Verfahren und Schaltungsanordnung zum Zünden von Leuchtstofflampen bei vorbestimmter Temperatur der Lampenkathoden

Abstract

 Zur Ermittlung der effektiven Lampenkathodentemperatur während der Vorheizphase wird der Widerstand der Lampenkathode gemessen. Eine Zündung der Lampe erfolgt erst, wenn die Temperatur z.B. 600°C erreicht hat. Dadurch kann die Lebensdauer von Lampen wesentlich erhöht werden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.

[0002] Bei hochwertigen Vorschaltgeräten zum Betrieb von Leuchtstofflampen werden die Lampenkathoden vorgeheizt, bevor die Zündspannung an die Leuchtstofflampe angelegt wird. Dadurch wird die Lebensdauer der Leuchtstofflampen gegenüber einer Kaltzündung wesentlich verlängert. Aus der EP-A-0 118 309 und der DE-OS-32 02 445 sind Schaltungsanordnungen bekannt, bei welchen die Dauer der Vorheizung der Lampenkathoden fest eingestellt ist. Wenn die Dauer der Vorheizung der Lampenkathoden auf diese Weise festgelegt ist, werden bei dem im wesentlichen konstanten Vorheizstrom die verschiedenen Typen von Leuchtstofflampen mit verschiedenen Widerstandswerten der Lampenkathoden ungleichmässig beheizt. Weil die optimale Temperatur der Lampenkathoden bei der Zündung zwischen 600 und 700°C beträgt, ist es praktisch nicht möglich, eine für alle Typen von Leuchtstofflampen optimale Dauer der Vorheizzeit fix einzustellen. Als Folge der festen Vorheizzeit und des im wesentlichen konstanten Vorheizstromes werden deshalb am selben Vorschaltgerät diejenigen Leuchtstofflampen mit niederohmigen Lampenkathoden unterheizt und die Leuchtstofflampen mit hochohmigen Lampenkathoden überheizt, was zu einer Verkürzung der Lebensdauer der Leuchtstofflampen und zu höheren Betriebskosten führt.

[0003] Die Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zum Vorheizen und Zünden von Leuchtstofflampen zu schaffen, bzw. eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens, womit eine optimale und von verschiedenen Widerstandswerten der Lampenkathoden unabhängige Dauer der Vorheizzeit erzielt wird.

[0004] Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs genannten Art durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Die Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens ist durch die Merkmale des Anspruchs 8 gekennzeichnet.

[0005] Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Leuchtstofflampe, die mit einem mit Netzfrequenz arbeitenden Vorschaltgerät betrieben wird,

Figur 2 eine schematische Darstellung einer Leuchtstofflampe, die mit einem mit Hochfrequenz arbeitenden Vorschaltgerät betrieben wird,

Figur 3 zeitliche Abläufe der Lampenkathodenspannung in der Vorheizphase bei den bekannten Schaltungsanordnungen,

Figur 4 zeitliche Abläufe der Lampenkathodenspannungen in der Vorheizphase gemäss der Erfindung,

Figur 5 eine Ausführungsform der Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung,

Figur 6 eine andere Ausführungsform der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung, und

Figur 7 eine weitere Ausführungsform der Schaltungsanordnung gemäss der Erfindung mit mehreren Leuchtstofflampen.

[0006] In Figur 1 sind eine Leuchtstofflampe LL mit ihren Lampenkathoden LK1, LK2, ein Starter S und eine Drossel Ld in einer Schaltungsanordnung schematisch dargestellt. Diese bekannte Schaltungsanordnung entspricht dem induktiven Betrieb der Leuchtstofflampe bei Netzfrequenz (50-60 Hz). Bei dem Schalter S handelt es sich um einen elektronischen Starter, wie er z.B. in der Schrift EP-A-0 118 309 beschrieben ist. In der Vorheizphase der Lampenkathoden wird dieser Schalter geschlossen und nach einer fest voreingestellten Zeitdauer geöffnet. Bei der Oeffnung des Schalters wird der Strom durch die Drossel Ld unterbrochen und durch die an der Drossel Ld induzierte Spannung wird die Leuchtstofflampe LL gezündet. Weil der Wert der Induktivität der Drossel Ld durch die Lampenspannung und den Lampenstrom im Betrieb bestimmt sind, muss die Dauer der Vorheizzeit für den somit gegebenen Vorheizstrom so gewählt werden, dass auch die Leuchtstofflampen mit der niederohmigsten Kathode gezündet werden können. Dadurch werden die Leuchtstofflampen mit hochohmigen Lampenkathoden zu lange mit diesem Vorheizstrom betrieben, was solche Leuchtstofflampen unnötig überheizt und ihre Lebensdauer verkürzt.

[0007] In Figur 2 ist eine Leuchtstofflampe LL mit einem Serieresonanzkreis mit einem Koppelkondensator Ck, einer Resonanzdrossel Lr und einem Resonanzkondensator Cr schematisch dargestellt. Dieser Serieresonanzkreis wird bei elektronischen Vorschaltgeräten verwendet, bei welchen die Leuchtstofflampe mit höherer Frequenz (20-90 kHz) betrieben wird. Im Vorheizbetrieb wird die Frequenz gegenüber der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises so verändert, dass die über dem Resonanzkondensator und damit über der Leuchtstofflampe liegende Spannung keine Zündung der Leuchtstofflampe verursacht, und wobei ein im wesentlichen konstanter Strom durch die Lampenkathoden LK1 und LK2 fliesst und diese so vorheizt. Nach Ablauf der fest vorgewählten Dauer der Vorheizphase wird die Frequenz in die Nähe der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises gebracht und dadurch die Spannung über dem Resonanzkondensator Cr so erhöht, dass die Leuchtstofflampe gezündet wird. Dieses Verfahren zum Vorheizen der Lampenkathoden mit vorgewählter Dauer der Vorheizzeit hat genau die gleichen Nachteile für die Lampenlebensdauer wie bei der Schaltungsanordnung von Figur 1 erläutert.

[0008] In Figur 3 sind die zeitlichen Verläufe der Lampenkathodenspannungen V_k einer niederohmigen Lampenkathode V_KN und einer hochohmigen Lampenkathode V_KH dargestellt, wenn beide Lampenkathoden mit im wesentlichen gleichem Vorheizstrom und während der gleichen Zeitdauer vorgeheizt werden. Im Zeitpunkt t_o wird der Vorheizstrom eingeschaltet und die Lampenkathodenspannung V_k ist direkt proportional dem Widerstand der kalten Lampenkathoden. Die an die Lampenkathoden momentan abgegebene Heizleistung P_H ist gleich dem Produkt des Vorheizstromes in zweiter Potenz und des Widerstandes der Lampenkathode. Die jeweiligen Endtemperaturen der niederohmigen V_KN und der hochohmigen V_KH Lampenkathode im Zeitpunkt t_h sind in Figur 3 eingetragen. Es ist ersichtlich, dass bei fester Dauer der Vorheizzeit t_h-t_o die hochohmige Lampenkathode, die mit grösserer Leistung geheizt wird, gegenüber der niederohmigen Lampenkathode wesentlich höhere Temperaturen am Ende der Vorheizphase erreicht.

[0009] Gemäss der Erfindung wird nun die Kathodentemperatur der Lampe vor der Zündung ermittelt. Die Lampenkathoden bestehen aus Wolframdraht mit einem Temperaturkoeffizienten 0,5 %/K. Aus der Messung der Lampenkathodenspannung V_k kann man damit direkt auf die Temperatur der Lampenkathoden schliessen, wenn die Spannung der kalten Lampenkathode bekannt ist.

[0010] In Figur 4 sind die zeitlichen Verläufe der Lampenkathodenspannungen in einem vorteilhaften Fall gemäss der Erfindung dargestellt. In diesem Fall wird die Dauer der Vorheizzeit so bestimmt, dass eine vorgewählte Temperatur der Lampenkathode erreicht wird. Ist diese Temperatur z.B. ca. 600°C, so beträgt das Verhältnis des Widerstandes der heissen Lampenkathode zu dem Widerstand der kalten Lampenkathode etwa 3. Die Zündung der Lampe kann also eingeleitet werden, wenn der ermittelte Widerstand der heissen Kathode das Dreifache des zuvor ermittelten Widerstandes der kalten Kathode beträgt.

[0011] In Figur 5 ist ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung dargestellt, welche die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ermöglicht. Dabei wird die Lampenkathodenspannung V_k gleichgerichtet und ihr Spitzenwert an einem Kondensator C1 gemessen. Der Spitzenwert der ersten Halbwelle, welche der Spannung über der kalten Lampenkathode bzw. dem Widerstand der kalten Kathode entspricht, wird mit Hilfe einer Sample & Hold Schaltung SH in einem Kondensator C2 gespeichert. Durch Erhitzung der Lampenkathode steigt der Spitzenwert der momentanen Lampenkathodenspannung ständig an. Mit Hilfe eines Spannungsteilers R2/R3 und eines Komparators COM wird die Zeitdauer der Vorheizphase so bestimmt, dass die Lampenkathoden immer auf die gleiche Temperatur gebracht werden. Der Ausgang des Komparators wird nämlich bei folgender Bedingung umgeschaltet:





Das Verhältnis der Spannungen, bzw. der Kathodenwiderstände von 3:1, welches der beispielsweise angenommenen Temperatur von etwa 600°C entspricht, wird also bei ca.

erreicht, bzw. wenn die Lampenkathodenspannung in der Vorheizphase etwa verdreifacht wird.

[0012] Die Dauer der Vorheizphase wird vorzugsweise zusätzlich auf einen maximalen Wert begrenzt (z.B. 2 Sekunden), wenn aus verschiedenen Gründen, z.B. zu kleiner Vorheizstrom oder bereits heisse Kathoden nach einem kurzzeitigen Netzausfall, das Erreichen des vorgewählten Verhältnisses V_Kheiss/V_Kkalt nicht möglich ist.

[0013] In Figur 6 ist eine andere Schaltungsanordnung dargestellt, mit welcher die Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung auch möglich ist. Hier wird der Spitzenwert der Lampenkathodenspannung mit Hilfe eines A/D Wandlers AD gemessen und die gemessenen Werte werden an einen Mikroprozessor MP weitergeleitet. Durch den numerischen Vergleich des zuerst gemessenen Wertes am Anfang der Vorheizphase und des momentanen Wertes der Lampenkathodenspannung ist es möglich, die Vorheizphase beim Erreichen des vorgewählten Verhältnisses V_Kheiss/V_Kkalt zu beenden und die Zündspannung an genau vorgeheizte Lampenkathoden zu bringen.

[0014] Die Schaltungsanordnungen in den Figuren 5 und 6 können unabhängig davon verwendet werden, ob die Leuchtstofflampe mit Netzfrequenz oder mit höheren Frequenzen betrieben wird.

[0015] In Figur 7 ist eine weitere Schaltungsanordnung mit mehreren Leuchtstofflampen dargestellt. Bei mehreren Leuchtstofflampen kann es vorteilhaft sein, zur Messung der durchschnittlichen Temperatur der Lampenkathoden mehrere Lampenkathodenspannungen in Serie zu erfassen.

[0016] Der hauptsächliche Zweck des erfindungsgemässen Verfahrens ist eine auf die Temperatur der Lampenkathoden genau abgestimmte, optimale Dauer der Vorheizzeit zu erzielen. Durch die indirekte Messung der Temperatur der Lampenkathoden wird ein Verfahren geschaffen, bei welchem die Lebensdauer der Leuchtstofflampen unabhängig vom Typ der Leuchtstofflampe optimal ausgenützt werden kann. Nur mit einer genauen Vorheizung der Lampenkathoden lassen sich hohe Schaltzahlen und möglichst hohe Lebensdauer der Leuchtstofflampen erreichen.

Ansprüche

1. Verfahren zum Vorheizen und Zünden mindestens einer Leuchtstofflampe (LL) mit heizbaren Lampenkathoden (LK1, LK2), wobei die Lampenkathoden mittels einer an einer Versorgungsspannung betriebenen Schaltungsanordnung nach dem Einschalten der Versorgungsspannung zunächst derart vorgeheizt werden, dass über der Leuchtstofflampe (LL) keine zur Zündung der Leuchtstofflampe in der Vorheizphase ausreichende Spannung entsteht und wobei nach einer bestimmten Zeitdauer der Vorheizphase eine Zündspannung an die Leuchtstofflampe angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass während der Vorheizphase der Widerstand oder die Spannung mindestens einer der Lampenkathoden gemessen wird, und dass die Zeitdauer der Vorheizphase in Abhängigkeit von der Messung bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar nach der Einschaltung der Versorgungsspannung der Widerstand oder die Spannung der kalten Lampenkathode gemessen und gespeichert wird, dass nachfolgend momentane Werte von Widerstand oder Spannung der sich erwärmenden Lampenkathode gemessen werden, dass der gespeicherte Wert mit dem momentanen Wert des Widerstandes oder der Spannung der warmen Lampenkathode verglichen wird und dass nach dem Erreichen eines vorbestimmten Verhältnisses des momentanen zu dem gespeicherten Wert des Widerstandes oder der Spannung der Lampenkathode die Zündspannung an die Leuchtstofflampe (LL) angelegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine maximale Zeitdauer der Vorheizphase vorbestimmt ist, nach deren Ablauf die Zündung unabhängig von der Messung eingeleitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das vorbestimmt Verhältnis des Widerstandes oder der Spannung der warmen Lampenkathode zu dem Widerstand oder Spannung der kalten Lampenkathode so gewählt wird, dass die Lampenkathode eine Temperatur im Bereich zwischen 450 und 900°C vor dem Anlegen der Zündspannung erreichen.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Zeitdauer der Vorheizphase der Leuchtstofflampe im Bereich zwischen 1 und 5 Sekunden gewählt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lampenkathodenspannung gleichgerichtet wird, dass die an der kalten Lampenkathode gemessene Spannung an einem Kondensator (C2) gespeichert und mit der gleichgerichteten, über einen Spannungsteiler (R2,R3) abgeschwächten, momentanen Spannung der Lampenkathode mit Hilfe eines Komparators (COM) so lange verglichen wird, bis die gespeicherte Spannung der kalten Lampenkathode mit der abgeschwächten, momentanen Spannung der warmen Lampenkathode übereinstimmt und dass nach der Umschaltung des Ausgangssignals des Komparators (COM) die Zündspannung an die Leuchtstofflampe angelegt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung der Lampenkathode periodisch mit Hilfe eines A/D-Wandlers gemessen wird, der erste, der kalten Lampenkathode entsprechende Wert in einem Speicher eines Mikroprozessors abgelegt wird, die nachfolgenden Messwerte der Spannung der warmen Lampenkathoden numerisch mit dem gespeicherten Wert so lange verglichen werden, bis eine vorgewählte Uebereinstimmung der numerischen Werte vorliegt und dass danach die Zündspannung an die Leuchtstofflampe angelegt wird.

8. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Messschaltung zur Erfassung der Lampenkathodenspannung.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine parallel zur Lampenkathode geschaltete Serieschaltung mit einer Diode, einem Widerstand und einem zur Erfassung des Spitzenwertes der Lampenkathodenspannung vorgesehenen Kondensator.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch einen die Lampenkathodenspannung periodisch messenden A/D-Wandler und einen die Signale des A/D-Wandlers verarbeitenden Mikroprozessor.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch eine die Spannung der kalten Lampenkathode festhaltende Sample & Hold Schaltung (SH) und durch eine die momentane Spannung und die Spannung der kalten Lampenkathode vergleichende Schaltung (COM).

12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10 zum Betrieb einer Serieschaltung von mindestens zwei Leuchtstoffen, wobei die jeweils benachbarten Lampenkathoden (LK3; LK4; LK5; LK6) der Leuchtstofflampen in Serie geschaltet sind, jede solche Serieschaltung parallel zu einer zweiten Wicklung eines jeweils zusätzlichen Trenntransformators (TR5.2; TR6.2) und die jeweils zugehörige erste Wicklung des Trenntransformators (TR5.1, TR6.1) seriell geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschaltung zur Messung der Lampenkathodenspannung zur Messung der Spannung mehrerer Lampenkathoden vorgesehen ist.

Zeichnung