[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Zünden und Betrieb von
Gasentladungslampen mit einer zwischen Lampe und Wechselstrom-Versorgungsquelle ange-
ordneten Drossel-spule mit einer Induktivität L sowie einer mit der Lampe verbundenen
Zündeinrichtung wobei wenigstens einem Teil der Drosselspule zur Erzielung eines gegenüber
dem normalen Lampenbetriebsstrom erhöhten Zündstromes ein Kondensator mit einer Kapazität
C parallel geschaltet ist.
[0002] Beim Betrieb von Gasentladungslampen treten häufig Probleme während des Zündvorganges
auf. Dieser Zündvorgang besteht aus drei Stufen, nämlich einer Erstionisation der
Entladungsstrecke, genannt Durchschlag, einer darauf folgenden stromschwachen Glimmentladung
zwischen den Lampenelektroden und dem anschließenden Übergang der Glimmentladung in
die eigentliche stromstarke Bogenentladung. Eine häufige Ursache für Zündschwierigkeiten
ist dabei ein nicht stabil erfolgender Übergang von der Glimmzur Bogenentladung. Bei
Lampen mit z.B. Amalgam-Füllung, wie mit einem Na/Hg-Amalgam gefüllten Natriumhochdrucklampen,
erfolgt bei ungünstiger Amalgamverteilung im Entladungsgefäß der Entladungsansatz
auf dem Amalgam anstatt auf den Elektroden. Hierdurch wird der Glimm/Bogen-Übergang
erschwert und die Lampe verbleibt in der Glimmphase, d.h. die Zündung ist mißlungen.
Ähnliche Probleme ergeben sich beim Wiederzünden von noch heißen Lampen. Hier tritt
häufig der Effekt auf, daß der Übergang von der Glimm- in die Bogenentladung kurzzeitig,
d.h. während eines geringen Teils einer Wechselstromhalbwelle, erfolgt und anschließend
wieder der Umschlag in eine Glimmentladung stattfindet.
[0003] Ein sicheres Zünden von kalten Gasentladungslampen sowie ein leichtes Wiederzünden
von noch heißen Lampen läßt sich mit Hilfe sogenannter Uberlagerungszunder erreichen
(DE-OS 31 08 547 und 31 08 548 sowie US-PS 3 944 876). Diese bekannten Zündschaltungen
erzeugen Zündimpulse zwischen 2 und 5 bzw. 7 und 15 kV. Die Anwendung dieser Schaltungen
als externe Zünder für Entladungslampen, die z.B. als Glühlampenersatz mit einem E-27-Sockel
versehen werden sollen, ist nicht möglich, da die für den E-27-Sockel vorgeschriebenen
zulässigen Spannungswerte überschritten werden. Bei dieser Anwendung ist es deshalb
notwendig, die Zündschaltungen im Lampenfuß unterzubringen. Dies wird jedoch dadurch
erschwert, daß die erforderlichen Kondensatoren relativ groß sind und somit einen
kompakten Lampenaufbau erschweren. Außerdem können bei den Schaltungen nach den genannten
DE-OS selbst bei Unterbringung im Lampenfuß unter bestimmten Betriebsbedingungen noch
Spannungen zwischen den Sockelkontakten auftreten, welche die zulässigen Werte für
den E-27-Sockel überschreiten. - Weiterhin zeigt sich bei Anwendung der bekannten
Zündschaltungen auf Natriumhochdrucklampen mit erhöhtem Natriumdruck zur Verbesserung
der Farbeigenschaften, daß ein unmittelbares Wiederstarten der heißen Lampen insbesondere
bei niedriger Netzspannung (198 V) nicht möglich ist, sondern ein gewisser Zeitraum
vergeht, der beim Einsatz derartiger Lampen in vielen Anwendungsbereichen, insbesondere
z.B. im Haushaltsbereich, nicht akzeptabel ist.
[0004] Weiterhin ist es aus DE-PS 622 171 sowie US-PS 38 90 537 bekannt, die Lampe zur Verbesserung
der Start- und Anlaufeigenschaften - insbesondere zur Vermeidung einer zu langen Glimmphase
- mit einem wesentlich erhöhten Anlaufstrom zu beaufschlagen. Dieser erhöhte Stromfluß
erfolgt dabei zumindest während etwa einer Netzhalbwelle, zumeist aber noch wesentlich
länger. Im Falle einer Drosselspule kann ein derartiger erhöhter Strom durch einen
Parallelpfad zur Drossel erfolgen, dessen Wechselstromimpedanz vergleichbar oder kleiner
als die der Drossel ist. Wird dieser Parallelpfad mit einem entsprechend großen Kondensator
aufgebaut, so wird zwar der Glimm/Bogenübergang verbessert, aber es treten bei den
nachfolgenden Nulldurchgängen Wiederzundschwierigkeiten auf, die zum Verlöschen der
Lampe führen. Dies geht aus einem auf dem "Third International Symposium on the Science
and Technology of Light Sources", in Toulouse in der Zeit vom 18. bis 21. April 1983
gehaltenen Vortrag des Herrn van Vliet über "Ignition of gas discharge lamps" hervor,
wo die eingangs erwähnte Schaltungsanordnung gezeigt wurde, bei der die Drosselspule
von einem Widerstand oder einem großen Kondensator überbrückt ist.
[0005] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum Zünden
und Betrieb von Gasentladungslampen mit einer von einem Kondensator überbrückten Drosselspule
zu schaffen, bei der keine Wiederzündprobleme im Stromnulldurchgang auftreten und
die dennoch ein sicheres Zünden der Lampe sowohl im kalten als auch im heißen Zustand
ermöglicht.
[0006] Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung eingangs erwähnter Art dadurch gelöst,
daß der Kondensator eine kapazitiven Blindwiderstand 1 ωC > 3ωL aufweist, wobei ω
die Kreisfrequenz des Wechselstromnetzes ist.
[0007] Überraschender Weise hat sich gezeigt, daß es zur Verbesserung der Starteigenschaften
nicht notwendig ist - wie beim bekannten Stand der Technik - einen erhöhten Strom
zumindest während des auf die Zündung folgenden Teils der Halbwelle durch die Lampe
fließen zu lassen. Vielmehr ist es ausreichend, wenn während des Zündvorgangs nur
für einen Bruchteil der Halbwelle ein deutlich erhöhter Strom fließt.
[0008] Auch wenn die Wechselstromimpedanz des Kondensators erheblich größer als die Impedanz
der Drosselspule ist, kann trotzdem während des Zündvorganges ein hoher, aber kurzer
Ladestromimpuls durch den Kondensator und damit durch die Lampe fließen, der zum sicheren
Zünden der Lampe ausreicht. Während des Normalbetriebes fließt hingegen durch den
Kondensator nur ein geringer Strom. Auf diese Weise erreicht man auch ein Anlaufen
der Lampe mit erhöhtem Lichtstrom, wobei diese Anlaufphase außerdem auch noch verkürzt
wird.
[0009] Zur Vermeidung nachteiliger Wirkungen eines zu hohen Kondensatorladestromes auf die
Lampe bzw. andere Schaltungsteile ist gemäß einer Weiterbildung nach der Erfindung
mit dem Kondensator ein ohmscher Widerstand mit einem Wert R in Reihe geschaltet,
wobei deren Zeitkonstante R . C zwischen 10 ps und 1 ms beträgt. Die Zeitkonstante
R . C ist so gewählt, daß die impulsartigen Ladezeiten des Kondensators nicht zu kurz
werden. Zu kurze Ladezeiten würden nämlich das Zündverhalten der Lampe verschlechtern.
Da kurze Ladezeiten sehr hohe Spitzenströme bedingen, könnten sie die Lampe darüber
hinaus zur Emission von Infrarotstrahlung anregen, was zu Störungen von mit Infrarotstrahlung
arbeitenden Fernbedienungsanlagen führen könnte.
[0010] Damit der Kondensator bei ungezündeter Lampe entladen wird, was von Vorteil für eine
nachfolgende Zündung ist, liegt gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform
nach der Erfindung dem Kondensator ein weiterer ohmscher Widerstand mit einem solchen
Wert R
zus parallel, daß ihre Entlade-Zeitkonstante R
zus . C zwischen 0,05 und 20 ms beträgt. Der Widerstandswert R
zus ist wiederum größer als die Impedanz der Drosselspule.
[0011] Um eine mögliche Überlastung zu vermeiden und zwecks Energieeinsparung ist (sind)
das (die) im Parallelstrompfad zur Drosselspule liegende(n) passive(n) Bauelement(e)
nach der Zündung der Lampe abschaltbar. Vorzugsweise liegt im Parallelstrompfad zur
Drosselspule ein Schalter, der nach Zündung der Lampe geöffnet wird. Dieser Schalter
kann ein Bimetallschalter oder ein Teil eines im Lampenhauptstromkreis liegenden Schaltrelais
sein. Diese Schalter sind jedoch nicht besonders schnell; außerdem nutzen sich ihre
Kontakte infolge des hohen Lampenzündstromes im Laufe der Zeit ab. Deshalb ist es
vorteilhafter, als Schalter schnelle und wartungsfreie Halbleiterschaltelemente zu
verwenden, wie z.B. Transistoren, Triacs oder Thyristoren.
[0012] Einige Ausführungsbeispiele nach der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher
beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zum Zünden und Betrieb einer Gasentladungslampe mit
einer Drosselspule, die von einem Kondensator in Reihe mit einem Widerstand überbrückt
ist,
Fig. 2 den Drosselteil einer Schaltungsanordnung zum Zünden und Betrieb von Gasentladungslampen,
wobei die Drosselspule von einem Kondensator in Reihe mit einem Bimetallschalter überbrückt
ist,
Fig. 3 einen der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ähnlichen Drosselteil mit einem zusätzlichen
Schaltrelais,
Fig. 4 einen Drosselteil, bei dem die parallel zur Drosselspule liegenden passiven
Bauelemente mit Hilfe eines Halbleiterschaltelements abschaltbar sind.
Fig. 5 einen Drosselteil ähnlich dem nach Fig. 4, bei dem die Drosselspule in zwei
Teilspulen unterteilt ist.
[0013] Mit A und B sind Eingangsklemmen zum Anschließen an ein Wechselstromnetz von z.B.
220 V, 50 Hz bezeichnet. An diese Eingangsklemmen ist über eine Drosselspule 1 eine
Gasentladungslampe 2 angeschlossen. Der Schaltungsteil hinter den Verbindungsklemmen
C und D ist die eigentliche Zündeinrichtung 3 für die Lampe 2, die vorteilhafterweise
im Lampenfuß integriert sein kann. Diese Zündeinrichtung 3 enthält einen Hochspannungstransformator
4, dessen Sekundärwicklung zwischen Drosselspule 1 und Lampe 2 geschaltet ist. An
die eine Seite der Primärwicklung des Hochspannungstransformators 4 ist ein Stoßkondensator
5 in Reihe mit einem Ladewiderstand 6 angeschlossen. Die andere Seite der Primärwickung
ist mit einer symmetrisch schaltenden Vierschichtdiode 7 (Sidac) (vgl. US-PS 3 866
088) verbunden, deren andere Seite an den Verbindungspunkt zwischen Stoßkondensator
5 und Ladewiderstand 6 angeschlossen ist. Parallel zu dieser Schaltung liegt ein Hochfrequenz-Rückschlußkondensator
8. Die beschriebene Zündeinrichtung 3 arbeitet als Überlagerungszünder und kann im
Fuß der Lampe 2 untergebracht werden. Durch die von der Zündeinrichtung 3 erzeugten
Zündimpulse wird die den Zündvorgang einleitende Erstionisation des Gasgemisches in
der Lampe 2 in Gang gesetzt.
[0014] Die Zündimpulse entstehen folgendermaßen:
Ober den Ladewiderstand 6 wird der Stoßkondensator 5 aufgeladen. Sobald dieser eine
Spannung erreicht hat, die oberhalb der Durchschlagspannung des Sidacs 7 liegt, schaltet
dieser in seinen niederohmigen Zustand, so daß sich der Stoßkondensator 5 über die
Primärwicklung des Hochspannungstransformators 4 entlädt. Hierdurch wird in der Sekundärwicklung
des Transformators 4 ein Hochspannungsimpuls erzeugt, der über den HF-Rückschlußkondensator
8 zur Lampe 2 gelangt. Nach der Entladung des Stoßkondensators 5 wird der Sidac 7
wieder nichtleitend. Der Ladewiderstand 6 und die Durchschlagspannung des Sidacs 7
sind so gewählt, daß etwa ein bis fünf Zündimpulse in der Nähe des Maximums der Netzwechselspannung
erfolgen. Sobald die Lampe 2 sicher gezündet ist, bricht die Spannung zwischen den
Klemmen C und D auf die Lampenspannung zusammen, so daß die Durchschlagspannung des
Sidacs 7 nicht mehr erreicht wird und weitere Zündimpulse unterbleiben. - In der Praxis
kann der HF-Rückschlußkondensator 8 sehr klein gehalten werden und oftmals sogar entfallen,
da auch der aus dem Stoßkondensator 5 sowie dem Ladewiderstand 6 bestehende Weg als
HF-Rückschluß dienen kann.
[0015] Die Induktivität der Drosselspule 1 ist so gewählt, daß im Normalbetrieb, d.h. nach
dem Aufwärmen der Lampe 2, der nominale Lampenstrom fließt. Wenn durch den von der
Zündeinrichtung 3 erzeugten Hochspannungsimpuls eine Erstionisation in der Lampe 2
auftritt, kann Strom durch die Drosselspule 1 zur Lampe 2 fließen. Da dieserStrom
jedoch durch die Induktivität L der Drosselspule 1 auf etwa den nominalen Lampenstrom
begrenzt wird und außerdem auch die Stromanstiegsgeschwindigkeit durch die Drossel
begrenzt wird, reicht dies in vielen Fällen allein nicht zum sicheren Zünden der Lampe
2 aus. Deshalb ist parallel zur Drosselspule 1 ein Strompfad vorgesehen mit einem
Kondensator 9 in Reihe mit einem ohmschen Widerstand 10. Die Kapazität C des Kondensators
9 ist dabei so ausgelegt, daß sein Blindwiderstand für die Frequenz des Wechselstromnetzes
einige hundert Ohm bis einige Kiloohm (je nach SpulengröBe) beträgt und damit groß
gegen die Impedanz der Drosselspule 1 ist (1 ωC > 3ωL ). Somit kann im Normalbetrieb
der Lampe 2 nur ein kleiner Strom in dem mit dem Kondensator 9 gebildeten Parallelstrompfad
fließen. Beim Zünden der Lampe fließt jedoch kurzzeitig ein hoher Ladestrom durch
den Kondensator 9 und damit durch die Lampe 2. Dieser kurze Ladestrom reicht zum Zünden
der Lampe 2 aus. Der mit dem Kondensator 9 in Reihe geschaltete Widerstand 10 dient
zur Begrenzung des Ladestroms, um nachteilige Wirkungen eines zu hohen Ladestroms
auf die Lampe 2 bzw. andere Schaltungsteile zu verhindern. Hierfür ist der Wert R
des ohmschen Widerstandes 10 so gewählt, daß die Zeitkonstante R . C zwischen 10 µs
und 1 ms beträgt, so daß die impulsartigen Ladezeiten des Kondensators 9 ausreichend
lang sind.
[0016] Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 liegt im Parallelstrompfad zur Drosselspule
1 lediglich ein Kondensator 9, der mit Hilfe eines Bimetallschalters 11 abschaltbar
ist. Im kalten Zustand sind die Kontakte 12 und 13 des Bimetallschalters 11 geschlossen,
so daß der Kondensator 9 parallel zur Drosselspule 1 geschaltet ist und sein Ladestrom
einen Zündimpuls für die Lampe 2 erzeugt, wie anhand von Fig. 1 beschrieben wurde.
Nach dem Zünden der Lampe 2 erwärmen sich die Bimetallstreifen des Bimetallschalters
11 durch den sie durchfließenden Strom, wodurch sich die Kontakte 12 und 13 öffnen.
Hierdurch wird der Parallelstrompfad unterbrochen, so daß die Lampe 2 ausschließlich
über die Drosselspule 1 mit ihrem normalen Strom versorgt wird.
[0017] Bimetallschalter benötigen nach dem Löschen der Lampe zum Schließen eine gewisse
Zeitspanne. Während dieser Zeit ist somit der Parallelstrompfad zur Drosselspule noch
nicht wieder geschlossen, so daß eine sichere Wiederzündung der noch heißen Lampe
nicht immer gewährleistet ist. Dieser Nachteil läßt sich vermeiden, wenn anstelle
eines
Bimetallschalters ein Schaltrelais 14 gemäß Fig. 3 verwendet wird. Die Relaisspule
15 liegt in Reihe mit der Drosselspule 1 im Hauptstromkreis der Lampe 2. Der eigentliche
Relaisschalter 16 liegt im Parallelstrompfad zur Drosselspule 1 in Reihe mit dem Kondensator
9 und dem ohmschen Widerstand 10. Die Zündung der Lampe erfolgt hierbei, wie anhand
von Fig. 1 beschrieben wurde. Nach dem Zünden der Lampe fließt ein so hoher Lampenstrom
durch die Relaisspule 15, daß diese erregt wird und den Relaisschalter 16 öffnet.
[0018] In Fig. 4 ist eine Schaltungsanordnung mit einem noch schnelleren Schaltelement dargestellt.
Hierbei liegen im Parallelstrompfad zur Drosselspule 1 der Kondensator 9, der ohmsche
Widerstand 10 und ein Triac 17. Die Steuerelektrode des Triac 17 ist über eine Triggerdiode
18 und einem Schutzwiderstand 19 mit einem Kondensator 20 verbunden, der wiederum
über einen Widerstand 21 aufgeladen wird. Wenn die Spanung am Kondensator 20 die Durchschlagspannung
der Triggerdiode 18 von etwa 30 V überschreitet, wird die Triggerdiode leitend und
damit der Triac 17 ebenfalls in seinen leitenden Zustand geschaltet. Durch entsprechende
Wahl des Widerstandes 21 läßt sich erreichen, daß der Durchschaltzeitpunkt des Triacs
17 vor dem Ansprechzeitpunkt der Zündeinrichtung 3 liegt und somit während des Zündvorgangs
ein erhöhter Strom durch die Lampe 2 fließen kann. Sobald die Lampe sicher gezündet
ist, liegt über der Reihenschaltung des Widerstandes 21 und des Kondensators 20 nur
noch die gegenüber der Netzwechselspannung erheblich niedrigere Lampenspannung an.
Daher kann sich der Kondensator 20 nicht mehr bis zur Durchschlagspannung der Triggerdiode
18 aufladen, so daß der Triac 17 gesperrt bleibt.
[0019] Damit sich der Kondensator 9 bei erloschener Lampe 2 entlädt, ist bei der Schaltungsanordnung
nach Fig. 4 parallel zum Kondensator 9 ein weiterer ohmscher Widerstand 22 geschaltet,
dessen Wert R
zus so gewählt ist, daß die Entlade-Zeitkonstante R
ZUS. C zwischen 0,05 und 20 msec liegt. Hierdurch wird eine nachfolgende Zündung der
Lampe erleichtert, da andernfalls u.U. ein zu geringer Ladestrom fließt.
[0020] Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 5 ist im Gegensatz zu der nach Fig. 4 die Drosselspule
in zwei Teile 1a und 1b aufgeteilt, wobei der Parallelstrompfad mit der Parallelschaltung
des Kondensators 9 und des weiteren ohmschen Widerstandes 22 in Reihe mit dem Triac
17 lediglich dem Drosselspulenteil 1a parallel liegt. Der Drosselspulenteil 1b liegt
ständig im Hauptstromkreis der Lampe 2.
[0021] Typische Daten der in den Ausführungsbeispielen verwendeten Bauelemente sind z.B.:
[0022] Der Hochspannungstransformator 4 besaß keinen Kern und hatte ein Übertragungsverhältnis
von 1:60. Selbstverständlich können auch Übertrager mit Kern sowie Ausführungen als
Spartransformator benutzt werden.
[0023] Selbst bei einer Netzspannung von nur 200 V konnte mit diesen Bauelementen, insbesondere
mit den Schaltungsanordnungen nach Fig. 1, 4 und 5, ein sicherer Kaltstart von 70W-Natriumhochdrucklampen
erreicht werden. Außerdem war eine Wiederzündung der noch heißen Lampe nach etwa 3
sec möglich. Benutzte man dagegen in den bekannten Schaltungen nach DE-OS 31 08 547
bzw. 31 08 548 Bauelemente und Zündspannungen derselben Größenanordnung, so verging
eine Zeitspanne von mehr als 15 sec bis zur Wiederzündung. Eine derartige Zeitspanne
ist aber bei vielen Anwendungen nicht annehmbar.
[0024] Abschließend sei bemerkt, daß der benutzte Zünder nicht unbedingt ein Überlagerungszünder
zu sein braucht, sondern es kommen auch andere Typen, wie z.B. Antennenzünder (vgl.
DE-OS 31 09 539), in Frage.
1. Schaltungsanordnung zum Zünden und Betrieb von Gasentladungslampen mit einer zwischen
Lampe und Wechselstrom-Versorgungsquelle angeordneten Drosselspule mit einer Induktivität
L sowie einer mit der Lampe verbundenen Zündeinrichtung, wobei wenigstens einem Teil
der Drosselspule zur Erzielung eines gegenüber dem normalen Lampenbetriebsstrom erhöhten
Zündstromes ein Kondensator mit einer Kapazität C parallel geschaltet ist, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kondensator (9) einen kapazitiven Blindwiderstand 1 ωC > 3ωL
aufweist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Kondensator
(9) ein ohmscher Widerstand (10) mit einem Wert R in Reihe geschaltet ist, wobei deren
Zeitkonstante R . C zwischen 10 µs und 1 ms beträgt.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kondensator
(9) ein weiterer ohmscher Widerstand (22) mit einem solchen Wert Rzus parallel liegt, daß ihre Entlade-Zeitkonstante Rzus * C zwischen 0,05 und 20 ms beträgt.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
das (die) im Parallelstrompfad zur Drosselspule (1) liegende(n) passive(n) Bauelement(e)
(9, 10, 22) nach der Zündung der Lampe (2) abschaltbar ist (sind).
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Parallelstrompfad
zur Drosselspule (1) ein Schalter (11; 14; 17) liegt, der nach Zündung der Lampe (2)
geöffnet wird.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter ein
Bimetallschalter (14) ist.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (16)
Teil eines im Lampenhauptstromkreis liegenden Schaltrelais (15) ist.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter ein
Halbleiterschaltelement (17) ist.