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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf einen piezoelektrischen Transformator, welcher einen piezoelektrischen
Körper
mit einer, mit Eingangselektrodenmitteln ausgestatteten Antriebszonfe
und mindestens einer, mit Ausgangselektrodenmitteln ausgestatteten,
angetriebenen Zone aufweist, wobei die Zonen gegenüberliegende
Flächen
aufweisen, mindestens eine der Zonen eine Anzahl Abschnitte aufweist,
wobei die Abschnitte in einer Richtung senkrecht zu den gegenüberliegenden
Flächen
polarisiert sind und ein Pol jedes Abschnitts mit einem gegenüberliegenden
Pol eines weiteren Abschnitts durch elektrisch leitende Mittel so
verbunden ist, dass die Abschnitte eine Reihenschaltung bilden.
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Die Erfindung bezieht sich ebenfalls
auf eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Entladungslampe,
welche einen piezoelektrischen Transformator aufweist, sowie auf
eine Schaltungsanordnung zum Zünden
einer Hochdruckentladungslampe, welche einen piezoelektrischen Transformator
aufweist.
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Ein piezoelektrischer Transformator,
wie in dem einleitenden Absatz beschrieben, ist aus der Japanischen
Patentanmeldung 06338642 A sowie der Japanischen Patentanmeldung
06234329 bekannt. Bei dem in der Japanischen Patentanmeldung 06338642
A offenbarten, piezoelektrischen Transformator weist der Antriebsteil
eine Reihenschaltung von polarisierten Abschnitten auf, welche mit
den Eingangselektrodenmitteln verbunden sind, wodurch sich eine
relativ niedrige Eingangskapazität
und daher eine relativ hohe Eingangsimpedanz ergibt. Bei dem in
der Japanischen Patentanmeldung 06234329 offenbarten, piezoelektrischen
Transformator ist eine solche Reihenschaltung in dem angetriebenen
Teil enthalten und mit den Ausgangselektrodenmitteln verbunden,
so dass die Ausgangsimpedanz des piezoelektrischen Transformators
relativ hoch ist. In beiden piezoelektrischen Transformatoren sind
sämtliche
Abschnitte in der gleichen Richtung polarisiert. Die Pole der Abschnitte
sind mit Segmenten ausgestattet, welche durch Stücke einer, auf den gegenüberliegenden
Flächen
aufgebrachten Metallschicht gebildet werden und durch äußere Leitungen
miteinander verbunden sind. Ein wichtiger Vorteil einer relativ
hohen Impedanz der Antriebszone ist, dass der piezoelektrische Transformator
zur Verwendung mit einer Eingangsspannung mit einer relativ hohen
Amplitude geeigneter ist, wenn die Ausgangsleistung sehr gering
oder Null ist. Nachteil des bekannten piezoelektrischen Transformators
ist, dass dessen Herstellung auf Grund der externen Leitungsdrähte, von denen
jeder zwei, auf verschiedenen, gegenüberliegenden Flächen vorgesehene
Segmente verbindet, relativ kompliziert und daher kostenaufwendig
ist.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
piezoelektrischen Transformator vorzusehen, welcher relativ einfach
und ohne hohen Kostenaufwand herzustellen ist und eine verhältnismäßig hohe Eingangs-
und Ausgangsimpedanz aufweist. Ebenfalls ist es Aufgabe der Erfindung,
eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Entladungslampe vorzusehen,
welche relativ kompakt und kostengünstig ist.
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Ein piezoelektrischer Transformator,
wie in dem einleitenden Absatz erwähnt, ist daher dadurch gekennzeichnet,
dass ein Teil der Abschnitte in einer ersten Richtung und der restliche
Teil der Abschnitte in einer, zu der ersten Richtung entgegengesetzten, zweiten
Richtung polarisiert sind.
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Ungleichnamige Pole der entgegengesetzt polarisierten
Abschnitte in einem piezoelektrischen Transformator gemäß der Erfindung
sind zu der gleichen Fläche
tangential. Die diese ungleichnamigen Pole verbindenden, elektrisch
leitenden Mittel müssen
sich nicht von einer entgegengesetzten Fläche zur anderen erstrecken
und können
daher sehr einfach sein. Aus diesem Grunde ist ein piezoelektrischer
Transformator gemäß der vorliegenden
Erfindung relativ einfach und kostengünstig herzustellen.
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Im Falle sich die Reihenschaltung
von Abschnitten in der Antriebszone befindet und die angetriebene
Zone in einer Richtung parallel zu den entgegengesetzten Flächen polarisiert
ist, haben wir es bei dem Piezo-Transformator mit dem Typ Rosen
zu tun, welcher zur Erzeugung einer relativ hohen Ausgangsspannung
sehr geeignet ist.
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Sollte es sich bei dem piezoelektrischen
Körper
um ein rechteckiges Parallelepiped handeln, ist der piezoelektrische
Transformator relativ einfach und daher kostengünstig herzustellen.
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Die elektrisch leitenden Mittel weisen
vorzugsweise eine Metallbeschichtung auf. Damit sind diese auf relativ
einfache und zuverlässige
Weise zu realisieren.
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Im Falle der piezoelektrische Körper zwei
angetriebene Zonen; von denen jede mit Ausgangselektrodenmitteln
ausgestattet ist, aufweist, wird die Ausgangsspannung von der Eingangsspannung DC-entkoppelt.
Diese Funktion kann bei vielen Anwendungen von bedeutendem Vorteil
sein und erhöht
die Verwendungsmöglichkeiten
des piezoelektrischen Transformators.
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Es hat sich gezeigt, dass ein piezoelektrischer
Transformator gemäß der vorliegenden
Erfindung zum Einsatz in einer Schaltungsanordnung zum Betreiben
einer Entladungslampe sehr geeignet ist. Im Besonderen trifft dieses
auf eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Niederdruck-Quecksilberdampflampe
zu, welche zur Verwendung als Hinterlicht einer Flüssigkristallanzeige
konstruiert ist. Solche Niederdruck-Quecksilberdampflampen sehen (auf Grund
des großen
Längen-/Durchmesserverhältnisses
des Lampenbehälters)
in der Regel eine relativ hohe Zünd-
und Betriebsspannung vor. Gleichzeitig verlangt der Einsatz, dass
für die
Schaltungsanordnung lediglich ein relativ geringer Raum vorgesehen
und diese nur mit verhältnismäßig kostengünstigen
Komponenten hergestellt werden darf. Eine Schaltungsanordnung mit
einem piezoelektrischen Transformator kann die relativ hohe Zünd- und/oder
Betriebsspannung erzeugen und gleichzeitig die weiteren Anforderungen
erfüllen.
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Aus ähnlichen Gründen ist ein piezoelektrischer
Transformator gemäß der vorliegenden
Erfindung ebenfalls zur Verwendung in einer Schaltungsanordnung
zum Zünden
einer Hochdruckentladungslampe äußerst geeignet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 – eine schematische
Darstellung eines Ausführungsbeispiels
eines piezoelektrischen Transformators gemäß der vorliegenden Erfindung:
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2 – eine schematische
Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels
eines piezoelektrischen Transformators gemäß der vorliegenden Erfindung;
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3 – eine schematische
Darstellung eines Ausführungsbeispiels
einer Schaltungsanordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung zum Betreiben einer Entladungslampe, wobei die Schaltungsanordnung
einen piezoelektrischen Transformator, wie in 1 dargestellt, zusammen mit einer angeschlossenen
Entladungslampe aufweist;
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4 – eine schematische
Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels
einer Schaltungsanordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung zum Betreiben einer Entladungslampe, wobei die Schaltungsanordnung
einen piezoelektrischen Transformator, wie in 2 dargestellt, zusammen mit einer angeschlossenen
Entladungslampe aufweist, sowie
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5 und 6 – schematische Darstellungen von
Ausführungsbeispielen
von Schaltungsanordnungen zum Zünden
einer Hochdruckentladungslampe mit einer, an die Schaltungsanordnung
angeschlossenn Hochdruckentladungslampe.
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In 1 handelt
es sich bei K1 und K2 um Anschlussklemmen zum
Anschluss an die Pole einer Eingangsspannungsquelle. PEB ist
ein piezoelektrischer Körper
in Form eines rechteckigen Parallelepiped. Gegenüberliegende Flächen des
piezoelektrischen Körpers PEB sind
mit Segmenten 1, 2, 3, 1' und 2' versehen, welche
sich aus rechteckigen Teilflächen
einer leitenden Beschichtung zusammensetzen. Anschlussklemme K1 ist
mit Segment 3 verbunden. Anschlussklemme K2 ist
mit Segment 1 verbunden. Segment 1 und Segment 3 bilden
zusammen Eingangselektrodenmittel. In dem Ausführungsbeispiel von 1 sind sämtliche Segmente als eine, aus
Silber bestehende Metallbeschichtung ausgebildet. Der piezoelektrische
Körper PEB besteht
aus einer Antriebszone, bei welcher es sich um den Teil des piezoelektrischen
Körpers
handelt, der sich zwischen den Segmenten 1, 2, 3, 1' und 2' und einer angetriebenen
Zone, welche durch den verbleibenden Teil des piezoelektrischen
Körpers
dargestellt ist, befindet. Ein Ende der, von der Antriebszone entfernten angetriebenen
Zone ist mit einer Ausgangselektrode El1, die mit einem
Ausgangsanschluss K3 verbunden ist, ausgestattet. Ausgangselektrode El1 bildet Ausgangselektrodenmittel.
Die Antriebszone des piezoelektrischen Transformators ist in 4 Abschnitte
unterteilt, welche in einer Richtung senkrecht zu den gegenüberliegenden
Flächen
polarisiert sind. Die angetriebene Zone ist parallel zu den gegenüberliegenden Flächen in
einer Richtung , welche von der Antriebszone zu der Ausgangselektrode El1 zeigt,
polarisiert. Jeder der 4 Abschnitte der Antriebszone ist als rechteckiges
Parallelepiped ausgebildet. Benachbarte Abschnitte können als
durch senkrecht zu den gegenüberliegenden
Flächen
verlaufende und zwischen benachbarten Segmenten vorgesehene Grenzflächen voneinander
abgegrenzt angesehen werden. An jeder Grenzfläche verändert sich die Richtung der
Polarisation. Damit zeigt sich, dass der erste Abschnitt der Antriebszone,
welcher den Abschnitt darstellt, der sich in Kontakt mit Segment 1 befindet,
in einer ersten Richtung senkrecht zu den gegenüberliegenden Flächen polarisiert
ist. Segment 1 befindet sich mit anderen Abschnitten als
dem ersten Abschnitt nicht in Kontakt. Der erste Abschnitt ist mit
Segment 1 und Segment 1' in Kontakt. Der zweite Abschnitt
ist mit Segment 2 und Segment 1' in Kontakt. Er ist zwischen zwei
Grenzflächen
vorgesehen, wobei die erste zwischen Segment 1 und Segment 2,
die zweite dagegen zwischen Segment 1' und Segment 2' angeordnet
ist. Die Polarisation des zweiten Abschnitts ist zu der Polarisation
des ersten Abschnitts entgegengesetzt. Die zweite Grenzfläche bildet
die Grenze zwischen dem zweiten und dem dritten Abschnitt. Eine
dritte Grenzfläche,
welche zwischen Segment 2 und Segment 3 angeordnet
ist, bildet die Grenze zwischen dem dritten und dem vierten Abschnitt.
Die Polarisation des dritten Abschnitts ist mit der Polarisation
des ersten Abschnitts identisch. Der dritte Abschnitt befindet sich
mit Segment 2 und Segment 2' in Kontakt. Die Polarisation des
vierten Abschnitts ist identisch mit der Polarisation des zweiten
Abschnitts. Segment 3 ist lediglich mit dem vierten Abschnitt
in Kontakt. Der vierte Abschnitt befindet sich in Kontakt mit Segment 3 und
Segment 2'.
Damit werden die elektrisch leitenden Mittel, welche ungleichnamige Pole
entgegengesetzt polarisierter Abschnitte verbinden, in diesem Ausführungsbeispiel
lediglich durch die Segmente 1', 2 und 2' gebildet.
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Der Betrieb des in 1 dargestellten, piezoelektrischen Transformators
findet wie folgt statt: Im Falle die Anschlussklemmen K1 und K2 mit
den Polen einer Eingangsspannungsquelle verbunden sind, wird die
zwischen Anschlussklemme K1 und K2 anliegende
Eingangsspannung in eine, zwischen Anschluss K2 und Anschluss K3 bestehende
Ausgangsspannung umgewandelt. Durch die Polarisation der verschiedenen
Abschnitte der Antriebszone und die Anordnung der Segmente sind
die 4 Abschnitte zwischen Anschluss K1 und Anschluss K2 effektiv
in Reihe geschaltet. Die Reihenschaltung der Abschnitte wird auf
relativ einfache Weise realisiert, ohne dabei externe Leitungsdrähte zu benutzen.
Auf Grund dieser Reihenschaltung der Abschnitte der Antriebszone
weist Letztere eine relativ hohe Impedanz auf. Der piezoelektrische
Transformator ist zur Verwendung bei einer Eingangsspannung, die
eine relativ hohe Amplitude aufweist, wenn die Ausgangsleistung
sehr gering oder Null ist, sehr geeignet.
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Das in 2 dargestellte
Ausführungsbeispiel
eines piezoelektrischen Transformators gemäß der Erfindung ist mit einer
zweiten Antriebszone ausgestattet. Der piezoelektrische Körper ist
durch ein rechteckiges Parallelepiped dargestellt. Im Vergleich zu
dem in 1 dargestellten,
piezoelektrischen Transformator besteht der Unterschied in der zweiten angetriebenen
Zone, welche sich in Kontakt mit dem ersten Abschnitt der Antriebszone
befindet und sich in einer Richtung entgegengesetzt zu der ersten
angetriebenen Zone erstreckt. Die zweite angetriebene Zone weist
eine ähnliche
Größe wie die
erste angetriebene Zone auf. Ihre Polarisation verläuft in der gleichen
Richtung wie die Polarisation der ersten angetriebenen Zone. Ein
von der Antriebszone entferntes Ende der zweiten angetriebenen Zone
ist mit einer zweiten Ausgangselektrode El2 ausgestattet.
Die anderen Teile des in 2 dargestellten
Ausführungsbeispiels
gleichen den in 1 dargestellten Teilen
und sind durch die gleichen Symbole und Bezugsziffern wie in 1 gekennzeichnet.
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Der Betrieb des in 2 dargestellten, piezoelektrischen Transformators
ist dem Betrieb des in 1 dargestellten,
piezoelektrischen Transformators sehr ähnlich. Ein wichtiger Unterschied
bei dem Betrieb des in 1 dargestellten,
piezoelektrischen Transformators besteht darin, dass während des
Betriebs die Ausgangsspannung zwischen Anschlussklemme K3 und K4 anliegt,
so dass die Ausgangsspannung und die Eingangsspannung keinen gemeinsamen
Anschluss aufweisen. Das heißt,
dass die Ausgangsspannung von der Eingangsspannung DC-entkoppelt
ist. Dieses kann bei einigen Anwendungen sehr vorteilhaft sein,
z. B. wenn die Last des piezoelektrischen Transformators, wie dieses
in der nachfolgend erörterten 4 der Fall ist, durch eine Entladungslampe
dargestellt ist.
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In 3 handelt
es sich bei T1 und T2 um Eingangsanschlüsse zum
Anschluss an die Pole einer Gleichspannungsquelle. Eingangsanschlüsse K1 und K2 sind
durch eine Reihenschaltung von Schaltelementen S1 und S2 miteinander
verbunden. Steuerelektroden von Schaltelementen S1 und S2 sind
an jeweilige Ausgangsanschlüsse
von Schaltungsteil SC gekoppelt. Diese Kopplung ist in 3 durch punktierte Linien
dargestellt. Bei Schaltungsteil SC handelt es sich um einen Schaltungsteil
zur Erzeugung eines Hochfrequenzsignals, um Schaltelemente S1 und S2 abwechselnd
leitend und nicht leitend zu machen. Ein gemeinsamer Anschluss von
Schaltelement S1 und Schaltelement S2 ist durch
eine Reihenschaltung von Kondensator C, Spule L und
der Antriebszone eines piezoelektrischen Transformators P,
wie in 1 dargestellt,
mit Eingangsanschluss T2 verbunden. Eine Entladungslampe La ist zwischen
der Ausgangselektrode der angetriebenen Zone des piezoelektrischen
Transformators und der Eingangselektrode der Antriebszone, welche
mit Eingangsanschluss T2 verbunden ist, geschaltet.
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Der Betrieb der in 3 dargestellten Schaltungsanordnung findet
wie folgt statt.
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Im Falle die Eingangsanschlüsse T1 und T2 mit
den Polen einer Gleichspannungsquelle verbunden sind, werden Schaltelemente S1 und S2 durch ein,
von Schaltungsteil SC erzeugtes Hochfrequenzsignal abwechselnd leitend
und nicht leitend gemacht. Als Folge fließt ein Hochfrequenzstrom durch Kondensator C,
Spule L und die Antriebszone des piezoelektrischen Transformators P.
Folglich liegt zwischen den Eingangsanschlüssen der Antriebszone eine
Hochfrequenzspannung und zwischen dem Ausgangsanschluss der angetriebenen
Zone und Eingangsanschluss T2 eine weitere Hochfrequenzspannung
mit der gleichen Frequenz, jedoch einer höheren Amplitude an. Diese letztere
Hochfrequenzspannung liegt ebenfalls an der Entladungslampe La an.
Unmittelbar nach Einschalten der Schaltungsanordnung wurde die Entladungslampe
noch nicht gezündet,
und die Entladungslampe bildet daher eine sehr geringe Last. Nach
Zünden
der Entladungslampe führt.
die Entladungslampe einen Lampenstrom und bildet daher eine wesentlich
höhere
Last. Es hat sich gezeigt, dass eine Schaltungsanordnung, wie in 1 dargestellt, sowohl bei
Zündung
als auch bei stationärem
Betrieb der Entladungslampe gleichmäßig arbeitet, sehr kompakt
hergestellt werden kann und relativ kostengünstig ist.
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Der Aufbau des Hauptteils des in 4 dargestellten Ausführungsbeispiels
der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung
ist diesem des in 4 dargestellten
Ausführungsbeispiels ähnlich. Entsprechende
Komponenten sind durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Der Unterschied bei dem in 3 gezeigten
Ausführungsbeispiel
ist, dass der piezoelektrische Transformator dem in 2 dargestellten gleicht, jedoch zwei
angetriebene Zonen aufweist. Die Entladungslampe La ist zwischen
der Ausgangselektrode der ersten angetriebenen Zone und der Ausgangselektrode
der zweiten angetriebenen Zone geschaltet. Eingangsanschluss K2 ist
mit dem Erdpotential verbunden.
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Der Betrieb der in 4 dargestellten Schaltungsanordnung ist
dem Betrieb der aus 3 ersichtlichen
Schaltungsanordnung sehr ähnlich
und wird daher hier nicht näher
beschrieben. Die an der Entladungslampe La bei Zündung und
stationärem Betrieb
anliegende Hochfrequenzspannung ist gegenüber dem Erdpotential symmetrisch.
Ein allgemeiner Vorteil einer solchen symmetrischen Lampenspannung
ist, dass sie Hochfrequenzstörung
unterdrückt.
Ist die Entladungslampe durch eine Niederdruck-Quecksilberdampflampe, welche einen
relativ langen Lampenbehälter
mit einem relativ geringen Durchmesser aufweist, dargestellt, wirkt
die Symmetrie der Lampenspannung durch parasitäre Kapazitäten abgeleitetem Strom ebenfalls
entgegen.
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In 5 sind
die Eingangselektroden eines piezoelektrischen Transformators P,
wie in 1 dargestellt, über Anschlüsse K1 und K2 mit
jeweligen Ausgangsanschlüssen
eines Oszillators OSC verbunden. Oszillator OSC stellt einen Schaltungsteil zur
Erzeugung eines, zwischen den Ausgangsanschlüssen anliegenden Hochfrequenzsignals
dar. Eine Hochdruckentladungslampe La ist zwischen dem
Ausgangsanschluss der angetriebenen Zone und der Eingangselektrode,
welche mit Anschluss K2 verbunden ist, ge schaltet. Bei
Betrieb der in 5 dargestellten
Schaltungsanordnung erzeugt Oszillator OSC ein Hochfrequenzsignal,
welches zwischen den Eingangselektroden des piezoelektrischen Transformators P anliegt.
Als Folge liegt zwischen der Ausgangselektrode und der Eingangselektrode, welche
mit Anschluss K2 verbunden ist, und daher zwischen den Hauptelektroden
der Hochdruckentladungslampe La, eine Spannung mit der
gleichen Frequenz, jedoch einer höheren Amplitude an. Nach Zünden der
Hochdruckentladungslampe wird dieser durch eine, in 5 nicht
dargestellte Schaltung unverzüglich
ein Lampenstrom zugeführt.
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Die in 6 dargestellte
Schaltungsanordnung ist der in 5 gezeigten
Schaltungsanordnung sehr ähnlich,
und es werden die gleichen Bezugszeichen eingesetzt, um ähnliche
Komponenten und Schaltungsteile zu kennzeichnen. Bei dem in 6 dargestellten Aufbau liegt
die durch den piezoelektrischen Transformator P erzeugte
Ausgangsspannung zwischen einer der Hauptelektroden der Hochdruckentladungslampe La und
einer Spezialzündungselektrode Eli , welche außerhalb des Lampenbehälters in
der Nähe
einer der Hauptelektroden geschaltet ist, an. Nach Zünden der
Hochdruckentladungslampe La wird dieser durch eine, in 6 nicht dargestellte Schaltung
unverzüglich
ein Lampenstrom zugeführt.