DE612297C - Vorrichtung zum Betrieb einer mit Gas und Dampf gefuellten elektrischen Entladungsroehre, die insbesondere zur Lichtausstrahlung dient - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine z. B. für Beleuchtungszwecke zu verwendende Vorrichtung, die eine oder mehrere mit Gas und Dampf, insbesondere Dampf schwerflüchtiger Metalle, wie Natrium, gefüllte elektrische Entladungsröhren mit langer Aufheizzeit enthält. Es ist bekannt, derartige Vorrichtungen aus einer Wechselstromquelle zu speisen und dabei eine Selbstinduktion und eine Kapazität in Reihe mit der Entladungsröhre zu schalten. Dabei hat man schon vorgeschlagen, die Vorrichtung derart einzurichten, daß in ihr höhere Harmonische erzeugt werden, mit denen die gasgefüllte Röhre gespeist wird.

Beim Inbetriebsetzen einer Entladungsröhre mit Metalldampffüllung hat der in der Röhre vorhandene Metalldampf' anfangs nur einen geringen Druck- so daß in der ersten Zeit nach der Inbetriebsetzung im wesentlichen das in der Entladungsröhre vorhandene Füllgas an der Entladung teilnimmt. Diese Entladung erhitzt das in der Röhre vorhandene verdampfbare Metall, wodurch der Metalldampf einen höheren Druck erhält und an der Entladung intensiv teilzunehmen beginnt. Es ist z. B. bekannt, daß Niederdruckentladungsröhren, die Neon und eine Quecksilbermenge enthalten, zuerst das rötliche Neonlicht und nachher das blaue Quecksilberlicht ausstrahlen. Der zur Erhaltung dieses Quecksilberlichtes erforderliche Zeitraum ist im allgemeinen kurz; bei Verwendung von Metallen, die weniger flüchtig als Quecksilber sind, z. B. Natrium, verhält sich die Sache anders. Bei Entladungsröhren, die außer einer Gasfüllung eine Natriummenge enthalten, , dauert es in der Regel eine geraume Zeit, bevor die Röhre die normale Betriebstemperatur erreicht hat und der Natriumdampf einen derartigen Druck hat, daß er intensiv an der Lichtemission teilnimmt.

Die Erfindung hat zum Zweck, die Zeit, welche erforderlich ist, um den Dampf den für den normalen Betrieb benötigten Druck annehmen zu lassen, zu verkürzen. Erfindungsgemäß werden die in Reihe mit der Entladungsröhre geschalteten Selbstinduktion und Kapazität derart bemessen, daß dieKapazitanz (—W> in der ω die mit 2 π multiplizierte Grundfrequenz der Wechselstromquelle und C den Wert der Kapazität bedeuten.) mehr als i,4mal sogroß als die Induktanz (coL, in derI. den Wert der Selbstinduktion bedeutet) ist.

Die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung befindlichen Entlastungsröhren werden, .wie an sich bekannt, in Reihe mit einer Stabilisierungsimpedanz betrieben. Für einen nor-

*) Von dem Patentsweher sind als die Erfinder angegeben worden: . - - ·

Willem Uyterhoeven, Mari Johan TJruyvesteyn, Cornells Verbürg und Lourens Blök

in Eindhoven, Holland. "

malen Betrieb - der Entladungsröhre ist ein bestimmter Wert dieser Impedanz erforderlich, der auf verschiedene- Weise erhalten werden kann. Man kann z. B. die Impedanz aus einem Ohmschen Widerstand bestehen lassen, was den Nachteil eines großen Energieverlustes in diesem Widerstand und daher einen schlechten Wirkungsgrad der Anlage mit sich bringt, weshalb meistens als Stabilisierungsimpedanz eine Selbstinduktion verwendet wird, was zwar einen kleineren Leistungsfaktor, aber weniger Energieverluste gibt. Als Stabilisierungsimpedanz könnte auch eine Kapazität Anwendung finden. Es hat sich jedoch ergeben, daß in diesem Fall die Lebensdauer der Entladungsröhre außerordentlich kurz ist. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung wind eine Staibilisierungsimpedanz verwendet, die eine Selbstinduktion und eine Kapazität enthält, die auf eine bestimmte Weise bemessen sind. Diese Größen sind derart gewählt, daß die Kapazitanz erheblich größer als die Induktanz ist, wodurch der Vorteil erzielt wird, daß der Zeitraum, der dazu erforderlich ist, um die Entladungsröhre auf die normale Betriebstemperatur zu bringen, erheblich kürzer ist als im Falle, daß die Vorschaltimpedanz ausschließlich aus einer Selbstinduktion besteht.

Zur Erklärung dieses Vorteils sei darauf hingewiesen, daß die Zündspannung der Entladungsröhre bei geringem Metalldampfdruck größer ist als bei dem höheren Dampfdruck, der während des normalen Betriebes in der Röhre herrscht. Zur Erläuterung dient die Fig. 1, in der beispielsweise die Linie 1 die Spannung der Stromquelle, die Linie 2 die Spannung· zwischen den Elektroden der Entladungsröhre bei niedrigem Dampfdruck und die Linie 3 die Röhrenspannung bei höherem Dampfdruck darstellen. Der Scheitel in der Kurve 3 ist erheblich niedriger als jener der Kurve 2. In Fig. χ stellen die zu den Kurven 2 bzw. 3 gehörenden Kurven 4 und 5 den Verlauf, des durch die Röhre fließenden Stromes bei niedrigem bzw. höherem Dampfdrück dar. Der durch die Linie 4 dargestellte Strom besitzt stärkere höhere Harmonische als der. durch die Linie 5 dargestellte Strom, d. h. beim Inbetriebsetzen, und während des Zeitraumes, in dem die Entladungsröhre die normale Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat (welcher Zeitraum hier als Aufheizzeit bezeichnet wird), weist der Strom stärkere höhere Harmonische auf als beim normalen Betrieb.

Dies bedeutet, daß, wenn die Stabilisierungsimpedanz ausschließlich aus einer Selbstinduktion besteht, die Induktanz während der Aufheizzeit größer als beim normalen Betrieb ist, so daß während dieser Aufheizzeit nicht nur die Stromstärke, sondern auch der Leistungsfaktor geringer als beim normalen Betrieb ist, was zur Folge hat, daß die von der Entladungsröhre aufgenommene Leistung, welche für die Erhitzung der Röhre sorgt, während der Aufheizzeit kleiner als beim normalen Betrieb ist.

Besteht die Stabilisierungsimpedanz jedoch aus einer Selbstinduktion und einer Kapazität, wobei letztere auf die oben angegebene Weise überwiegt, so verursachen die höheren Harmonischen während der Aufheizzeit zwar eine Vergrößerung* der Induktanz, aber auch eine stärkere Abnahme der Kapazitanz, so daß die gesamte Impedanz kleiner als beim normalen Betrieb ist. Dies bedeutet, daß während der Aufheizzeit der Strom und der Leistungsfaktor größer sind und daß die Röhre eine größere Leistung als während des normalen Betriebes aufnimmt, was eine raschere Aufheizung der Entladungsröhre zur Folge hat. Ein zusätzlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß sie in bezug auf Schwankungen in der Spannung der Stromquelle, aus der die Entladungsröhre gespeist wird, weniger empfindlich ist. 'Dies läßt sich wie folgt erklären (die Spannung dieser Stromquelle wird der Kürze halber als Netzspannung bezeichnet).

■ Ein Ansteigen der Netzspannung bewirkt eine Erhöhung des die Entladungsröhre durchfließenden Stromes und demzufolge der Röhrentemperatur. Es sinkt infolgedessen die Zündspannung, wodurch, wie oben erörtert wurde, der Entladungsstrom weniger höhere Harmonische aufweist.

Bei Verwendung einer aus einer Selbstinduktion bestehenden Stabilisierungsimpedariz bedeutet dies eine Herabsetzung der Induktanz, was die genannte Stromzunahme fordert, auch infolge des Umstandes, daß die herabgesetzte Reaktanz eine Vergrößerung des Leistungsfaktors und daher eine besondere Zunahme der von der Röhre aufgenommenen Leistung und Erhöhung der Temperatur der Röhre mit sich bringt.

Besteht die Stabilisierungsimpedanz hingegen aus einer in Reihe geschalteten Selbstinduktion und Kapazität, wobei letztere erheblich überwiegt, so wird durch die Schwächung der höheren Harmonischen die Induktanz zwar kleiner, aber die Kapazitanz wird in stärkerem Maße vergrößert, was eine vergrößerte Impedanz mit sich bringt. Der Zunahme des die Entladungsröhre durchfließenden Stromes wird dadurch entgegengewirkt, und zwar nicht nur durch den Einfluß, den die vergrößerte Impedanz auf die Stromstärke hat, sondern auch durch die Verkleinerung des Leistungsfaktors.

Diese Erörterung gilt sinngemäß auch

für eine Abnahme der Netzspannung. Der Einfluß einer derartigen Abnahme wird durch eine aus einer Selbstinduktion bestehenden Stabilisierungsimpedanz unterstützt, jedoch durch eine aus einer Selbstinduktion und einer diese überherrschenden Kapazität bestehende Impedanz geschwächt.

Bei einer zeitweisen Erhöhung der Netzspannung wird auch die Stirn der der Entladungsröhre aufgedrückten Spannung steiler, wodurch die Zündung in jeder Halb welle früher stattfindet. Auch dadurch zeigt der Strom schwächere höhere Harmonische. Umgekehrt werden die höheren Harmonischen bei einer zeitweisen Abnahme der Netzspannung stärker. Dies hat, wie oben erörtert wurde, einen günstigen Einfluß auf die Unempfindlichkeit gegenüber Netzspannungsschwankungen.

ao Aus dem "Vorstehenden hat sich schon ergeben, daß die Kapazität und die Selbstinduktion derart bemessen sind, daß die Kapazitanz erheblich größer als die Induktanz ist, da diese Elemente sonst nicht die oben angegebene besondere Wirkung haben wurden. Es ist einleuchtend, daß sich die erfindungsgemäße Vorrichtung grundsätzlich von der wohl einmal vorgeschlagenen Bauart unterscheidet, gemäß der in Reihe mit einer Entladungsröhre eine Selbstinduktion und eine Kapazität geschaltet werden, die derart bemessen sind, daß die Induktanz und die Kapazitanz gleich oder nahezu gleich sind, d. h. daß Resonanz auftritt. In diesem Fall ist ja die gesamte Impedanz Null oder nahezu Null, so daß von einer Stabilisierungsimpedanz nicht mehr die Rede ist. Außerdem bietet diese Resonanzschaltung nicht die Vorteile einer Verkürzung der Aufheizzeit der Entladungsröhre und einer größeren Unempfindlichkeit der Anlage gegenüber Netzspannungsschwankungen.

Versuche haben ergeben, daß die Kapazitanz im allgemeinen mehr als i,4mal so groß als die Induktanz sein muß. Beim Bemessen der Selbstinduktion und des Kondensators soll zweckmäßig auch nachfolgendes berücksichtigt werden. Es hat sich herausgestellt, daß, wenn die Kapazitanz zu klein (die Kapazität zu groß) ist, während der sogenannten Dunkelperioden Entladungsstromstöße sehr starker Intensität auftreten, die mit dem Stroboskop leicht zu verfolgen.sind. Unter einer Dunkelperiode ist der absatzweise zurückkehrende Zeitraum zu verstehen, der zwischen der Unterbrechung des Enladungsstromes und der neuen Zündung der Entladung liegt. In Fig. 2 liegt z. B. zwischen den Zeitpunkten t_± und t_% eine Dunkelperiode. Bei einer zu kleinen Kapazitanz treten nun in dieser Dunkelperiode Stromstöße sehr großer Intensität auf, die in Fig. 2. beispielsweise durch die Linien 6 angegeben sind. Diese Stromstöße verursachen eine erhebliche Verkürzung der Lebensdauer der Röhre. Die Kapazitanz kann derart bemessen werden, daß sie größer als der Wert ist, unterhalb dessen diese Stromstöße einsetzen. Dieser Wert kann für jedeRöhre auf einfache Weise mittels einiger Versuche ermittelt werden. y₀

Andererseits soll die ,Kapazitanz zweckmäßig auch nicht einen bestimmten Wert überschreiten, denn es hat sich herausgestellt, daß bei einer zu großen Kapazitanz (einer zu kleinen Kapazität) die Entladungsröhre die Eigentümlichkeit zeigt, gelegentlich einige Perioden zu überschlagen, d. h. daß während einer oder mehrerer Perioden gar keine Entladung stattfindet. Auch dieser Wert der Kapazitanz, bei dem diese Erscheinung einsetzt, läßt sich leicht durch Versuche ermitteln.

Sehr gute Ergebnisse werden bei einer derartigen Biemessung der Selbstinduktion und des Kondensators dadurch erzielt, daß die Kapazitanz zweimal so groß wie die Induktanz ist.

Da die Kapazität größer als die Induktanz ist, eilt der von der Stromquelle gelieferte Strom vor. Falls die Entladungsröhre aus einem Netz gespeist wird, das, wie dies oft der Fall ist, induktiv belastet ist, kann dieser voreilende Strom nur vorteilhaft sein. In vielen Fällen wird jedoch gewünscht, den Leistungsfaktor einer an ein Netz anzuschließenden Anlage möglichst groß, zweckmäßig gleich 1, zu machen. Es kann in diesem Fall die erfindungsgemäß mit einer kapazitiven S tabilisierungsimpedanz versehene Entladungsröhre sehr gut mit einer mit einer induktiven Stabilisierungsimpedanz versehenen Entladungsröhre kombiniert werden. Die Vor- bzw. Nacheilung kann in diesem Fall derart gewählt werden, daß der Gesamtstrom mit der Spannung der Stromquelle in Phase ist. Enthalten beide Entladungsröhren die gleiche Metalldampffüllung, so hat selbstverständlich dieRöhre mit induktiver Impedanz eine größere Aufheizzeit als jene mit der kapazitiven Impedanz. Dieser Übelstand kann erforderlichenfalls durch besondere Kunstgriffe, z. B. durch Aufheizung der Röhre mit induktiver Vorschaltimpedanz mit Hilfe von Heizelementen, beseitigt werden.

Der genannte Übelstand tritt in erheblich schwächerem Maße auf, wenn die Röhre mit induktiver Vorschaltimpedanz ein Metall enthält, das leichter verdampft als das in der Röhre mit kapazitiver Impedanz vorhandene Metall. Dies ist z. B. der Fall, wenn eine Natriumdampf enthaltende Entladungsröhre mit einer Entladungsröhre mit Quecksilberdampffüllung kombiniert wird. Bei dieser

Einrichtung kann die erstgenannte Röhre mit einer kapazitiven und die letztgenannte Röhre mit einer induktiven Impedanz versehen werden.

Der angegebene Nachteil tritt gar nicht auf, wenn die Entladungsröhre mit einer ausschließlich mit Gas gefüllten Entladungsröhre kombiniert wird. Zum Herstellen von weißem Licht wurde z. B. vorgeschlagen, eine ίο Quecksilber- oder Natriumdampfentladungsröhre mit einer Neonröhre zu kombinieren. Da in letzterer gar kein Metalldampfdruck entwickelt zu werden braucht, ist es vorteilhaft, diese Röhre mit einer induktiven und die Röhre mit Metalldampffüllung mit einer kapazitiven Stabilisierungsimpedanz zu versehen.

Der Nachteil, daß eine der Entladungsröhren infolge der induktiven Stabilisierungsimpedanz langsamer aufgeheizt wird, kann auch dadurch verringert werden, daß man diese Röhre so nahe an der Entladungsröhre mit kapazitiver Vorschaltimpedanz anordnet, daß sie einander aufheizen können, d. h. daß Wärmeauswechslung zwischen beiden Röhren möglich ist. Zu diesem Zweck können sie in eine gemeinsame Glocke eingeschlossen oder besser noch mit einer doppelwandig«! entlüfteten Hülle umgeben werden. In den Fig. 3 und 4 sind zwei Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise dargestellt.

Die Vorrichtung nach Fig. 3 weist eine Entladungsröhre 7 auf, die an jedem Ende mit einer Glühelektrode 8 und einer diese umgebenden plattenförmigen Elektrode 9 versehen ist. Die Elektroden 8 und 9 sind miteinander verbunden, und die Glühelektroden 8 können mit Hilfe von Heiztransformatoren geheizt werden. Es ist jedoch auch möglich, diese Elektroden durch die Entladung zu heizen. Die Röhre 7 enthält ein Edelgas, z. B. Neon, unter geringem Druck, und außerdem befindet sich in der Röhre eine Menge Natrium, dessen Dampf beim normalen Betrieb ein intensives Licht von gelber Farbe ausstrahlt.

Die Entladungsröhre 7 ist an die Wechselstromquelle 10 angeschlossen, die z. B. aus der Sekundärwicklung eines Transformators bestehen kann. In Reihe mit der Entladungsröhre sind eine Drosselspule 11 und ein Kondensator 12 geschaltet. Die Kapazitanz des Kondensators (für die Grundfrequenz der Stromquelle 10) ist gemäß der Erfindung erheblich größer als die Induktanz der Drosselspule 11. Zur Erläuterung seien die folgenden Zahlen erwähnt:

Bei einer bestimmten Natriumdampfentladungsröhre, die aus einer Wechselstrom' quelle von 50 Hertz und einer Effektivspannung von 220 Volt gespeist wurde, war der Abstand zwischen den Elektroden 120 cm und der innere Röhrendurchmesser 35 mm. Die Drosselspule war 0,24 Henry, und der 6g Kondensator betrug 18 Mikrofarad. Es folgt daraus, daß die Kapazitanz 177 Ohm und die Induktanz 75,5 Ohm war. Es ergab sich, daß 15 bzw. 18 bzw. 35 Minuten nach der Einschaltung die Intensität des ausgesandten Lichtes 70 bzw. 78 bzw. 100 °/₀ der endgültig erreichten Intensität betrug, während bei Verwendung einer nur aus der Selbstinduktion bestehenden Vorschaltimpedanz unter sonst gleichen Verhältnissen diese Prozentsätze 17 bzw. 20 bzw. 3O°/₀ betrugen.

Die Vorrichtung nach Fig. 4 enthält zwei Entladungsröhren. Eine dieser Röhren, nämlich die Röhre 7, ist auf die im Zusammenhang mit Fig. 3 beschriebene Weise in Reihe mit der Selbstinduktion 11 und der Kapazität 12 geschaltet, wobei die Kapazitanz erheblich größer ist als die Induktanz. Die andere Entladungsröhre 13 ist ausschließlich unter Zwischenschaltung der Drosselspule 14 an eine sekundäre Transformatorwicklung angeschlossen. Infolgedessen wird der von der Entladungsröhre 7 dem Netz 15 entnommene Strom in bezug auf die Netzspannung 'vor- und der von der Röhre 13 entnommene Strom nacheilen. Der Leistungsfaktor der gesamten Anlage ist daher sehr günstig und kann praktisch gleich 1 gemacht werden. Enthalten die Entladungsröhren 7 und 13 die gleiche Metalldampffüllung, so wird die Röhre 7 rascher aufgeheizt als die Röhre 13. Wie oben bereits bemerkt wurde, wird dieser Übelstand beseitigt, wenn die Röhre 13 mit einem leicht verdampfenden Metall oder mit einer ausschließlich aus Gas bestehenden Füllung versehen wird.

Es ist einleuchtend, daß die Erfindung nicht auf Vorrichtungen mit nur einer Entladungsröhre beschränkt ist. Es kann selbstverständlich eine große Anzahl von Röhren vorhanden .105 sein, die auf die erfindungsgemäße Weise geschaltet ist. Es können dabei alle Röhren mit einer aus einer Selbstinduktion und Kapazität (mit erheblich vorherrschender Kapazitanz) bestehenden Vorschaltimpedanz versehen werden, oder aber es kann ein Teil der Anzahl Röhren auf die in Fig. 4 dargestellte Weise mit einer induktiven Vorschaltimpedanz versehen werden. Wind die Vorrichtung z. B. zur Beleuchtung von Wegen, Plätzen o. dgl. verwendet, so können die Entladungsröhren abwechselnd mit einer kapazitiven und einer induktiven Vorschaltimpedanz versehen werden. -

Es ist somit klar, daß die Erfindung für iao Entladungsröhren von Wichtigkeit ist, die den Dampf eines schwerflüchtigen Metalls,

ζ. Β. von Natrium, Kadmium, Magnesium, Thallium, Rubidium oder Lithium, enthalten. Wünscht oder braucht man von₌ der erfindungsgemäß erzielten größeren Unempfindlichkeit zu Netzspannungsschwankungen keinen Gebrauch zu machen, so kann die kombinierte -VorschaltimpedanZ (Selbstinduktion und Kapazität mit erheblich vorherrschender Kapazitanz) auch wohl nur während der Aufheizung der Entladungsröhre verwendet werden, um, nachdem die Röhre eine genügend hohe Temperatur erreicht hat, auf eine andere Vorschaltimpedanz, die z. B. ausschließlich aus einer Selbstinduktion besteht, umzuschalten.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Betrieb von ein oder mehreren mit Gas und Dampf, insbesondere Dämpfe schwerflüchtiger Metalle, wie Natriumdampf, gefüllten, zweckmäßig für Lichtausstrahlung dienenden elektrischen Entladungsröhren mit langer Aufheizzeit, die in Reihe mit einer Selbstinduktion und einer Kapazität an eine Wechselstromquelle angeschlossen ist bzw. sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Selbstinduktion und die Kapazität derart

bemessen sind, daß die Kapazitanz I——~,

in der ω die mit 2 π multiplizierte Grundfrequenz der Wechselstromquelle und C die Größe der Kapazität bedeuten) mehr als i,4mal so groß ist als die Induktanz (coL, in der L die Größe der Selbstinduktion bedeutet).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitanz um so viel größer als die Induktanz ist, daß in den Dunkelperioden keine Entladungsstromstöße auftreten.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitanz kleiner als jener Wert ist, bei dem in der Entladungsröhre während einer oder mehrerer Perioden keine Entladung stattfindet.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitanz zweimal so groß als die Induktanz ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie auch eine elektrische Entladungsröhre enthält, die mit einer induktiven Stabilisierungs impedanz versehen ist, so daß der von dieser Röhre der Stromquelle entnommene Strom in bezug auf die Spannung der Stromquelle nacheilt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungsröhre mit induktiver Stabilisierungsimpedanz ein leichter verdampfbares Metall enthält als die Entladungsröhre mit kapazitiver Stabilisierungsimpedanz.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungsröhre mit induktiver Stabilisierungsimpedanz ausschließlich mit Gas gefüllt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungsröhre mit kapazitiver Stabilisierungsimpedanz und die Entladungsröhre mit induktiver Stabilisierungsimpedanz so nahe aneinander angeordnet sind, daß zwischen den beiden Röhren Wärmeauswechslung auftritt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen