WO2011134800A2

WO2011134800A2 - Verfahren zum betreiben einer gasentladungslampe und gasentladungslampensystem

Info

Publication number: WO2011134800A2
Application number: PCT/EP2011/055896
Authority: WO
Inventors: Michael Boenigk
Original assignee: Osram Gesellschaft mit beschränkter Haftung
Priority date: 2010-04-27
Filing date: 2011-04-14
Publication date: 2011-11-03
Also published as: JP2013525984A; CN102870500A; EP2529597A2; DE102010028222A1; JP5627766B2; EP2529597B1; WO2011134800A3

Abstract

Das Verfahren dient zum Betreiben einer Gasentladungslampe (1), wobei die Gasentladungslampe (1) ein Entladungsgefäß (2), in dessen Hohlraum (3) zwei Elektroden (4a, 4b) ragen, sowie mindestens ein kapazitives Zündhilfselement (5) aufweist, wobei an die Elektroden (4a, 4b) und/oder an das mindestens eine kapazitive Zündhilfselement (5) während eines Zündens der Gasentladungslampe eine mit einer hochfrequenten Wechselspannung überlagerte Gleichspannung angelegt wird. Das Gasentladungslampensystem ist mit mindestens einer Gasentladungslampe (1) und einem Steuergerät (6) zum Ansteuern der mindestens einen Gasentladungslampe (1) ausgerüstet, wobei die mindestens eine Gasentladungslampe (1) ein Entladungsgefäß (2), in dessen Hohlraum (3) zwei Elektroden (4a, 4b) ragen, sowie mindestens ein kapazitives Zündhilfselement (5) aufweist, und das Steuergerät (6) dazu eingerichtet ist, an die Elektroden (4a, 4b) der jeweiligen Gasentladungslampen (1) eine mit einer hochfrequenten WechselSpannung überlagerte GleichSpannung anzulegen.

Description

Beschreibung

Verfahren zum Betraiben einer Gasentladungslampe und Gasentladungslampensystem

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Betreiben einer Gasentladungelampe, wobei die Gasentladungelampe ein Entladungsgefäß, in dessen Hohlraum zwei Elektroden ragen, sowie mindestens ein Zündhilfselement aufweist , wobei an die Elektroden während eines Zündens eine hochfrequente Wechselspannung angelegt wird. Die Erfindung betrifft auch ein Gasentladungslampensystem mit mindestens einer Gasentladungslampe und einem Steuergerät zum Ansteuern der mindestens einen Gasentladungslampe .

Für quecksilberfreie Entladungslampen wird zu deren Zündung in der Regel mittels eines Vorschaltgeräts eine Impulszündung mit den Zündparametern dU/dt > 70 kV/us und einer Spannung von mehr 20 kV verwendet. Quecksilberfreie Entladungslampen mit kapazitiver Zündhilfe zünden bei diesen Impulsparametem bei einer Zündspannung von ca. 16 kV, wobei sich in der Praxis hohe Streuungen sowohl zwischen den Lampen als auch bei den Zündungen der einzelnen Lampen ergeben. So können die Zündspannungen den von dem Vorschaltgerät bereitgestellten Zündimpuls weit überschreiten. Dies kann sowohl zu einer erhöhten Ausschussrate während einer Fertigung der Entladungslampen als auch zu einem schlechten Zündverhalten des Systems aus Entladungslarape und Vorschaltgerät führen. Die hohen Spannungen des Zündimpulses erfordern einen großen technisehen Aufwand und somit hohe Kosten für das System.

Es ist auch bekannt, Entladungslampen mittels einer kontinuierlichen Hochfrequenz zu zünden. Hierdurch wird eine deutli che Erniedrigung der Zündspannung auf ca, 10 kV erreicht, insbesondere bei einer Verwendung kapazitiver Zündhilfen, da diese bei höheren Frequenzen besonders wirksam sind. Dabei ist die praktische Realisierbarkeit, z.B. durch Resonanzkreise zur Zündung, für die benötigten Zündspannungen aufwändig und kostenintensiv, insbesondere aufgrund eines hohen Stroms in dem Resonanzkreis und die damit verbundenen hohen Güten der Bauelemente sowie eine hohe Strombelastung der Schalter. Auch stellt die kontinuierliche HF-Hochspannung hohe Ansprüche an die Isolierung bzw. Spannungsfestigkeit der verwendeten Installationskomponenten wie Kabel, Fassungen usw. Durch die kontinuierliche HF-Hochspannung erfolgt ferner eine unerwünschte starke Ionisierung dieser Komponenten. WO 01/73817 AI beschreibt eine Gasentladungslampe, die einen Brenner aufweist, der ein Entladungsgefäß mit einem Hohlraum aufweist, in dem eine Füllung mit Gas und anderen Stoffen angeordnet ist. In den Hohlraum ragen zwei Elektroden hinein, zwischen denen sich im Betrieb der Gasentladungslampe ein Lichtbogen ausbildet. Auf der Außenseite des Entladungsgefäßes sind im Bereich des Hohlraums zwei Hilfselektroden entgegengesetzter Polarität einander gegenüberliegend angeordnet. Die Hilfselektroden sind durch Beschichtung der Außenseite des Entladungsgefäßes mit elektrisch leitfähigem Material gebildet. Vor und gegebenenfalls auch während des Zündens der Gasentladungslampe wird an die Hilfselektroden hochfrequente Hochspannung angelegt, wodurch das Zünden der Gasentladungslampe erleichtert wird. WO 2004/090934 AI beschreibt eine Hochdruckentladungslampe, aufweisend eine Glühbirne, die aus einer Seite einer Leuchteinheit mit einem Entladungsraum darin und einem Paar von Abdichtungseinheiten, die an dieser Leuchteinheit durchgängig angebracht sind, besteht, sowie einem Paar von Elektroden, die in dem Entladungsraum der Leuchteinheit angeordnet sind, wobei ein Teil eines Umgebungsleiters in einem spezifischen Bereich einer Bogenentladungsröhre an einer Abdichtungseinheit in einer fast spiralförmigen Form gewunden ist, und wobei der restliche Teil des Umgebungsleiters über den äußeren Teil einer Bogenentladungsröhre hinausragt, die mit einer Elektrode an der anderen Abdichtungseinheitsseite elektrisch zu verbinden ist. Wenn eine Hochfrequenzspannung bei einer Frequenz von 1 kHz bis 1 MHz an die Hochdruckentladungslampe, die wie oben strukturiert ist, angelegt wird, bevor das Entladen begonnen wird, kann die Durchschlagsspannung auf bis zu 8 kV gesteuert werden. WO 2006/064408 AI beschreibt eine Hochfrequenzlampenechaltung für eine Gasentladungslampe, wobei die Lampenschaltung eine Reihenschaltung einer Wechselspannungsversorgungsquelle zum Zuführen einer Wechselspannung aufweist, aufweisend eine hohe Lampenbetriebafrequenz, einen Vorschaltgerateinduktor, einen Kondensator und Anschlüsse zur Verbindung mit einer Gasentladungslampe und, verbunden mit den Anschlüssen, eine Zündschaltung zum Zünden der Lampe. Der Kondensator weist einen Wert auf, welcher eine niedrige Impedanz für die Lampenbetriebsfrequenz darstellt. Die Zündschaltung weist eine Reihenanordnung einer Impedanz und eine Gleichspannungsquelle zum Zuführen einer hohen Gleichspannung auf. Die Reihenimpedanz der Zündschaltung weist einen Wert auf, welcher bezüglich eines Impedanzwertes der Lampe während dem Hochlauf und während dem Dauerbetrieb der Lampe hoch ist.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, mindestens einen der Nachteile des Standes der Technik zumindest abzumildern und insbesondere eine Möglichkeit zur Zündung einer Gasentladungslampe bereitzustellen, welche besonders einfach und kostengünstig realisierbar ist. Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Gasentladungslampe, wobei die Gasentladungslampe ein Entladungsgefäß, in dessen Hohlraum zwei Elektroden ragen, sowie mindestens ein Zündhilfselement aufweist, wobei an die Elektroden während eines Zündens der Gasentladungslampe eine mit einer hochfrequenten Wechselspannung überlagerte Gleichspannung angelegt wird.

Diese Ausgestaltung ermöglicht im Vergleich zu einer Verwendung eines Zündimpulses eine deutliche Erniedrigung der benötigten Zündspannung. Gleichzeitig lässt sich die Kombination aus der Gleichspannung und der hochfrequenten Wechselspannung mit niedrigerer Amplitude der Hochfrequenzspannung als bei einer ausschließlich hochfrequenten Zündung realisieren, wodurch sich einfachere und kostengünstigere Vorschaltgeräte, insbesondere elektronische Vorschaltgeräte (EVG) , einsetzen lassen. Ein weiterer Vorteil ist, dass nur eine geringere Ionisierung der spannungsführenden Teile der Installation (Sockel, Zuleitungen etc.) auftritt. Dadurch wiederum kann die Spannungsfestigkeit der entsprechenden Komponenten geringer als bei der ausschließlich hochfrequenten Zündung gewählt werden. Neben der Erniedrigung der benötigten Zündspannung sinken zusätzlich noch die Streuung der Einzel Zündungen einer Lampe sowie auch die Streuung der Lampen untereinander. Die kapazitive Zündhilfe wirkt auf mindestens eine in das Entladungsgefäß ragende Elektrode.

Es ist also ein Anlegen bzw. Einspeisen der mit der hochfrequenten Wechselspannung überlagerten Gleichspannung nur an die Elektroden möglich, Es ist eine Ausgestaltung, dass die Gleichspannung in ihrem Betrag rampenartig, insbesondere annähernd linear, über die Zeit vergrößert wird, Alternativ kann die Gleichspannung z.B. unmittelbar auf dem gewünschten Spannungsniveau angelegt werden.

Es ist noch eine Ausgestaltung, dass die Gleichspannungsrampe innerhalb von ca. 1 s, insbesondere innerhalb von ca. 500 ms, durchfahren wird.

Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass die Gleichspannung bis auf ein betragsmäßiges Spannungeniveau von max. 8 kV, insbesondere max. 7 kV, eingestellt wird.

Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass die hochfrequente Wechselspannung eine Spitzenamplitude zwischen 3 kV und 6 kV, insbesondere zwischen 4 kV und 5 kV, aufweist. Es ist weiterhin eine Ausgestaltung, dass die hochfrequente Wechselspannung eine Frequenz zwischen 100 kHz und 4 MHz aufweist. So kann die hochfrequente Wechselspannung eine Frequenz zwischen 100 kHz und 400 kHz, insbesondere zwischen 150 kHz und 300 kHz, aufweist, was eine Auslegung der Hochfrequenzkomponenten erleichtert und eine Verwendung preiswerterer Komponenten ermöglicht. Alternativ kann die hochfrequente Wechselspannung z.B. eine Frequenz ab ca. 1 MHz, insbesondere zwischen ca. 1 MHz und ca. 4 MHz aufweisen, wodurch eine Effektivität des Energieeintrags gesteigert werden kann.

Es ist auch eine Ausgestaltung, dass das Entladungsgefäß eine quecksilberfreie Füllung aufweist (quecksilberfreie Entladungslampe) . Die mindestens eine kapazitive Zündhilfe kann beispielsweise eine Zündhilfsschicht, einen Zündhilfsdraht , eine beschichte te Quetschung, einen Rückleiter, einen das Entladungsgefäß umgebenden Reflektor o.a. umfassen.

Die mindestens eine Zündhilfe kann galvanisch mit einem der beiden Lampenkontakte gekoppelt oder ohne eine galvanische Kontaktierung mit einem der beiden Lampenkontakte (potentialmaSig frei schwebend) aufgebaut sein.

Es ist noch eine Weiterbildung, dass die hochfrequente Wechselspannung bzw. der Anteil der hochfrequenten Wechselspannung gleich oder größer als die für eine Übernahme der Lampe benötigte Spannung ist.

Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Gasentladungslampensystem mit mindestens einer Gasentladungslampe und einem Steuergerät zum Ansteuern der mindestens einen Gasentladungslampe, wobei die mindestens eine Gasentladungslampe ein Entladungsgefäß, in dessen Hohlraum zwei Elektroden ragen, sowie mindestens ein Zündhilfselement aufweist, und das Steuergerät dazu eingerichtet ist, an die Elektroden der jeweiligen Gasentladungslampen eine mit einer hochfrequenten Wechselspannung überlagerte Gleichspannung anzulegen.

In den folgenden Figuren wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels schematisch genauer beschrieben. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein,

Pig. l zeigt eine Entladungslampe mit einer kapazitiven

Zündhilfe ;

Fig.2 zeigt eine Auftragung einer an die Entladungslampe aus Fig.1 angelegten (negativen) Spannung auf der Ordinate über die Zeit auf der Abszisse; und

Fig.3 zeigt eine Häufigkeitsverteilung der zum Zünden der

Entladungslampe benötigten Zündspannung in kV auf der Abszisse für jeweils eine Gruppe von gleichartigen Entladungslampen. Fig.l zeigt eine Gasentladungslampe 1 mit einem Entladungsgefäß 2, in deren Hohlraum 3 zwei Elektroden 4a, 4b und deren Hohlraum 3 mit einer quecksilberfreien Dampffüllung gefüllt ist. An einer Außenseite des Entladungsgefäßes 2 ist hier ein kapazitives Zündhilfselement ("kapazitive Zündhilfe") 5 vorhanden. Das Zündhilfselement 5 bildet hier zu jeder der Elektroden 4a, 4b hin eine Kapazität, welche mit jeder Halbwelle einer hochfrequenten Wechselspannung auf- bzw. umgeladen wird. Dadurch bildet sich in dem Hohlraum 3 ein elektrisches Wechselfeld aus, welches eine dielektrisch behinderte Entladung von in dem Hohlraum 3 vorhandenen Gasatomen oder Gasmolekülen hervorruft. Diese Entladung erzeugt Ladungsträger für eine vollständige Zündung der Gasentladungslampe 1 über die Elektroden 4a, 4b.

Das Zündhilfselement 5 kann mindestens eine Zündhilfsschicht, Zündhilfsdraht, beschichtete Quetschung, Rückleiter o.ä. umfassen. Das Zündhilfselement 5 kann grundsätzlich mit beiden Elektroden 4a, 4b oder nur mit einer der Elektroden 4a, 4b eine Kapazität bilden. So können zwei Zündhilfselemente 5 mit jeweils einer Elektrode 4a, 4b eine Kapazität bilden.

Die Zündung wird über ein elektronisches Vorschaltgerät 6 gesteuert, welches zur Zündung der Gasentladungslampe 1 hier an die beiden Elektroden 4a, 4b eine Kombination aus einer Gleichspannung und einer hochfrequenten Wechselspannung ('Hochfrequenzspannung') anlegt, wie genauer in Fig.2 erläutert;

Fig.2 zeigt eine Auftragung einer mittels des elektronischen Vorschaltgeräts 6 an die Elektroden 4a, 4b der Entladungslampe 1 angelegten Spannung U in Form einer Kombination aus einer (hier negativ aufgetragenen) Gleichspannung und einer hochfrequenten Wechselspannung in kV auf der Ordinate bzw. yAchse über die Zeit t in ms auf der Abszisse bzw. x-Achse. Bis knapp t-100 ms erzeugt das elektronische Vorschaltgerät 6 eine reine hochfrequente Wechselspannung, welche eine Spitzenamplitude bzw. Spitzenspannung (Spitze-zu-Spit2e) Us von ca. 4,5 kV bei einer Frequenz von ca. 180 kHz aufweist. Ab knapp t=l00 ms wird dieser hochfrequenten Wechselspannung eine Gleichspannung überlagert (oder umgekehrt) . Dabei wird die Gleichspannung bis ca. t=500 ms auf ca. -6,5 kV erhöht. Dies entspricht einer in etwa linearen Rampe mit einer Steigung von betragsmäßig ca. 16 V/ms.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass die Überlagerung aus der Gleichspannung und der hochfrequenten Wechsel Spannung die Zündspannung Uz erheblich reduzieren kann, da auch hier durch die kapazitive Zündhilfe 5 eine erhebliche Energiemenge in das Gas in dem EntladungsgefäS 2 eingebracht werden kann, und dies, obwohl durch die Gleichspannung eine niedrigere Amplitude der hochfrequenten Wechselapannung benötigt wird als bei einer Zündung mit einer reinen hochfrequenten Wechselspannung .

Fig.3 zeigt eine Häufigkeitsverteilung einer Zahl N von gleichartigen Entladungslampen auf der Ordinate verteilt über die zum Zünden der jeweiligen Entladungslampe benötigten Zündspannung Uz in kV auf der Abszisse, und zwar sowohl für eine Zündung mittels eines Zündimpulses P als auch alternativ für eine Zündung mittels der Kombination K aus der Gleichspannung und der hochfrequenten Wechselspannung . Bei der Impulszündung ist die Durchbruchspannung oder Zündspannung der Entladungslampen bei einem Zünden auf einer ersten ansteigenden Flanke des Zündimpulses P angegeben. Zündungen außerhalb der ersten ansteigenden Flanke des Zündimpulses P (z.B. auf einer abfallenden Flanke oder während einer folgenden Halbwelle) sind durch den gepunktet eingezeichneten Abbruch der Verteilung bei ca. 18,5 kV angedeutet,

Während eine Zündspannung bis zur Übernahme bei einem pulsartigen Zündimpuls P für die meisten Entladungslampen 1 ein Verteilungsmaximum bei ca. 15 kv zeigt, liegt das Verteilungsmaximum für die Kombination K aus der Gleichspannung und der hochfrequenten Wechselspannung bei nur zwischen ca. 9 kV und 10 kv. Zudem ist die Streuung bzw. Standardabweichung der Verteilung für die Kombination K schmaler als für die pulsartige Zündung, was eine einfachere Auslegung des Vorschaltge- räts und/oder einen geringeren Ausschuss ermöglicht.

Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt.

Bezugszeichenliste

1 Gasentladungslampe

2 Entladungsgefäß

3 Kohlräum

4a Elektrode

4b Elektrode

5 Zündhilfselement

6 Vorschaltgerät

K Kombination aus Gleichspannung und hochfrequenter

Wechselspannung

P Zündimpuls

N Zahl von Entladungslampen

t Zeit

U Spannung

Us Spitzenspannung

Uz Zündspannung

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Betreiben einer Gasentladungslampe (1) , wobei die Gasentladungslampe {1) ein Entladungsgs efäs (2) , in dessen Hohlraum (3) zwei Elektroden (4a, 4b) ragen, sowie mindestens ein kapazitives Zündhilfselement (5) aufweist, wobei an die Elektroden (4a, 4b) während eines Zündens der Gasentladungslampe eine mit einer hochfrequenten Wechselspannung überlagerte Gleichspannung angelegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mit der hochfrequenten Wechselspannung überlagerte Gleichspannung an das mindestens eine kapazitive Zündhilfselement (5) angelegt wird und ein Bezugspunkt der hochfrequenten Wechselspannung mit einer der beiden Elektroden (4a, 4b) verbunden ist .

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gleichspannung in ihrem Betrag rampenartig über die Zeit vergrößert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Gleichspannungsrampe innerhalb von maximal ca. 1 s, insbesondere innerhalb von maximal ca. 500 ms, durchfahren wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gleichspannung bis auf ein betragsmäßiges Spannungs- niveau von max.^' 8 kV, insbesondere max. 7 kV, eingestellt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die hochfrequente Wechselspannung eine Spitzenamplitude zwischen 3 kV und 6 kV, insbesondere zwischen 4 kV und 5 kV, aufweist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die hochfrequente Wechselepannung eine Frequenz zwischen ca. 100 kHz und ca. 4 MHz, insbesondere zwischen ca. 150 kHz und ca. 400 kHz oder zwischen ca. 1 MHz und ca. 4MHz, aufweist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bntladungsgefäß (2) eine quecksilberfreie Füllung aufweist .

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anteil der hochfrequenten Wechselspannung gleich oder größer als die für eine Übernahme der Gasentladungslampe (1) benötigte Zündspannung ist.

10. Gasentladungslampensystem mit mindestens einer Gasentladungslampe (1) und einem Steuergerät {6) zum Ansteuern der mindestens einen Gasentladungslampe (1), wobei die mindestens eine Gasentladungslampe (1) ein Entladungsgefaß (2) , in dessen Hohlraum (3) zwei Elektroden (4a, 4b) ragen, sowie mindestens ein kapazitives Zündhilfselement (5) aufweist, und das Steuergerät (6) dazu eingerichtet ist, an die Elektroden (4a, 4b) der jeweiligen Gasentladungslampen (1) eine mit einer hochfrequenten Wechsel - spannung überlagerte Gleichspannung anzulegen.