[0001] Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Hochdruck-Entladungslampe
an einer Batterie, mit einem Transistor-Spannungswandler und einem nachgeschalteten
Transformator, dessen Ausgangs-Wechselspannung der Hochdruck-Entladungslampe zugeführt
wird, wobei parallel zur Entladungslampe ein Zündgerät geschaltet ist, das nach dem
Zünden der Lampe infolge des Spannungsabfalls an einer vorgeschalteten Induktivität
unwirksam wird.
[0002] Hochdruck-Entladungslampen benötigen zum Betrieb eine Wechselspannung. In der Regel
sind die Lampen einschließlich der zugehörigen Schaltung, die üblicherweise ein induktives
Vorschaltgerät in Form einer Drossel zur Strombegrenzung enthält, so ausgelegt, daß
die Lampen entsprechend der allgemein in Europa üblichen Norm an eine Spannung von
220 Volt mit einer Frequenz von 50 Hz angeschlossen werden können.
[0003] Um den infolge der Induktivität auftretenden Blindstrom zu kompensieren, wird in
der Regel noch ein Kompensationskondensator parallel zum Netz geschaltet, dessen Kapazität
je nach der Induktivität und der Leistung zwischen 15 uF bis 50 gF beträgt.
[0004] Andere Hochdruck-Entladungslampen, z. B. Natriumdampf-Hochdrucklampen oder Halogen-Metalldampflampen
benötigen zum Betrieb noch ein Zündgerät, das in der Startphase die erforderliche
Zündspannung von 2 bis 4,5 kV erzeugt. Dieses Zündgerät liegt hinter der Drossel parallel
zur Lampe.
[0005] Da nach dem Zünden der Lampe die Hochspannung nicht mehr benötigt wird, ist das Zündgerät
so ausgelegt, daß es sich nach dem Zünden der Lampe automatisch abschaltet. Diese
automatische Abschaltung wird dadurch bewirkt, daß nach dem Zünden durch die Lampe
Strom fließt und hinter dem Vorschaltgerät ein Spannungsabfall auf etwa 190 V auftritt.
Diese Spannung reicht nicht mehr aus, um das Zündgerät in Betrieb zu halten.
[0006] Hochdruck-Entladungslampen besitzen eine hohe Lichtausbeute, die je nach Leistung
zwischen 70 bis 120 lm/W beträgt, und es wäre daher erwünscht, diese Lampen auch an
Akkumulatoren mobil betreiben zu können. Gerade im mobilen Einsatz werden in der Regel
hohe Lichtleistungen benötigt, beispielsweise bei Verkehrsunfällen, Feuerwehreinsätzen
etc., wo man bisher ausschließlich Jod-Halogenlampen eingesetzt hat, die im Gegensatz
zu Hochdruck-Entladungslampen nur eine Lichtausbeute von ca. 22 lm/W besitzen. Beispielsweise
hat eine 250 W-Halogen-Metalldampflampe die gleiche Lichtleistung von 22 000 lm wie
eine 1000-W-Halogen-Lampe.
[0007] Bisher war es lediglich möglich, bei fehlendem Netzanschluß Hochdruck-Entladungslampen
an Generatoren mit Zwei- oder Vier-Takt-Otto- oder Dieselmotor ab 2 kW Leistung zu
betreiben, jedoch schränkt die Größe dieser Generatoren die Mobilität stark ein. Versuche,
Hochdruck-Entladungslampen an Akkumulatoren zu betreiben, sind zunächst nicht gelungen.
Versuche mit rotierenden Umformern kleiner Leistung mit einer Eingangsspannung von
12 oder 24 Volt Gleichspannung und einer Ausgangsspannung von 250 V und 50 Hz bei
einer Leistung von etwa 600 W haben nicht zum Erfolg geführt.
[0008] Bei dem Versuch mit der üblichen Schaltung mit induktivem Vorschaltgerät und Kompensationskondensator
zündete die Lampe überhaupt nicht, da der Kompensationskondensator ohne Stromfluß
durch das Vorschaltgerät als kapazitive Last wirkt. Der Generator wurde durch die
kapazitive Last so stark belastet, daß die Spannung unter den für das Zündgerät erforderlichen
Wert zusammenbrach.
[0009] Auch das Fortlassen des Kompensationskondensators führte nicht zum Erfolg, denn es
stellte sich heraus, daß nach Anschluß der Schaltung die Lampe zwar zündete, aber
nach kurzer Zeit der Generator durch den auftretenden Blindstrom so überlastet wurde,
daß die Ausgangs-Spannung - bedingt durch die Hochohmigkeit gegenüber dem Netz - zusammenbrach
und die Lampe erlosch. Dem hätte nur durch eine höhere Leistung des Generators entgegengewirkt
werden können, jedoch wäre dann - abgesehen von dem nicht vertretbaren Aufwand - der
Wirkungsgrad der Anordnung so schlecht gewesen, daß man ebenso eine 1000-W-Halogenlampe
anstatt der bei dem Versuch verwendeten 250-W-Halogen-Metalldampflampe hätte einsetzen
können.
[0010] In der eigenen älteren Patentanmeldung P 32 02 458.4 wurde eine Schaltungsanordnung
angegeben, mit der Hochdruck-Entladungslampen auch an einem Akkumulator problemlos
betrieben werden können. Um einen Zusammenbruch der Betriebsspannung der Lampe infolge
der begrenzten Leistung der Batterie zu verhindern, ist bei der vorgeschlagenen Schaltung
dem induktiven Vorschaltgerät ein kapazitiver Widerstand vorgeschaltet, und in Reihe
mit dem mit dem Verbindungspunkt von Vorschaltgerät und dem kapazitiven Widerstand
verbundenen Kompensationskondensator ist ein normalerweise offener Schalter angeordnet,
wobei eine Sensorschaltung den Schalter in Abhängigkeit von dem nach dem Zünden durch
die Lampe fließenden Betriebsstrom schließt. Die Betriebs- spannung wird hier durch
einen Transistor-Spannungswandler und einen diesem nachgeschalteten Transformator
erzeugt. Diese Schaltung hat sich in der Praxis als sehr zufriedenstellend in der
Funktion erwiesen.
[0011] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der
eingangs genannten Art zu schaffen, die sich gegenüber der vorgeschlagenen Schaltung
durch eine Verringerung des technischen Aufwandes und damit von Gewicht und Preis
und einen noch besseren Wirkungsgrad auszeichnet.
[0012] Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Sekundärwicklung
des Transformators für die Erzeugung der Betriebsspannung für das Zündgerät ausgelegt
ist und zugleich die vorgeschaltete Induktivität darstellt, daß die Sekundärwicklung
eine Anzapfung zum Abgreifen der gegenüber der Betriebsspannung für das Zündgerät
niedrigeren Brennspannung für die Entladungslampe enthält, und daß Mittel für die
Betätigung eines Umschalters vorgesehen sind, die nach dem Zünden der Entladungslampe
die Speisespannung von der Betriebsspannung für das Zündgerät auf die Brennspannung
umschalten.
[0013] Es hat sich überraschend gezeigt, daß eine Hochdruck-Entladungslampe auch unmittelbar
an einer Transformatorwicklung funktioniert, wenn diese an die Lampenfunktion zu den
erforderlichen Zeitpunkten angepaßt wird und beim Zünden die volle Betriebsspannung
von etwa 220 V für das Zündgerät liefert, nach Eintritt der Zündung aber auf die Brennspannung
der Lampe von etwa 100 V umgeschaltet wird.
[0014] Die Sekundärwicklung des Transformators übernimmt dabei die Funktion der sonst üblichen
Vorschaltdrossel, so daß diese entfallen kann, und auch der sonst übliche Kompensationskondensator
kann entfallen, weil wegen des Fehlens der Vorschaltdrossel die Notwendigkeit für
eine Blindstrom-Kompensation entfällt. Hierdurch wird die Schaltungsanordnung hinsichtlich
Aufwand und Gewicht erheblich entlastet.
[0015] Durch den niedrigen Innenwiderstand der Entladungslampe nach dem Zünden bricht nämlich
die Spannung an der Sekundärwicklung des Transformators genauso wie hinter einer Vorschaltdrossel
zusammen, so daß das Zündgerät unwirksam wird, und die Mittel für die Betätigung des
Umschalters zur Wirkung kommen, die die Lampe an ihre Brennspannung legen. Der Strom
in der Lampe steigt an, so daß sich die Lampe wie bei Netzbetrieb verhält. Nach drei
bis vier Minuten hat die Lampe ihre volle Lichtleistung erreicht.
[0016] Die Mittel für die Betätigung des Umschalters bestehen vorzugsweise aus einer Sensorschaltung,
die den Umschalter in Abhängigkeit von dem nach dem Zünden durch die Lampe fließenden
Betriebsstrom betätigt.
[0017] Dabei enthält die Sensorschaltung eine Lichtquelle, die an das Potential vor dem
Zündgerät angeschlossen und so bemessen ist, daß sie erlischt, wenn das Zünden der
Lampe an der Sekundärwicklung des Transformators einen Spannungsabfall hervorruft,
und die Lichtquelle wirkt auf einen Fotowiderstand, der den Umschalter über eine Transistorschaltung
steuert.
[0018] In seiner Ruhestellung stellt der Umschalter eine Verbindung zwischen der Entladungslampe
und der Transformatorwicklung für die Brennspannung her, und dem Einschalttaster ist
ein Kontakt zugeordnet, durch den der Fotowiderstand kurzzeitig kurzgeschlossen wird,
so daß beim Einschaltvorgang der Umschalter die Entladungslampe an die Betriebsspannungswicklung
legt. Dadurch steuert die leuchtende Glimmlampe über den Fotowiderstand den Umschalter
so lange an, bis durch das Zünden der Entladungslampe die Glimmlampe erlischt. Nach
einer Zeitverzögerung von ca. 10 Sekunden fällt das den Umschalter betätigende Relais
ab, so daß die Lampe an die Brennspannungs-Wicklung gelegt wird.
[0019] Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen
bedeuten:
Fig. 1 die bekannte Schaltung zum Betrieb von Hochdruck-Entladungslampen mit dem erforderlichen
Zündgerät,
Fig. 2 die erfindungsgemäße Schaltung und
Fig. 3a-b Oszillogramme von Strom und Spannung der Lampe bei Netz- und Batteriebetrieb.
[0020] Bei der bekannten Schaltung gemäß Fig. 1 liegt an den Klemmen 1 und 2 eine Wechselspannung
Un an, von der über eine Vorschaltdrossel 3 eine Hochdruck-Entladungslampe 4 gespeist
wird. Parallel zur Spannungswelle C
N ist ein Kondensator C
k zur Kompensation des von der Drossel 3 verursachten Blindstroms vorgesehen. Ein Zündgerät
5 ist hinter der Drossel 3 parallel zur Lampe 4 geschaltet, bei der es sich um eine
Natriumdampf-Hochdrucklampe oder eine Halogen-Metalldampflampe handelt.
[0021] Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist die Spannungsquelle U
N von Fig. 1 durch einen statischen Transistor-Spannungswandler 6 mit nachgeschaltetem
Transformator 7 ersetzt. Der Transistor-Spannungswandler setzt die Batteriespannung
von z. B. 12 V in eine Wechselspannung um, die über den Transformator 7 auf eine Ausgangsspannung
Uz von 220 V und 50 Hz an der Sekundärwicklung umgesetzt wird. Diese Spannung U
z stellt die Betriebsspannung für das der Entladungslampe 4 parallel geschaltete Zündgerät
5 dar, wobei zwischen der Sekundärwicklung des Transformators 7 und dem Zündgerät
5 ein Umschalter 10 angeordnet ist, der durch ein Relais 11 betätigbar ist. Die Sekundärwicklung
des Ausgangs-Transformators 7 besitzt eine Anzapfung 12, an der eine Spannung U
L abgreifbar ist, die der Brennspannung der Entladungslampe 4 entspricht. Vor dem Zündgerät
5 liegt parallel eine Glimmlampe 13, die eine Zündspannung von mehr als 180 V besitzt.
[0022] Im Ruhezustand liegt der Umschalter 10 an der Anzapfung 12 der Sekundärwicklung des
Transformators 7. Damit die Glimmlampe leuchten kann, wird durch einen Parallel-Kontakt
beim Einschalt-Taster 8 der Fotowiderstand 9 kurzzeitig kurzgeschlossen, so daß das
Relais 11 anzieht und das Zündgerät mit der Betriebsspannung beaufschlagt wird, die
zugleich die Glimmlampe 13 zum Aufleuchten bringt. Nachdem die Lampe 4 gezündet hat,
bricht durch den anschließend gezogenen Strom die Spannung an der Sekundärwicklung
des Ausgangs-Transformators 7 zusammen, und die Glimmlampe 13 erlischt dadurch, so
daß über den Fotowiderstand 9 und die an diesen angeschlossene Transistorschaltung
14 der Umschalter 10 betätigt wird und die Entladungslampe 4 an die Brennspannung
U
L gelegt wird.
[0023] Als zusätzliche Sicherheitsmaßnahme kann dem Relais noch ein weiterer Kontakt 15
zugeordnet werden, der beim Umschalten des Umschalters 10 auf die Brennspannung jegliche
Stromzufuhr zu dem Zündgerät 5 unterbricht.
[0024] Lichtmessungen ergaben im Vergleich bei Netzbetrieb eine höhere Lichtausbeute von
10 %, obwohl die elektrische Leistung an der Lampe bei Netz- und Batterie-Betrieb
gleich war.
[0025] Eine Erklärung hierfür wurde durch Herstellung von Oszillogrammen für Strom und Spannung
gefunden. Dabei ergab sich nach dem Integrieren des Strombildes, daß die Fläche des
Lampenstromes bei Batterie-Betrieb ca. 10 % größer ist als bei NetzBetrieb. Es ergab
sich ferner, daß in der Praxis die Hochdruck-Entladungslampe an einer geradlinigen
Rechteck-Spannung ohne die normalerweise benötigte Spannungsüberhöhung am Anfang jeder
Halbwelle betrieben werden kann.
[0026] Anstelle der in Fig. 2 dargestellten Schaltung kann auch eine Verzögerungs-Schaltung
vorgesehen werden, die nach Einschalten der Lampe zur Wirkung kommt und in einer vorgegebenen
Zeit nach der Einschaltung der Lampe den Umschalter 10 betätigt.
[0027] Messungen haben ferner ergeben, daß mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
gegenüber der vorgeschlagenen Schaltung der Wirkungsgrad von etwa 60% auf etwa 75%
gesteigert werden konnte.
l. Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Hochdruck-Entladungslampe an einer Batterie,
mit einem Transistor-Spannungswandler und einem nachgeschalteten Transformator, dessen
Ausgangs-Wechselspannung der Hochdruck-Entladungslampe zugeführt wird, wobei parallel
zur Entladungslampe ein Zündgerät geschaltet ist, das nach dem Zünden der Lampe infolge
des Spannungsabfalls an einer vorgeschalteten Induktivität unwirksam wird, dadurch
gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung des Transformators (7) für die Erzeugung
der Betriebsspannung (UZ) für das Zündgerät (5) ausgelegt ist und zugleich die vorgeschaltete Induktivität
darstellt, daß die Sekundärwicklung eine Anzapfung (12) zum Abgreifen der gegenüber
der Betriebsspannung (UZ) für das Zündgerät niedrigeren Brennspannung (UL) für die Entladungslampe (4) enthält, und daß Mittel (11) für die Betätigung eines
Umschalters (10) vorgesehen sind, die nach dem Zünden der Entladungslampe (8) die
Speisespannung von der Betriebsspannung (UZ) für das Zündgerät auf die Brennspannung (UL) für die Entladungslampe umschalten.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel für
die Betätigung des Umschalters (10) aus einer Sensorschaltung (9, 11, 13) bestehen,
die die Umschaltung in Abhängigkeit von dem nach dem Zünden durch die Lampe (4) fließenden
Betriebsstrom betätigen.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorschaltung
eine Lichtquelle (13) enthält, die an das Potential vor dem Zündgerät (5) angeschlossen
und so bemessen ist, daß sie erlischt, wenn das Zünden der Lampe (4) an der Sekundärwicklung
des Transformators (7) einen Spannungsabfall hervorruft, und daß die Lichtquelle (13)
auf einen Fotowiderstand (9) wirkt, der den Umschalter (10) über eine Transistorschaltung
(4) steuert.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschalter
(10) in seiner Ruhestellung eine Verbindung zwischen der Entladungslampe (4) und der
Transformatorwicklung für die Brennspannung herstellt, und daß dem Einschalt-Taster
(8) ein Kontakt zugeordnet ist, durch den beim Einschaltvorgang der Fotowiderstand
(9) kurzzeitig kurzgeschlossen wird und der Umschalter (10) die Entladungslampe (4)
an die Betriebsspannungs-Wicklung für das Zündgerät (5) legt.
-5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel aus
einer nach Einschalten der Lampe (4) zur Wirkung kommenden Verzögerungs-Schaltung
bestehen.