Stromversorgungsschaltung für eine Entladungslampe, deren Verwendung und Verfahren zum Betrieb

Abstract

 Zur Zündung einer mittels Gleichstromquelle betriebenen Entladungslampe mit im Lampenkolben befindlichen Elektroden ist eine Stromversorgungsschaltung mit Zündvorrichtung vorgesehen, die nach Beginn der Aufheizung der als Glühkathode ausgebildeten Kathode über einen als Optokoppler ausgebildeten steuerbaren Schalter einen Zündimpuls bzw. Zündphase an die durch die beiden Elektroden gebildete Entladungsstrecke der Lampe so schaltet, daß sich der Zündimpuls wenigstens zum Teil mit der Aufheizphase der Kathode überlagert; auf diese Weise ist eine sichere Zündung von Deuterium- und Wasserstoff-Entladungslampen, insbesondere von Deuterium-Lampen mit verhältnismäßig kleiner Blende im Bereich von z.B. 0,3 mm möglich.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungsschaltung für eine Entladungslampe mit einer Strombegrenzung und einer Zündvorrichtung, wobei die Zündvorrichtung der von Lampen-Elektroden gebildeten Entladungsstrecke der Lampe parallel geschaltet ist und einen steuerbaren elektronischen Schalter auf Halbleiterbasis aufweist, sowie die Verwendung einer solchen Stromversorgungsschaltung und ein Verfahren zum Betrieb einer Entladungslampe.

[0002] Aus der DE-PS 31 08 547 ist eine Zündschaltung für eine Hochdruckmetalldampfentladungslampe bekannt, bei der Zündimpulse mit Hilfe einer symetrisch schaltenden Vier-Schicht-Diode oder einem entsprechend gesteuerten Triac über einen Impulstransformator an die Elektroden der Entladungsstrecke der Entladungslampe weitergeleitet wird; in der Praxis sind derartige Schaltungsanordnungen nur für die Zündung von wechselspannungsbetriebenen Entladungslampen anwendbar während sie für gleichspannungsbetriebene Entladungslampen wie Deuterium- bzw. Wasserstofflampen nicht geeignet sind.

[0003] Weiterhin ist aus der DE-PS 39 08 553 eine mit Deuterium- oder Wasserstoffgas gefüllte Gasentladungslampe bekannt, aus deren Beschreibung alternative Verfahren zur Zündung von Gasentladungslampen bekannt sind. Als alternatives Verfahren sind dort beschrieben

A) Zündung durch Anlegen einer Hochspannung von beispielsweise 350 Volt zwischen Anode und Kathode.

B) Zündung durch Anlegen einer Hochspannung im Bereich von circa 250 Volt zwischen Anode und Kathode, wobei Anode und Lampengehäuse mittels eines hochomigen Widerstandes miteinander verbunden sind. Solange kein Strom fließt, liegen Anode und Gehäuse auf gleichem Potential, so daß die Bogenlänge beim Zündvorgang verkürzt und die Zündspannung somit reduziert wird.

C) Die Zündung der Lampe wird durch einen Triggerimpuls an das im Betrieb elektrisch isolierte Lampengehäuse initialisiert, wobei ein elektrischer Überschlag zwischen Kathode und Gehäuse erzielt wird und Ladungsträger erzeugt werden, die dann einen Bogen zwischen Anode und Kathode zünden; hierdurch reduziert sich die notwendige Zündspannung auf einen Wert von ca. 100 Volt.

[0004] Weiterhin beschreibt die DE-PS 14 89 350 eine Gasentladungslampe mit einer Gasfüllung aus Deuterium- oder Wasserstoffgas, die eine Vorrichtung zur Ausgestaltung des unter (B) genannten Verfahrens angibt. Weiterhin sind in dieser Patentschrift Zündverfahren durch Erwärmung eines Bi-Metallstreifens bekannt, der im kalten Zustand zwischen der Anode und dem die Anode umgebenden Gehäuse elektrisch kontaktierend anliegt und bei Stromdurchfluß mittels Vorionisierung und Glimmentladung von dem Gehäuse abhebt, woraufhin die Gasentladungslampe gezündet wird; als problematisch erweist sich bei solchen Gasentladungslampen die verhältnismäßig starke Erwärmung der im Kolben befindlichen Gasfüllung, wobei insbesondere bei kleineren Blenden, beispielsweise bei Blenden mit einem Durchmesser von weniger als 0,5 mm die Zündung von Deuteriumlampen stark erschwert wird; darüberhinaus ist eine erneute Zündung einer bereits vorgewärmten Gasentladungslampe außerordentlich erschwert.

[0005] Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Entladungslampe, insbesondere eine Wasserstoff- bzw. Deuteriumentladungslampe mit heizbarer Elektrode mit hoher Zuverlässigkeit unter geringer Wärmeentwicklung nach dem Beginn der Aufheizphase zu zünden; dabei sollen auch Deuterium- oder Wasserstoffentladungslampen mit einem Blendendurchmesser kleiner als 0,5 mm mit hoher Sicherheit gezündet werden.Weiterhin soll die erneute Zündung bereits vorgewärmter Deuterium- oder Wasserstofflampen mit hoher Zuverlässigkeit erreichbar sein.

[0006] Außer einer Stromversorgungsschaltung für Entladungslampen soll auch deren Verwendung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Entladungslampe angegeben werden.

[0007] Die Aufgabe wird vorrichtungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Stromversorgungsschaltung sind in den Ansprüchen 2 bis 5 angegeben.

[0008] Die Verwendung einer Stromversorgungsschaltung erfolgt gemäß Anspruch 6 bei einer Deuterium- und Wasserstoffentladungslampe.

[0009] Die Aufgabe wird verfahrensgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 7 gelöst.

[0010] Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 8 bis 10 angegeben.

[0011] Als vorteilhaft erweist sich beim Gegenstand der Erfindung die Möglichkeit einer exakten zeitlichen Vorgabe der Zündung, wobei durch exakte zeitliche Definition der Überlappungsphase von Heiz- und Zündphase ein Zündvorgang mit hoher Präzision auch für Deuteriumlampen mit einer Blende im Bereich von 0,3 bis 0,5 mm und kleiner sichergestellt ist; weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, daß die Lampe auch im Heißzustand mit hoher Sicherheit wiedergezündet werden kann und daß auch bei Exemplarstreuungen in vorgegebenen Fertigungstoleranzen eine zuverlässige Zündung möglich ist.

[0012] Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, daß die Vorgabe von Heiz- und Zündphase durch digitale Ansteuerung mittels Mikroprozessor möglich ist, wobei die zeitliche Vorgabe von Heiz- und Zündphase aus einem Festwertspeicher abrufbar ist, so daß kostengünstige und zuverlässige Bauelemente für den exakten zeitlichen Ablauf zur Verfügung stehen.

[0013] Im vorgenannten ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Figuren 1 und 2 näher erläutert.

Figur 1

zeigt eine Stromversorgungsschaltung für eine Deuteriumlampe;

Figur 2

zeigt ein Zeitdiagramm für Heiz- und Zündphase der Deuteriumlampe.

[0014] Gemäß Figur 1 weist die Deuteriumlampe 1 in Ihrem Lampenkolben zwei schematisch dargestellte Elektroden 2, 3 auf, von denen Elektrode 2 als Anode dient, während Elektrode 3 als Glühelektrode ausgebildet ist und als Kathode dient; ein Ende der Wendel der Kathode 3 ist mit der Masse 4 verbunden, während das andere Ende der Wendel mit Anschluß 5 der Stromversorgungsschaltung 6 verbunden ist; die als Anode dienende Elektrode 2 ist über Anschluß 8 mit der Stromversorgungsschaltung 6 verbunden. Da es sich hier um eine schematische Darstellung des Lampenaufbaus handelt, wird zum besseren Verständnis der konstruktiven Ausgestaltung einer solchen Lampe auf die bereits eingangs erwähnte DE-PS 39 08 553 verwiesen.

[0015] Die Stromversorgungsschaltung 6 enthält eine Konstantstromquelle als Gleichstromquelle 10, eine Reihenschaltung von Zündspannungsgenerator 12, Vorwiderstand 13 und elektronischem Schalter 14, welche in Reihe mit der von den Elektroden 2 und 3 gebildeten Entladungsstrecke der Lampe 1 verbunden sind; zwischen Ausgang 16 des Zündspannungsgenerators 12 und Vorwiderstand 13 ist parallel zum Ausgang 16 ein Kondensator 17 geschaltet, der mit einer Elektrodenplatte auf Massepotential 4, d.h. auf dem Potential der Kathode 3 liegt.

[0016] Der elektronische Schalter 14 ist als Optotriac ausgebildet, wobei die zwischen den Anschlüssen 18 und 19 liegende Schaltstrecke mit Hilfe eines Steuersignals betätigt wird, welches über die Steueranschlüsse 20, 21 dem Steuereingang des elektronischen Schalters 14 zugeführt wird; dabei wird das Steuersignal innerhalb des Schalters 14 mittels Photodiode 29 optisch auf die im Strahlungsbereich liegende Vierschichtdiode nach dem Optokoppler-Prinzip übertragen, so daß eine Potentialtrennung zwischen Steuersignal und Schaltimpuls erzielt wird. Die Ansteuerung des Schalters 14 erfolgt über die Anschlußkontakte 22, 23 der Stromversorgungsschaltung 6. Die Stromversorgung des Zündspannungsgenerators 12 erfolgt über Anschlußkontakt 25, während das Ein-Ausschaltsignal für den Zündspannungsgenerator überAnschlußkontakt 26 zugeführt wird. Die Stromversorgung der Heizwicklung der Elektrode 3 erfolgt über Anschlußkontakt 27 der Stromversorgungsschaltung 6 durch eine externe, ebenfalls steuerbare Versorgungseinheit.

[0017] Die Funktionsweise der Schaltungsvorrichtung gemäß Figur 1 wird nachfolgend unter Zuhilfenahme der Zeitdiagramme gemäß Figur 2 näher erläutert.

[0018] Gemäß Figur 2 zeigt Diagramm A den als Aufheizphase H bezeichnenten zeitlichen Verlauf der Elektrodenheizung über Anschluß 27 gemäß Figur 1, Diagramm B den als Zündphase Z bezeichneten Ansteuerimpuls über die Anschlüsse 22, 23 gemäß Figur 1 und Diagramm C die Überlappungsphase U der Aufheizphase H gemäß A und der Zündphase Z gemäß B über der Zeit t. Weiterhin ist beispielhaft ein breiter Überlappungsimpuls U' in Diagramm D dargestellt, wie er sich aus einer zum Zeitpunkt t₂^' beginnenden Zündphase Z' gemäß der gestrichelten Darstellung des Diagramms B ergibt; das Ende beider Zündphasen Z und Z' ist der Zeitpunkt t₄.

[0019] Gemäß Diagramm A und Figur 1 beginnt die Aufheizphase H durch Ansteuerung der externen Versorgungseinheit und den über Anschluß 27 fließenden Heizstrom zur Vorheizung der Elektrode 3. Nach Ablauf einer vorgegebenen Vorheizzeit wird gemäß Diagramm B zum Zeitpunkt t₂ eine Zündphase Z über die Anschlußklemmen 22, 23 an die Steuereingänge 20, 21 des als Optotriac ausgebildeten Schalters 14 geleitet, welches durch Bestrahlung des aus Photodiode 29 abgegebenen Lichtimpulses die Steuerbasis des Triacs 30 nach dem Optokopplerprinzip bestrahlt, so daß die Schalterstrecke zwischen den Anschlüssen 18, 19 des Schalters 14 durchgeschaltet wird und der vom Zündspannungsgenerator 12 aufgeladene Kondensator 17 sich über Vorwiderstand 13 die Anschlußstrecke 18, 19 des Schalters über die Elektroden 2 und 3 zur Masse 4 hin entlädt. Die in Diagramm B dargestellte Zündphase Z ist schematisch als Rechteckimpuls dargestellt, wobei sich der eigentliche Kurvenverlauf dieses Impulses aus der Zeitkonstante von Kondensator 17 und Vorwiderstand 13 ergibt. Die Zeit der eigentlichen Überlappungsphase von Zündphase Z und Heizphase H ist dem Diagramm C zu entnehmen, wobei der Überlappungsimpuls U zum Zeitpunkt t₂ beginnt, wobei sich seine Impulsdauer über die Zeit erstreckt, in der sich die Aufheizphase H und die Zündphase Z jeweils mit dem symbolischen Wert 1 überlagern; bei Abfall eines der beiden als Aufheizphase und Zündphase bezeichneten Impulse wird der Überlappungsimpuls gemäß Diagramm C wiederum auf 0 gesetzt, womit der eigentliche Zündvorgang hier im Beispiel zum Zeitpunkt t₃, dem Ende der Aufheizphase H abgeschlossen ist, auch wenn sich die Zündphase Z noch bis zum späteren Zeitpunkt t₄ erstreckt.

[0020] Je nach Ausgestaltung von Kondensator und Vorwiderstand und Ansteuerungsbeginn ist es auch möglich, die Zündphase Z' gemäß Diagramm B früher zu starten, so daß die eigentliche Überlappungsphase gemäß Diagramm D bereits im Zeitpunkt t₂ beginnt und ebenfalls mit dem Ende der Aufheizphase H gemäß Diagramm A zum Zeitpunkt t₃ endet.

[0021] Als besonders vorteilhaft erweist es sich, daß mittels eines digitalen Rechner- und Speichersystems die zeitliche Folge des Funktionsablaufes von Aufheizphase H und Zündphase Z vorprogrammiert ist und in einer optimierten Reihenfolge abgerufen werden kann; dabei sind die Werte für die Zeitpunkte t₁, t₂_, t₃ und t₄ in einem Festwertspeicher vorgegeben und werden durch den Betrieb eines Mikroprozessors nacheinander zwecks Ansteuerung über die Eingänge 27, 26, 22 und 23 abgerufen.

Ansprüche

1. Stromversorgungsschaltung für eine Entladungslampe mit einer Strombegrenzung und einer Zündvorrichtung, wobei die Zündvorrichtung der von Lampen-Elektroden gebildeten Entladungsstrecke der Lampe parallel geschaltet ist und einen steuerbaren elektronischen Schalter auf Halbleiterbasis aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (2, 3) der Entladungsstrecke der Lampe (1) mit einer Gleichstromquelle (10) verbunden sind und die Zündvorrichtung aus der Reihenschaltung eines Zündspannungsgenerators (12), eines Vorwiderstandes (13) und der Schaltstrecke des elektronischen Schalters (14) und der Entladungsstrecke besteht, wobei dem mit dem Vorwiderstand (13) verbundenen Ausgang (16) des Zündspannungsgenerators ein Kondensator (17) parallel geschaltet ist und daß der elektronische Schalter (14) über einen Eingang (20, 21) ansteuerbar ist.

2. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Schalter (14) als Optokoppler ausgebildet ist.

3. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuereingang (20, 21) des elektronischen Schalters (14) mit einem Zündimpulsgenerator verbunden ist.

4. Stromversorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromquelle (10) als Konstantstromquelle ausgebildet ist.

5. Stromversorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie über Eingang (27) an eine steuerbare Vorrichtung zur Erzeugung eines Heizstromes angeschlossen ist, die über Ausgang (5) mit einer als Glühelektrode ausgebildeten Elektrode (3) der Entladungslampe (1) verbunden ist.

6. Verwendung der Stromversorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 für eine Deuterium- oder Wasserstofflampe.

7. Verfahren zum Betrieb einer als Wasserstoff- oder Deuteriumlampe ausgebildeten Entladungslampe, welche nach Beginn der Aufheizphase einer als Kathode dienenden Glühelektrode entlang ihrer Entladungsstrecke mit einer Zündphase beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach Beginn der Aufheizphase ein elektronischer Schalter so angesteuert wird, daß sich über einen vorgegebenen Zeitraum eine zeitliche Überlappung der Aufheizphase und der Zündphase des elektronischen Schalters der Zündvorrichtung ergibt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Phase der zeitlichen Überlappung von Aufheizphase und Zündphase wenigstens im Bereich von 5 bis 50 % der Dauer der Zündphase liegt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Überlappung im Bereich von 500 µs bis 100 ms liegt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Zündspannung im Bereich von 200 bis 1000 V liegt.

Zeichnung