NL8203309A - Voedingsinrichting voor een dampontladingslamp. - Google Patents

Description

it * ! < N.0. 31311 1

Voedingsinrichting voor een dampontladingslamp.

De uitvinding heeft betrekking op een halfgeleidervoorschakelin-richting voor gelijkstroom voor het met een hoog rendement toevoeren van een geregeld elektrisch vermogen aan een elektrische ontladings-lamp. Een dergelijke inrichting is bekend uit het Merikaans octrooi-5 schrift 4.289.993.

In vergelijking tot bekende gloeilampen (met wolfraam gloeidraad) leveren elektrische ontladingslampen licht met een veel hoger rendement en hebben een veel langere levensduur. Met de wetenschap van de behoefte aan het besparen Van energie en aan het verminderen van het onder-10 houd en dat de kosten zijn gestegen, worden ontladingslampen met een hoge Intensiteit (HID) dikwijls boven gloeilampen gekozen, in het bijzonder om tegemoet te komen aan industriële en commerciële behoeften, alsmede behoeften aan buitenverlichting.

Bekende HID-lampen worden gewoonlijk gevoed door een wisselstroom 15 die door een induktieve voorschakelinrichting (magnetische kern en spoel) vloeit. De voorschakelinrichting is nodig om 'de stroom door de ontladingslamp met een negatieve weerstand te begrenzen. Teneinde de noodzakelijkerwijze grote en zware magnetische voorschakelinrichting onder te brengen en te ondersteunen moeten de lamp'armaturen en arma-20 tuurondersteuningen zelf groot en sterk zijn. Aldus kunnen de betrekkelijk hoge totale Installatiekosten van HID-verlichtingssystemen grotendeels worden toegeschreven aan de kosten, afmeting en gewicht van de bekende magnetische voorschakelinrichting voor wisselstroom.

In het hierboven genoemde Merikaanse octrooischrift 4.289.993 Is 25 een uitvoeringsvorm van een elektronische halfgeleidervoorschakelin-richting beschreven, die kleiner is, lager van gewicht en minder duur is dan een bekende voorschakelinrichting met kern en spoel en die op doelmatige wijze een elektrische dampontladingslamp kan bedienen tijdens het starten, opwarmen en voortgezette gebruik, zonder dat een 30 elektromagnetische storing of akoestische trillingen worden opgewekt.

Bij deze bekende inrichting is de ontladingslamp in serie geschakeld met een halfgeleidervoorschakelinrichting, aangesloten over een bron van gelijkspanning. De voorschakelinrichting bewaakt en regelt de energiestroom naar de lamp door het begrenzen van de stroom naar de 35 lamp tot een veilige waarde, wanneer de lamp eerst wordt ontstroken en waarna bij het afnemen van de effectieve weerstand van de besturingske-ten wanneer de dampdruk binnen de lamp toeneemt, daardoor gedurende normaal bedrijf het in de voorschakelinrichting gedissipeerde vermogen 8203309 i ï V 2 grotendeelsa wordt verminderd voor een verhoogd rendement.

De halfgeleidervoorschakelinrichting die in serie is geschakeld met de lamp, omvat een vaste voorschakelweerstand en een of meer parallel geschakelde transistoren. Op het tijdstip dat de lamp wordt ontsto-5 ken, is de parallelschakeling van transistoren hoofdzakelijk in de geblokkeerde toestand, zodat hoofdzakelijk de gehele lampstroom door de vaste voorschakelweerstand vloeit. Wanneer de lampspanning toeneemt en de lampstroom afneemt (als gevolg van de toename van de dampdruk binnen de lamp tijdens de opwarmingsperiode), worden middelen die op de ver-10 anderende werkparameters van de lamp reageren, toegepast om de geleidbaarheid van de transistor(en) te verhogen, waarbij een secundaire stroombron voor de lamp wordt gevormd en de effectieve weerstand en de vermogensdissipatie van de voorschakelinrichting wordt verminderd.

Hoewel halfgeleidervoorschakelinrichtingen die volgens de in het % 15 hierboven genoemde octrooischrift beschreven principes zijn geconstrueerd, aanzienlijke voordelen bleken te bezitten, levert de technologie van halfgeleiderinrichtingen (discrete bipolaire halfgeleiders) die wordt toegepast voor het realiseren van de benodigde functies, een enigszins complexe fysische inrichting gekenmerkt door een groot aantal 20 afzonderlijke componenten en overeenkomstig hogere kosten tijdens fa-brikage en een hoger risico van storingen in de schakeling als gevolg van een defect van een component of een samenstellingsfout.

De uitvinding heeft derhalve ten doel de afmeting, de kosten en de ingewikkeldheid van de voorschakelinrichting voor de toepassing bij 25 elektrische ontladingslampen, in het bijzonder HID-damplampen van het in algemene verlichtingstoepassingen gebruikte type nog verder te verminderen.

Een daarmee verband houdende doelstelling van de uitvinding is het regelen van de aan een elektrische dampontladingslamp toegevoerde ener-30 gie in responsie op de veranderende werkparameters van de lamp en dit uit te voeren door middel van een halfgeleiderinrichting waarvan de werkeigenschappen op unieke wijze zijn aangepast aan zulk een doelstelling.

Volgens een principieel kenmerk van de uitvinding wordt de aan een 35 elektrische ontladingslamp geleverde energie bij voorkeur bestuurd door het aansluiten van de lamp over een gelijkstroombron in serie met het kanaal tussen toevoer- en afvoerelektrode van een velfeffecttransistor (FET) met een geïsoleerde poortelektrode, waarbij de geleidbaarheid van het kanaal wordt geregeld door een stuurpotentiaal die aan de poort-40 elektrode van de FET wordt toegevoerd.

8203309 \ * * 3 \

Volgens een ander kenmerk van de uitvinding heeft de FET bij voorkeur de vorm van een vermogenstransistor van het vertikale metaaloxide-halfgeleidertype (VMOS), waarvan het kanaal vertikaal is gericht ten opzichte van het "horizontale" hoofdvlak van de halfgeleiderplaat. Zul-5 ke VMOS-inrichtingen kunnen op bekende wijzen worden gefabriceerd door het etsen van een V-vormige groef in het oppervlak van een silicium-plaat, waarbij het vertikale (of nagenoeg vertikale) kanaal langs de zijden van de groef wordt gevormd.

Volgens nog een ander kenmerk van de uitvinding biedt de hoge in-10 gangsimpedantie en de hoge versterkingsfactor van de VMOS-FET de mogelijkheid de geleidbaarheid van het kanaal daarvan op nauwkeurige en betrouwbare wijze te besturen in responsie op zowel de lampstroom als de spanningsfluctuaties van de lamp, door middel van een eenvoudige bestu-ringsketen die volgens een bij voorkeur toe te passen uitvoeringsvorm 15 van de uitvinding bestaat Uit de combinatie van een weerstand (die met de lamp in serie is geschakeld om de lampstroom te detecteren), een spanningsdeler (die parallel aan de lamp is geschakeld om de lampspan-ning te detecteren), en een enkele transistor van laag vermogen, die een stuurpotentiaal aan de póortelektrode van de FET levert om de wer-20 king van de lamp te regelen.

De verbeterde halfgeleidervoorschakelinrichting volgens de uitvinding kan op voordelige wijze worden gefabriceerd in de vorm van een enkele hybride micro-elektronische schakeling, waarbij de siliciumplaat die de VMOS-FET vormt, de bipolaire stuurtransistor, en de gelijkrich-25 tende diodes in de gelijkstroomvoedingsinrichting rechtstreeks zijn verbonden met een niet-geleidend substraat waarop een geschikt patroon van metallische geleiders en dunne-filmweerstanden zijn aangebracht. Op deze wijze kunnen alle componenten van de voorschakelinrichting (met uitzondering van de vaste voorschakelweerstand en de condensatoren van 30 de voedingsinrichting) in feite worden gereduceerd tot een enkel component dat gemakkelijk in serie kan worden geproduceerd.

Volgens nog een ander kenmerk van de uitvinding kan door de kleine afmeting van de voorschakelinrichting, deze als een één geheel vormend deel van de lamp zelf worden vervaardigd, waarbij de voorschakelweer-35 stand de vorm heeft van een wolfraamgloeidraad die een gloeilampver-lichting vormt tijdens de startperiode van de damplamp.

Volgens weer een ander kenmerk van de uitvinding is een met de hand instelbare weerstand in de schakeling opgenomen om de geleidbaarheid van het kanaal van de VMOS-FET te besturen om te voorzien in mid-40 delen voor het met de hand instellen ("dimmen") van het niveau van het 8203309

V

4 β * door de lamp geleverde licht.

Volgens een ander aspect van de uitvinding kan een lichtgevoelige halfgeleider worden gebruikt om de geleidbaarheid van de VMOS-inrich-ting te besturen, teneinde het lichtniveau nabij de lamp te regelen.

5 De uitvinding zal hierna nader worden toegelicht aan de hand van de tekeningen. In de tekeningen toont: figuur 1 een schema van een halfgeleidervoorschakelinrichting die de hoeveelheid aan een HID-lamp toegevoerde energie bestuurt, waarin de principes van de uitvinding zijn toegepast; 10 figuur 2 een schema van een bekende halfgeleidervoorschakelinrich- ting waarin discrete bipolaire transistoren worden toegepast; figuur 3 een "zelf-ballast"-HID-lamp, waarbij de voorschakelin- richting is ondergebracht binnen het halsdeel van de lamp en de voor- schakelweerstand een gloeidraad van een gloeilamp omvat, die tesamen % 15 met de HID-boogontladingsbuis binnen een uitwendige glasballon is ondersteund; figuur 4 een schema van een regelbare halfgeleidervoorschakelin-richting waarin de principes van de uitvinding zijn toegepast; en figuur 5 een schema van een voorschakelinrichting voor een con-20 stante verlichting, waarbij een fototransistor wordt gebruikt, die op het lichtniveau nabij de lamp reageert om de geleidbaarheid van het VMOS-kanaal te besturen.

De halfgeleidervoorschakelinrichting die in figuur 1 binnen de met een onderbroken lijn getekende rechthoek 100 is getoond, stelt een ver-25 betering voor ten opzichte van en een aanzienlijke vereenvoudiging van de schakeling voor, die binnen de met een onderbroken lijn getekende rechthoek 100 van figuur 2 is getoond. Een vergelijking tussen de figuren 1 en 2 zal openbaren dat in de twee schakelingen alle componenten buiten de rechthoek 100 identiek zijn. In de volgende beschrijving zal 30 eerst de werking van de in figuur 1 getoonde verbeterde schakeling worden beschreven, gevolgd door een vergelijking van de verbeterde schakeling met de bekende in figuur 2 getoonde schakeling.

Het actieve hoofdelement dat in de verbeterde voorschakelinrichting van figuur 1 wordt toegepast, is een veldeffecttransistor (FET) 35 van het vertikale metaaloxide halfgeleidertype (VM0S) 10, waarvan het kanaal tussen toevoer- en afvoerelektrode is aangesloten tussen de positieve klem van een gelijkspanningsvoeding en een einde van een stroomdetecterende weerstand 125. Een vaste voorschakelweerstand 11 is parallel aan het kanaal van de FET 10 geschakeld. De poortelektrode van 40 de FET 10 is met de collector van een bipolaire transistor 12 verbon- 8203309 ♦ * % . , 5 den, waarvan de emitter met het verbindingspunt van een paar weerstanden 13 en 14 verbonden. De seriecombinatie van de weerstanden 13 en 14 vormt een spanningsdeler die in serie met een in omgekeerde richting ingestelde zenerdiode over de lamp 35 is aangesloten. De collector van 5 de transistor 12 en de poortelektrode van de FET 10 zijn door een weerstand 15 met de positieve klem van de gelijkspanningsvoedlng verbonden.

Een weerstand 16 verbindt de basis van de transistor 12 met de toevoer-elektrode van de FET 10.

De gelijkspanningsvoedlng omvat een bekende dubbelzijdige gelijk-10 richterbrug, die bestaat uit diodes 30, een paar spanning-verdubbelende codensatoren 31 en een filtercondensator 32. Wanneer de wisselspanning uit het net wordt toegevoerd aan de klemmen 120 en 121 en alvorens de lamp 35 wordt ontstoken, stijgt de spanning over de filtercondensator 32 tot een waarde die geschikt is om de lamp 35 te ontsteken (nagenoeg 15 300 volt voor een kwikdamplamp). Vanwege de kleine capaciteit van de verdubbelende condensatoren 31 (met betrekking tot die van de filtercondensator 32) wordt de verdubbelingswerking van de spanning beëindigd zodra de lamp 35 een wezenlijke stroom uit de voeding afneemt.

Onmiddellijk na ontsteken daalt de spanning over de lamp 35 tot 20 een lage waarde (bijvoorbeeld 15 volt). Deze lage beginspanning van de lamp is het gevolg van het feit dat in HID-lampen de elektronenstroom aan het begin slechts plaats vindt door een startgas, zoals argon. Wanneer de lamp blijft branden, begint de warmte daarin het kwik, natrium of een metaalhalogenide te verdampen, die op de binnenwanden van de 25 koude ontladingsbuis wordt neergeslagen. Wanneer de dampdruk binnen de buis wordt opgebouwd, neemt de spanning over de lamp toe en neemt de stroom door de lamp af.

Teneinde de lamp te beschermen tegen een te grote stroom en deze te brengen in een gewenst werkpunt, wordt het kanaal van de FET 10 aan-30 vankelijk in een niet-geleidende toestand gehandhaafd, zodanig dat onmiddellijk na ontsteken nagenoeg de gehele lampstroom door de vaste voorschakelweerstand 11 stroomt. Deze niet-geleidende toestand van de FET 10 aan het begin wordt verzekerd door de hoge startstroom die door de stroomde1;ecterende weerstand 125 vloeit, die de basis-emitterover-35 gang van de transistor 12 in geleidingsrichting instelt om de spanning tussen poortelektrode en toevoerelektrode van de FET 10 op een niveau .te houden, dat lager is dan gewenst is voor de geleiding van het kanaal.

De weerstand van de vaste voorschakelweerstand 11 is bij voorkeur 40 zodanig gekozen, dat deze de beginstroom van de lamp begrenst tot een 8203309 6 Ψ Ϊ waarde die nagenoeg gelijk is aan 120% van de nominale stroom van de lamp bij zijn nominale bedrijfsspanning.

Wanneer tijdens het opwarmen de lampspanning toeneemt en de lamp-stroom afneemt wordt eventueel een drempelniveau bereikt, waarbij het 5 afschakelen van de bipolaire transistor 12 wordt ingeleid, de aan de poortelektrode van de FET 10 toegevoerde potentiaal stijgt en het kanaal tussen toevoerelektrode en afvoerelektrode van de FET 10 geleidend wordt gemaakt. Wanneer de stroom door het kanaal van de FET 10, alsmede door de weerstand 11 begint te lopen, geeft een extra stroom door de 10 weerstand 125 aanleiding tot het aanschakelen van de transistor 12 en het uitschakelen van de FET 10. De gecombineerde versterking van de transistor 12 en de FET 10 heeft een negatieve terugkoppeleigenschap om de lampstroom te regelen nadat het drempelniveau is bereikt.

Vanwege fabrikagevariaties werken verschillende lampen van het-15 zelfde type in werkelijkheid met verschillende spanningen en stromen wanneer zij volledig zijn opgewarmd. Teneinde de verkregen hoeveelheid licht te standaardiseren is het gewenst om een vooraf bepaald nominaal niveau van energie aan zulke lampen te leveren ondanks variaties van hun werkspanningen. Om dit uit te voeren reageert de halfgeleidervoor-20 schakelinrichting ook op variaties van de lampspanning. De spanningsde-lingsfunctie van de weerstanden 13 en 14 levert een verschuivingsspan-ning over de weerstand 14 die in feite het drempelniveau van de lampstroom verschuift naar een lagere waarde, voor lampen die een hogere werkspanning hebben. Totdat de lampspanning de omgekeerde doorslagspan-25 ning van de zenerdiode 18 overschrijdt, heeft de lampspanning geen invloed op de geleidbaarheid van de FET 10 die nadat deze eerst geleidend wordt, een constante stroom aan de lamp 35 levert. Wanneer echter de diode 18 eenmaal geleidt, vermindert een verdere toename van de lampspanning het geregelde drempelniveau van de lampstroom, zodanig dat na-30 bij de nominale werkspanning van de lamp (bij een volledige lampdruk), de schakeling de afgifte van een nominaal energieniveau aan de lamp waarborgt.

Voorts wordt opgemerkt dat de voorschakelinrichting de afgifte van energie aan de lamp slechts regelt in responsie op de werktoestand van 35 de lamp zelf en onafhankelijk is van de fluctuaties in de netspanning die in commerciële energiesystemen volgens verwachting kunnen variëren van 108 tot 132 wisselspanning.

Teneinde voor een gestandaardiseerd niveau van verlichting en nagenoeg constante energie aan de lamp af te geven, zijn de relatieve 40 waarden van de weerstanden 13, 14 en 125 zodanig gekozen, dat in het 8203309 \ 7 • ·*· nominale werkpunt van de lampen, elke afname van lampspanning wordt gecompenseerd door een toename van de lampstroom (en omgekeerd). Bijvoorbeeld zijn voor het bedrijven van een kwikdamplamp van 175 watt en van het type H39, de volgende componenten en waarden geschikt: 5 VMOS FET 10 VN0340N1 (verkrijgbaar bij Supertex,

Inc. of Sunnyvale, California) weerstand 11 85 ohm, 100 watt transistor 12 bipolaire NPN-transistor van het type 3904 10 weerstand 13 180 K ohm, 1/4 watt weerstand 14 50 ohm, 1/4 watt weerstand 15 100 K ohm, 1/4 watt weerstand 16 200 ohm, 1/4 watt diode 18 100 volt, 1 watt 15 condensator 31 5 microfarad, 200 volt wisselspanning condensator 32 240 microfarad, 350 volt lamp 35 H39 kwikdamp weerstand 125 5 ohm, 5 watt

De VMOS-FET 10 bezit eigenschappen die deze uniek geschikt maken 20 voor de functie van het besturen van de stroom door een elektrische ontladingslamp. Eerst, bezitten veldeffecttransistoren met een geïsoleerde poort die met fysische eigenschappen werken die afwijken van bipolaire transistoren, een zeer hoge ingangsimpedantie, waardoor deze door besturingsinrichtingen met een zeer laag vermogen kunnen worden 25 bestuurd, De planaire veldeffecttransistor van het metaaloxide- halfge-leidertype (MOS), hoewel uitgebreid toegepast bij de konstruktie van complexe geïntegreerde schakelingen, vertoont een hoge spanning in de aan-toestand, waardoor de standaard MOS FET ongeschikt is voor het besturen van grote stromen. Als gevolg daarvan worden dikwijls bipolaire 30 inrichtingen voor zulke hoge vermogenstoepassingen gekozen. De betrekkelijk recente ontwikkeling van de nieuwe familie van VMOS-inrichtingen die zodanig zijn geconstrueerd, dat de kanaalstroom hoofdzakelijk vertikaal ten opzichte van het horizontale hoofdvlak van de plaat loopt, heeft het mogelijk gemaakt de verhouding van kanaallengte tot kanaal-35 breedte sterk te verkleinen voor een aanzienlijk verbeterde stroombe-handelingsmogelijkheid.

De bekende voorschakelinrichting waarin bipolaire vermogenstran-sistoren worden toegepast, is in figuur 2 van de tekening getoond (zie Amerikaans octrooischrift 4.289.993) en illustreert door vergelijking 40 de voordelige eigenschappen van de toepassing van een VMOS-FET als het 8203309

- V

8 actieve hoofdelement van de voorschakelinrichting van de lamp.

Zoals in figuur 2 is getoond, werden een paar parallel geschakelde bipolaire vermogenstransistoren 51 en 53 die door een thermistor 60 worden beschermd, vroeger toegepast om parallel te schakelen aan de 5 voorschakelweerstand 40. Twee bipolaire transistoren (in vergelijking tot de enkele VMOS-inrichting 10) waren nodig om de betreffende grote stromen te behandelen en emitterweerstanden 55 en 57 waren nodig om "current hogging" door een van de bipolaire transistoren te verhinderen, een probleem dat een slechte invloed heeft door het feit dat bipo-10 laire inrichtingen onderhevig zijn aan "thermisch weglopen" en "secundaire doorslag". In afwijking daarvan neemt bij de VMOS-FET van figuur 1 de geleidbaarheid van de inrichting niet toe bij een toename van de temperatuur en treedt een secundaire doorslag niet op.

Een aanzienlijke basisstroombesturing voor de vermogenstransisto-15 ren 51 en 53 is in de bekende inrichting van figuur 2 vereist, met als gevolg de noodzaak van een aantal in cascade geschakelde transistoren in de besturingsschakeling om de benodigde versterking te bereiken. Aangezien het aantal in cascade geschakelde transistoren hoog is, vereist het potentiële cumulatieve effect van fabrikagevariaties in ver-20 sterkingsfactor (β) van de transistor het invoeren van een nog grotere versterking met een negatieve terugkoppeling om een betrouwbare werking te verkrijgen. In totaliteit vereist de bekende voorschakelinrichting waarin zoals in figuur 2 is getoond discrete bipolaire inrichtingen worden toegepast, een totaal van 25 afzonderlijke componenten zoals te 25 zien is (binnen de met een onderbroken lijn aangegeven rechthoek 100 van figuur 2), terwijl de verbeterde schakeling van figuur 1 slechts acht componenten vereist en zoals eerder is opgemerkt zijn deze zelfs geschikt voor de combinatie in een enkelvoudige hybride micro-elektro-nische inrichting. Aldus dragen de hoge ingangsimpedantie, de hoge ver-30 sterking en de hoge stroombehandelingsmogelijkheid van de VMOS-FET allen bij aan de vereenvoudiging van de schakeling en verminderen voorts de afmeting, de kosten en het gewicht daarvan.

Volgens een ander aspect van de uitvinding kan de kleine goedkope voorschakelinrichting met voordeel worden geconstrueerd als een één ge-35 heel vormend gedeelte van de ballonsamenstelling van de lamp, zoals in figuur 3 van de tekening is getoond. De principiële elektronische componenten van de voorschakelinrichting kunnen, zoals eerder vermeld worden gefabriceerd in de vorm van een enkele hybrideschakeling 200, zoals rechts van figuur 3 schematisch is getoond, en kunnen in de hals van de 40 ballonsamenstelling worden geplaatst, zoals schematisch links van fi- 8203309 9 % guur 3 is getoond.

De diverse componenten van de schakeling werken zoals hierboven is toegelicht en zijn aangegeven met dezelfde verwijzingsnummers als in figuur 1. In de in figuur 3 getoonde hybrideschakeling is de spanning-5 detecterende schakeling gewijzigd om de behoefte aan de in vergelijking dure hoogspanningszenerdiode 18 die in figuur 2 is getoond, te elimineren. De diode 18 en de weerstanden 13 en 14 zijn vervangen door de se-rieschakeling van de weerstanden 18 en 20 die over de lamp is aangesloten (tussen de klemmen B en D), van een in voorwaartse richting voorge-10 spannen diode 19 die is geschakeld tussen de emitter van de transistor 12 en het verbindingspunt van de weerstanden 18 en 20, en een weerstand 21 die de emitter van de transistor 12 met de klem D (het verbindingspunt van de stroomdetecterende weerstand 125 en de boogontladingsbuis 230) verbindt. Slechts een fractie van de lampspanning verschijnt over 15 de weerstand 20, zodat de diode 19 niet in voorwaartse richting wordt voorgespannen, totdat de potentiaal over de boogontladingsbuis 230 zijn normaal werkniveau bereikt.

De hybrideschakeling 200 is op bekende wijze gefabriceerd door het bekleden van een elektrisch niet-geleidende substraat (zoals uit kera-20 misch materiaal, silicium of berylium) met een gemetalliseerd patroon van geleiders waarmee de halfgeleiderplaten (de VMOS-FET 10, de bipolaire transistor 12 en de diodes 30) zijn verbonden. De weerstanden 13-15 en 125 hebben de vorm van halfgeleiderinrichtingen of neergeslagen filminrichtingen. Door toepassing van een uit verscheidene instel-25 methoden (oxidatie, temperatuurbehandeling, instellen met behulp van een laserbundel of afslijpen), kunnen de toleranties van de absolute waarden van de filmweerstanden worden ingesteld tot 1 tot 0,01% van de gewenste waarde. Op deze wijze kan de betrekking tussen de waarden van de weerstanden 13, 14 en 125 op nauwkeurige wijze worden ingesteld, zo-30 danig dat de hybrideschakeling 200 het gewenste energieniveau aan de HD-boogontladingsbuis levert.

In de in figuur 3 getoonde inrichting wordt de functie van de vaste voorschakelweerstand 11 die in figuur 1 is getoond, uitgevoerd door een wolfraamgloeidraad van 200 watt, die in figuur 3 met 210 is aange-35 geven en die binnen de uitwendige glasballon 220 van de lamp is aangebracht. De ballon 220 die gedeeltelijk is geëvacuëerd en/of met een inert gas is gevuld om te verhinderen dat de gloeidraad 210 oxideert, bevat ook de boogontladingsbuis 230 uit kwarts, die de kwikdampontla-dingslamp van de samenstelling vormt. De gloeidraad 210, de ballon 220 40 en de boogontladingsbuis 230 hebben elk een bekende konstruktie. De 8203309 10 elektrische verbinding met de wisselspanningsbron wordt tot stand gebracht door een standaard lampfitting 240 van het schroeftype. De ver-wijzingsletters A tot en met E in figuur 3 geven de wijze aan waarop de lampelementen binnen de ballon 230 onderling zijn verbonden met de hy-5 bride schakelingsplaat 200, de wisselspanningsvoeding die aan de fitting 240 wordt toegevoerd, de filtercondensator 32 en de spanning verdubbelende condensator 31. (Opgemerkt wordt dat slechts een spanning-verdubbelende condenator wordt toegepast.)

Door toepassing van de geïntegreerde konstruktie van voorschakel-10 inrichting en lamp, die in figuur 3 is geïllustreerd, is een directe omzetting van verlichtingsarmaturen met gloeilampen met een laag rendement in HID-verlichtlng mogelijk zonder een wijziging van het armatuur zelf. De oude gloeilampballon wordt louter vervangen door de meer efficiënte en meer lichtgevende HID-lamp met een langere levensduur. De 15 startgloeidraad 210 levert extra licht tijdens de startperiode van de HID-boogontladingsbuis 230, terwijl deze de buis beschermt tegen beschadigende stromen, en dissipeert de warmte van de voorschakelweer-stand door straling.

De buitenmantel 240 waaraan de hybrideschakeling 200 thermisch is 20 bevestigd, omgeeft de hals van de lampsamenstelling en functioneert als een warmte-opneemorgaan om de opbouw van een hoge temperatuur te verhinderen. Bij een andere uitvoeringsvorm kan de hybrideschakeling worden gebruikt om de combinatie van bekende gloeilampen en HID-lampen in gescheiden ballonnen te voeden, in hetzij gemeenschappelijke of ge-25 scheiden armaturen, waarbij de gloeilamp slechts tijdens de startperiode is aangeschakeld.

Het is duidelijk dat de beschreven inrichtingen louter een illustratie zijn van een toepassing van de principes van de uitvinding. Talrijke wijzigingen kunnen aan de bepaalde voorschakelinrichting en de 30 beschreven lampkonstrukties worden aangebracht zonder het kader van de uitvinding te verlaten.

De principes van de uitvinding kunnen worden toegepast bij het construeren van een halfgeleidervoorschakelinrichting die middelen omvat voor het met de hand instellen van het lichtniveau dat door een 35 HID-damplamp wordt afgegeven. Figuur 4 toont zulk een inrichting. De schakeling lijkt op de schakeling die eerder aan de hand van de figuren 1 en 3 is besproken, en bevat de bipolaire transistor 12 die de geleidbaarheid van het kanaal van de FET 10 bestuurt, die parallel is geschakeld aan de vaste voorschakelweerstand 11. (Zoals eerder vermeld bij de 40 bespreking van figuur 3, kan de weerstand 11 de vorm aannemen van een 8203309 * 11 gloeidraad van een gloeilamp*) Echter zijn de spaningdetecterende elementen van de eerder toegelichte besturingsschakelingen In de In figuur 4 getoonde opstelling weggelaten en Is de vaste stroomdetecterende weerstand 125 vervangen door een met de hand Instelbare potentiometer 5 21. Een weerstand 22 verbindt de "loper" van de potentiometer 22 met de basis van de transistor 12, waarvan de emitter rechtstreeks is verbonden met de positieve zijde van de lamp 35.

Wanneer de potentiometer 21 is ingesteld om de nominale werkstroom aan de lamp 35 te leveren, blijft de FET 10 in de niet-geleidende toe-10 stand, wanneer de lamp 35 onmiddellijk na het ontsteken warmer wordt. Wanneer de stroom door de pontentiometer 22 daalt tot het drempelniveau, worden het uitschakelen van de transistor 35 en het inschakelen van de FET 10 ingeleid. Daarna handhaaft de in figuur 4 getoonde schakeling een constante stroom door de lamp 35 wanneer de opwarmperiode is 15 voltooid en de volledige dampdruk is opgebouwd.

Gedurende normaal bedrijf en indien de potentiometer 21 is ingesteld om de stroomdetecterende weerstand tussen de basis van de transistor 12 en de lamp 35 te verhogen, zal een lagere lampstroom dezelfde netto voorwaartse voorspanning van de transistor 12 leveren. Als gevolg 20 daarvan kan de lampstroom over een aanzienlijk gebied worden ingesteld om het door de lamp geleverde lichtniveau te regelen. Wanneer de lamp eenmaal de volledige dampdruk heeft bereikt, blijft de lampspanning hoofdzakelijk constant, wanneer de lampstroom afneemt om de lamp te dimmen. Aldus neemt wanneer de stroom door de lamp wordt verlaagd door 25 het verminderen van de geleidbaarheid van de FET 10, de hoeveelheid door de FET 10 gedissipeerde energie eveneens af.

Aangezien de voorschakelinrichting volgens de uitvinding het door de lamp geleverde lichtniveau kan besturen, kan een lichtgevoelige halfgeleider in de besturingsschakeling worden opgenomen, zodanig dat 30 het lichtniveau nabij de lamp kan worden geregeld.

Figuur 5 toont een voorbeeld van zulk een inrichting waarin een fototransistor 25 is opgenomen om de geleidbaarheid van het kanaal tussen toevoerelektrode en afvoerelektrode van de FET 10 te besturen. In de in figuur 5 getoonde inrichting is een potentiometer 26 in serie ge-35 schakeld met het kanaal van de FET 10 en de lamp 25. De loper van de potentiometer 26 is met de basis van de bipolaire transistor 12 verbonden door middel van de serieschakeling van de weerstanden 27 en 28. De collector-emltterbadn van de fototransistor 25 is aangesloten tussen de toevoerklem van de FET 10 en het verbindingspunt van de weerstanden 27 40 en 28.

8203309 * 12

Zoals in het geval van de eerder besproken schakelingen houdt de hoge beginstroom van de lamp die volgt op de ontsteking, de transistor 12 in de aan-toestand en de FET 10 in de uit-toestand, totdat de lamp 35 is verwarmd. Wanneer de potentiometer 26 is ingesteld om het gewens-5 te lichtniveau af te geven, vermindert elke afname van het door de fo-totransistor 25 gedetecteerde lichtniveau de voorwaartse voorspanning van de transistor 12, hetgeen aanleiding geeft tot het aanschakelen van de transistor en het uitschakelen van de FET 10. Op dezelfde wijze zal elke toename van het door de fototransistor 25 gedetecteerde lichtni-10 veau aanleiding geven tot het verminderen van de grootte van de ver-lichtingsstroom die aan de lamp 35 wordt geleverd. De fototransistor 25 kan de vorm aannemen van een planaire NPN-silicium fototransistor (zoals van het type L14H3 van "General Electric"), die hoofdzakelijk functioneert als een constante-stroominrichting die een stroom levert die 15 rechtstreeks in verband staat met de gedetecteerde lichtintensiteit. Bijvoorbeeld varieert de stroom die door het type L14H3 van "General Electric" wordt geleverd, van ongeveer 0,1 mA bij een verlichting van 2 mw/cm^ tot ongeveer 1,2 mA bij 20 mw/cm^.

Een op lichtintensiteit reagerende HID-voorschakelinrichting van 20 het in figuur 5 geïllustreerde type kan worden aangebracht om een constante lichtopbrengst uit de lamp te waarborgen, wanneer het rendement daarvan daalt, doordat de fototransistor rechtstreeks met de lamp is gekoppeld. Bij een andere uitvoeringsvorm kan de fototransistor worden afgeschermd tegen een directe straling van de lamp, zodat deze in 25 plaats daarvan op licht van de omgevingsruimte reageert. Optische vezels kunnen worden toegepast om licht van de gewenste plaats naar de fototransistor te richten. Bij de laatstgenoemde opstelling zal de lamp automatisch dimmen, wanneer het licht in de ruimte ten dele wordt geleverd door zonlicht en zal automatisch 's avonds of in bewolkte perioden 30 weer helderder worden. Indien de lampstroom daalt onder het niveau dat nodig is om de lamp warm te houden, zal de lamp automatisch uitdoven en kunnen extra fotogevoelige middelen (niet getoond) worden toegepast om te vermijden dat de lamp opnieuw wordt ontstoken, tenzij het niveau van het omgevingslicht beneden een vooraf bepaald niveau is. Op deze wijze 35 kan de besturingsschakeling volgens de uitvinding bijvoorbeeld worden toegepast om de werking van binnen- en buitenlichten te besturen, die automatisch worden aangeschakeld, waarvan de helderheid voldoet aan variërende verlichtingsbehoeften en die automatisch wordt uitgeschakeld wanneer in het geheel geen verlichting nodig is.

8203309

Claims (32)

1. Voedingsinrichting voor een elektrische dampontladingslamp gekenmerkt door een bron van een gelijkspanning, een voorschakelweerstand, een veldeffecttransistor met een geïsoleerde poort van het VMOS- 5 type met een poortelektrode en een kanaal tussen toevoerelektrode en afvoerelektrode, eerste schakelmiddelen voor het in serie schakelen van het kanaal en de damplamp over de bron, tweede schakelmiddelen voor het parallel schakelen van de voorschakelweerstand aan het kanaal, en re-gelmiddelen die reageren op variaties in de hoeveelheid elektrische 10 energie die aan de lamp wordt geleverd, teneinde de aan de poortelektrode toegevoerde potentiaal te variëren om de geleidbaarheid van het kanaal te besturen.

2. Voedingsinrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de regelmiddlen middelen omvatten voor het wijzigen van de aan de poort- 15 elektrode toegevoerde potentiaal om de geleidbaarheid van het kanaal te verhogen wanneer de stroom door de lamp onder een drempelniveau daalt.

3. Voedingsinrichting volgens conclusie 2, gekenmerkt door middelen voor het verschuiven van het drempelniveau naar een lagere stroomwaarde in responsie op een toenemende lampspanning.

4. Voedingsinrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de regelmiddelen een weerstand omvatten, die in serie met de lamp is ge- -schakeld om de waarde van de stroom door de lamp te detecteren.

5. Voedingsinrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de regelmiddelen voorts middelen omvatten voor het detecteren van de 25 grootte van de spanning over de lamp.

6. Voorschakelinrichting voor het verbinden van een ontladingslamp met een hoge intensiteit met een gelijkspanningsbron, gekenmerkt door een veldeffecttransistor met geïsoleerde poort van het VMOS-type met een poortelektrode en een kanaal tussen toevoerelektrode en afvoerelek- 30 trode, een vaste voorschakelweerstand die parallel geschakeld is aan het kanaal, een stroomdetecterende weerstand voor het in serie schakelen van de parallelschakeling van kanaal en voorschakelweerstand met de lamp, een spanningdetecterende weerstand die met de lamp is verbonden, en een stuurtransistor met een ingangsschakeling die met de detecteren- 35 de weerstanden is verbonden, en met een uitgangsschakeling die met de poort van de veldeffecttransistor is verbonden.

7. Voorschakelinrichting volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de stuurtransistor de aan de poort toegevoerde potentiaal varieert om de geleidbaarheid van het kanaal te verhogen in responsie op het toene- 40 men van de dampdruk binnen de HID-lamp. 8203309

8. Een HID-lamp met een automatische voorschakelinrichting, gekenmerkt door een elektrische boogontladingsbuis en een wolfraamgloeidraad die binnen een glasballon zijn gemonteerd, een veldeffecttransistor met geïsoleerde poort van het VMOS-type met een stuurelektrode en een ge-5 leidingsweg, schakelmiddelen voor het in serie schakelen van de gelei-dingsweg met de boogontladingsbuis en parallel aan de gloeidraad, en middelen die met de stuurelektrode zijn verbonden voor het verhogen van ft de geleidbaarheid van de geleidingsweg in responsie op een toename van de dampdruk binnen de boogontladingsbuis.

9. Lamp volgens conclusie 8, gekenmerkt door een lampfitting die aan de glasballon is bevestigd door middel van een halsdeel, welke fitting uitwendige elektrisch geleidende kontaktmlddelen bevat voor het tot stand brengen van een elektrische verbinding met een houder van een voedingsinrichting, en middelen voor het monteren van de transistor 15 binnen het halsdeel.

10. Lamp met een automatische voorschakelinrichting, gekenmerkt door een glasballon, een lampfitting met externe geleidende kontaktmid-delen die elektrische verbindingen met een houder van een wisselspan-ningsbron tot stand kunnen brengen, een halsdeel die de ballon aan de 20 fitting bevestigt, een elektrische boogontladingsbuis die binnen de ballon is gemonteerd, een weerstandsgloeidraad die kan worden verwarmd om te gloeien en die binnen de ballon is gemonteerd, en een elektronische besturingssGhakeling die binnen het halsdeel is gemonteerd, welke besturingsschakeling bestaat uit een gelijkrichter met een ingangsscha-25 keling die met de geleidende kontaktmiddelen is verbonden, en met een uitgangsschakeling die een gelijkspanningsbron vormt, een transistor met een stuurelektrode en een geleidingsweg, schakelmiddelen voor het in serie schakelen van de geleidingsweg met de boogontladingsbuis over de bron, schakelmiddelen voor het parallel schakelen van de gloeidraad 30 aan de geleidingsweg, en middelen die met de stuurelektrode zijn verbonden en reageren op de waarde van de elektrische energie die aan de boogontladingsbuis wordt geleverd, teneinde de geleidbaarheid van de geleidingsweg te besturen.

11. Lamp volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat de transistor 35 een veldeffecttransistor met geïsoleerde poort van het vertikale me- taaloxide halfgeleidertype is-

12. Lamp volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat de middelen voor het besturen van de geleidbaarheid van de geleidingsweg zijn voorzien van middelen voor het handhaven van de niet-geleidende toestand 40 van de weg, totdat de stroom door de ontladingsbuis is gedaald tot een 8203309 * „ drempelniveau.

13. Lamp volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat de middelen voor het besturen van de geleidbaarheid van de geleidingsweg voorts middelen omvatten die reageren op de spanning over de ontladingsbuis om 5 de waarde van het drempelniveau van de stroom te wijzigen, teneinde een vooraf bepaald nominaal niveau van elektrische energie aan de ontladingsbuis af te geven.

14. Voedingsinrichting voor het bedienen van een dampontladings-lamp gekenmerkt door een gelijkspanningsbron, een veldeffecttransistor 10 van het vertikale metaaloxide halfgeleidertype (MOS FET) met een kanaal tussen toevoerelektrode en afvoerelektrode en een poortelektrode, middelen die het kanaal in serie schakelen met de lamp en over de bron, en middelen voor het toevoeren van een stuurpotentiaal aan de poortelektrode om de geleidbaarheid van het kanaal te verhogen in responsie op 15 de toename van de dampdruk in de lamp, wanneer deze wordt verwarmd volgend op het ontsteken daarvan.

15. Voedingsinrichting volgens conclusie 14, met het kenmerk, dat de middelen voor het toevoeren van een stuurpotentiaal aan de poortelektrode worden gevormd door een stroomdetecterende weerstand die in 20 serie is geschakeld met de lamp, en een transistor die tussen de stroomdetecterende weerstand en de poortelektrode is aangesloten om de geleidbaarheid van het kanaal te verhogen, in responsie op een afname van de waarde van de stroom door de lamp, wanneer de dampdruk toeneemt.

16. Vermogensinrichting volgens conclusie 15, gekenmerkt door een voorschakelweerstand die parallel is geschakeld aan het kanaal tussen toevoerelektrode en afvoerelektrode.

17. Voedingsinrichting volgens conclusie 16, met het kenmerk, dat de voorschakelweerstand bestaat uit een gloeidraad van een gloeilamp.

18. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de midde len voor het wijzigen van de aan de poort toegevoerde potentiaal voorts een lichtdetecterende halfgeleider omvatten, die reageert op het licht-niveau nabij de lamp om het genoemde niveau hoofdzakelijk constant te houden.

19. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de midde len voor het wijzigen van de aan de poort toegevoerde potentiaal voorts met de hand instelbare middelen omvatten om de genoemde potentiaal te * » wijzigen, teneinde de stroom door de lamp te variëren nadat deze is verwarmd tot de hoofdzakelijk volledige dampdruk om daardoor het door 40 de lamp opgewekte lichtniveau te besturen. 8203309 s 16

20. Voedlngsinrlchting volgens conclusie 12, gekenmerkt door met de hand instelbare middelen voor het wijzigen van het drempelniveau om het door de lamp geleverde lichtniveau te besturen.

21. Voedingsinrichting volgens conclusie 10 of 11, met het ken-5 merk, dat de middelen die met de stuurelektrode zijn verbonden, voorts een lichtgevoelige halfgeleider omvatten, die reageert op het lichtniveau nabij de lamp om de geleidbaarheid van de geleidingsweg te bestir* ren.

22. Vermogensinrichting volgens conclusie 14, 15 of 16, met het 10 kenmerk, dat de middelen voor het leveren van een stuurpotentiaal aan de poortelektrode een met de hand variabele weerstand omvatten om het door de lamp opgewekte lichtniveau in te stellen.

23. Vermogensinrichting volgens conclusie 14, 15 of 16, met het kenmerk, dat de middelen voor het toevoeren van een stuurpotentiaal aan 15 de poortelektrode voorts een lichtgevoelige halfgeleider omvatten, die reageert op het lichtniveau nabij de lamp om de geleidbaarheid van het kanaal tussen toevoerelektrode en afvoerelektrode te regelen, nadat de dampdruk is toegenomen tot hoofdzakelijk de volledige nomale werkwaar-de.

24. Halfgeleidervoorschakelinrichting veor het toevoeren van ener gie aan een ontladingslamp met een hoge intensiteit uit een elektrische spanningsbron, gekenmerkt door een veldeffecttransistor van het verti-kale metaaloxide halfgeleidertype (VMOS FET) met een kanaal tussen toevoerelektrode en afvoerelektrode en een poortelektrode, een stroomde- 25 tecterende weerstand die over de bron in serie is geschakeld met de lamp, een vaste weerstand die parallel aan het kanaal is geschakeld, een bipolaire transistor met een collector-emitterbaan en een basis-emitterbaan, middelen die de basis-emitterbaan parallel schakelen aan de stroomdetecterende weerstand, en middelen die de collector-emitter- 30 baan met de poortelektrode verbinden om de geleidbaarheid van het kanaal te besturen.

25. Halfgeleidervoorschakelinrichting volgens conclusie 24, gekenmerkt door middelen voor het wijzigen van de effectieve weerstand van de stroomdetecterende weerstand om de door de lamp geleverde hoeveel- 35 heid licht te variëren.

26. Halfgeleidervoorschakelinrichting volgens conclusie 25, met het kenmerk, dat de middelen voor het variëren van de effectieve weerstand van de stroomdetecterende weerstand een met de hand instelbare weerstand omvat.

27. Halfgeleidervoorschakelinrichting volgens conclusie 24, geken- 8203309 ν' ' 17 merkt door een lichtgevoelige halfgeleider die met de basis-emitterbaan ie verbonden en die reageert op het lichtniveau nabij de lamp om het verlichtingen!veau te regelen.

28. Halfgeieidervoedingsinrichting volgens conclusie 24, geken-5 merkt door middelen die reageren op de spanning over de lamp om de stroom in de basis-emitterbaan te variëren om de hoeveelheid aan de lamp geleverde energie te regelen.

29. Halfgeieidervoedingsinrichting voor een ontladingslamp met een hoge intensiteit, gekenmerkt door een vaste weerstand die in serie met 10 de lamp is geschakeld om de waarde van de stroom door de lamp te begrenzen nadat de lamp eerst wordt ontstoken en alvorens de lamp wordt verwarmd tot zijn normale werkdampdruk, een veldeffecttransistor van het VMOS-type waarvan het kanaal tussen toevoerelektrode en afvoerelek-trode parallel is geschakeld aan de vaste weerstand, en een besturings- 15 schakeling die reageert op de waarde van de stroom door de lamp om de geleidbaarheid van het kanaal te verhogen, wanneer de waarde van de stroom daalt onder een vooraf bepaald drempelniveau.

30. Halfgeieidervoedingsinrichting volgens conclusie 29, gekenmerkt door middelen voor het verlagen van de warde van het vooraf be- 20 paalde drempelniveau in* responsie op een toename in de werkspanning over de lamp.

31. Halfgeieidervoedingsinrichting volgens conclusie 29, gekenmerkt door een met de hand instelbare weerstand om de waarde van het drempelniveau te wijzigen.

32. Halfgeieidervoedingsinrichting volgens conclusie 29, geken merkt door een lichtgevoelige halfgeleider die zodanig is aangesloten, dat deze de geleidbaarheid van het kanaal tussen toevoerelektrode en afvoerelektrode variëert in responsie op variaties van de lichtintensiteit nabij de lamp, teneinde de intensiteit hoofdzakelijk constant te 30 houden. *********** Λ * t 8203309