Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe mit einem zeitlich periodisch verlaufenden, bipolaren Versorgungsstrom und einer vorgegebenen elektrischen Leistung, wobei der Hochdruckentladungslampe in periodisch wiederkehrenden Zeitintervallen unmittelbar nach dem Nulldurchgang des Versorgungsstroms eine zusätzliche elektrische Leistung zugeführt wird, um den Lampenbetrieb zu stabilisieren, und wobei die zeitlich gemittelte Gesamtleistung der vorgegebenen elektrischen Leistung entspricht.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe gemäß des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

I. Stand der Technik

[0002] Ein Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe mittels eines bipolaren Versorgungsstroms ist beispielsweise auf den Seiten 217 und 218 in dem Buch "Betriebsgeräte und Schaltungen für elektrische Lampen" von C.H. Sturm und E. Klein, Siemens AG, 6. neubearbeitete Auflage 1992 beschrieben. Diese Textstelle offenbart den Betrieb einer Hochdruckentladungslampe mit einem bipolaren Versorgungsstrom, der einen im wesentlichen rechteckförmigen zeitlichen Verlauf besitzt.

[0003] Hochdruckentladungslampen benötigen für ihren ordnungsgemäßen Betrieb einen definierten energetischen Haushalt. Ist ihr Energiehaushalt gestört, so kommt es zu Veränderungen im Betriebsverhalten der Hochdruckentladungslampe, beispielsweise zu einer Verkürzung der Lampenlebensdauer aufgrund von Elektrodenerosion oder Flickern verursacht durch einen undefinierten Entladungsbogenansatz. Bei dem Betrieb der Hochdruckentladungslampe mit einem bipolaren Versorgungsstrom stellt der Nulldurchgang des Versorgungsstroms bei seinem Polaritätswechsel eine kritische Betriebsphase der Lampe dar. Insbesondere bei Hochdruckentladungslampen mit vergleichsweise dicken Elektroden, die eine hohe Wärmeleitfähigkeiten besitzen, wie zum Beispiel bei quecksilberfreien Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampen, bewirkt der erhöhte Wärmetransport während des Nulldurchgangs des Versorgungsstroms eine entsprechend stärkere Abkühlung der Lampenelektroden.

[0004] In diesem Fall kann die in die Hochdruckentladungslampe eingespeiste Leistung zu einer unzureichenden Aufheizung der Lampenelektroden vor dem Polaritätswechsel des Versorgungsstroms führen. Dementsprechend besitzen die Lampenelektroden eine verringerte Emissionsfähigkeit und die nach dem Polaritätswechsel verfügbare Spannung über dem Gesamtsystem, das heißt über dem Entladungsbogen und den Elektroden, reicht nicht aus, um den entsprechenden Stromfluss aufrecht zu erhalten bzw. schnellstmöglich bereitzustellen. An der Hochdruckentladungslampe lässt sich daher ein Flickern des Entladungsbogens beobachten. Dieses gilt insbesondere für stark gealterte Lampen.

II. Darstellung der Erfindung

[0005] Es ist die Aufgabe der Erfindung, das oben beschriebene Problem während des Betriebs der Hochdruckentladungslampen mit einem bipolaren, zeitlich periodischen Versorgungsstrom zu vermeiden. Insbesondere soll auch ein zuverlässiges Betriebsverfahren für quecksilberfreie Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampen bereitgestellt werden.

[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.

[0007] Überraschenderweise konnte festgestellt werden, dass nicht das Vorheizen der Elektroden vor der Kommutierung, das ist der Polaritätswechsel des Versorgungs- bzw. Lampenstroms, von entscheidender Bedeutung ist, sondern die Bereitstellung bzw. Einspeisung einer Überlast unmittelbar nach der Kommutierung. Das Einspeisen einer zusätzlichen Leistung unmittelbar nach der Kommutierung gewährleistet, insbesondere durch die Bedienung der durch die Elektrode verursachten Spannungserhöhung (sogenannte Elektrodenfallspannung), welche einen höheren Leistungseintrag in die Elektrode und somit eine schnellere Aufheizung bzw: einen schnelleren Übergang in einen stabilen Zustand zur Folge hat, einen flickerfreier Betrieb der Hochdruckentladungslampe. Falls diese Elektrodenfallspannung nicht vollständig bedient werden kann, dauert die Aufheizung sehr lange und die Elektrode bleibt über diesen Zeitraum in einem Modus niedrigem Stromflusses mit mehr oder weniger undefiniertem Brennfleckansatz, entsprechender Entladungsbogenbewegung sowie verstärkter Elektrodenerosion.

[0008] Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe mit einem zeitlich periodisch verlaufenden, bipolaren Versorgungsstrom und einer vorgegebenen elektrischen Leistung zeichnet sich dadurch aus, dass der Hochdruckentladungslampe in periodisch wiederkehrenden Zeitintervallen unmittelbar nach dem Nulldurchgang des Versorgungsstroms eine zusätzliche elektrische Leistung zugeführt wird, wobei die zeitlich gemittelte Gesamtleistung der vorgegebenen elektrischen Leistung entspricht. Die periodisch wiederkehrenden Zeitintervalle, während denen die zusätzliche elektrische Leistung für die Hochdruckentladungslampe bereitgestellt wird, sind zeitnah zu dem Polaritätswechsel des Versorgungsstroms der Hochdruckentladungslampe angeordnet. Vorteilhafterweise sind diese Zeitintervalle nicht nur unmittelbar nach dem Polaritätswechsel sondern zusätzlich auch unmittelbar vor dem Polaritätswechsel bzw. dem Nulldurchgang des Versorgungsstroms angeordnet. Die zusätzliche Leistungszufuhr vor dem Polaritätswechsel des Versorgungsstroms erlaubt eine entsprechend stärkere Systemaufheizung um der Abkühlung der Lampenelektroden während des Nulldurchgangs des Versorgungsstroms Rechnung zu tragen und den daraus resultierenden, oben aufgeführten Nachteilen entgegen zu wirken. Die entscheidende zusätzliche Leistungszufuhr nach dem Polaritätswechsel des Versorgungsstroms dient zur schnellst möglichen Aufheizung der abgekühlten Lampenelektroden durch die Bedienung der sogenannten Elektrodenfallspannung und einer damit verbundenen höheren Leistungsaufnahme.
Die Dauer der periodisch wiederkehrenden Zeitintervalle für die zusätzliche Leistungszufuhr beträgt vorzugsweise jeweils 1 Prozent bis 40 Prozent einer Halbperiodendauer des Versorgungsstromes. Der Momentanwert der zusätzlichen elektrischen Leistung, die während der periodisch wiederkehrenden Zeitintervalle der Hochdruckentladungslampe eingeprägt wird, liegt vorzugsweise im Bereich von 1 Prozent bis 300 Prozent des Wertes der vorgegebenen elektrischen Leistung.

[0009] Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren ermöglicht auch ein Dimmen, das heißt, eine Helligkeitsregelung der Hochdruckentladungslampe. So kann für den Dimmbetrieb die zeitlich gemittelte Gesamtleistung der Hochdruckentladungslampe auf einen Wert eingestellt werden, der geringer ist als die Nennleistung der Hochdruckentladungslampe.

III. Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

[0010] Nachstehend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1

Den zeitlichen Verlauf des Stroms, der Spannung und der elektrischen Leistung einer quecksilberfreien Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe bei Betrieb mit ihrer Nennleistung

Figur 2

Den zeitlichen Verlauf des Stroms, der Spannung und der elektrischen Leistung der quecksilberfreien Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe bei Betrieb mit geringerer Leistung als ihrer Nennleistung

[0011] Mittels der Figuren 1 und 2 wird das erfindungsgemäße Betriebsverfahren anhand einer stark gealterten quecksilberfreien Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe beschrieben, die für den Einsatz in dem Scheinwerfer eines Kraftfahrzeugs vorgesehen ist, und eine Nennleistung von 35 Watt besitzt. Diese Lampe besitzt ein Entladungsgefäß aus Quarzglas mit darin eingeschlossener ionisierbarer Füllung sowie darin angeordneten Elektroden zum Erzeugen einer lichtemittierenden Gasentladung. Die ionisierbare Füllung enthält Xenon sowie Halogenverbindungen der Metalle Natrium, Scandium, Zink und Indium.

[0012] Diese quecksilberfreie Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe wird mittels eines Betriebsgerätes, dessen zugrundeliegende Schaltungsanordnung auf den Seiten des oben zitierten Buches beschrieben ist, mit einem bipolaren Versorgungsstrom gespeist, dessen Zeitverlauf im wesentlichen rechteckförmig ist. Die Frequenz dieses rechteckförmigen bipolaren Versorgungsstromes der Lampe sowie ihrer dazu in Phase befindlichen rechteckförmigen bipolaren Versorgungsspannung beträgt ca. 250 Hertz. In den Abbildungen der Figur 1 sind der zeitliche Verlauf des Versorgungsstroms und der Versorgungsspannung sowie die momentane elektrische Leistung der Lampe in ihren üblichen Einheiten Ampere, Volt und Watt dargestellt. Die Zeitachse ist in Einheiten von Millisekunden skaliert. Die Dauer einer Halbperiode des Versorgungsstroms und der Versorgungsspannung beträgt jeweils 2 Millisekunden. Der Versorgungsstrom beträgt während des größten Teils einer positiven bzw. negativen Halbperiode ungefähr 0,5 Ampere bzw. - 0,5 Ampere. Analog dazu beträgt die Versorgungsspannung während es größten Teils einer positiven bzw. negativen Halbperiode ungefähr 50 Volt bzw. -50 Volt. Nur unmittelbar vor und nach dem Polaritätswechsel des Versorgungsstroms und der Versorgungsspannung nehmen die vorgenannten Größen erheblich höhere Beträge an, so dass währenddessen ein erhöhter Leistungseintrag in die Lampe erfolgt. Die Zeitdauer des erhöhten Leistungseintrags beträgt vor und nach dem Polaritätswechsel des Versorgungsstroms jeweils 11 Prozent einer Halbperiode des Versorgungsstroms, das heißt ca. 0,22 Millisekunden. Die momentane elektrische Leistungsaufnahme der Lampe besitzt während des größten Teils der positiven und negativen Halbperioden des Versorgungsstroms einen nahezu konstanten Wert von ca. 30 Watt. Unmittelbar vor jedem Polaritätswechsel des Versorgungsstroms wird der Lampe während eines Zeitintervalls von jeweils 0,22 Millisekunden eine elektrische Leistung von ungefähr 95 Watt eingeprägt und unmittelbar nach jedem Polaritätswechsel des Versorgungsstroms wird der Lampe während eines Zeitintervalls von ebenfalls jeweils 0,22 Millisekunden eine elektrische Leistung von ungefähr 80 Watt eingeprägt. Die über den gesamten Zeitraum bzw. über eine Periode des Versorgungsstroms gemittelte Leistungsaufnahme der Lampe beträgt ungefähr 35 Watt.

[0013] In den Abbildungen der Figur 2 sind für dieselbe quecksilberfreie Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe der zeitliche Verlauf des Versorgungsstroms, der Versorgungsspannung und der momentanen elektrischen Leistung dargestellt für den Fall, dass diese Lampe im gedimmten Zustand, das heißt mit einer mittleren Leistungsaufnahme von nur 25 Watt anstelle mit ihrer Nennleistung von 35 Watt betrieben wird. Die momentane elektrische Leistungsaufnahme der Lampe besitzt während des größten Teils der positiven und negativen Halbperioden des Versorgungsstroms einen nahezu konstanten Wert von ca. 20 Watt. Unmittelbar vor und nach jedem Polaritätswechsel des Versorgungsstroms wird der Lampe während eines Zeitintervalls von jeweils 0,22 Millisekunden eine elektrische Leistung von bis zu 100 Watt eingeprägt. Die über den gesamten Zeitraum gemittelte Leistungsaufnahme der Lampe beträgt ungefähr 25 Watt.

[0014] Eine Dimmung dieser Lampe in Standardbetriebsweise oder aber nur eine Leistungs-überhöhung unmittelbar vor dem Nulldurchgang ihres Versorgungsstroms würde zum Verlöschen der Lampe führen.

Ansprüche

1. Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe mit einem zeitlich periodisch verlaufenden, bipolaren Versorgungsstrom und einer vorgegebenen elektrischen Leistung,
dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckentladungslampe in periodisch wiederkehrenden Zeitintervallen unmittelbar nach dem Nulldurchgang des Versorgungsstroms eine zusätzliche elektrische Leistung zugeführt wird, wobei die zeitlich gemittelte Gesamtleistung der vorgegebenen elektrischen Leistung entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die periodisch wiederkehrenden Zeitintervalle zusätzlich auch unmittelbar vor dem Nulldurchgang des Versorgungsstroms angeordnet sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der periodisch wiederkehrenden Zeitintervalle, jeweils 1 Prozent bis 40 Prozent der Gesamtdauer einer Halbperiode des Versorgungsstroms betragen.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Momentanwert der zusätzlichen elektrischen Leistung im Bereich von 1 Prozent bis 300 Prozent des Wertes der vorgegebenen elektrischen Leistung liegt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Dimmen der Hochdruckentladungslampe die zeitlich gemittelte Gesamtleistung auf einen Wert eingestellt wird, der geringer ist als die vorgegebene elektrische Leistung.

Zeichnung