignete Spannungsbegrenzungsbauelemente 17 erreicht
(zum Beispiel durch MOVs oder Transorbs). Das Spannungsbegrenzungsbauelement 17 begrenzt
jedes der emittierenden Enden der Bogenlampe (d. h. die Kathoden)
auf eine bekannte Spannung, die größer ist als die Lampenstromversorgungsspannung 39 (die
Lampenstromversorgung könnte
beispielsweise 225 Volt sein), die jedoch kleiner ist als die Nennspannung
der Simmerstromreglerschaltungsanordnung 29–31 und die
Anforderungen für
den Spannungsabstand von den Bogenlampenkathoden zu irgendeiner
Umgebungsstruktur (dieser Spannungsbegrenzungspegel könnte beispielsweise
450–1000
Volt sein). Die Spannungsbegrenzungsvorrichtungen sind notwendig,
da während
der Zündung
der Bogenlampen 6–8 die
Zündimpulse
erst beendet werden, wenn die letzte Bogenlampe 8 gezündet ist.
Vor der Zündung
der letzten Bogenlampe 8 in der Reihenanordnung sind die
vorhergehenden Simmerstromregler 29, 30 keine virtuelle
Masse mehr und würden
daher keine Hochspannungsstöße von den
entsprechenden Zündschaltungen 9, 10 in
den Kathodenanschlußleitungen 58, 59 der
vorherigen Bogenlampen verhindern. Dies würde zu einem katastrophalen
Fehler in der Schaltungsanordnung in diesen Leitungen 58, 59 führen. Die
Verhinderung dieses Ereignisses wird durch die Spannungsbegrenzungsbauelemente 17 erreicht.
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Die unsymmetrische Zündung, das
heißt, wenn
die Spannung der Anode jeder der Bogenlampen 6–8 auf
einer positiven Spannung in bezug auf ihre Kathode gehalten wird
und die Kathode jeder der Bogenlampen 6–8 auf einer spezifischen
maximalen Spannung gehalten wird, wird durch die Verwendung des
Spannungsbegrenzungsbauelements 17 (zum Beispiel ein MOV)
garantiert. Das Spannungsbegrenzungsbauelement 17 begrenzt
die Kathode der Bogenlampe 6–8 auf einen vorbestimmten
Wert, der niedrig genug ist, um einen Lichtbogenüberschlag zur Umgebungsstruktur
m vermeiden, und läßt die Anode
auf 11000 Volt über
der Spannung der Begrenzungsvorrichtung hochschießen.
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Die Wechselstromtrennung zwischen
den Reihenzündschaltungen 9–11 erfolgt
durch die Drosselspulen 16, die mit jeder Anode ihrer entsprechenden
Bogenlampe 6–8 verbunden
sind. Die Drosselspulen 16 sind mit einem Rechteckschleifenmaterial für den Kern
konstruiert und sind daher so ausgeführt, daß sie das notwendige Spannungs-Sekunden-Produkt
des Hochspannungsimpulses fernhalten, das notwendig ist, um die
Bogenlampen 6–8 zu zünden, und
daß sie
sich dann sättigen,
um dem System eine niedrige Induktivität zu bieten.
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Die Hochspannungsisolierung der Anode
jeder der Bogenlampen 6–8 in bezug auf ihre
Kathode und andere umgebende nichtisolierende Flächen (Metallrahmen an Masse
usw.) wird ermöglicht,
indem ein Dielektrikum 18 an jeder Lampenanode und an jedem
Isolierkörper
angeordnet wird, wie in 2 gezeigt.
Dieses Dielektrikum 18 muß bei hoher Temperatur (annähernd 150°C) eine Isolierfähigkeit
haben und muß sich
ausreichend fest mit den Oberflächen
verbinden, um die Isolierung während
des Temperaturryklus aufrecht zu erhalten. Die dielektrische Isolierung
kann entweder ein Elastomermaterial, das bei Temperaturabweichungen
mit den Abmessungsänderungen übereinstimmt,
oder ein dielektrisches Isoliermaterial sein, das dem Koeffizienten
der Wärmeausdehnungen
des Materials der Lampenanode 226 und dem Körpermaterial
genau entspricht. Die Abmessung d1 muß geeignet sein, einen Hochspannungsdurchschlag
entlang der Grenzfläche
zwischen dem Dielektrikum und dem Lampenkörper 230 zu verhindern.
Diese beträgt
bei 11000 Volt (1000 Volt/mm (25 Volt/mil)) normalerweise 11 mm
(0,44 Zoll). Die Abmessung d2 muß geeignet sein, einen Lichtbogenüberschlag
durch das Dielektriktun zu verhindern. Dies ist ein elektrischer
Belastungspegel, der normalerweise 20% des Kwzzeitdurchschlagpegels
beträgt.
Bei dem entsprechenden repräsentativen
Probestück
sind die Hochspannungsverbindungen zum oberen Teil der Lampenanode 226 auch
mit einer geleimten oder druckverschlossenen Anordnung 260 von
Hochspannungsdurchführungen
und einem druckdichten (zum Beispiel O-Ring-)Verschluß 250 isoliert.
Die Hochspannungsdrahtverbindungen sind nur der Vollständigkeit
halber dargestellt und gelten nicht als Teil der Erfindung.
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Die Messung des Zustands jeder der
Bogenlampen 6–8 (ob
die Lampe eingeschaltet und leitend oder ausgeschaltet und zündbedürftig ist),
was für
die entsprechende Ablaufsteuerung der entsprechenden Simmerstromregler 29–31 notwendig
ist, wird mit der/den Erfassungsschaltungen) 53–54 durchgeführt, die
die geeignete Reduzierung des Spannungsabfalls an jeder Lampe 6–8 nach
erfolgreicher Zündung
erfassen. Vor der Zündung
jeder der Bogenlampen 6–8 ist jeder entsprechende
Simmerstromregler 29–31 eine
virtuelle Masse, deshalb erscheint die volle Lampenstromversorgungsspannung in
der Leitung 39 zuerst an der ersten Bogenlampe 6 in
der Reihenanordnung. Eine Leitung 39, die mit dem Ausgang
der Lampenstromversorgung 12 verbunden ist, und eine Leitung 58,
die mit dem Kathodenanschluß der
ersten Bogenlampe 6 in der Reihe verbunden ist, führen zu
einem Differenzverstärker 55,
dessen Ausgangsgröße die Spannungsdifferenz (39 minus 58)
an der ersten Lampe 6 in der Reihe ist. Diese Differenzspannung
wird über
eine Leitung 61 an einen Komparator 57 angelegt,
wo sie mit einer Referenzspannung 62 verglichen wird, die
von einer Referenzspannungsquelle 56 erzeugt wird. Diese Referenzspannung 56 ist
als Spannungspegel festgelegt, so daß eine Lampendifferenzspannung,
die größer ist
als dieser Referenzpegel, als Bogenlampe definiert wird, die im "ausgeschalteten und
zündbedürftigen" Zustand ist, und
eine Lampendifferenzspannung, die kleiner ist als diese Referenzspannung
als Bogenlampe definiert werden würde, die im "eingeschalteten und
leitenden" Zustand
ist (zum Beispiel < 45
Volt). Wenn die Lampenspannungsdifferenz (39 minus 58)
an der ersten Bogenlampe 6 in der Reihe, die an der Leitung 61 angezeigt
ist, größer ist
als die Referenzspannung an der Leitung 62 und somit in
einem Zustand, der als ein "ausgeschalteter" Lampenzustand definiert
ist, sendet der Komparator 57 einen Befehl 63 an
einen zweiten Komparator 48, um die Freigabe über eine
Leitung 60 für
den ersten Simmerstromregler 29 in der Reihenanordnung
beizubehalten. Dieser Zustand ist definiert als "Bogenlampe 6 ausgeschaltet
und zündbedürftig". In diesem Zustand
wirkt der erste Simmerstromregler 29 als virtuelle Masse,
die den Zündimpuls
und die Zündspannung
vom Zündladenetzwerk 21 erwartet.
Nach der Zündung
geht die Bogenlampe 6 in den Leitungs- und Simmerstromzustand,
und die Spannung fällt
auf annähernd
15 Volt Differenzspannung an der Lampe 6. Der Differenzverstärker 55 erfaßt den Differenzspannungsabfall
und sendet das reduzierte Spannungssignal über die Leitung 61 an
den Komparator 57. Der Komparator 57 vergleicht
den neuen niedrigeren Spannungsabfall mit der Referenzspannung 56,
und da der Lampendifferenzspammungspegel nun kleiner ist als der
Referenzspannungspegel 62 (zum Beispiel < 45 Volt), was einen "eingeschalteten" Lampenzustand anzeigt,
erzeugt der Komparator 57 nun einen Befehl 63 "Bogenlampe 6 ein". Dieser Befehl bewirkt
nunmehr, daß der
nächste
Komparator 48 die Differenzspannung an der nächsten Bogenlampe 7 in
der Reihenanordnung zu vergleichen beginnt, und zwar von einer Leitung 58,
die mit dem Kathodenanschluß der
vorherigen Bogenlampe 6 verbunden ist, und einer Leitung 59,
die mit dem Kathodenanschluß der
Bogenlampe 7 verbunden ist, die nunmehr gemessen wird,
um festzustellen, ob diese nächste
Bogenlampe 7 erfolgreich gezündet worden ist und im Simmerstrommodus
ist oder gelöscht
und zündbedürftig ist.
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Wenn die vorherige Bogenlampe 6 im
Simmerstrommodus ist und die gegenwärtig gemessene Bogenlampe 7 gelöscht ist,
ist die Spannung an dieser zweiten Bogenlampe 7 die Lampenstromversorgungsspannung
in der Leitung 39 minus der Spannung der ersten Bogenlampe 6 (obwohl
dieser Pegel bei einem Neuzündzustand
ist so hoch sein könnte wie
der spannungsbegrenzte Spannungspegel, der vom Spannungsbegrenzungsbauelement 17 festgelegt
wird, die mit dem Kathodenanschluß der ersten Bogenlampe 6 verbunden
ist, und zwar infolge der Übergangsspannungen,
resultierend aus dem fortgesetzten Zündzyklus, der bereits beschrieben
ist). Diese Differenzspannung an der zweiten Lampe 7 in
der Reihe wird, bei einem Pegel, der vom Differenzverstärker 51 über eine
Leitung 49 ausgegeben wird, über einen Komparator 48 mit
einer Referenzspannung 52 verglichen, die über eine
Leitung 50 angelegt wird. Wenn die Lampendifferenzspannung
in der zweiten Bogenlampe 7 in der Reihe größer ist
als eine vorbestimmte Spannung (zum Beispiel 45 Volt), erzeugt der
Komparator 48 einen Befehl "Bogenlampe 7 aus", der bewirkt, daß der erste
Simmerstromregler 29 die erste Bogenlampe 6 im
Simmerstrommodus hält,
und den nächsten
Komparator 43 zwingt, die Freigabe für den zweiten Simmerstromregler 30 beizubehalten,
der der zweiten Bogenlampe 7 entspricht, bis der Zündablauf
an der Bogenlampe 7 erfolgreich ist. Wenn der Zündablauf
an der zweiten Bogenlampe 7 beendet und erfolgreich ist
und mittels des entsprechenden Simmerstromreglers 30 im
Simmerstrommodus ist, fällt
die Bogenlampenspannung auf die Spannung einer leitenden Bogenlampe
im Simmerstrommodus ab (zum Beispiel 15 Volt), und der entsprechende
Differenzverstärker 51 gibt
diesen reduzierten Spannungsabfall über die Leitung 49 an den
Komparator 48 weiter, der dann, wenn er ihn mit der Referenzspannung
in der Leitung 50 vergleicht, den Spannungsabfall erfaßt und einen
Befehl 60 "Bogenlampe 7 ein" erzeugt. Dieser
Befehl 60 "Bogenlampe 7 ein" sperrt oder schaltet
den Simmerstromregler 29 aus, der der ersten Bogenlampe 6 in
der Reihe zugeordnet ist (da der Simmerstrom für die beiden ersten Bogenlampen 6, 7 jetzt
durch den zweiten Simmerstromregler 30 gehalten wird),
und bewirkt, daß der
dritte Komparator 43 den Ein/Aus-Zustand der nächsten Bogenlampe 8 in
der Reihe überwacht.
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Derselbe Ablauf, wie für die zweite
Bogenlampe 7 beschrieben, wird für die letzte Bogenlampe 8 in
diesem Beispiel oder für
jede zusätzliche
Bogenlampe, die in die Reihenanordnung eingeschlossen werden könnte, wiederholt.
Alle zusätzlichen
Lampen, die zwischen der ersten Bogenlampe 6 und der letzten
Bogenlampe 8 in der Reilenanordnung in die Schaltung eingefügt würden, hätten eine
entsprechende Erfassungsschaltung 53. Die letzte Bogenlampe 8 in
der Reihe hat eine geringfügig
andere Erfassungsschaltung 54. In diesem Beispiel wird
der Zündablauf
mit einer Leitung 59, die mit der Kathode der vorherigen
Bogenlampe 7 verbunden ist, und einer Leitung 40,
die mit der Kathode der letzten Bogenlampe 8 verbunden
ist, wiederholt wobei beide zu dem letzten entsprechenden Differenzverstärker 41 führen, dessen
Ausgangsgröße über eine
Leitung 42 zusammen mit einer Referenzspannung 45 über eine Leitung 44 an
den letzten Komparator 43 angelegt wird, der einen Befehl "Bogenlampe 8 ein" erzeugt. Diese Signal-ein-Leitung 46 wird
verwendet, um den Betrieb des vorherigen Simmerstromreglers 30 zu beenden,
da der letzte Simmerstronvegler 31 in der Reihenanordnung
nun den Simmerstrom in allen vorher gezündeten, vorausgegangenen Bogenlampen 6–8 halten
kann und diesen Simmerstrom vor, während und nach der Hochstrommodulation
hält, um das
Leuchten zu bewirken. Das Signal in der Leitung 46 wird
auch verwendet, um ein Signal an eine Logikschaltung zu senden,
die hier durch ein einfaches bistabiles Bauelement 47 dargestellt
ist, um das Zündfreigabesignal 34 fernzuhalten,
wobei die Hochspannungszündstromversorgung 25 gesperrt
wird und somit die Zündimpulse
zu den Bogenlampen 6– 8 beendet
werden.
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Wenn eine der Lampen vorzeitig erlischt, wird
der Strom zu jeder nachfolgenden Bogenlampe in der Reihenschaltungsanordnung
abgeschaltet, und alle nachfolgenden Bogenlampen verlöschen auch.
Die Differenzverstärker 55, 51, 41 erfassen
die Änderungen
der Spannungsdifferenzen und senden das Steuersignal an die Zündeinrichtung,
das anzeigt "Bogenlampen
gelöscht
und zündbereit". Dieses Signal kann
verwendet werden, um den Zündablauf
im Falle einer Bogenlampe, die erlischt, automatisch auszulösen.
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Die Miniaturisierung der Bogenlampenanordnungen,
bei denen die mechanischen Abstände von
der Hochspannung (Anode) bis zur Niedrigspannung (Kathode und umgebende
geerdete Strukturen) kleiner sind als erforderlich, wenn Umgebungsluft
als Dielektrikum verwendet wird, wird durch die dielektrische Hochspannungsisolierung 18 möglich, die
bereits beschrieben worden ist und die in 2 ausführlich dargestellt ist. Die
Hochspannungsisolierung, die mit den oben angegebenen Kriterien
gewählt wird,
isoliert die Lampe(n) unter widrigen Umgebungsbedingungen in bezug
auf Temperatur und Höhe.
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Der Hochstrommodulator 13 ist
in 3 ausführlicher
dargestellt. Die Wellenform-Zeit-Beziehungen
sind in 4 dargestellt.
Der Hochstrommodulator besteht aus einer Drosselspule 302,
einem Hochstromschalter 303, einem Stromerfassungsnebenschlußwiderstand 304,
einem Differenzverstärker 305,
einem Komparator 306, einem monostabilen Multivibrator 309,
um ein festes Ausschaltzeitintervall für den Hochstromschalter 303 festzulegen,
und einem Treiber 311, um den Hochstromschalter 303 anzusteuern.
Die Schaltung arbeitet folgendermaßen: ein Strombefehl (zum Beispiel
400 A) wird in den Komparator 306 eingegeben, der den Treiber 311 einschaltet.
Der Treiber 311 schaltet den Hochstromschalter 303 ein,
der bewirkt, daß der
Strom in der Drosselspule 302 ansteigt. Da der Strom in
der Drosselspule 302 ansteigt, steigt die Spannung am Stromerfassungsnebenschlußwiderstand 304 an
und wird vom Differenzverstärker 305 verstärkt und
mit dem Strombefehl verglichen. Wenn der erfaßte Strom am Stromerfassungsnebenschlußwiderstand 304 den
Strombefehl (zum Beispiel 400 A) überschreitet, beendet der Befehl 308 vom
Komparator 306 zum Treiber die Ansteuerung des Hochstromtreibers 311.
Die abfallende Flanke des Befehls 308 vom Komparator 306 löst außerdem einen
monostabilen Multivibrator 309 aus, der eine feste Zeit
(zum Beispiel 20 μs)
zählt,
wobei jede Ansteuerung des Hochstromschalters 303 durch
den Treiber 311 gesperrt ist. Die Wirkung besteht darin,
eine feste Ausschaltzeit in die Schaltersteuerschaltung und somit
eine Hysterese in den Stromabfall in der Drosselspule 302 einzuführen. Wenn
der Schalter 303 ausgeschaltet ist, wird der zirkulierende
Strom in der Drosselspule 302 durch die Diode 312 zu
den Ausgangskondensatoren in der Lampenstromversorgung 12 zurückgeführt. Diese
Topologie führt
zu einer erhöhten
Effizienz bei der durchführung
einer Hochenergiemodulation der Lampen 360.
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Zusammengefaßt heißt das, die erfolgreiche Zündung der
Bogenlampen 6–8 und
die entsprechende richtige Ablaufsteuerung der Simmerstromregler 29–31 wird
dadurch erreicht, daß die
Reduzierung des Spannungsabfalls an der Lampe nach erfolgreicher
Zündung
erfaßt
wird. Vor der Zündung
jeder der Bogenlampen 6–8 ist der Simmenegler
eine virtuelle Masse, dadurch liegt die volle Stromversorgungsspannung 39 an
der Lampe 6 an. Der Differenzverstärker 55 unterteilt
die Differenzspannung (39 minus 58) an der Lampe 6 und
sendet die aufbereitete Spannung an einen Komparator 57,
wo sie mit einer Referenzspannung 62 verglichen wird (die
von einer Spannungsreferenz 56 erzeugt wird). Wenn die Lampendifferenzspannung 39 minus 58 größer ist
als der Zustand, der als "Lampe
ein" definiert ist
(zum Beispiel < 45
Volt), sendet der Komparator 57 einen Befehl 63 an
den Komparator 48, der bewirkt, daß der Komparator 48 die
Freigabe des oberen Simmeneglers 29 beibehält. Dieser
Zustand ist als "Bogenlampe 6 aus
und zündbedürftig" definiert. In diesem Zustand
wirkt der Simmerstromregler 29 als virtuelle Masse in Erwartung
des Zündimpulses
von der Zündstromversorgung
und der Zündspannung.
Nach der Zündung
geht die Bogenlampe 6 in den Leitungs- und Simmerstromzustand,
und die Spannung fällt
auf annähernd
15 Volt Differenzspannung an der Lampe ab. Der Differenzverstärker 55 erfaßt den Abfall
und sendet das Signal an den Komparator 57. Der Komparator 57 vergleicht
den Spannungsabfall mit der Referenzspannung 62 und erzeugt
einen Befehl 63 "Bogenlampe 6 ein". Dieser Befehl ermöglicht es nunmehr,
daß der
Komparator 48 die Differenzspannung 58 minus 59 an
der Bogenlampe 7 zu vergleichen beginnt, um zu erkennen,
ob die Bogenlampe 7 im Simmerstrommodus ist oder gelöscht und
zündbedürftig ist.
Wenn die Bogenlampe 6 im Simmerstrommodus ist und die Bogenlampe 7 gelöscht ist, ist
die Spannung an der Bogenlampe 7 die Lampenstromversorgungsspannung 39 minus
der Spannung der Bogenlampe 6 (das heißt, die Spannung der Lampenstromversorgung
minus der Spannung der Bogenlampe 6). Diese Differenzspannung
an der Lampe 7, 58 minus 59, wird vom
Differenzverstärker 51 unterteilt
und vom Komparator 48 mit einer Referenzspannung 50 verglichen.
Wenn die Spannung 58 minus 59 größer ist
als eine vorbestimmte Spannung (zum Beispiel 45 Volt), erzeugt der
Komparator 48 einen Befehl "Bogenlampe 7 aus", der es ermöglicht, daß der Simmerstromregler 29 die
Bogenlampe 6 im Simmerstrommodus hält, und bewirkt, daß der Komparator 43 die
Freigabe des Simmerstromreglers 30 beibehält (über das
Signal 64), bis der Zündablauf
an der Bogenlampe 7 erfolgreich ist. Wenn der Zündablauf
in der Bogenlampe 7 beendet und erfolgreich ist, fällt die
Bogenlampenspannung von der Lampenstromversorgungsspannung 39 minus
der Spannung der Bogenlampe 6 auf die Spannung einer leitenden Bogenlampe
im Simmerstrommodus (zum Beispiel 15 Volt) ab, der Differenzverstärker 51 gibt
diesen Spannungsabfall an der Bogenlampe 7 an den Komparator 48 weiter,
der, wenn er ihn mit der Referenzspannung 50 vergleicht,
den Abfall der Spannung erfaßt
und einen Befehl 60 "Bogenlampe 7 ein" erzeugt. Dieser
Befehl "Bogenlampe 7 ein" sperrt oder schaltet
den Simmerstromregler 29 aus, denn der Simmerstrom für die Bogenlampen 6 und 7 kann
nunmehr vom Simmerstromregler 30 gehalten werden. Der Komparator 48 erzeugt
auch einen Freigabebefehl 64, der es ermöglicht,
daß der
Komparator 43 den Ein/Aus-Zustand der Bogenlampe 8 zu überwachen
beginnt. Der gleiche Ablauf, wie für die Bogenlampe 7 beschrieben,
wird vom Differenzverstärker 41,
der Referenzspannung 44 und dem Komparator 43 wiederholt,
der einen Befehl 46 "Bogenlampe 8 ein" erzeugt. Der Befehl 46 "Bogenlampe 8 ein" wird verwendet,
um den Betrieb des Simmerstromreglers 30 zu beenden, da
der Simmerstromregler 31 den Simmerstrom in den Bogenlampen 6–8 nunmehr
halten kann, und auch um die Zündimpulse
zu beenden, die von der Hochspannungsstromversorgung 25 erzeugt
werden. Dieser Befehl erfolgt mittels eines Setz/Rücksetzbefehlsignals 47,
das den Zündfreigabebefehl 34 erzeugt.
Der Schutz der Simmerstromregler und die Vermeidung von Hochspannungsüberschlägen zu irgendeiner
der Umgebungsstrukturen der Bogenlampen 6–8 erfolgt
durch geeignete Spannungsbegrenzungsbauelemente 17 (zum
Beispiel MOVs oder Transorbs). Die Spannungsbegrenzungsbauelemente 17 begrenzen
die emittierenden Enden der Bogenlampe (d. h. die Kathode) auf eine bekannte
Spannung, die größer ist
als die Lampenstromversorgungsspannung 39, jedoch kleiner
als die Nennspannung der Simmerstromreglerschaltungsanordnung 29–31 und
die Anforderungen des Spannungsabstands von den Bogenlampenkathoden
zu irgendwelchen Umgebungsstrukturen. Die Spannungsbegrenzungsbauelemente
sind notwendig, da während
der Zündung
der Bogenlampen 6–8 die
Zündimpulse
erst begrenzt werden, wenn die letzte Bogenlampe 8 gezündet ist.
Vor dem Zünden
der Bogenlampe 8 sind die Simmerstromregler 29 und 30 keine
virtuelle Masse mehr und würden
deshalb Hochspannungsspitzen von den Zündschaltungen 9 und 10 in
den Spannungsleitungen 58 und 59 nicht verhindern.
Dies würde
zu einem katastrophalen Fehler der Schaltungsanordnung in den Leitungen 58 und 59 führen. Die
Verhinderung dieses Ereignisses erfolgt durch die Spannungsbegrenzungseinrichtungen 17.
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Ein typisches Szenario für diese
Schaltung ist dann folgendes: ein Auftrag beginnt mit dem Anlegen
eines Signals an die Setz-(S-)Seite des bistabilen Bauelements 47 (oder
einer anderen äquivalenten
Logikschaltungsanordnung), das den bereits beschriebenen Zündvorgang
auslöst.
Dann erfolgt möglicherweise
für eine
bestimmte Zeit, zum Beispiel während
eines gesamten in der Luft stattfindenden Auftrags, keine weitere
Aktivität
in bezug auf die Bogenlampen 6–8. Wenn jedoch nach
Zündung
der Bogenlampen 6–8 ein
Hochenergieleuchten der Bogenlampen erforderlich ist, wird ein Strombefehl
an den Hochstrommodulator 13 gesendet. Der Hochstrommodulator 13 ist
bereits beschrieben worden. Nach Beendigung des Störablaufs
wird der Strombefehl vom Hochstrommodulator 13 ferngehalten,
und die Bogenlampen 6–8 kehren
in den (Niedrigstrom-)Simmerstrommodus zurück. Bei Beendigung eines Auftrags
werden dann die Bogenlampen 6–8 gelöscht.