[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Wechselstrombetrieb von
Hochdruck-Gasentladungslampen mit einem zwischen Lampe und Netzwechselspannungsquelle
angeordneten Strombegrenzer und einem mit Gleichstrom gespeisten Hochfrequenzoszillator,
der einen dem Netzwechsellampenstrom überlagerten Hochfrequenzstrom durch die Lampe
erzeugt und einen HF-Transformator und einen in Reihe mit dessen Primärwicklung liegenden,
periodisch ein-und ausschaltbaren Transistor aufweist, wobei eine Sekundärwicklung
des Transformators in Reihe mit der Lampe geschaltet ist. Als Strombegrenzer kann
ein ohmscher Widerstand, eine Drosselspule oder ein elektronisches Vorschaltgerät
benutzt werden.
[0002] Ein Problem beim Betrieb von Hochdruck-Gasentladungslampen ist die Wiederzündung
nach jedem Nulldurchgang des Netzwechsellampenstroms. Insbesondere bei Metallhalogenidentladungslampen
können während der Aufwärmphase derart hohe Wiederzündspannungen erforderlicn sein,
daß diese vom Vorschaltgerät odgl. nicht mehr geliefert werden und die Lampe deshalb
erlischt. Zur Erleichterung der Zündung bzw. Wiederzündung von Hochdruck-Gasentladungslampen
hat man daher die aus einer Netzwechselspannungsquelle betriebenen Lampen noch mit
einem zusätzlichen Hochfrequenzstrom überlagert.
[0003] Bei einer aus der US-PS 4 378 514 bekannten Schaltungsanordnung dieser Art wird zum
Zünden der Lampen zusätzlich eine hohe Spannung mit einer Frequenz von 1,6 bis 200
kHz angelegt, die nach dem Zünden der Lampe wieder abgeschaltet wird. Diese hohe HF-Spannung
liegt über der Zündspannung der Lampen und dürfte mindestens 1000 V betragen. Der
HF-Oszillator muß also für eine derartige Spannung ausgelegt sein, wofür relativ große
Hochleistungsbauelemente erforderlich sind.
[0004] Auch aus der GB-PS 1 092 199 ist eine Schaltungsanordnung zum Wechselstrombetrieb
von Gasentladungslampen bekannt, bei der dem Netzwechsellampenstrom ein zusätzlicher
Hochfrequenzstrom überlagert wird, wodurch sich die Wiederzündspannung erniedrigt.
Die Hochfrequenzüberlagerung erfolgt während der vollen Periodendauer des Netzwechsellampenstroms.
Der Hochfrequenzstrom beträgt etwa 10% des mittleren Netzwechsellampenstroms. Auch
dies bedingt noch einen relativ großen HF-Oszillator.
[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum Wechselstrombetrieb
von Hochdruck-Gasentladungslampen mit einer niedrigen Wiederzündspannung, insbesondere
während der Aufwärmphase der Lampen, zu schaffen, bei der die einzelnen Bauelemente
der Schaltung - mit Ausnahme des Strombegrenzers - derart klein gehalten werden und
mit so geringen Verlusten behaftet sein sollen, daß eine Integration der Schaltung
in den Lampensockel bzw. in den Lampenfuß möglich wird, ohne daß eine thermische Zerstörung
der Bauelemente aufgrund von Schaltungsverlusten auftreten kann.
[0006] Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung eingangs erwähnter Art gemäß der
Erfindung dadurch gelöst, daß das Verhältnis zwischen Ein- und Ausschaltzeit (Tastverhältnis)
des Transistors derart klein gewählt ist, daß der Effektivwert des in die Lampe eingekoppelten
Hochfrequenzstroms zwischen 0,05 und 5% des Netzwechsellampenstroms beträgt, und daß
eine Hilfsvorrichtung vorgesehen ist, welche die Basis/Emitterstrecke des Transistors
außerhalb der Umgebung der Nulldurchgänge des Netzwechsellampenstromes niederohmig
überbrückt.
[0007] Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß man zur Verringerung der Wieder zündspannung
von Hochdruck-Gasentladungslampen überraschenderweise mit einer relativ geringen zusätzlichen
Hochfrequenzleistung auskommt. Diese beträgt weniger als 5 % der nominalen Lampenleistung.
Die Frequenz des Hochfrequenzstromes kann etwa zwischen 50 kHz und 1 MHz liegen; ein
günstiger Wert ist z.B. 200 kHz. Die benötigte Hochfrequenzspannung liegt etwa zwischen
100 und 200 V, also in der Größenordnung der Lampenbrennspannung. Es hat sich weiter
herausgestellt, daß es zur Vermeidung von Wiederzündschwierigkeiten ausreicht, wenn
die im Vergleich zur normalen Lampenleistung geringe Hochfrequenzleistung nur in der
Umgebung der Nulldurchgänge des Netzwechsellampenstromes eingekoppelt wird.
[0008] Das Tastverhältnis des Transistors läßt sich gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform
der Schaltungsanordnung nach der Erfindung dadurch auf den gewünschten Wert einstellen,
daß die Basis des Transistors mit einer zweiten Sekundärwicklung des HF-Transformators
verbunden ist, deren anderes Ende mit der über einen Spannungsteiler heruntergeteilten
Versorgungsgleichspannung des HF-Oszillators beaufschlagt wird, wobei das Tastverhältnis
des Transistors durch Erniedrigung der heruntergeteilten Versorgungsgleichspannung
und/oder durch Vergrößerung der Windungszahl der zweiten Sekundärwicklung verringerbar
ist.
[0009] Bei einer bevorzugten Schaltungsanordnung nach der Erfindung weist die Hilfsvorrichtung
einen die Basis-Emitterstrecke des ersten Transistors überbrückenden weiteren Transistor
auf, der den ersten Transistor bei Überschreiten eines vorgegebenen momentanen Lampenstroms
nichtleitend schaltet, indem die Basis des weiteren Transistors über ein Potentiometer
mit dem gleichgerichteten Signal eines den momentanen Lampenstrom messenden Stromsensors
beaufschlagt wird. Der verwendete Stromsensor ist z.B. ein Wechselstromwandler oder
ein Meßwiderstand.
[0010] Hierbei reicht es aus, wenn der HF-Oszillator nur mit einem niedrigen Wirkungsgrad
von z.B. 50% arbeitet, so daß relativ billige Bauelemente verwendet werden können.
Die Verlustleistung des HF-Oszillators kann auf etwa 10% der Verlustleistung bei Dauerbetrieb
verringert werden. Außerdem kann sich der Speicherkondensator des HF-Oszillators in
diesem Fall auf den Spitzenwert der Netzspannung aufladen, da ihm im Maximum der Netzspannung
keine Leistung entzogen wird. Somit ist die in den Nulldurchgängen der Netzspannung
vom HF-Oszillator gelieferte Spannung höher als bei kontinuierlichem Betrieb, was
von Vorteil für das Wiederzündverhalten der Lampe ist und eine kleinere Windungszahl
der in Reihe mit der Lampe liegenden Sekundärwicklung ermöglicht, wodurch Größe und
Kosten des HF-Transformators verringert werden.
[0011] Wiederzundschwierigkeiten bei Hochdruck-Gasentladungslampen treten hauptsächlich
während der Aufwärmphase der Lampen auf. Nur während dieser Aufwärmphase braucht daher
der HF-Oszillator zu schwingen. Wenn die Lampenspannung nach der Aufwärmphase ihren
Sollwert erreicht hat, kann der HF-Oszillator zur Verringerung der Schaltungsverluste
abgeschaltet werden. Dies geschieht bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Schaltungsanordnung nach der Erfindung dadurch, daß die Basis-Emitterstrecke des
Transistors durch einen weiteren Transistor überbrückt ist, der den ersten Transistor
in Abhängigkeit von der mittleren Lampenspannung nichtleitend schaltet, indem die
Basis des weiteren Transistors mit der Spannung eines Glättungskondensators beaufschlagt
wird, der über eine Diode einem Widerstand eines zweiten Spannungsteilers parallel
geschaltet ist, der wiederum parallel zur Reihenschaltung aus Lampe und erster Sekundärwicklung
liegt.
[0012] Will man beide Maßnahmen ergreifen, d.h. soll der HF-Oszillator nur in der Umgebung
der Nulldurchgänge des Netzwechsellampenstroms schwingen und nach der Aufwärmphase
der Lampen abgeschaltet werden, so sind gemäß einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung
nach der Erfindung der Glättungskondensator über eine zweite Diode und der Abgriff
des Potentiometers über eine dritte Diode mit der Basis des weiteren Transistors verbunden.
Auf diese Weise wird eine gegenseitige Entkoppelung der Spannungen des Potentiometers
und des Glättungskondensators erreicht.
[0013] Ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung wird nunmehr an Hand der Zeichnung näher
beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zum Wechselstrombetrieb einer Hochdruck-Gasentladungslampe,
die mit einem HF-Oszillator in Reihe liegt, der zusätzlich durch den Lampenstrom gesteuert
wird,
Fig. 2 die Schaltung des bei der Anordnung nach Fig. 1 verwendeten HF-Oszillators,
[0014] Mit A und B sind Eingangsklemmen zum Anschließen an ein Wechselspannungsnetz von
z.B. 220 V, 50 Hz, bezeichnet. An diese Eingangsklemmen ist über einen Strombegrenzer
1 eine Hochdruck-Gasentladungslampe 2 in Reihe mit einem Hochfrequenzoszillator 3
angeschlossen.
[0015] Die Ausgänge des HF-Oszillators 3 sind mit C und D bezeichnet. Der Strombegrenzer
1 kann ein ohmscher Widerstand, eine Drosselspule oder ein elektronisches Vorschaltgerät
sein. Parallel zur Lampe 2 und zum HF-Oszillator 3 liegt ein Hochfrequenzruckschlußkondensator
4, der verhindert, daß Hochfrequenzströme in das Wechselspannungsnetz zurückgekoppelt
werden. Durch den HF-Oszillator 3 wird zusätzlich zum 50 Hz-Netzwechsellampenstrom
ein geringer Hochfrequenzstrom mit einer Frequenz zwischen 50 kHz und 1 MHz in die
Lampe 2 eingekoppelt. Üblicherweise würde der HF-Oszillator 3 während der gesamten
Wechselstromperiode arbeiten. Zur Verringerung der Schaltungsverluste soll der HF-Oszillator
3 nur in der Umgebung der Nulldurchgänge des Netzwechsellampenstromes schwingen. Dafür
ist zusätzlich ein Stromsensor 15, z.B. in Form eines Wechselstromwandlers, vorgesehen,
der den Lampenstrom mißt und an Eingangsklemmen E und F des HF-Oszillators 3 weitergibt.
Ein weiterer Eingang G des HF-Oszillators 3 ist an die nicht mit dem Ausgang C des
HF-Oszillators 3 verbundene Elektrode der Lampe 2 angeschlossen.
[0016] Ein Ausführungsbeispiel eines hierfür geeigneten HF-Oszillators 3, der nach dem Prinzip
des Sperrwandlers arbeitet, ist in Fig. 2 dargestellt. An die Eingangsklemmen A`,
B' des Wechselspannungsnetzes ist ein Brückengleichrichter 5 mit vier Dioden angeschlossen,
dessem Ausgang ein Ladekondensator 6 parallel geschaltet ist. Die Gleichrichteranordnung
5, 6 bildet eine Gleichspannungsquelle für den eigentlichen HF-Oszillator 3. Dieser
besteht im wesentlichen. aus einem Hochfrequenztransformator 7 mit einer Primärwicklung
8 und zwei Sekundärwicklungen 9 und 10 und einem mit der Primärwicklung 8 in Reihe
liegenden, periodisch an- und abschaltbaren Transistor 11. Der HF-Transformator 7
ist mit seiner Primärwicklung 8 in Reihe mit dem Transistor 11 und einem Widerstand
12 an den Ladekondensator 6 angeschlossen. Die erste Sekundärwicklung 9 des HF-Transformators
7 liegt in Reihe mit der Lampe 2. Parallel zum Ladekondensator 6 ist ferner ein Spannungsteiler
mit seinen Widerständen 13 und 14 angeschlossen. Der Spannungsteilerabgriff zwischen
den beiden Widerständen 13 und 14 steht mit einem Ende der zweiten Sekundärwicklung
10 des HF-Transformators 7 in Verbindung, deren anderes Ende mit der Basis des Transistors
11 verbunden ist.
[0017] Diese Schaltung arbeitet wie folgt:
Am Ausgang des Brückengleichrichters 5 steht die gleichgerichtete Netzspannung an,
wodurch der Ladekondensator 6 aufgeladen wird. Aus ihm fließt dann ein Strom durch
die Reihenschaltung der Primärwicklung 8 des HF-Transformators 7, des Schalttransistors
11 und des Widerstandes 12. Das Verhältnis der Spannungsteilerwiderstände 13 und 14
ist so gewählt, daß die heruntergeteilte Versorgungsgleichspannung und damit die am
Schalttransistor 11 anliegende Basisspannung ausreicht, um den Schalttransistor 11
leitend zu machen. Die Anstiegszeit dieses Stromes wird durch die sich aus dem Widerstand
12 und der Induktivität der Primärwicklung 8 ergebende Zeitkonstante bestimmt. Mit
dem Anstieg des Stromes durch die Primärwicklung 8 wird in der zweiten Sekundärwicklung
10 eine Spannung induziert, die der durch das Spannungsteilerverhältnis der Widerstände
13, 14 gegebenen Spannung entgegenwirkt und damit die Basisspannung des Transistors
11 auf derart kleine Werte absenkt, daß der Transistor 11 nichtleitend wird. Hierdurch
wird der Strom durch die Primärwicklung 8 unterbrochen, wodurch wiederum die in die
zweite Sekundärwicklung 10 induzierte Gegenspannung abgebaut wird. Damit kehrt der
Transistor 11 in seinen Ausgangszustand zurück und der gesamte Vorgang beginnt von
neuem, wodurch sich insgesamt in der Primärwicklung 8 eine hochfrequente Stromschwingung
ergibt. Diese führt wiederum dazu, daß in der Sekundärwicklung 9 eine Hochfrequenzspannung
induziert wird, die über die Ausgangsklemmen C und D in die Schaltungsanordnung nach
Fig. 1 eingekoppelt wird.
[0018] Das Verhältnis zwischen An- und Ausschaltzeit (Tastverhältnis) des Transistors 11
wird durch Verkleinerung des Verhältnisses der Spannungsteilerwiderstände 14 zu 13,
d.h. durch Erniedrigung der heruntergeteilten Gleichspannung zur Versorgung des HF-Oszillators
3, und/oder durch Vergrößerung der Windungszahl der zweiten Sekundärwicklung 10 derart
klein gewählt, daß der Effektivwert des in die Lampe 2 eingekoppelten Hochfrequenzstromes
zwischen 0,05 und 5% der Netzwechsellampenstroms beträgt. Das einmal eingestellte
Tastverhältnis des Transistors 11 bestimmt darüber hinaus die Schwingungsfrequenz
des HF-Oszillators 3.
[0019] Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist die Basis-Emitterstrecke des Schalttransistors 11
durch einen weiteren Transistor 16 in Reihe mit einem Widerstand 17 überbrückt. Das
vom Stromsensor 15 an die Eingangsklemmen E und F des HF-Oszillators 3 angelegte Signal
wird durch einen Brückengleichrichter 18 gleichgerichtet und über ein Potentiometer
19 der Basis des zweiten Transistors 16 zugeführt. Die Größe der Basisspannung ist
durch das Potentiometer 19 einstellbar.
[0020] Die bis jetzt beschriebene Oszillatorschaltung arbeitet folgendermaßen:
Ist das Signal des Stromsensors 15 klein, d.h. in der Umgebung der Stromnulldurchgänge,
so ist die Basisspannung des Transistors 16 ebenfalls klein; der Transistor 16 befindet
sich im nichtleitenden Zustand. In diesem Fall arbeitet der Schalttransistor 11 und
damit der HF-Oszillator 3 wie oben beschrieben. Überschreitet nun der
[0021] Lampenstrom und damit die Basisspannung des Transistors 16 einen vorgegebenen Wert,
so wird der Transistor 16 leitend, so daß dem Widerstand 14 der kleinere Widerstand
17 parallel geschaltet wird. Hierdurch wird die Basisspannung des Transistors 11 so
weit abgesenkt, daß er im nichtleitenden Zustand bleibt und der HF-Oszillator 3 somit
nicht schwingen kann. Der Schwellwert des Lampenstromes, von dem an das Schwingen
unterbunden wird, kann dabei über das Potentiometer 19 eingestellt werden.
[0022] Bei der Schaltung nach Fig. 2 ist außerdem noch die Möglichkeit vorgesehen, den HF-Oszillator
3 nach der Aufwärmphase der Lampe 2 abzuschalten, wodurch sich noch kleinere Verluste
und damit eine noch geringere Erwärmung ergeben. Hierzu wird die am Eingang G des
HF-Oszillators 3 anstehende Lampenspannung über einen aus Widerständen 20 und 21 bestehenden
Spannungsteiler sowie eine Diode 22 auf einen Glättungskondensator 23 gegeben. Die
Zeitkonstante des Widerstands 20 und des Glättungskondensators 23 ist so ausgelegt,
daß am Glättungskondensator 23 eine Spannung ansteht, die der mittleren Lampenspannung
proportional ist. Die am Glättungskondensator 23 anstehende Spannung wird dann über
eine zweite Diode 24 auf die Basis des weiteren Transistors 16 gegeben. Gleichzeitig
wird die am Potentiometer 19 abgenommene Spannung über eine dritte Diode 25 auf die
Basis des weiteren Transistors 16 gegeben. Die beiden Dioden 24 und 25 verhindern
dabei eine gegenseitige Beeinflussung des stromproportionalen Signals vom Potentiometer
19 sowie des spannungsproportionalen Signals vom Glättungskondensator 23. Auf diese
Weise wird der HF-Oszillator 3 sowohl außerhalb der Umgebung der Nulldurchgänge des
Lampenwechselstromes abgeschaltet, indem die vom Potentiometer 19 abgegriffene Spannung
den weiteren Transistor 16 leitend schaltet, als auch bei Überschreiten einer vorgegebenen
mittleren Lampenspannung, indem die vom Glättungskondensator 23 abgenommene Spannung
den weiteren Transistor 16 leitend schaltet. Die Schaltschwelle für die Lampenbrennspannung
wird über den Spannungsteiler 20, 21 so eingestellt, daß ein Abschalten des HF-Oszillators
3 erst nach der Aufwärmphase der Lampe 2 erfolgt, d.h. bei einer Spannung, die etwa
der normalen Lampenbrennspannung entspricht.
[0023] Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel zum Wechselstrombetrieb einer 45 W-Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe
mit einer Brennspannung von 100 V wurden bei einer Schaltung nach Fig. 2 folgende
Schaltungsbauelemente verwendet:

Die Schwingungsfrequenz des HF-Oszillators betrug dabei etwa 200 kHz mit einer Spitzenspannung
von etwa 200 V. Die Metallhalogenidentladungslampen durchliefen ihre Aufwärmphase
ohne Wiederzündprobleme. Der Netzwechsellampenstrom betrug etwa 0,6 A und der Effektivwert
des Hochfrequenzstromes etwa 0,5 mA.
[0024] In den Ausführungsbeispielen ist die Lampe in Reihe mit dem HF-Oszillator geschaltet.
Es ist jedoch auch möglich, den HF-Oszillator parallel zur Lampe zu schalten und die
Verbindung durch zwei Kondensatoren herzustellen.
1. Schaltungsanordnung zum Wechselstrombetrieb von Hochdruck-Gasentladungslampen mit
einem zwischen Lampe und Netzwechselspannungsquelle angeordneten Strombegrenzer und
einem mit Gleichstrom gespeisten Hochfrequenzoszillator, der einen dem Netzwechsellampenstrom
überlagerten Hochfrequenzstrom durch die Lampe erzeugt und einen HF-Transformator
und einen in Reihe mit dessen Primärwicklung liegenden, periodisch ein- und ausschaltbaren
Transistor aufweist, wobei eine Sekundärwicklung des Transformators in Reihe mit der
Lampe geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen Ein- und
Ausschaltzeit (Tastverhältnis) des Transistors (11) derart klein gewählt ist, daß
der Effektivwert des in die Lampe (2) eingekoppelten Hochfrequenzstroms zwischen 0,05
und 5% des Netzwechsellampenstroms beträgt, und daß eine Hilfsvorrichtung (15 bis
19, 25) vorgesehen ist, welche die Basis/Emitterstrecke des Transistors außerhalb
der Umgebung der Nulldurchgänge des Netzwechsellampenstromes niederohmig überbrückt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des
Transistors (11) mit einer zweiten Sekundärwicklung (10) des HF-Transformators (7)
verbunden ist, deren anderes Ende mit der über einen Spannungsteiler (13, 14) heruntergeteilten
Versorgungsgleichspannung des HF-Oszillators (3) beaufschlagt wird, wobei das Tastverhältnis
des Transistors durch Erniedrigung der heruntergeteilten Versorgungsgleichspannung
und/oder durch Vergrößerung der Windungzahl der zweiten Sekundärwicklung verringerbar
ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsvorrichtung
einen die Basis-Emitterstrecke des ersten Transistors (11) überbrückenden weiteren
Transistor (16) aufweist, der den ersten Transistor bei Überschreiten eines vorgegebenen
momentanen Lampenstroms nichtleitend schaltet, indem die Basis des weiteren Transistors
über ein Potentiometer (19) mit dem gleichgerichteten Signal eines den momentanen
Lampenstrom messenden Stromsensors (15) beaufschlagt wird.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis-Emitterstrecke
des Transistors (11) durch einen weiteren Transistor (16) überbrückt ist, der den
ersten Transistor in Abhängigkeit von der mittleren Lampenspannung nichtleitend schaltet,
indem die Basis des weiteren Transistors mit der Spannung eines Glättungskondensators
(23) beaufschlagt wird, der über eine Diode (22) einem Widerstand (21) eines zweiten
Spannungsteilers (20, 21) parallel geschaltet ist, der wiederum parallel zur Reihenschaltung
aus Lampe (2) und erster Sekundärwicklung (9) liegt.
5. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der
Glättungskondensator (23) über eine zweite Diode (24) und der Abgriff des Potentiometers
(19) über eine dritte Diode (25) mit der Basis des weiteren Transistors (16) verbunden
sind.