Beleuchtungssystem mit schonender Vorheizung von Gasentladungslampen

Abstract

 Bei einem Beleuchtungssystem, das ein elektronisches Betriebsgerät und eine Gasentladungslampe mit Wendeln enthält, ist jeweils ein Wendelanschluss mit einem Impedanznetzwerk verbunden. Das Impedanznetzwerk hat eine Impedanzfunktion mit einer Nullstelle bei der Frequenz f1. Zur Vorheizung gibt das elektronische Betriebsgerät eine Spannung ab, deren Frequenz nahe der Frequenz f1 liegt. Damit wird erreicht, dass während der Vorheizung die Spannung über der Lampe unterhalb der Nichtzündspannung liegt.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft ein Beleuchtungssystem, das aus einem elektronischen Betriebsgerät und mindestens einer Gasentladungslampe mit Wendeln besteht. Insbesondere soll der Vorheizvorgang der Gasentladungslampen verbessert werden.

Stand der Technik

[0002] In einem elektronischen Betriebsgerät für Gasentladungslampen speist ein Wechselspannungsgenerator G, der bei einer Frequenz arbeitet die wesentlich höher liegt als die Netzfrequenz, Energie in einen Lastkreis. In Figur 1 ist dieser Sachverhalt in einem Prinzipschaltbild dargestellt. Der Wechselspannungsgenerator G ist an einen Lastkreis, bestehend aus einer Lampendrossel L1, einem Resonanzkondensator C1 und einer Gasentladungslampe Lp, angeschlossen. Im folgenden wird die Gasentladungslampe kurz Lampe genannt. Meist bildet, wie in Figur 1 dargestellt, die Lampendrossel L1 und der Resonanzkondensator C1 einen Serienschwingkreis, der an den Wechselspannungsgenerator G angeschlossen ist. Die Lampe Lp ist parallel zum Resonanzkondensator C1 geschaltet. Diese Konfiguration ist nicht nur zum Betrieb der Lampe Lp geeignet, sondern ermöglicht auch die Zündung der Lampe. Vor der Zündung der Lampe stellt der Lastkreis einen Serienschwingkreis hoher Güte dar. Wird dieser Schwingkreis mit seiner Resonanzfrequenz angeregt, so entsteht über der Lampe Lp eine hohe Spannung, die zur Zündung der Lampe führt. Zur Erhöhung der Lebensdauer der Lampe müssen vor der Zündung die Wendeln W1 und W2 der Lampe Lp vorgeheizt werden. Zur Realisierung der Vorheizung hat sich die in Figur 1 dargestellte Schaltung bewährt. Der Resonanzkondensator C1 wird nicht direkt mit der Lampendrossel L1 und dem Wechselspannungsgenerator G verbunden. Vielmehr erfolgt der Anschluss zur Lampendrossel L1 über die Wendel W1 und der Anschluss zum Wechselspannungsgenerator G über die Wendel W2. Zum Vorheizen gibt der Wechselspannungsgenerator G eine Spannung ab, deren Frequenz deutlich über der Resonanzfrequenz des Serienschwingkreises, bestehend aus der Lampendrossel L1 und dem Resonanzkondensator C1, liegt. Somit führen die Wendeln W1, W2 bereits vor der Zündung Strom und werden vorgeheizt. Dieser Vorheizvorgang führt jedoch in ein Dilemma: Zum einen muss der Vorheizstrom stark genug sein, um die Wendeln in einer Zeit, die im Bereich einer Sekunde sein soll, auf die notwendige Temperatur aufzuheizen. Dazu darf die Frequenz der Spannung, die der Wechselspannungsgenerators G während der Vorheizung abgibt, nicht zu hoch gewählt werden. Zum anderen darf während der Vorheizung die Spannung an der Lampe Lp nicht zu hoch sein, da es sonst zu wendelschädigenden Glimmentladungen kommt. Dazu darf die Frequenz der Spannung, die der Wechselspannungsgenerators G während der Vorheizung abgibt, nicht zu niedrig gewählt werden. Maßgeblich dafür ist die vom Lampenhersteller angegebene Nichtzündspannung. Sie darf während der Vorheizung nicht überschritten werden. Für viele Lampen gibt es keine Frequenz für die während der Vorheizung vom Wechselspannungsgenerators G abgegebene Spannung, für die beide o. g. Bedingungen erfüllt sind. Alle möglichen Frequenzen liegen entweder zu nahe an der Resonanzfrequenz des Serienschwingkreises, bestehend aus Lampendrossel L1 und Resonanzkondensators C1, und ergeben somit eine zu hohe Spannung an der Lampe Lp, oder sie sind zu weit von der Resonanzfrequenz entfernt und ergeben somit einen zu niedrigen Vorheizstrom.

Darstellung der Erfindung

[0003] Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Beleuchtungssystem bereitzustellen, bei dem die Lampen in kurzer Zeit vorgeheizt werden können, ohne dass die für die Lampen angegebene Nichtzündspannung überschritten wird. Diese Aufgabe wird durch ein Beleuchtungssystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

[0004] Für Beleuchtungssysteme mit mehreren Lampen gilt entsprechend Anspruch 4. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.

[0005] Erfindungsgemäß wird der oben beschriebene Resonanzkondensator C1 ersetzt durch ein Impedanznetzwerk, das folgende Eigenschaften aufweist: Die Impedanzfunktion des Impedanznetzwerks besitzt eine Nullstelle bei der Frequenz f1. Entsprechend den obigen Ausführungen zum Stand der Technik, ist das Impedanznetzwerk über die Wendeln W1, W2 in Serie zur Lampendrossel L1 geschaltet. Die Serienschaltung des Impedanznetzwerks mit der Lampendrossel L1 besitzt eine Impedanzfunktion mit einer Nullstelle bei der Frequenz f2. Zum Vorheizen gibt der Wechselspannungsgenerator G nun eine Spannung ab, deren wesentlicher Spektralanteil bei einer Frequenz liegt, die nahe der Frequenz f1 für die Nullstelle der Impedanzfunktion des Impedanznetzwerks liegt. "Nahe der Frequenz f1" beschreibt in diesem Zusammenhang einen Frequenzbereich von 0,8*f1 bis 1,2*f1. Dadurch ist die Spannung an der Lampe niedrig (unter der Nichtzündspannung) und gleichzeitig ist ein genügend hoher Strom durch die Wendeln W1, W2 realisierbar, der eine Vorheizzeit unter einer Sekunde erlaubt. Zum Zünden gibt der Wechselspannungsgenerator G eine Spannung ab, deren wesentlicher Spektralanteil bei einer Frequenz liegt, die nahe der Frequenz f2 für die Nullstelle der Impedanzfunktion der Serienschaltung, bestehend aus der Lampendrossel L1 und dem Impedanznetzwerk, liegt.

[0006] Eine einfache Ausgestaltung des Impedanznetzwerks besteht aus der Serienschaltung eines Kondensators und einer Spule. Hat der Kondensator die Kapazität C und die Spule die Induktivität L, so liegt die Nullstelle der Impedanzfunktion bei der Frequenz f₁ = 1/2π

.

[0007] Eine erfindungsgemäße Vorheizschaltung kann auch für Beleuchtungssysteme mit mehreren Lampen eingesetzt werden. Dabei sind alle Kombinationen aus Parallel-und Serienschaltung möglich. Bei der Parallelschaltung werden mehrere Lampenkreise, die ein erfindungsgemäßes Impedanznetzwerk, eine Lampendrossel und eine Lampe enthalten, parallel geschaltet. Bei der Serienschaltung werden lediglich die Lampen in Serie geschaltet werden. Dann ist es ausreichend das erfindungsgemäße Impedanznetzwerk mit jeweils einem Wendelanschluss der ersten und der letzten

[0008] Lampe der Serienschaltung von Lampen zu verbinden.

Beschreibung der Zeichnungen

[0009] Es zeigen:

Figur 1

ein Prinzipschaltbild zum Stand der Technik

Figur 2

ein Schaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung

[0010] Figur 1 wurde bereits in den Ausführungen zum Stand der Technik erläutert.

[0011] In Figur 2 ist der Wechselspannungsgenerator G als Halbbrückenwechselrichter ausgeführt. Diese Schaltung hat sich für Betriebgeräte für Lampen wegen ihrer niedrigen Kosten und ihrer Zuverlässigkeit verbreitet. Sie besteht im wesentlichen aus einer Serienschaltung zweier Schalter S1 und S2. Sie wird gespeist von einer Gleichspannungsquelle DC. Soll die Halbbrücke an einem Wechselstromnetz betrieben werden, so sind zwischen Netzanschluss und Halbbrücke geeignete Schaltungen einzufügen, die eine Gleichspannungsquelle nachbilden. In der Praxis können für die Schalter S1 und S2 alle Halbleiterschalter wie z.B. Bipolartransistor, FET oder IGBT eingesetzt werden. Die Schalter S1 und S2 werden abwechselnd ein- und ausgeschaltet. Damit steht am Verbindungspunkt der Schalter S1 und S2 eine Wechselspannung zur Verfügung. An diesem Verbindungspunkt ist die Serienschaltung bestehend aus einer Lampendrossel L21, einer Lampe Lp und einem Koppelkondensator C22 angeschlossen. Das andere Ende dieser Serienschaltung ist mit dem Plus- oder Minuspol der Gleichspannungsquelle DC verbunden. Da die Lampe die Wendeln W1 und W2 beinhaltet, besitzt sie vier Anschlüsse; zwei für jede Wendel. Jeweils ein Anschluss einer Wendel wird für die Serienschaltung mit Lampendrossel L21 und Koppelkondensator C22 verwendet. Zwischen den jeweils anderen Anschlüssen ist erfindungsgemäß ein Impedanznetzwerk bestehend aus der Serienschaltung eines Kondensators C21 und einer Spule L22 geschaltet. Der Kondensator C22 dient zum Abtrennen des Gleichanteils der von der Halbbrücke gelieferten Wechselspannung. Zum Vorheizen wird nun die Halbbrücke so getaktet, dass sie eine rechteckförmige Wechselspannung mit einer Frequenz f1 abgibt, die nahe bei der Resonanzfrequenz des Serienschwingkreises bestehend aus dem Kondensator C21 und der Spule L22 liegt. Für ein Beleuchtungssystem mit einer 20W Leuchtstofflampe sind folgende Werte geeignet:

Lampendrossel L21: 1,7mH

Kondensator C21: 2,7nF

Spule L22: 1,8mH

Koppelkondensator C22: 100nF

Vorheizfrequenz f1: 65kHz

Ansprüche

1. Ein Beleuchtungssystem, das ein elektronisches Betriebsgerät und eine Gasentladungslampe mit Wendeln enthält, dadurch gekennzeichnet, dass von jeder Wendel ein Wendelanschluss mit einem Impedanznetzwerk verbunden ist, dessen Impedanzfunktion eine Nullstelle bei einer Frequenz aufweist, die nahe einer Frequenz ist, die das elektronische Betriebsgerät vor der Zündung der Gasentladungslampe erzeugt.

2. Ein Beleuchtungssystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Impedanznetzwerk eine Serienschaltung eines Kondensators (C21) und einer Spule (L22) enthält.

3. Ein Beleuchtungssystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Betriebsgerät einen Halbbrückenwechselrichter enthält.

4. Ein Beleuchtungssystem, das ein elektronisches Betriebsgerät und mehrere in Serie geschaltete Gasentladungslampen mit Wendeln enthält, dadurch gekennzeichnet, dass von der ersten und der letzten Gasentladungslampe der Serienschaltung jeweils ein Wendelanschluss mit einem Impedanznetzwerk verbunden ist, dessen Impedanzfunktion eine Nullstelle bei einer Frequenz aufweist, die nahe einer Frequenz ist, die das elektronische Betriebsgerät vor der Zündung der Gasentladungslampe erzeugt.

Zeichnung