DE1019007B - Elektrischer Kreis zum Starten und Betrieb von Gasentladungslampen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Stromkreis zum Starten von Gasentladungslampen, insbesondere von Leuchtstofflampen.

Gasentladungsgeräte, wie Leuchtstofflampen, werden bekanntlich dadurch gestartet, daß ein Vorheizstrom durch die Kathoden an jedem Lampenende fließt, zu dem Zweck, das Gas in der Lampe teilweise zu ionisieren, damit zur Zündung der Entladung eine geringere Spannung verwendet werden kann. Bei derartigen Stromkreisen ist es üblich, die Kathoden mit einer Stromquelle zu verbinden und untereinander mit einem Startschalter geeigneten Typs, z. B. einem Glühoder Glimmschalter, in Reihe zu schalten. Der Startschalter öffnet nach einer genügenden Vorheizzeit den Heizkreis der Kathoden, wodurch die Entladung der Lampe gezündet wird. Wenn einmal die Entladung eingeleitet ist, bleibt der Startschalter offen.

Zwar gibt es bereits verhältnismäßig billige und leicht zu installierende Starter; indessen besitzen diese bekannten Geräte gewisse Nachteile. Im Hinblick darauf, daß auch gealterte schlechte Lampen gezündet werden sollen, muß eine beträchtliche Vorheizzeit für die Kathoden vorgesehen werden, um ein Starten aller Lampen zu sichern. Da für derartige Schalter in der Regel eine Glühentladevorrichtung und ein Bogenkontakt verwendet werden, beides Elemente mit verhältnismäßig beschränkter Lebenszeit, sind die Kosten für den Unterhalt trotz der geringen Anschaffungskosten verhältnismäßig groß. Die Unterhaltskosten fallen besonders in das Gewicht, wenn viele Lampen Verwendung finden und für jede Lampe ein Starter vorgesehen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, neue und verbesserte Starteinrichtungen für Leuchtstofflampen unter Verwendung nur stationärer Elemente zu schaffen.

Die Starteinrichtung für Gasentladungslampen, z. B. Leuchtstofflampen, deren Kathoden zur Vorheizung in Reihe mit der Startvorrichtung geschaltet sind, besteht nach der Erfindung aus einer Halbleiteranordnung von mindestens einem Paar von Halbleiterdioden in Reihengegenschaltung, deren Sperrspannung niedriger ist als die Zündspannung und höher als die Betriebsspannung des Entladungsgerätes.

Die Zeichnungen erläutern die Erfindung an Ausführungsbeispielen. Es stellt dar

Fig. 1 ein Schaltschema für eine Leuchtstofflampe mit einem Starter nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Diagramm, in welchem der Strom in Abhängigkeit von der Spannung für eine Halbleiterdiode aufgetragen ist,

Fig. 3 ein entsprechendes Diagramm für ein Paar von Halbleiterdioden, die in Reihen-Gegenschaltung geschaltet sind,

Elektrischer Kreis zum Starten
und Betrieb von Gasentladungslampen

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,
East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. F. Weickmann und Dr.-Ing. A. Weickmann,
Patentanwälte, München 2, Brunnstr. 8/9

Beanspruchte Priorität:
V. St. ν. Amerika vom 24. Dezember 1954

Donald Finley Aldrich, Elmira, N. Y.,

und William Eugene Newell, Pittsburgh, Pa. (V. St. Α.), sind als Erfinder genannt worden

Fig. 4 das Schaltbild einer Leuchtstofflampe mit einer zweiten Ausführungsform einer Starteinrichtung nach der Erfindung,

Fig. 5 das Schaltbild einer Leuchtstofflampe entsprechend der Ausführungsform der Fig. 1 mit anderen Mitteln zur Begrenzung des durchfließenden Stromes.

In der Fig. 1 handelt es sich bei der Entladungsröhre 2 um eine handelsübliche vorheizbare Leuchtstofflampe. Da Lampen dieser Ausführung an sich bekannt sind, ist eine genaue Beschreibung der Konstruktion und der verschiedenen Arten von Gasfüllungen, die sich in dem Rohr 4 befinden, entbehrlich. Die Kontaktstifte 8 der Lampe sind in üblicher Weise über die Kontakte. einer Fassung 10 mit den elektrischen Anschlußleitungen verbunden. Eine Stromquelle 16 ist an je eine Klemme 14 an den Enden der Lampe2 durch Leitungen_;18 -bzw. 20 angeschlossen. Da die Lampe 2 eine negative Widerstandscharakteristik besitzt, ist eine strambegrenzende Impedanz 22, z. B. eine Spule von hoher Reaktanz, in Reihe mit einer der beiden erwähnten Leitungen, beispielsweise der Leitung 20, geschaltet. Die andere Klemme 14 der Fassung 10 ist durch "eine Leitung 24 an die erfin-

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dungsgemäße Starteinrichtung angeschlossen, die Impedanzcharakteristik im wesentlichen bestimmt ist ihrerseits durch eine Leitung 25 mit der anderen durch die Umkehrimpedanz der Dioden. So verhindert Klemme 14 der anderen Fassung 10 in Verbin- die hohe Umkehrimpedanz der Diode 26a jeden merkdung steht. liehen Stromdurchgang in einer Richtung durch die

Die Startvorrichtung umfaßt auch gemäß Fig. 1 5 in Reihen-Gegenschaltung liegenden Dioden 26 ο und ein Paar von Halbleiterdioden 26α und 26 b bekannter 26 fr, bis die Spannungsspitze E₁, der Diode 26a über-Art; jede dieser Dioden besitzt eine Kathode28 und schritten ist. Sobald dies der Fall ist, würde die eine Anode 30; diese-Elemente der beiden Dioden sind niedrige Vonvärtsimpedanz der Diode 26 b an sich gegengerichtet in Reihe mit den Leitungen 24 und 25 den Stromdurchgang nicht verhindern. Umgekehrt geschaltet. Bei dem gezeichneten Beispiel sind die io ist die Impedanz von 26 a in der entgegengesetzten Anoden 30 elektrisch, etwa durch eine Leitung 32 mit- Richtung niedrig, und die hohe Umkehrimpedanz der einander verbunden; es können aber auch die Kathoden Diode 26 & wird merklichen Stromdurchgang ver-28 in dieser Weise zusammengeschaltet sein. Auch hindern, bis die Spannungsspitze E₁, der Diode 26 b kann an Stelle eines Paares von Dioden eine besonders überschritten wird.

ausgebildete Doppeldiode Verwendung finden, bei der 15 Durch Anwendung der Reihen-Gegenschaltung der eine Elektrode gemeinsam ist, beispielsweise eine Dioden 26α und 26 b gemäß Fig. 3 bei der Startein-Diode mit zwei Punktkontakten an einer einzigen richtung nach Fig. 1 ergibt sich, daß, wenn ein Basis, eine PNP- oder NPN-Verbundelektrode. Wechselstrom aus der Stromquelle 16 für eine- ge-

Bekanntlich wird der Wirkungsgrad von Halb- gebene Halbperiode fließt, die Vorwärtsimpedanz der leiterdioden für manche Zwecke am besten durch das 20 Diode 26 a niedrig ist und dem Stromdurchfluß keinen Verhältnis der Impedanz in Sperrichtung zur Impe- wesentlichen Widerstand bietet. Die Diode 26 & hindanz in Flußrichtung ausgedrückt. Die charakte- gegen bietet in dieser Richtung einen hohen Widerristische Abhängigkeit des Stromes von der Spannung stand und erlaubt keinen merklichen Stromdurchbei einer Halbleiterdiode zeigt nach Fig. 2, daß die gang, bis die Spannungsspitze E_p überschritten ist. Vorwärtsimpedanz dieser Diode wesentlich niedriger 25 Wenn daher eine Spannungsquelle 16, mit gleicher ist als die Umkehrimpedanz. Ferner ist zu ersehen, oder größerer Amplitude als die Spannungsspitze E₁,, daß, wenn eine Umkehr spannung an eine derartige an die Startvorrichtung gelegt wird, lassen die Dioden Diode angelegt und progressiv vergrößert wird, die 26a und 26 & für den Teil einer Halbperiode Strom anfängliche Stromstärke bis zu einer gewissen Span- durch, für den der augenblickliche Wert der Spannungsspitze E_n auf einen kleinen Betrag begrenzt ist. 30 nungsquelle größer oder gleich der Spannungsspitze

Von Halbleiterdioden ist es im allgemeinen bekannt, E₁, wird. Unter diesen Bedingungen fließt ein Strom daß die Menge an Unreinheiten in einer Halbleiter- von einer Seite der Stromquelle 16 durch Leitung 18, diode den Wert der Spitzenspannung E₁, verändert; eine Klemme 14, deren Kontaktfinger 12, Kontaktdaher muß eine Halbleiterdiode unter Berücksichti- stift 8, zu Kathode 6, dem anderen Kontaktstift 8, gung ihrer besonderen Verwendung ausgeführt und 35 dem anderen Kontaktfinger 12, der zweiten Klemme konstruiert werden. Die Spitzenspannung E₁, für eine 14, Leitung 24, Dioden 26a und 26 b, Leitung 25 zu bestimmte Halbleiterdiode ist kein bestimmter ge- einer Klemme 14 am anderen Ende der Lampe und gebener Wert, sondern hängt vor allem von der um- über den dieser Klemme zugeordneten Kontaktfinger gebenden Betriebstemperatur ab. Die in Fig. 2 gezeigte 12, Kontaktstift 8, Kathode 6, den anderen Kontakt-Kurve ist daher nur für eine bestimmte Umgebungs- 40 stift 8, dessen Kontaktfinger 12, die zweite Klemme temperatur charakteristisch. Andere charakteristische 14, Leitung 20, Widerstand 22 zurück zur Strom-Kurven sind der in Fig. 2 gezeigten ähnlich; letztere quelle 16. Die Situation ist genau umgekehrt für die ist, wie nachstehend ausgeführt wird, besonders vor- entgegengesetzte Halbperiode, in der die Richtung teilhaft. Hervorzuheben ist auch, daß der Kriechstrom des Stromflusses umgekehrt ist. Somit fließt der einer Diode ein Ansteigen der Temperatur derselben 45 Strom durch die Dioden 26 α und 26b nur während verursacht, was ebenfalls die Charakteristik dieser eines Teiles jeder Halbperiode, und die Speise-Diode bei einer bestimmten Umgebungstemperatur spannung liegt zwischen den Kathoden 6 der Lampe 2, beeinflußt. wenn nur der Sperrstrom durch den Starter 26

Wie schon erwähnt, umfaßt gemäß Fig. 1 eine fließt.

Startvorrichtung nach der Erfindung ein Paar von 50 Es ist bekannt, daß der Stromdurchgang durch die Halbleiterdioden 26 α und 26 b, die gegen ge richtet in Kathoden 6 diese anheizt und damit eine genügend Reihe geschaltet sind. Die Polarität der an die Dioden große Elektronenemission bewirkt, daß das Gas in 26a und 26b angelegten Spannung ändert sich in- der Röhre4 teilweise ionisiert wird. Durch diese folge der Periodenschwankungen der Wechselstrom- teilweise Ionisierung zündet die Entladung in der quelle ständig. Wenn, wie in Fig. 1 angedeutet, ein 55 Röhre 4 bei einer niedrigeren Spannung, als S¹Je für Elektronenstrom I durch die Dioden. 26 a und 26 b den Kaltstart der Lampe 2 erforderlich wäre. Wenn fließt, haben letztere die in der Figur angedeutete das Gas der Röhre 4 hinreichend ionisiert ist, wird Polarität; d.h., die Kathode 28 der Diode 26 α ist im die Entladung durch die volle, intermittierend an den Verhältnis zu ihrer Anode 30 positiv, und die Kathoden 6 liegende Speisespannung gezündet. Nach Kathode 28 der Diode 26 b hat im Verhältnis zu 60 der Zündung ist die Betriebsspannung der Lampe 2 ihrer Anode 30 ein negatives Potential. gleich oder kleiner als die Spannungsspitze E_n.

Unter diesen Umständen bietet die Diode 26 b dem Die Speisespannung 16 muß die Spannungsspitze E_p

durchfließenden Strom eine verhältnismäßig niedrige überschreiten, damit ein Stromfluß durch die Impedanz. Die Diode 26 α hingegen blockiert prak- Kathoden 6 eintritt. Sobald eine Entladung in der tisch den¹ Stromdurchgang, bis eine Spannung ein- 65 Lampe 2 stattfindet, ist es erwünscht, daß die Starttritt, die größer ist als die Spannungsspitze E_p. vorrichtung und die Kathoden 6 der Lampe 2 nicht

Aus Fig. 3, in welcher die charakteristische Strom- langer Strom führen. Daher soll die Spannungskurve als Funktion der Spannung für ein Paar von spitze E_n d-en Spannungsabfall zwischen den Kain Reihen-Gegenschaltung angeordneten Halbleiter- thoden 6 der Lampe 2 überschreiten, wenn die Entdioden26a und 26 & gezeigt ist, ergibt sich, daß die 70 ladung eingesetzt hat, wobei die Dioden. 26σ und 26 &

in dem Teil ihrer Charakteristik (Fig. 3) zwischen entgegengesetzten Spaninungsspitzen E_n arbeiten, in welchem im wesentlichen, kein Strom fließt. Da die Lampe 2 parallel zu dem Starterkreis liegt und deren Betriebsspannung kleiner als die Spannungsspitze E_p ist, fließt im wesentlichein kein Strom mehr.

Es ist darauf hinzuweisen, daß eine geeignet kleine Ausführung von Startern eine ungenügende Wärmekapazität besitzt, um eine Dauerbelastung für den Fall auszuhalten, daß die Lampe 2 altert und daß der Spannungsabfall an der Lampe 2 dann auf einen Wert steigt, der über der Spannungsspitze E_n liegt. Demzufolge kann, falls erwünscht, ein strombegrenzender Widerstand 40 in Reihe mit dem Leiter 25 vorgesehen sein, ran unter den erwähnten Bedingungen eine Beschädigung der Dioden 26 α und 26 b zu verhindern. Auch kann man einen thermostatischen Verzögerungsschalter, ähnlich den Startern der Glüh- oder Glimmtype zur Verhinderung derartiger Schäden verwenden.

Gewünschtenfalls kann eine Reihe von Dioden 26 a· und 26 b individuell in Reihe und in Reihen-Gegenschaltung zueinander geschaltet sein, wie in Fig. 4 gezeigt, wo drei Dioden 26 α und drei Dioden 26 b in dieser Schaltung angeordnet sind. Hierbei kann eine Lampe mit einer höheren Zündspannung Verwendung finden. Unter diesen Verhältnissen beträgt die Spannung, die erforderlich ist, um einen Stromfluß zu erzeugen, die Summe der verschiedenen Spannungsspitzen E_n der individuellen Dioden 26 a oder 26 b, je nach der Richtung des Stromdurchganges. Diese Summe kann man auch als individuelle Spannungsspitze E_n der drei Dioden auffassen. In manchen Fällen kann, unter Vermeidung besonderer Widerstände, der innere Widerstand der verschiedenen Dioden 26 α und 26 b selbst als strombegrenzender Widerstand ausgenutzt werden. Gewünschtenfalls kann aber auch eine Kombination von Diodenreihen, die in Reihen-Gegenschaltung liegen, mit einem strombegrenzenden Widerstand ähnlich dem Widerstand 40 der Fig. 1 Verwendung finden. Die vorstehend angestellten Betrachtungen bezüglich der Spannungsspitze E₁, sind immer gültig, gleichgültig welcher Stromkreis benutzt wird.

Praktische Versuche, bei denen eine 40-Watt-Leuchtstofflampe mit Widerstand sowie eine Speisespannung von 117VoIt Wechselstrom (60 Perioden) Verwendung fanden und ein in Reihe geschaltetes Paar von Germanium-Punkt-Kontakt-Gleichrichtern in Reihen-Gegenschaltung mit einem anderen in Reihe geschalteten Paar von Germanium-Punkt-Kontakt-Gleichrichtern vorgesehen war, ergaben einen befriedigenden Betrieb der Lampe, wenn ein strombegrenzender Widerstand 40 von 400 Ohm verwendet wurde. Bei Anordnung von sechs Dioden-SelenKGleichrichtern, die nach der Schaltung von Fig. 4 für einen Strom von 100 mA bemessen waren, war kein strombegrenzender Widerstand erforderlich. Dioden-Gleichrichter des Punkt-Kontakt-Typs oder des Verbundtyps, sei es aus Germanium, sei es aus Selen, haben sich bewährt. Die gezeigten Stromkreise sind lediglich als Beispiele zu werten und bedeuten keine Einschränkung nach irgendeiner Richtung.

Ein derartiges Startgerät nutzt die nichtlimearen Stromspannungscharakteristiken einer Halbleiterdiode aus, wobei die Diode von einem geringen Strom durchflossen wird, bis eine gewisse Überschlagsspannung erreicht ist, worauf ein hoher Strom fließt. Wenn auch bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen die Spannunigsspitze E_p, die von der umgebenden Temperatur derartiger Dioden abhängig ist, für den Erfindungszweck ausgenutzt wird, so können doch ähnliche Charakteristiken anderer Stoffe oder anderer Betriebsbereiche ebenso ausgenutzt werden, falls dies erwünscht ist. Beispielsweise kann ein Stoff mit nichtlinearer Stromspannungscharakteristik, der ähnliche Spannungsspitzen hat, Verwendung finden, z.B. Siliziumcarbid (Carborund).

Der Stromkreis der Fig. 5 ist dem Stromkreis nach

ίο dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ähnlich; unterschiedlich ist, daß an Stelle eines strombegrenzenden Widerstandes 40 ein Reduktionstransformator 60 verwendet ist, um den durch die Dioden 26 a und 26 b fließenden Strom zu verringern. Der Transformator 60 besitzt eine Primärwicklung 62, die in der Leitung 25 in Reihe mit den Dioden 26 a und 26 & liegt, und ein Paar gesonderter Sekundärwicklungen 64, die an die Kathoden 6 der Lampe 2 angeschlossen sind. Die Arbeitsweise dieser Vorrichtung ist ähnlich der oben beschriebenen. Wenn die Dioden 26 a und 26 b Strom führen, wird hierdurch über die Primärwicklung 62 ein Strom in jeder der Sekundärwicklungen 64 erzeugt. Jede der Sekundärwicklungen liegt an einer Kathode 6, so daß der Sekundär strom durch die zugeordnete Kathode 6 in der gleichen Richtung fließt wie der Heizstrom. So erfolgt eine zusätzliche Aufheizung, wenn die Dioden 26 α und 26 b merklichen Strom führen. Dieser zusätzliche, durch die Kathoden 6 fließende Strom bewirkt auch eine zusätzliche Elektronenemission der Kathoden. Der von der Sekundärwicklung 64 gelieferte zusätzliche Strom verringert die Strombelastung der Dioden 26 a und 26 b, da die Vorheizzeit entsprechend abgekürzt wird. Um eine gleichmäßige Erwärmung jeder Diode 26 zu erhalten, sind die Sekundärwicklungen 64 des Transformators 60 im wesentlichen identisch. Die Impedanz des Transformators 60 wird größer als die der Gleichrichter bei Belastung durch den Heizstrom und kleiner als der Widerstand der Kathoden gewählt, wobei die Kathoden 6 einen hohen Spannungsabfall im Verhältnis zu dem Spannungsabfall an den Dioden 26 a und 26 b haben.

Das Startgerät nach der Erfindung nutzt bestimmte Charakteristiken bestimmter Materialsorten aus; bewegliche Teile sind dabei an dem Startgerät nicht erforderlich. Da die Lebensdauer von Halbleiterelementen sehr groß ist, sind die Unterhaltskosten entsprechend gering; im Hinblick auf die Kleinheit derartiger Elemente können diese an jeder passenden Stelle innerhalb der Halterung installiert werden, einschließlich des Widerstandes. Im Hinblick auf die geringe Größe kann das Startgerät, falls erwünscht, so gebaut werden, daß es leicht ausgewechselt werden kann, beispielsweise nach Art der heute bekannten Glühschalter; dabei können zum Einbau des Starters nach der Erfindung die üblichen Installationseinrichtungen verwendet werden.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Elektrischer Kreis zum Starten und zum Betrieb von Gasentladungslampen, wie Leuchtstofflampen, mit einem Paar von Elektroden, die zur Einleitung der Entladung erhitzt werden und mit einer Startvorrichtung in Reihe geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Startvorrichtung eine Halbleiteranordnung von mindestens einem Paar von Halbleiterdioden in Reihen-Gegenschaltung umfaßt, deren Sperrspannung niedriger

ist als die Zündspannung und höher als die Betriebsspannung des Entladungsgerätes.

2. Elektrischer Kreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Startvorrichtung eine Vielzahl von Paaren von Halbleiterdioden in Reihen-Gegenschaltung umfaßt.

3. Elektrischer Kreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterdiodenpaar oder jedes Paar von Halbleiterdioden eine Doppeldiode mit einer gemeinsamen Elektrode umfaßt.

4. Elektrischer Kreis nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der Halbleiteranordnung strombegrenzende Mittel geschaltet sind.

5. Elektrischer Kreis nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das strombegrenzende Mittel aus einem Transformator besteht, dessen Primärwicklung in Reihe mit der Halbleiteranordnung liegt und dem ein Paar getrennter Sekundärwicklungen zugeordnet ist, von denen jede mit einer der Elektroden des Entladungsgerätes verbunden ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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