WO2010097271A1 - Verfahren zum starten einer gasentladungslampe und elektronisches betriebsgerät zum starten und betreiben einer gasentladungslampe - Google Patents

Verfahren zum starten einer gasentladungslampe und elektronisches betriebsgerät zum starten und betreiben einer gasentladungslampe Download PDF

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ignition
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Joachim MÜHLSCHLEGEL
Maximilian Schmidl
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Osram GmbH
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B41/00—Circuit arrangements or apparatus for igniting or operating discharge lamps
    • H05B41/14—Circuit arrangements
    • H05B41/26—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from DC by means of a converter, e.g. by high-voltage DC
    • H05B41/28—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from DC by means of a converter, e.g. by high-voltage DC using static converters
    • H05B41/288—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from DC by means of a converter, e.g. by high-voltage DC using static converters with semiconductor devices and specially adapted for lamps without preheating electrodes, e.g. for high-intensity discharge lamps, high-pressure mercury or sodium lamps or low-pressure sodium lamps
    • H05B41/2881—Load circuits; Control thereof
    • H05B41/2882—Load circuits; Control thereof the control resulting from an action on the static converter
    • H05B41/2883—Load circuits; Control thereof the control resulting from an action on the static converter the controlled element being a DC/AC converter in the final stage, e.g. by harmonic mode starting

Definitions

  • the invention relates to a method and an operating device for starting a gas discharge lamp by means of a resonance ignition.
  • the invention is based on a method for starting a gas discharge lamp according to the preamble of the main claim.
  • High-pressure discharge lamps require a relatively high voltage for starting due to the design.
  • two different methods are known in the prior art for generating this voltage: A first method uses overlap ignition in which the energy stored in a capacitor is discharged through a fast switch into a transformer which converts this energy into a high voltage firing pulse , A second method uses resonance ignition in which a resonant circuit is excited to generate a high voltage across the gas discharge lamp. This high voltage was initially applied to the discharge lamp until its torch generated a voltage surge that initiated the operation of the lamp.
  • bursts consists of a rising of the ignition voltage for a certain, usually quite short period of time. If the gas discharge lamp after If a certain number of bursts have not started, the electronic operating device switches off and assumes an error state. Over time, however, the high ignition voltage is applied to the gas discharge lamp for a cumulative period of time which should not be underestimated, thus causing a high load on the high-voltage-carrying insulation. In empirical studies it has been shown that in many cases the insulation is damaged so much over time that safe operation of the gas discharge lamp in the corresponding installation is no longer guaranteed.
  • the solution of the object with respect to the method is carried out according to the invention with a method for starting a gas discharge lamp with a resonant circuit, characterized by the following steps: a) excitation of the resonant circuit such that for a first period an ignition voltage is generated, the amount only for a number n half-waves above the amount of a predetermined critical voltage, and b) exciting the resonant circuit for a second time ⁇ span such that an ignition voltage is generated, the amount is significantly below the amount of the critical voltage, the time is longer as a predetermined critical period of time.
  • the majority the time periods is preferably greater than 10 ⁇ s, in particular greater than 33 ⁇ s.
  • the up-and-down of the very fast, so that the insulation load further decreases is a third period of time, during which the amount of the ignition voltage between the 0.2 ..0.5fachem the amount of the critical voltage and the amount the critical voltage is at most ten times as long as the first time period during which the amount of the ignition voltage is greater than the magnitude of the critical voltage.
  • the ignition voltage U z in step b) is preferably well below the critical voltage U crit .
  • the following relationship applies especially to the ignition voltage: - ⁇ l / knt .
  • the critical voltage is preferably in a range between 700V and 10kV, more preferably in a range between 1000V and 4000V.
  • the repetition of the steps can take place periodically or non-periodically. This leads depending on the application to a further reduction of the insulation stress.
  • the number n of half-waves is preferably between 1 and 40, more preferably between 1 and 10. In a particular embodiment, the number n of half-waves is between 1 and 4.
  • the repetition frequency of steps a) and b) is further preferred at below 10OkHz, more preferably below 3OkHz. In a particular embodiment, the repetition frequency of steps a) and b) is less than 3 kHz.
  • the solution of the task with respect to the operating device is carried out according to the invention with an electronic operating device for starting and operating a gas discharge lamp with a bridge circuit for generating a variable AC voltage and a resonant circuit consisting of at least one resonant capacitor and at least one resonance choke, wherein the electronic control gear executes the above-described method.
  • Fig. 5 is a schematic diagram of the output part of a process implementing circuit arrangement.
  • FIG. 1 shows the voltage-time curve of an ignition voltage U z with a typical ignition burst, as generated by the method according to the invention for igniting a gas discharge lamp.
  • the inventive method uses a circuit arrangement with a resonance ignition having a resonant circuit for igniting the gas discharge lamp (not shown here).
  • the magnitude of the ignition voltage U z for much of the time is well below the value of the magnitude of the critical voltage Ucrit , and only a very short time above this value.
  • the critical voltage U crit represents a limit that the ignition voltage may have over a longer period of time in order not to damage the isolation of the output of an electronic control gear implementing the method according to the invention.
  • a voltage applied for a longer time at the output of the electronic operating device and is crit above the critical voltage U the insulation materials of the output part of the electronic device operating time is harmful for.
  • a voltage is now applied to the lamp, the amount of which according to the invention is only above the critical voltage U crit for a very short first time interval ti which is below a critical time period t k ⁇ t .
  • This first time interval ti is referred to below as the ignition phase.
  • n ⁇ 4 may be. It has been found that this short oscillation of the voltage is sufficient to initiate the electrical breakdown and to establish a discharge in the burner of the gas discharge lamp. At the same time, however, according to the invention, the load on the insulation of the output of the electronic operating device is minimized.
  • the ignition voltage U z is therefore only for a first very short period of time ti above the critical voltage, but for a very long second period t 2 well below the critical voltage U crit . These second time period t 2 is referred to here as the low-voltage phase.
  • the amount of the ignition voltage t U z in the low-voltage phase moves preferably in a range of OV to 0, 2 * U k ⁇ ⁇ 0, 5 * U k ⁇ t •
  • the ignition voltage U z is thus a large part during the low voltage phase of the Time significantly below the amount of the critical voltage U crit , but large enough to be able to accomplish a safe transfer and establishment of a plasma arc in the gas discharge lamp burner after an electrical breakdown in the burner vessel.
  • the phase at the start of the gas discharge lamp is referred to here, in which shortly after the electrical breakdown in the lamp burner, the burning voltage is still very low and the electrodes are still very cold. Due to the cold electrodes in the takeover phase, the gas discharge lamp requires a lot of voltage, so as not to go out during the next current commutation.
  • This voltage range should be crossed as quickly as possible by the ignition voltage U z , so that the insulation is not unnecessarily additionally stressed.
  • U z passed twice, once for a period t3 A when swinging to the ignition voltage U z and once for a period of time t3 B when swinging from the ignition voltage U z .
  • the third period t3 is the sum of the two time periods t3 A and t3 B.
  • one period of the starting method according to the invention consists of the ignition phase, the transition phase and the low-voltage phase, the transition phase being arranged between the ignition phase and the low-voltage phase.
  • the low-voltage phase is by far the longest, only interrupted by the swinging up to the short ignition bursts. Because the voltage in the low voltage phase according to the invention under the 0, 2..0, 5-fold the amount of critical voltage U crit and the amount of critical voltage U crit is to be corona effects that adversely affect the insulation, avoided and the lifetime of the entire insulation increases significantly.
  • Fig. 2 shows the voltage-time curve in a different temporal resolution with a temporal sequence of two firing bursts.
  • the voltage amounts of the firing bursts are each only for a few half waves above the magnitude of the critical voltage U crit .
  • the length of the firing bursts, ie the first time interval ti is again smaller than a critical time interval tk rit .
  • the time interval of the ignition bursts is given by the relatively long total time span t Ges .
  • Amount of voltage U z is between the firing bursts, ie during the low-voltage phase as already explained above, preferably at U 2 ⁇ 0.2..0.5 • U knt .
  • Procedure exporting circuit arrangement is designed such that a very fast rise and fall of the ignition voltage U z is possible, the transition phase and thus the time t3 is thus kept as short as possible.
  • the transition phase For the transition phase: ,
  • the ignition bursts are always only above the critical voltage U krit for a few half waves.
  • a controller ensures that the ignition voltage U z with the firing bursts only applied to the lamp until a discharge has established itself in the gas discharge lamp burner.
  • a fast rise and fall of the firing burst is achieved in that both the frequency and the phase of the oscillating circuit exciting (or attenuating when swinging) voltage are controlled accordingly.
  • the firing bursts are applied to the gas discharge lamp until a discharge arc is established in the burner vessel of the gas discharge lamp.
  • Fig. 3 shows a graph representing the ignition voltage U z as a function of the frequency.
  • the ignition voltage here always corresponds to the output voltage U out / with which the lamp is operated.
  • the starting voltage U z is therefore always referred to below as the voltage U out , which is the output voltage of the circuit implementing the method during the total ignition period.
  • the voltage U out which is the output voltage of the circuit implementing the method during the total ignition period.
  • the real resonance frequency f res depends, for example, on temperature fluctuations and on the tolerances of the various components involved in the resonance.
  • the excitation frequency f A be determined to generate a certain ignition voltage.
  • FIG. 4 shows a further graph for explaining a method for estimating the excitation frequency f A for a specific ignition voltage U z .
  • the ignition voltage is shown as a function of the frequency.
  • a first excitation frequency f3 and a second excitation frequency f 4 be selected.
  • a particularly accurate estimation of the excitation frequency for a specific ignition voltage U z is obtained when this method is combined with the abovementioned method for determining the resonance frequency f res .
  • the voltage U x is chosen very high, ideally one chooses U x ⁇ U knt . The closer the voltage U x approaches the ignition voltage U z , the more accurate the estimation of the excitation frequency becomes.
  • the two frequencies fi and f.2 are is correct and the resonance frequency f res is calculated.
  • the found frequency f 2 and the calculated resonance frequency f res from the first method are now used as output values in the second method.
  • the frequency f 2 found in the above method is now selected as the second excitation frequency f 4 .
  • the first excitation frequency f 3 can now from the second
  • the quotient y can usefully be between 2 and 10.
  • f3, f 4 > £ 2 This may be necessary because otherwise the voltage resulting from the excitation with the first excitation frequency f 3 becomes too high.
  • the excitation frequency f A is now calculated for a specific ignition voltage U z .
  • the two excitation frequencies f 3 and f 4 each generate a voltage Ui and U2, both of which are preferably below the critical voltage U crit .
  • the voltages may also be above the critical voltage U crit and approach very close to the peak value of the ignition voltage U z .
  • FIG. 5 shows the schematic circuit diagram of the output part of the circuit arrangement implementing the method.
  • the output part consists of a half-bridge circuit with two switches Sl and S2, which freewheeling diodes are connected in parallel.
  • the two first poles of the switches are connected to each other at a center point and to the first pole of a choke Ll.
  • the second poles of the two switches are connected to the input voltage.
  • the second pole of the inductor Ll is connected to a first electrode of a gas discharge lamp 5, and to the first pole of a capacitor Cl.
  • the second electrode of the gas discharge lamp is connected to the first poles of two capacitors C3 and C4.
  • the second poles of the capacitors Cl, C2 and C3 are each connected to the supply voltage.
  • the circuit arrangement furthermore has a control part 20, which activates the switches S1 and S2 and receives the voltage across the gas discharge lamp 5 as an input variable.
  • the inductance Ll together with the capacitor Cl forms a resonant circuit, which applies an ignition voltage U z to the lamp by appropriate frequency excitation.
  • the inductance Ll and the capacitance Cl of the resonant circuit can also be distributed over a plurality of components in a real circuit arrangement.
  • the term resonant circuit here also includes higher-order resonant circuits, ie several real resonant circuits can be coupled. Provided a corresponding suggestion can be made with this circuit Order Zündputsverrise as shown in Figures 1 and 2, are generated.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Circuit Arrangements For Discharge Lamps (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten einer Gasentladungslampe mit einem Resonanzkreis, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Anregen des Resonanzkreises derart, dass für eine erste Zeitspanne eine Zündspannung generiert wird, deren Betrag lediglich für eine Anzahl n Halbwellen oberhalb des Betrages einer vorbestimmten kritischen Spannung liegt, und b) Anregen des Resonanzkreises für eine zweite Zeitspanne derart, dass eine Zündspannung erzeugt wird, deren Betrag deutlich unterhalb des Betrages der kritischen Spannung liegt, wobei die Zeitspanne länger ist als eine vorbestimmte kritische Zeitspanne. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Betriebsgerät, welches dieses Verfahren ausführt.

Description

Beschreibung
[1] Verfahren zum Starten einer Gasentladungslampe und elektronisches Betriebsgerät zum Starten und Betreiben einer Gasentladungslampe.
Technisches Gebiet
[2] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Betriebsgerät zum Starten einer Gasentladungslampe mittels einer Resonanzzündung.
Stand der Technik
[3] Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Starten einer Gasentladungslampe nach der Gattung des Hauptanspruchs. Hochdruckentladungslampen benötigen bauartbedingt eine relativ hohe Spannung zum Starten. Um diese Spannung zu erzeugen sind im Stand der Technik grundsätzlich zwei verschiedene Verfahren bekannt: Ein erstes Verfahren verwendet eine Überlagerungszündung, bei der die in einer Kapazität gespeicherte Energie über einen Schnellen Schalter in einen Transformator entladen wird, der diese Energie in einen Zündpuls hoher Spannung umwandelt. Ein zweites Verfahren verwendet eine Resonanz- zündung, bei der ein Resonanzkreis so angeregt wird, dass er eine hohe Spannung an der Gasentladungslampe erzeugt. Diese hohe Spannung wurde anfangs so lange an die Entladungslampe angelegt, bis in ihrem Brenner ein Spannungsschlag entstand, der den Betrieb der Lampe initiierte. Da sich hierbei bei nichtzündenden oder defekten Gasentladungslampen Sicherheitsprobleme ergaben ging man dazu über, die Resonanzspannung in sogenannten Bursts an die Gasentladungslampe anzulegen. Ein Burst besteht aus einem Aufschwingen der Zündspannung für eine bestimmte, meist recht kurze Zeitspanne. Wenn die Gasentladungslampe nach einer gewissen Anzahl von Bursts nicht gestartet hat, schaltet das elektronische Betriebsgerät ab und nimmt einen Fehlerzustand ein. Im Laufe der Zeit liegt die hohe Zündspannung aber für eine nicht zu unterschätzdende kumulierte Zeitspanne an der Gasentladungslampe an, und verursacht so eine hohe Belastung der hochspannungsführenden Isolation. Bei empirischen Untersuchungen hat sich gezeigt, dass in vielen Fällen die Isolation im laufe der Zeit so stark geschädigt wird, dass ein sicherer Betrieb der Gasentladungslampe in der entsprechenden Installation nicht mehr gewährleistet ist.
Aufgabe
[4] Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren und ein Betriebsgerät zum Starten einer Gasent- ladungslampe mit einer Resonanzzündung anzugeben.
Darstellung der Erfindung
[5] Die Lösung der Aufgabe bezüglich des Verfahrens erfolgt erfindungsgemäß mit einem Verfahren zum Starten einer Gasentladungslampe mit einem Resonanzkreis, gekenn- zeichnet durch folgende Schritte: a) Anregen des Resonanzkreises derart, dass für eine erste Zeitspanne eine Zündspannung generiert wird, deren Betrag lediglich für eine Anzahl n Halbwellen oberhalb des Betrages einer vorbestimmten kritischen Spannung liegt, und b) Anregen des Resonanzkreises für eine zweite Zeit¬ spanne derart, dass eine Zündspannung erzeugt wird, deren Betrag deutlich unterhalb des Betrages der kritischen Spannung liegt, wobei die Zeitspanne länger ist als eine vorbestimmte kritische Zeitspanne. Der überwiegende Teil der Zeitspannen ist dabei bevorzugt größer als lOμs, insbesondere größer als 33μs. Durch diese Maßnahme ist die Zeit, während der eine hohe Spannung an der Lampe anliegt und damit die Isolation beansprucht, auf ein Minimum beschränkt. Dadurch kann die Betriebssicherheit der Installation für einen signifikant längeren Zeitraum gewährleistet werden. Dieser Zeitraum wird in den meisten Fällen länger sein als die Lebensdauer der betreffenden Installation .
[6] Erfindungsgemäß erfolgt das Auf- und Abschwingen der sehr schnell, damit die Isolationsbelastung weiter sinkt, insbesondere ist eine dritte Zeitspanne, während der der Betrag der Zündspannung zwischen dem 0,2 ..0,5fachem des Betrages der kritischen Spannung und dem Betrag der kritischen Spannung liegt, höchstens zehn mal so lange wie die erste Zeitspanne ist, während der der Betrag der Zündspannung größer als der Betrag der kritischen Spannung ist.
[7] Um die Belastung weiter zu minimieren, ist die Zündspannung Uz im Schritt b) bevorzugt deutlich unter der kritischen Spannung Ukrit . Besonders bevorzugt gilt für die Zündspannung folgende Beziehung:
Figure imgf000005_0001
-\l/knt .
Die kritische Spannung liegt dabei bevorzugt in einem Bereich zwischen 700V und 1OkV, besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 1000V und 4000V.
[8] Das Wiederholen der Schritte kann dabei periodisch oder nichtperiodisch erfolgen. Dies führt je nach Anwendung zu einer weiteren Verringerung der Isolationsbeanspruchung. [9] Die Anzahl n der Halbwellen liegt dabei vorzugsweise zwischen 1 und 40, besonders bevorzugt zwischen 1 und 10. In einer besonderen Ausführungsform liegt die Anzahl n der Halbwellen zwischen 1 und 4. Die Wiederholfrequenz der Schritte a) und b) liegt weiterhin bevorzugt bei unter 10OkHz, besonders bevorzugt bei unter 3OkHz. In einer besonderen Ausführungsform liegt die Wiederholfrequenz der Schritte a) und b) bei unter 3kHz. Diese Werte stellen eine besonders effektive Minimierung der Isolati- onsbeanspruchung sicher.
[10] Die Lösung der Aufgabe bezüglich des Betriebsgerätes erfolgt erfindungsgemäß mit einem elektronischen Betriebsgerät zum Starten und Betreiben einer Gasentladungslampe mit einer Brückenschaltung zum Erzeugen einer variablen Wechselspannung und einem Resonanzkreis, der aus mindestens einem Resonanzkondensator und mindestens einer Resonanzdrossel besteht, wobei das elektronische Betriebsgerät ein oben beschriebenes Verfahren ausführt.
[11] Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestal- tungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und Betriebsgerätes zum Starten einer Gasentladungslampe ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
Kurze Beschreibung der Zeichnung (en)
[12] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zei- gen: Fig. 1 den Spannungs-Zeitverlauf eines einzelnen Zündbursts der Zündspannung,
Fig. 2 eine zeitliche Abfolge zweier Zündbursts als Spannungs-Zeitverlauf,
Fig. 3 ein Spannungs-Frequenzdiagramm zur Ermittlung der Resonanzfrequenz,
Fig. 4 ein Spannungs-Frequenzdiagramm zur Abschätzung der Anregungsfrequenz durch Extrapolation,
Fig. 5 das schematische Schaltbild des Ausgangsteils einer das Verfahren ausführenden Schaltungsanordnung.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
[13] Fig. 1 zeigt den Spannungs-Zeitverlauf einer Zündspannung Uz mit einem typischen Zündburst, wie er nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Zünden einer Gasentladungslampe generiert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet eine Schaltungsanordnung mit einer Resonanzzündung die einen Resonanzkreis zum Zünden der Gasentladungslampe aufweist (hier nicht gezeigt) . Wie in der Figur gut zu sehen ist, ist der Betrag der Zündspannung Uz einen Großteil der Zeit deutlich unter dem Wert des Betrages der kritischen Spannung Ukrit, und nur eine sehr kurze Zeit oberhalb dieses Wertes.
[14] Die kritische Spannung Ukrit stellt einen Grenzwert dar, den die Zündspannung über längere Zeit maximal haben darf, um die Isolation des Ausgangs eines das erfindungsgemäße Verfahren ausführenden elektronischen Betriebsgerätes nicht zu schädigen. Bei empirischen Untersuchungen hat sich gezeigt, dass eine Spannung, die über längere Zeit am Ausgang des elektronischen Betriebsgerätes anliegt und oberhalb der kritischen Spannung Ukrit liegt, die Isolationsmaterialien des Ausgangsteils des elektro- nischen Betriebsgerätes auf Dauer schädigt. Um die Gasentladungslampe aber sicher zünden zu können ist es notwendig, eine Spannung an die Lampenelektroden anzulegen, die oberhalb der kritischen Spannung Ukrit liegt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun eine Spannung an die Lampe angelegt, deren Betrag erfindungsgemäß lediglich für eine sehr kurze erste Zeitspanne ti, die unterhalb einer kritischen Zeitspanne tkπt liegt, oberhalb der kritischen Spannung Ukrit ist. Diese erste Zeitspanne ti wird im Folgenden als Zündphase bezeichnet. Wie in der Figur gut zu erkennen ist, ist die Zündspannung Uz nur für eine Halbwelle oder eine Vollwelle oder mehrere Halbwellen, insbesondere für eine Anzahl n Halbwellen oberhalb der kritischen Spannung Ukrit . Bevorzugt ist dabei die Anzahl n der Halbwellen oberhalb der kritischen Spannung Ukrit kleiner oder gleich 40, besonders bevorzugt ist dabei n≤lO. In der vorliegenden Figur ist z.B. n=10. Unter optimalen Bedingungen mit gut aufeinander abgestimmten Komponenten kann n≤4 sein. Es hat sich gezeigt, dass dieses kurze Aufschwingen der Spannung ausreicht, um den elektrischen Durchbruch zu initiieren und eine Entladung im Brenner der Gasentladungslampe zu etablieren. Gleichzeitig wird aber erfindungsgemäß die Belastung der Isolation des Ausgangs des elektronischen Betriebsgerätes minimiert. Die Zündspannung Uz ist also nur für eine erste sehr kurze Zeitspanne ti oberhalb der kritischen Spannung, aber für eine sehr lange zweite Zeitspanne t2 deutlich unterhalb der kritischen Spannung Ukrit. Diese zweite Zeitspanne t2 wird hier als Niederspannungsphase bezeichnet. Der Betrag der Zündspannung Uz in der Niederspannungsphase bewegt sich dabei bevorzugt in einem Bereich von OV bis zu 0, 2*Ukπt~0, 5*Ukπt • Die Zündspannung Uz ist also während der Niederspannungsphase einen Großteil der Zeit deutlich unterhalb des Betrages der kritischen Spannung Ukrit, aber groß genug, um nach einem elektrischen Durchbruch im Brennergefäß eine sichere Übernahme und Etablierung eines Plasmabogens im Gasentla- dungslampenbrenner bewerkstelligen zu können. Als Übernahme der Gasentladungslampe wird hier die Phase beim Start der Gasentladungslampe bezeichnet, bei der kurz nach dem elektrischen Durchbruch im Lampenbrenner die Brennspannung noch sehr niedrig und die Elektroden noch sehr kalt sind. Durch die kalten Elektroden in der Übernahmephase benötigt die Gasentladungslampe sehr viel Spannung, um bei der nächsten Stromkommutierung nicht zu verlöschen .
[15] Wenn die Resonanz an- oder abgeregt wird und die Zündspannung Uz für die Zündphase auf- oder abschwingt, gilt für eine kurze dritte Zeitspanne t3, im folgenden auch als Übergangsphase bezeichnet:
Figure imgf000009_0001
.
Dieser Spannungsbereich sollte von der Zündspannung Uz möglichst schnell durchschritten werden, damit die Isola- tion nicht unnötig zusätzlich beansprucht wird. Je höher die Spannung, desto stärker ist die Beanspruchung der Isolation. Erfindungsgemäß ist die Zeit, während der der
Betrag der Zündspannung Uz zwischen
Figure imgf000009_0002
und
Figure imgf000009_0003
liegt, kleiner als die zehnfache erste Zeitspanne ti der Zündphase, während der der Betrag der Zündspannung Uz oberhalb der kritischen Spannung liegt. Der Spannungsbe- reich von 0,2..0,5 • Uknt bis Uknt wird von der Zündspannung
Uz zweimal durchschritten, einmal für eine Zeitspanne t3A beim Aufschwingen auf die Zündspannung Uz und einmal für eine Zeitspanne t3B beim Abschwingen von der Zündspannung Uz . Die dritte Zeitspanne t3 ist die Summe der beiden Zeitspannen t3A und t3B.
[16] Zusammenfassend kann also gesagt werden, dass eine Periode des erfindungsgemäßen Startverfahrens aus der Zündphase, der Übergangsphase und der Niederspannungspha- se besteht, wobei die Übergangsphase zwischen der Zünd- und der Niederspannungsphase angeordnet ist. Die Niederspannungsphase ist dabei mit Abstand am längsten, nur unterbrochen vom Aufschwingen auf die kurzen Zündbursts. Dadurch, dass die Spannung in der Niederspannungsphase erfindungsgemäß unter dem 0, 2..0, 5fachem des Betrages der kritischen Spannung Ukrit und dem Betrag der kritischen Spannung ükrit liegt, werden Koronaeffekte, die sich negativ auf die Isolation auswirken, vermieden, und die Lebensdauer der gesamten Isolation erhöht sich signifi- kant.
[17] Der Übersicht halber sind im Folgenden die Spannungsbereiche und die Zeitbereiche der verschiedenen Phasen nochmals in einer Tabelle zusammengefasst :
Figure imgf000010_0001
[18] Fig. 2 zeigt den Spannungs-Zeitverlauf in einer anderen zeitlichen Auflösung mit einer zeitlichen Abfolge zweier Zündbursts. Die Spannungsbeträge der Zündbursts sind jeweils lediglich für wenige Halbwellen oberhalb des Betrages der kritischen Spannung Ukrit . Die Länge der Zündbursts, also der ersten Zeitspanne ti ist wieder kleiner als eine kritische Zeitspanne tkrit. Der zeitliche Abstand der Zündbursts ist durch die relativ lange Ge- samtzeitspanne tGes gegeben. Die Zeitspanne tGes setzt sich damit aus der Abfolge einer Zündphase mit einer ersten Zeitspanne ti, einer Niederspannungsphase mit einer zweiten Zeitspanne t2 und einer Übergangsphase mit einer dritten Zeitspanne t3 zusammen (tGes =ti+t2+t3) . Die Wieder- holfrequenz der Zündbursts beträgt demnach fw= • Der
Betrag der Spannung Uz ist zwischen den Zündbursts, also während der Niederspannungsphase wie oben schon erläutert vorzugsweise bei U2 < 0,2..0,5 • Uknt . Die das erfindungsgemäße
Verfahren ausführende Schaltungsanordnung ist derart ausgelegt, dass ein sehr schnelles Auf- und Abschwingen der Zündspannung Uz möglich ist, die Übergangsphase und somit die Zeitspanne t3 also möglichst kurz gehalten wird. Für die Übergangsphase gilt:
Figure imgf000011_0001
.
Die Zündbursts sind, unabhängig davon, ob die Gasentla- dungslampe zündet oder nicht, immer nur für wenige Halbwellen oberhalb der kritischen Spannung Ukrit . Eine Steuerung trägt dafür Sorge, dass die Zündspannung Uz mit den Zündbursts nur solange an der Lampe anliegt, bis sich eine Entladung im Gasentladungslampenbrenner etabliert hat. [19] Wenn die Gasentladungslampe zündet, und ein Strom durch die Gasentladungslampe fließt und das Plasma der Gasentladung nährt, wird der Resonanzkreis bedämpft und die Spannung an der Lampe fällt unterhalb die kritische Spannung Ukrit . Wenn die Lampe bei einem Zündburst nicht durchbricht, fällt der Betrag der Zündspannung Uz auch ohne die Bedämpfung nach einigen wenigen Halbwellen wieder unterhalb die kritische Spannung Ukrit. Ein schnelles An- und Abschwingen des Zündbursts wird dadurch erreicht, dass sowohl die Frequenz als auch die Phase der den Schwingkreis anregenden (bzw. beim Abschwingen dämpfenden) Spannung entsprechend gesteuert werden. Die Zündbursts werden aber solange an die Gasentladungslampe angelegt, bis sich ein Entladungsbogen im Brennergefäß der Gasentladungslampe etabliert.
[20] Fig. 3 zeigt einen Graphen, der die Zündspannung Uz in Abhängigkeit von der Frequenz darstellt. Die Zündspannung entspricht hier immer auch der Ausgangsspannung Uout/ mit der die Lampe betrieben wird. Als Zündspannung Uz wird daher im Folgenden immer die Spannung Uout bezeichnet, die die Ausgangsspannung der das Verfahren ausführenden Schaltungsanordnung während der Gesamtzünddauer ist. Um derart kurze Zündbursts, wie sie in den Fig. 1 und 2 gezeigt sind, mittels einer Resonanzüberhöhung erzeugen zu können, ist es notwendig, eine genaue Kenntnis der realen Resonanzfrequenz fres des jeweiligen Resonanzkreises bei verschiedenen Betriebszuständen zu besitzen. Die reale Resonanzfrequenz fres hängt z.B. von Temperaturschwankungen und von den Toleranzen der verschiede- nen bei der Resonanz beteiligten Bauteilen ab. Aus der realen Resonanzfrequenz fres kann die Anregungsfrequenz fA bestimmt werden, um eine bestimmte Zündspannung zu generieren. Um die reale Resonanzfrequenz fres zu bestimmen, kann folgendes Verfahren verwendet werden: In einem ersten Schritt wird von einer ersten Anregungsfrequenz fi ausgehend diese Schrittweise gesteigert, bis die Ausgangsspannung eine vorbestimmte Spannung Ux erreicht. Die erste Anregungsfrequenz liegt dabei deutlich unter der aus den Bauteilewerten und ihren Toleranzen ermittelten rechnerischen Resonanzfrequenz. In einem zweiten Schritt wird nun ausgehend von einer zweiten Anregungsfrequenz ±2, die deutlich oberhalb der rechnerischen Resonanzfrequenz liegt, diese schrittweise erniedrigt, bis die Ausgangsspannung wieder die vorbestimmte Spannung Ux erreicht. Die Spannung Ux ist dabei kleiner als die Spannung Ukrit . Die reale Resonanzfrequenz fres ergibt sich dann zu : fres = fλ +0,5 ■ (J2 -fλ) .
[21] Fig. 4 zeigt einen weiteren Graphen zur Erläuterung eines Verfahrens zur Abschätzung der Anregungsfrequenz fA für eine bestimmte Zündspannung Uz . Hier ist wieder die Zündspannung in Abhängigkeit von der Frequenz dargestellt. Als Ausgangswerte werden in diesem Verfahren eine erste Anregungsfrequenz f3 und eine zweite Anregungsfrequenz f4 gewählt. Eine besonders genaue Estimation der Anregungsfrequenz für eine bestimmte Zündspannung Uz erhält man, wenn dieses Verfahren mit dem oben genannten Verfahren zur Bestimmung der Resonanzfrequenz fres kombiniert wird. Dazu wählt man im ersten Verfahren die Spannung Ux sehr hoch, idealerweise wählt man Ux~Uknt. Je näher die Spannung Ux an die Zündspannung Uz herankommt, umso genauer wird die Estimation der Anregungsfrequenz. Mit Ux~Uknt werden die beiden Frequenzen fi und f.2 be- stimmt und die Resonanzfrequenz fres berechnet. Die gefundene Frequenz f2 und die berechnete Resonanzfrequenz fres aus dem ersten Verfahren werden nun als Ausgangswerte im zweiten Verfahren verwendet. Um die erforderliche Anre- gungsfrequenz fA für eine bestimmte Zündspannung Uz abzuschätzen, wird nun die im obigen Verfahren gefundene Frequenz f2 als zweite Anregungsfrequenz f4 gewählt. Die erste Anregungsfrequenz f3 kann nun aus der zweiten
Anregungsfrequenz f4 berechnet werden: /3 =/4 —f - f— . Je y nach Auslegung der das Verfahren ausführenden Schaltungsanordnung kann der Quotient y sinnvollerweise zwischen 2 und 10 liegen. Bei bestimmten konstellationen, z.B. einer sehr hohen Güte des Resonanzkreises kann gelten: f3,f4 >£2. Dies kann notwendig werden, da sonst die aus der Anregung mit der ersten Anregungsfrequenz f3 resultierende Spannung zu hoch wird. Mittels dieser beiden Frequenzen wird nun die Anregungsfrequenz fA für eine bestimmte Zündspannung Uz berechnet. Die beiden Anregungsfrequenzen f3 und f4 erzeugen dabei jeweils eine Spannung Ui und U2, die beide vorzugsweise unter der kritischen Spannung Ukrit liegen. In speziellen Fällen können die Spannungen jedoch auch über der kritischen Spannung Ukrit liegen und recht nahe an den Spitzenwert der Zündspannung Uz herankommen. Die beiden durch die Anregungsfrequenzen erzeugten Span- nungen werden gemessen, und aus diesen Werten kann dann die reale Resonanzfrequenz fres durch Extrapolation abgeschätzt werden. Aus dem Verhältnis der Differenz der Frequenzen Δf und des Quotienten der Ausgangsspannungen lässt sich mit Kenntnis der Resonanzfrequenz fres die Anregungsfrequenz fA, die benötigt wird um eine bestimmte Spannung Uz zu erreichen, berechnen: fÄ = 2 * fres - \n(Uz) * f — T j f ; dabei i st hier die Dämpfung des
H-)
Schwingkreises bereits grob modelliert.
[22] Fig. 5 zeigt das schematische Schaltbild des Ausgangsteils der das Verfahren ausführenden Schaltungsan- Ordnung. Der Ausgangsteil besteht aus einer Halbbrückenschaltung mit zwei Schaltern Sl und S2, denen Freilaufdioden parallelgeschaltet sind. Die beiden ersten Pole der Schalter sind in einem Mittenpunkt miteinander und mit dem ersten Pol einer Drossel Ll verbunden. Die zweiten Pole der beiden Schalter sind mit der Eingangsspannung verbunden. Der zweite Pol der Drossel Ll ist mit einer ersten Elektrode einer Gasentladungslampe 5, sowie mit dem ersten Pol eines Kondensators Cl verbunden. Die zweite Elektrode der Gasentladungslampe ist mit den ersten Polen zweier Kondensatoren C3 und C4 verbunden. Die zweiten Pole der Kondensatoren Cl, C2 und C3 sind jeweils mit der Versorgungsspannung verbunden. Die Schaltungsanordnung weist weiterhin einen Steuerteil 20 auf, der die Schalter Sl und S2 ansteuert sowie die Spannung über der Gasentladungslampe 5 als Eingangsgröße bekommt. Die Induktivität Ll bildet nun zusammen mit dem Kondensator Cl einen Resonanzkreis, der durch entsprechende Frequenzanregung eine Zündspannung Uz an die Lampe anlegt. Die Induktivität Ll sowie die Kapazität Cl des Resonanzkreises können in einer realen Schaltungsanordnung auch auf mehrere Komponenten verteilt sein. Die Bezeichnung Resonanzkreis schließt hier auch Resonanzkreise höherer Ordnung ein, d.h. es können auch mehrere reale Resonanzkreise gekoppelt sein. Eine entsprechende Anregung vorausgesetzt, können mit dieser Schaltungsan- Ordnung Zündspannungsverläufe wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt, erzeugt werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Starten einer Gasentladungslampe mit einem Resonanzkreis (Li, Ci) , gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Anregen des Resonanzkreises (Li, Ci) derart, dass für eine erste Zeitspanne (ti) eine Zündspannung (Uz) generiert wird, deren Betrag lediglich für eine Anzahl n Halbwellen oberhalb des Betrages einer vorbe¬ stimmten kritischen Spannung (Ukπt) liegt, und b) Anregen des Resonanzkreises (Li, Ci) für eine zweite Zeitspanne (t2) derart, dass eine Zündspannung (Uz) erzeugt wird, deren Betrag deutlich unterhalb des Betrages der kritischen Spannung (Ukπt) liegt, wobei die Zeitspanne (t2) länger ist als eine vorbestimmte kritische Zeitspanne (tkπt) •
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Zündspannung im Schritt b) folgende Be¬ ziehung gilt: U2 ≤ 0,2..0,5 • Uknt .
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Zeitspanne, während der der Betrag der Zündspannung zwischen dem
0, 2..0, 5fachem des Betrages der kritischen Spannung (Ukπt) und dem Betrag der kritischen Spannung (Ukπt) liegt, höchstens zehn mal so lange wie die erste Zeitspanne ist, während der der Betrag der Zündspan- nung größer als der Betrag der kritischen Spannung (Ukπt) ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die kritische Spannung (Ukπt) in einem Bereich zwischen 700V und 1OkV liegt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn- zeichnet, dass die kritische Spannung (Ukπt) in einem
Bereich zwischen 1000V und 4000V liegt
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wiederholen der Schritte periodisch erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wiederholen der Schritte nichtperiodisch erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der überwiegende Teil der zweiten Zeitspannen (t2) größer als lOμs, insbesondere größer als 33μs ist .
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass n≤40 ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass n≤lO ist.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass n≤4 ist.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wiederholfrequenz (fw) der Schritte a) und b) bei unter 10OkHz liegt.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wiederhol frequenz
(fw) der Schritte a) und b) bei unter 3OkHz liegt.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wiederhol frequenz
(fw) der Schritte a) und b) bei unter 3kHz liegt.
15. Elektronisches Betriebsgerät zum Starten und Betreiben einer Gasentladungslampe mit einer Brückenschaltung zum Erzeugen einer variablen Wechselspannung und einem Resonanzkreis, der aus mindestens einem Resonanzkondensator (Cl) und mindestens einer Resonanzdrossel (Ll) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Betriebsgerät ein Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-14 ausführt.
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