Beschreibung
Vorrichtung für die Messung des Stromes einer Entladungslampe .
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Messung des Stromes an einer Entladungslampe, insbesondere Hochdruck-Entladungslampe, insbesondere während des Zündvorganges und beim Hochfrequenzbetrieb. Zur Kompensation des durch einen Blindstrom gestörten Stromsignals wird mit einem Kondensator ein Blindstrom erzeugt, der mit einer zweiten Strommessvorrichtung in eine Spannung umgewandelt wird, die vom Stromsignal subtrahiert wird.
Stand der Technik
Zur Strombegrenzung wird eine Entladungslampe L über ein Vorschaltgerät BA an das Netz mit der Spannung UN (z.B. 240 V) angeschlossen (Fig. 1) . Zur Zündung der Entladungslampe wird ein Zündgerät IG angeschlossen, dass eine Folge von Hochspannungsimpulsen mit Amplituden (z.B. 5 kV) und kurzen Anstiegszeiten (z.B. 100 ns) erzeugt. Zur Charakterisierung dieser Hochspannungsimpulse werden e- lektrische Messungen durchgeführt, wobei zur Spannungsmessung üblicherweise ein Hochspannungstastkopf VP (z.B. Tektronix P6015, Teilerverhältnis 1/1000) eingesetzt wird. Zur Strommessung wird in der Regel eine Stromzange CP (z.B. Tektronix TCM202) benutzt. Das Spannungs- U1, und das Stromsignal UΣ werden gemessen und geeignet berechnet, z.B. mit einem Oszilloskop, womit die Lampenspannung UL(t) und der Strom I (t) entstehen.
In Fig. 2 ist für eine 400 W Natriumdampf-Hochdrucklampe, die von einem Zündgerät erzeugte Spannung UL(t) und der Strom I (t) gezeigt. Sofort nach dem Anstieg des ersten Spannungsimpulses UL(t) steigt das Stromsignal I (t) an, obwohl zu diesem Zeitpunkt die Entladung noch nicht durchgezündet hat und damit kein Lampenstrom fließen kann. Der gemessene Strom ist ein Verschiebungsstrom I0 (t), der durch die zwischen dem hin- und dem rückführenden Leiter vorhandenen Kapazität in der Größenordnung von etwa 15 pF und durch die große Spannungsänderung zu diesem Zeitpunkt entsteht.
Der Verschiebungsstrom I
D(t) wird beschrieben durch
Hierin ist UL(t) die Lampenspannung und CN die Streukapa- zität oder Koppelkapazität zwischen dem hochspannungsführenden Leiter und dem rückführenden Leiter. Aus dem gemessenen Stromsignal I (t) wird der Verschiebungsstromes I0 (t) subtrahiert womit sich der Lampenstrom IL(t) ergibt:
lL(t) = l(t)-lD(t) (2)
Mit einem modernen Oszilloskop ist es möglich mit Gl. 1 und Gl. 2 den Lampenstrom IL(t) zu berechnen. Damit sind sowohl die Lampenspannung UL(t) als auch der Lampenstrom IL (t) direkt messbar. Die Streukapazität CN wird hierbei durch eine Nullmessung bestimmt. Für diese Nullmessung wird die Spannung am Zündgerät so eingestellt, dass ein Lampendurchbruch nicht erfolgen kann. Der Wert der Streu-
kapazität CN wird hierbei so gewählt, dass der mit Gl. 2 berechnete Lampenstrom verschwindet (IL(t) = 0).
Für den Betrieb von Entladungslampen werden elektronische Vorschaltgeräte eingesetzt, die höhere Arbeitsfrequenzen, bis in den MHz Bereich hinein haben. Zur Charakterisierung der Entladung wird auch bei diesen Entladungslampen der Strom gemessen. Aufgrund der hohen Arbeitsfrequenz und der vorhandenen Streukapazitäten wird der gemessene Strom von einem Verschiebungsstrom überlagert. Mit Gl. 1 und Gl. 2 kann aus der Lampenspannung UL(t), der Streukapazität CN der Lampenstrom IL(t) berechnet werden. Durch eine Nullmessung, bei der die Entladung nicht durchzündet, wird der Wert der Streukapazität CN SO gewählt, dass der resultierende Lampenstrom verschwindet (IL(t) = 0).
Die Streukapazität setzt sich hierbei zusammen aus der Streukapazität der Lampe CL und der Streukapazität der Leitung zwischen der Strommessvorrichtung und der Lampe
Cτ.
CN=CL+CT ( 3 )
Die Streukapazitäten CL der Lampen liegen im Bereich von 5 pF bis 30 pF. Die Kapazität Cτ der Verbindungsleitung liegt pro Länge zwischen 50 pF/m und 100 pF/m. Aufgrund der großen Spannungsänderungen (z.B. 4 kV/μs) oder der Spannungen mit hohen Frequenzen können die Amplituden der störenden Verschiebungsströme I0 (t) in der gleichen Grö- ßenordung (Fig. 2) oder sogar größer sein als die Lam- pensströme IL(t). Bei der numerischen Kompensation mit
Gl. 1 und Gl. 2 entstehen nicht mehr vernachlässigbare systematische Fehler.
Aufgabe
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung für die Messung des Stromes in Entladungslampen bereitzustellen, dessen Signal nicht von einem Verschiebunsstrom gestört wird. An den folgenden zwei Ausführungsbeispielen wird die Funktion dieser Vorrichtung näher erläutert.
Darstellung der Erfindung
Es wird vorgeschlagen, eine feste Vorrichtung zur Messung des Lampenstromes einer Entladungslampe zu schaffen. Die Vorrichtung beinhaltet unter anderem einen Messwandler zur Messung des Lampenstromes, und einen angepassten Kompensationsstromwandler, der auf den Messaufbau abgeglichen wird. Die beiden Ausgänge der Wandler gelangen zu einem Messverstärker, in dem der Kompensationsstrom vom gemessenen Strom abgezogen wird, um zum realen Lampenstrom zu gelangen. Der Messaufbau kann noch insofern Erweitert werden, dass noch die Lampenspannung mitgemessen wird, und somit am Ausgang der Anordnung zwei analoge Signale für den Lampenstrom und die Lampenspannung zur Verfügung stehen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung (en)
Fig. 1 Spannungs- und Strommessung bei einer Hochdruckentladungslampe nach dem Stand der Technik mit einem Tastkopf bzw. einer Stromzange.
Fig. 2 Ein beispielhaftes Spannungs- und Stromsignal mit einem daraus berechneten Lampenstrom
Fig. 3 Erfindungsgemäße Vorrichtung zur kompensierten Strommessung an einer Entladungslampe.
Fig. 4 Weitere Ausführungsform zur kompensierten Messung der Spannung und des Stromes einer Entladungslampe .
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
In Fig. 3 wird die Netzspannung UN über ein Vorschaltge- rät BA und ein Zündgerät IG und die Messvorrichtung CPC an die Entladungslampe LA angeschlossen. Der durch die Lampe fließende Strom I (t) fließt durch die Primärwindung eines Messwandlers oder Transformators TM.
Dieser Transformator TM kann primär aus einer Windung bzw. aus dem durchführenden Draht bestehen und sekundär aus einer Spule mit z.B. 15 Windungen die auf einen mage- netisierbaren Kern z.B. eines Eisenpulverringkernes gewickelt ist. In der Sekundärspule wird gemäß dem Windungsverhältnis ein Strom eingekoppelt der über den Widerstand RM (Z.B. Dickschichtwiderstand, 15 Ω) in eine Spannung UIM umgewandelt wird, so dass beispielsweise ein Strom- Spannungswandelverhältnis von 1 V/A entsteht. Der Messwandler TM wird vorzugsweise in die von der Lampe rückführende Leitung eingeschleift, um die kapazitive Ein- kopplung einer Störspannung in die Spule klein zu halten. Durch eine mit Masse verbundene Abschirmung SM kann die
kapazitive Einkopplung einer Störspannnung in die Spule weiter verringert werden.
Durch die Streukapazität der Lampe CL und der Verbin- dungsleitung Cτ wird ein kapazitiver Verschiebungsstrom I0 (t) gemäß Gl. 1 und Gl. 3 erzeugt, der dem Lampenstrom IL (t) und dem Stromsignal UiM überlagert ist. Zur Kompensation des Verschiebungsstromes I0 (t) wird mit dem einstellbaren Kondensator Cκ ein kapazitiver Verschiebungs- ström Iv (t) erzeugt, der durch die Primärwindung des Messwandlers oder Transformators Tc fließt. Dieser Messwandler kann primär aus einer Windung und sekundär aus einer Spule mit einer Anzahl von Windungen (z.B. 15) bestehen, die auf einen magnetisierbaren Kern (z.B. Eisen- pulverringkern) gewickelt ist und über den Widerstand Rc (z.B. Dickschichtwiderstand, 15 Ω) eine Spannung UiC erzeugt. Die Abschirmung SC stellt eine gute Entkopplung der Spule zur Hochspannungsleitung her.
Der Kompensationsstromwandler sollte so gebaut sein, dass dieser den gleichen Amplituden- und Phasengang hat wie der Messstromwandler. Dieses lässt sich vorzugsweise durch die Wahl gleicher Bauelemente erreichen. Ist nur eine sinusförmige Störspannung vorhanden, z.B. beim Hoch- frequenzbetrieb, so braucht der Kompensationsstromwandler nur für die Arbeitsfrequenz die gleiche Phase haben wie der Messstromwandler, womit dieser deutlich einfacher im Aufbau sein kann.
Mit einem Operationsverstärker OP wird das Stromsignal UIM und das Kompensationssignal UiC subtrahiert und geeignet verstärkt, um das Kabel und den Abschlusswiderstand zu treiben. Das entstehende Stromsignal Ui wird z.B. mit einem Oszilloskop gemessen. Bei einer Nullmessung ohne Lampendurchbruch wird der Kondensator Cκ so eingestellt, dass das Stromsignal verschwindet (Ui = 0) . Der mittlere Wert des einstellbaren Kondensators kann so gewählt werden, dass CR = CL + Cτ . Der Einstellbereich wird bestimmt durch den gewählten Bereich der Lampenkapazität CL und der Länge und Art der Leitungen zwischen Messvorrichtung und Lampenfassung. Zur Verringerung der Lastkapazität der Messvorrichtung ist es auch möglich den mittleren Wert von Cκ kleiner zu wählen z.B. Cκ = 0.5 (CL + Cτ) und das entstehende Kompensationssignal UiC in der folgenden Schaltung zu verstärken bzw. geeignet einzukoppeln .
Es ist ebenso möglich anstelle des einstellbaren Kondensators einen festen Kondensator zu wählen und die Anpassung der Spannung mit einem einstellbaren Verstärker vor- zunehmen. Ebenso ist es möglich die vom Stromwandler gelieferte Schaltung mit einem einstellbaren Widerstandsteiler anzupassen.
Eine größere Bandbreite kann durch die Wahl eines kleineren Strom-Spannungswandelverhältnise (z.B. 0.1 V/A) er- reicht werden. Der folgende Operationsverstärker OP kann das Signal so verstärken, dass wieder der gewählte Strom- Spannungswandelfaktor (z.B. 1 V/A) vorhanden ist. Sinnvolle Windungszahlen für die Sekundärspule liegen zwischen 2 < NM < 50 Windungen, während die Widerstandswerte im Bereich 0.01 Ω < RM < 100 Ω liegen können. Ähnliches gilt für den Kompensationsstromwandler.
Mit dieser Vorrichtung ist es in vorteilhafter Weise möglich den Lampenstrom, ohne einen störenden Verschiebungsstrom, während des Zündvorganges oder im Hochfrequenzbetrieb zu messen.
In Fig. 4 ist eine andere Ausführungsform der Messvorrichtung gezeigt. In dieser werden anstelle der Transformatoren TM und T0 mit den Widerständen RM und R0 nur noch die Widerstände RM und Rc als Strom-Spannungswandler eingesetzt. Die beiden entstehenden Spannungssignale werden mit dem Operationsverstärker OP wieder subtrahiert und so verstärkt, das die Leitung und der Abschlusswiderstand getrieben werden kann. Die Anpassung der Kompensationssignals geschieht hier mit einem Widerstandsteiler mit dem einstellbaren Widerstand RCi . Die Werte der Wider- stände RM und R0 liegen im Bereich 0.01 Ω und 10 Ω.
In der Regel werden bei der Messung des Zündverhaltes o- der im Hochfrequenzbetrieb ein Strom- und eine Spannungssignal benötigt, die eine feste Phasenbeziehung zueinander haben. In vorteilhafter Weise wird daher in die Mess- Vorrichtung zur Strommessung eine Messvorrichtung zur Spannungsmessung integriert. Diese kann aus einem Spannungsteiler (z.B. 1/1000) bestehen, der aus den zwei Widerständen Rvi und RV2 aufgebaut ist. Zum Treiben der Leitung und des Messwiderstandes (z.B. 50 Ω) kann ein Impe- danzwandler OP2 eingesetzt werden.
Die Vorrichtung zur Messung des Stromes und kann in ein elektronisches Vorschaltgerät oder ein elektronisches Zündgerät integriert werden und geeignete Signale liefern um die Zündung und insbesondere im Hochfrequenzbetrieb den stationären Zustand zu steuern.
Die Vorrichtung zur Messung des Stromes einer Entladungslampe liefert die besten und genausten Stromsignale, wenn die störenden Verschiebungsströme der Verbindungsleitung klein sind und die Vorrichtung in der Nähe der Lampe mon- tiert wird. Beim Betrieb der Entladungslampe erwärmt sich die Lampe und in der Regel auch die Fassung. Um eine signifikante Erwärmung der Messvorrichtung zu vermeiden, die Messfehler verursachen würde, werden die Verbindungsleitungen zwischen den Lampenfassungen und den Verbindungen in der Messvorrichtung, so in der Länge, im Durchmesser und im Material gewählt, dass die übertragene Wärme klein ist. Außerdem wird die Messvorrichtung so aufgebaut, dass auch eine gewisse Wärme abgestrahlt werden kann.
Für manche Anwendungen ist die Integration der Messvor- richtung in die Lampenfassung interessant. Hier wird die Erwärmung der Messvorrichtung unvermeidlich sein. Um die entstehenden Messfehler zu minimieren wird zusätzlich ein Temperatursensor (z.B. PTlOO) in die Messvorrichtung eingebaut. Der gemessene Temperaturanstieg kann dazu benutzt werden, die Amplitude und die Phase des Stromsignals zu korrigieren, wobei beispielsweise ein lineares Temperatur-Phasen und Temperatur-Amplituden Modell benutzt wird.