DE3013805A1 - Schaltung zum starten und stabilisieren einer bogenentladungslampe - Google Patents

Description

Schaltung zum Starten und Stabilisieren einer Bogenent-

ladungslampe

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der elektronischen Schaltungen zum Starten, Stabilisieren und Betreiben von Hochdruck-Hochintensitäts-Bogenentladungslampen, im Gegensatz zu Niederdrucklampen, wie Leuchtstofflampen. Niederdrucklampen können mit einem einzigen und relativ niedrigen Spannungsimpuls kurzer Dauer gestartet werden. Niederdrucklampen haben außerdem kein Wiederstartproblem im heißen Zustand.

Die Erfindung ist auf Schaltungen zum Starten von Hochdruck-Hochintensitäts-Bogenentladungslampen gerichtet, und es sollen durch die Erfindung Schaltungen dieser Art geschaffen werden, die eine erhöhte Startspannung für eine Lampe in wirksamer Weise erzeugen. Durch die Erfindung sollen ferner Schaltungen dieser Art geschaffen werden, die kompakt sind und in einem Sockel einer Lampe vor-

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- 6 gesehen werden können.

Die Erfindung beinhaltet, kurz gesagt, in einer bevorzugten Ausführungsform eine Schaltung zum Starten und Stabilisieren einer Bogenentladungslampe, wobei die Schaltung eine Schwingstartschaltung mit einem Starttransformator zum Erzeugen einer Startspannung für die Lampe und eine gesonderte Stabilisierungs- oder Ballasteinrichtung in Reihe mit der Lampe zum Steuern des Lampenstroms im Betrieb der Lampe enthält.

Der Ballast ist vorzugsweise ein Glühfaden, und die Startschaltung bringt den Glühfaden während des Startbetriebes der Bogenentladungslampe zum Glühen. Ein Kondensator ist mit der Ausgangswicklung des Starttransformators in Reihe geschaltet, um diese Ausgangswicklung von dem Betriebsstrompfad der Entladungsrohre zu trennen. Der Kondensator hat in bezug auf die Frequenz der Startspannung einen derartigen Kapazitätswert, daß er für sie leitend ist. In einer bevorzugten Schaltung bildet dieser Kondensator außerdem einen Teil einer Startspannungsverdopplerschaltung.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 ein elektrisches Schaltbild

einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

die Fig. 2a und 2b die Wicklungsanordnungen der

beiden Transformatoren in Fig. 1,

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Fig. 3 ein elektrisches Schaltbild

einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 die Wicklungsanordnung des

Transformators in Fig. 3,

Fig. 5 ein elektrisches Schaltbild

einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 6 die Wicklungsanordnung des Trans

formators von Fig. 5,

Fig. 7 einen typischen Haltehysterese-

betrieb der Schaltungen in den Schaltbildern von Fig. 1, 2 und 5 und

Fig. 8 StartSpannungskurven.

In Fig. 1 hat ein Gleichstromnetzgerat 11 Eingangsklemmen 12 und 13_r die eine Gleichspannung oder die typische Netzwechselspannung von beispielsweise 120 V empfangen und über herkömmliche Stoß- und/oder Funkstörschutzeinrichtungen, wie Drosseln 14, 15 (zum Schützen der Schaltung vor Netzstößen und/oder zum Verhindern, daß Funkstörfrequenzen zurück zu den Klemmen 12, 13 gelangen), mit einer herkömmlichen Brückengleichrichterdiodenanordnung 16 verbunden sind, die eine Gleichspannungsladung auf einem Filterkondensator 17 mit positiver Polarität an dessen Klemme 18 und negativer Polarität an dessen elektrischer Masseklemme 19 erzeugt, wobei diese Gleichspannung an dem Kondensator 17 etwa 100 bis 200 V beträgt, wenn an den Eingangsklemmen 12, 13 die Eingangs-

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wechselspannung 120 V beträgt. Die Schaltung wird ausserdem funktionieren, wenn eine geeignete Gleichspannung an die Eingangsklemmen 12, 13 angelegt wird.

Parallel an den Filterkondensator 17 sind in Reihe und in der angegebenen Reihenfolge von der Plusklemme 18 zur Minusklenune 19 ein Glühfaden 21, ein weiterer Glühfaden 22, zu welchem ein manuell betätigter Kurzschlußschalter 23 parallel geschaltet ist, eine Bogenentladungslampe 24, eine in Durchlaßrichtung geschaltete Diode 26, eine in Durchlaßrichtung geschaltete Diode 27 und eine Stromabfühl vorrichtung, wie beispielsweise ein Widerstand 28, angeschlossen. Von dem Verbindungspunkt der Diode 27 und des Widerstandes 28 aus ist eine Diode 29 in Durchlaßrichtung mit einem Widerstand 31 in Reihe geschaltet, der mit elektrisch Masse verbunden ist. Ein Kondensator 32 ist zwischen den Verbindungspunkt 33 des Entladungsrohres 24 und der Diode 26 und elektrisch Masse geschaltet. In der soeben beschriebenen Schaltung sind vorzugsweise die Glühfaden 21 und 22 und die Bogenentladungslampe 24 in einen einzigen Lampenkolben eingeschlossen. Der Glühfaden 21 dient zum Liefern von Licht während des Startbetriebes der Bogenentladungslampe 24, und der Widerstand 28 dient zum Abschalten der Startschaltung, wenn die Lampe 24 den Bogenentladungszustand erreicht, und liegt außerdem gemäß der Erfindung in der "Halte" (keep-alive)-Schaltung für die Bogenentladungslampe, was im folgenden noch näher beschrieben ist. Der Glühfaden 22 und der Schalter 23 schaffen zwei alternative Beleuchtungswerte der Bogenentladungslampe 24.

Eine Bogenentladungsschwingstartwechselrichterschaltung enthält einen Transformator 36 mit einer Primärwicklung 37 und einer Sekundärwicklung 38, die in Reihe geschal-

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tet sind, wobei das freie Ende 39 der Primärwicklung mit dem Verbindungspunkt 41 der Glühfaden 21 und 22 verbunden ist, während das freie Ende 42 der Sekundärwicklung 38 über einen Kondensator 43 mit dem Verbindungspunkt 44 der Dioden 26 und 27 verbunden ist. Ein Schwingkreiskondensator 46 ist zu der Sekundärwicklung 38 parallel geschaltet, um mit dieser einen sehr wenig gedämpften Schwingkreis zu schaffen, was im folgenden noch näher beschrieben ist.

Die Schwingstartschaltung enthält außerdem einen Transistor 51, dessen Emitterelektrode 52 mit dem Verbindungspunkt 53 der Diode 29 und des Widerstands 31 verbunden ist, dessen Kollektorelektrode 56 über eine Primärwicklung 58 eines Hilfstransformators 57 mit dem Verbindungspunkt 61 der Primärwicklung 37 und der Sekundärwicklung 38 des Transformators 36 verbunden ist, und dessen Basiselektrode 66 über einen Widerstand 67, eine Sekundärwicklung 68 des Hilfstransformators 57 und eine dritte oder Hilfswicklung 71 des Starttransformators 36 mit dem Verbindungspunkt 72 eines Widerstands 73 und eines Kondensators 74 verbunden ist, welch letztere in Reihe zwischen die Plusspannungsklemme 18 und den Verbindungspunkt 76 der Diode 27 und des Widerstands 28 geschaltet sind.

Der Kondensator 43 und die Diode 27 bilden eine Startspannungsverdopplerschaltung, und die Diode 26 und der Kondensator 32 bilden eine Startspannungsspitzengleichrichterschaltung, was im Anschluß an die Beschreibung der Schwingwechselrichterschaltung noch näher beschrieben ist. Eine Steuerschaltung für die Startschaltung enthält einen Transistor 81 mit einer Kollektorelektrode 83, die mit dem Verbindungspunkt 86 des Widerstands 67 und der Basiselektrode 66 des Wechselrichtertransistors 51 verbunden ist, mit einer Basiselektrode 87, die

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über einen Widerstand 88 mit dem Verbindungspunkt 76 der Diode 27_Λdes Kondensators 74 und des Widerstands 28 verbunden ist, und

mit einer Emitterelektrode 82, die mit Masse verbunden ist.

Eine Diode 91 ist zwischen die Basiselektrode 66 des Wechselrichtertransistors 51 und den Verbindungspunkt 92 der Diode 27 und der Diode 29 geschaltet, und zwar so gerichtet, daß sie Strom zu der Basiselektrode 66 leitet- Eine weitere Diode 96 ist zwischen die Kollektorelektrode 56 des Wechselrichtertransistors 51 und die Plusklemme 18 des Netzgerätes geschaltet.

In Fig. 2a sind die Wicklungen 37, 38 und 71 des Transformators 36 mit ihren Relativbeziehungen auf einem Kern 101 gezeigt, der aus Ferritmaterial bestehen kann. In Fig. 2b sind die Wicklungen 58 und 68 des Hilfstransformators 57 mit ihren Relativbeziehungen auf einem Kern 102 gezeigt, der ebenfalls aus Ferritmaterial bestehen kann.

Die Schaltung von Fig. 1 arbeitet folgendermaßen: Beim anfänglichen Starten der Bogenentladungslampe 24 im kalten Zustand derselben fließt ein Gleichstrom von der Klemme 18 über den Widerstand 73 und lädt den Kondensator 74 auf, wodurch eine zunehmende positive Gleichspannung und ein zunehmender positiver Strom über die Transformatorwicklung 71, die Hilfstransformatorwicklung 68 und den Widerstand 67 an die Basis 66 des Lampenstartwechselrichtertransistors 51 angelegt werden und somit der Transistor 51 "eingeschaltet" und bewirkt wird, daß ein Strom über den Glühfaden 21, die Starttransformatorwicklung 37 und die Hilfstransformatorwicklung 58 zu der Kollektorelektrode 56 und über die Emitterelektrode 52 und den Widerstand 31 zur Masse zu fließen beginnt.

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Der zunehmende Strom durch die Wicklung 58 erhöht induktiv über die Wicklung 68 die positive Ansteuerung der Basis 66 für eine kurze Zeit, die durch die Zeitkonstante der Spulen 58, 37 und den Widerstand des Glühfadens 21 festgelegt ist, um eine Mitkopplung für den Transistor 51 zu schaffen. Dieses zunehmende Leiten des Transistors 51 liefert Energie zu dem Schwingkreis (Wicklung 38 und Kondensator 46) über die induktive Kopplung der Wicklung 71, was zur Folge hat, daß an den Wicklungen 37, 38 und 71 sinusförmige Spannungen mit einer Frequenz auftreten, die durch die Resonanzfrequenz des Schwingkreises festgelegt ist. Die erste Halbperiode dieser Sinusspannung an der Wicklung 71 hat eine positive Polarität, so daß dem Transistor 51 ein positiver Basisstrom zugeführt wird, wodurch der Transistor vorübergehend in seinem voll leitenden Zustand gehalten und bewirkt wird, daß der Glühfaden 21 Licht aussendet. Der vorstehend erwähnte positive Basisstrom zu dem Transistor 51 führt Ladung von dem Kondensator 74 ab, wodurch die Spannung an diesem sinkt. Wenn die Sinusspannung an der Wicklung 71 zu dem Spannungswert null hin- und durch diesen hindurchschwingt und ihre Polarität umkehrt (negative Polarität an dem der Basis 66 zugewandten Ende der Wicklung 71), nimmt die Summe 5er Spannungen an der Wicklung 71 und dem Kondensator 74 ab und kehrt sich um, wodurch de: Stromfluß zur Basis 66 gestoppt und der Transistor 51 so vorgespannt wird, daß er nichtleitend wird. Dieses Abschalten des Transistors 51 bewirkt, daß ein bekannter induktiver Spannungsstoß an den Wicklungen 58 und 37 erzeugt wird, wenn der Stromfluß in diesem aufhört. Um zu verhindern, daß dieser Spannungsstoß den Transistor 51 beschädigt, ist die Diode 96 vorgesehen, welche die Energie des induktiven Spannungsstoßes zu dem Filterkondensator 17 leitet und so den Transistor 51 schützt und außerdem den Schaltungswirkungsgrad verbessert. Der Glühfaden 21

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empfängt keinen Strom, wenn der Transistor 51 nichtleitend ist.

Der Kondensator 74 wird durch die in den Wicklungen 71 und 68 induzierte Spannungs- und Stromenergie wieder aufgeladen, wenn der über sie zur Basis 66 fließende Strom aufhört, wie es oben beschrieben wurde. Der Wiederaufladungspfad enthält den Widerstand 67 und die Diode 91. Wenn die Sinusspannung an der Wicklung 71 dann zum Nullwert und durch diesen in positivgehender Polarität hindurchschwingt (an dem der Basis 66 zugewandten Ende der Wicklung 71), macht die kombinierte Serienspannung an dieser Wicklung und dem Kondensator 74 den Transistor 51 wieder leitend, und die oben beschriebene Schwingfunktion setzt sich wiederholt fort. Der Transistor 51 "pumpt", einfach ausgedrückt, den Schwingkreis während jeder kurzen Einschaltzeitspanne der positiven Halbperioden seiner Schwingung. Die'"EIN"- und "AUS"-Zeitspannen des Transistors 51 fallen nicht notwendigerweise mit der positiven und der negativen Halbperiode der Spannung in den Wicklungen des Transformators 36 zusammen, weil das Tastverhältnis des Transistors durch die sich ändernde Spannung an dem Kondensator 74 beeinflußt wird und weiter durch magnetische Sättigung der Transformatoren 36 und 57 beeinflußt werden kann. Die Kollektor-Emitterstromkurve des Transistors 51 gleicht einer Rechteckwelle, und die Spannungs- und Stromkurven der Wicklungen 37, 38 und gleichen einer Sinus- oder Cosinuskurve. Die Schwingung wird hauptsächlich durch den Schwingkreis aufrechterhalten, der _mit Strom über den Glühfaden 21 versorgt wird. Der Transistor 51 arbeitet als Schalter mit Hauptelektroden 52, 56 und einer Steuerelektrode 66.

Die Schwingungen in dem Transformator 36 werden, wie es oben erläutert worden ist, in der Frequenz durch den LC-Schwingkreis aus der Wicklung 38 und dem Kondensator 46 gesteuert (etwa 20 kHz bis 50 kHz, beispielsweise). Der Schwingkreiskondensator 46 kann an irgendeine der drei Wicklungen 37, 38, 71 des Starttransformators 36 oder an die in Reihe geschalteten Wick-

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lungen 37 und 38, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, parallel angeschlossen werden, vorausgesetzt/ daß er einen Kapazitätswert hat, um mit der Wicklungsinduktivität richtig in Resonanz zu schwingen. Die pulsierende oder Wechselspannung an der Primärwicklung 37 wird durch die Sekundärwicklung 38 hinauftransformiert und an eine Gleichspannungsverdopplerschaltung angelegt, die die Diode 27 und den Kondensator 43 enthält.

Der Kondensator 43 und die Diode 27 sind vorgesehen und so geschaltet, daß sie als Startspannungsverdopplerschaltung arbeiten, wie es im folgenden näher beschrieben ist. Soweit es die Spannungsverdopplungsfunktion betrifft, ist das obere Ende 39 der Primärwicklung 37 tatsächlich über den Glühfaden 21 und den Filterkondensator 17 mit elektrisch Masse verbunden, und die Katode der Diode 27 ist mit elektrisch Masse über den Widerstand 28 und außerdem über die Diode 29 und den Widerstand 31 verbunden. Der Kondensator 43 und die Diode 27 sind daher tatsächlich in Reihe zu einer Ausgangswicklung parallel geschaltet, die aus der Kombination der Primärwicklung 37 und der Sekundärwicklung 38 besteht. Unter der Annahme, daß der kombinierte Spitze-zu-Spitze-Wert der Wechselspannung an den Wicklungen 37 und 38 500 V beträgt, wird immer dann, wenn diese Spannung positive Polarität am Ende der Wicklungen hat, die Diode 27 leitend und der Kondensator 43 wird mit positiver Polarität am Punkt 42 und negativer Polarität am Punkt 44 auf 500 V aufgeladen. Während der abwechselnden Halbperioden wird dann, wenn die 500 V an den Wicklungen 37 und 38 negative Polarität an dem Punkt 42 und positive Polarität an dem Punkt 39 haben, die Gesamtsummenspannung an den Wicklungen 37, 38 und dem Kondensator 43 gleich 1000 V sein, d.h. die Transformatorspannung wird an dem Punkt 44 in bezug auf elektrisch Masse verdoppelt. Diese verdoppelte Spannung an dem Punkt 44 wird durch die Diode 26 gleichgerichtet und durch den Kondensator 32 etwas geglättet, und eine Startspannung, die diese verdoppelte Gleichspannung (negativer Polarität) beinhaltet, welche an dem Kondensator 32 erzeugt worden ist, und eine Startspannung, welche diese verdoppelte Gleichspannung (negativer Polarität), die

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an dem Kondensator 32 erzeugt worden ist, beinhaltet, addiert zu der positiven Gleichspannung an der Elektrode 24a (beispielsweise 100 V), wird für eine kurze Zeitspanne an die Elektroden 24a und 24b der Bogenentladungslampe 24 angelegt, bis das Gas in der Lampe 24 "durchgeschlagen" oder in einen "Glimm"-Zustand ionisiert wird. Diese erhöhte Startspannung leitet den Glimmzustand schneller und zuverlässiger ein.

In Fig. 8, die eine horizontale Zeitachse 98 und eine vertikale Spannungsachse 99 hat, stellt die Kurve 103 die verdoppelte Startwechselspannung an dem Punkt 44 der Schaltung dar und erreicht einen Spitzenwert von beispielsweise -1000 V. Die gestrichelte Kurve 104 in Fig. 8 stellt die Gleichstromglimmbetätigungsspannung an dem Punkt 33 der Schaltung dar. Nachdem in dem Entladungsrohr 24 der Durchschlag in eine Glimmbetriebsart erfolgt ist, tritt es in eine Betriebsart mit einem Übergang von Glimm- zur Bogenentladung (glow-to-arc transition oder GAT) für mehrere Sekunden ein, bis eine wirksame Bogenentladung aufgebaut ist, wobei während des Übergangs der Glimmstrom in dem Entladungsrohr hoch genug ist, so daß der Filterkondensator 32 relativ unwirksam ist und vor allem eine Wechselspannung an dem Entladungsrohr in der GAT-Betriebsart anliegt. In einer anderen Ausführungsform können der Gleichrichter 26 und der Filterkondensator 32 weggelassen werden und die Wechselspannung an dem Punkt 44 kann an das Entladungsrohr 24 angelegt werden, um die Glimmentladung einzuleiten. Dadurch geht jedoch der oben beschriebene Vorteil der zusätzlichen 150 V oder so an positiver Startspannung an der Elektrode 24a des Entladungsrohres verloren. Während des Startbetriebsart-Zeitintervalls liefert der Glühfaden 21 die anfängliche Lampenbeleuchtung.

Während der vorgenannten Startbetriebsart der Bogenentladungslampe 24 ist der Strom in der Lampe 24 und dem Reihenwiderstand 28 ausreichend niedrig, so daß der Spannungsabfall an dem Widerstand 28 den Steuertransistor 81 in dem AUS-Zustand vorspannt,

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d.h. in einen Zustand ohne Strom oder mit niedrigem Strom durch seine Emitter 82 - Kollektor 83 - Strecke. Wenn die vorgenannte wirksame Bogenentladung in dem Entladungsrohr 24 aufgebaut ist, erreicht der Strom in dem Reihenwiderstand 28 einen ausreichenden Wert, um an dem Widerstand 28 eine Spannung zu bilden, die hoch genug ist, um den Steuertransistor 81 in den "EIN"-Zustand zu schalten, so daß er Strom über seine Kollektor-Emitter-Strecke sowie über den Widerstand 67, die Transformatorwicklungen 68 und 71 und den Widerstand 73 zieht, um die Vorspannung an der Basiselektrode 66 des Transistors 51 ausreichend relativ niedrig zu machen, damit der Starttransistor 51 ausgeschaltet wird, wodurch die Startspannungserzeugung gestoppt und dem Entladungsrohr 24 gestattet wird, Strom aus dem Netzgerät 11 zu ziehen und in normaler Betriebsart zu arbeiten, in der es durch den Glühfaden 21 vorgespannt ist (der nun wenig oder kein Glühlicht erzeugt). Der Regulierschalter 23 kann manuell oder anderweitig bei Bedarf geöffnet oder geschlossen werden, damit das Entladungsrohr 24 aufgrund des erhöhten oder verringerten Reihenwiderstandsballastseine geringere oder stärkere Beleuchtung erzeugt.

Der Kondensator 43 ist zu den Transformatorwicklungen 37 und in Reihe geschaltet, um diese Wicklungen elektrisch von dem Betriebsgleichstromweg der Entladungslampe 24 zu trennen und auf diese Weise zu verhindern, daß Strom aus dem Netzgerät 11 durch diese Wicklungen fließt, da dieser Strom zur Energieverschwendung führen und die Verwendung von Draht größeren Durchmessers für diese Wicklungen erfordern würde, was wiederum zur Folge hätte, daß der Transformator größer und schwerer wäre und mehr Wärmeverlust hätte. Weiter ist der Kondensator 43 zu der Sekundärwicklung 38 in Reihe geschaltet, so daß er zusätzlich die Startspannung aus dem Transformator 36 auskoppelt und weiter zusammen mit der Diode 27 eine Spannungsverdoppelungsschaltung bildet, wie es beschrieben worden ist. Wenn die Bogenentladungslampe 24 mit Gleichstrom gespeist wird, wie es beschrieben worden ist, kann der Kondensator 43 einen ausreichend großen Kapazitätswert haben, damit er seine Punktionen zum Koppeln

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der Startspannung aus dem Transformator 36 und des Arbeitens in einer Spannungsverdopplerschaltung erfüllen kann; für den Kapazitätswert gibt es keine obere Grenze. Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann die Bogenentladungslampe 24 an einer Wechselstromquelle betrieben werden, deren Frequenz beträchtlich niedriger als die der Startwechselspannung ist. Beispielsweise hat die Startwechselspannung eine Frequenz von etwa 20 kHz bis 50 kHz, wie oben beschrieben, die Wechselstrombetriebsfrequenz für die Bogenentladungslampe 24 kann etwa 1 kHz oder weniger betragen, und der Wert des Kondensators 43 wird ausreichend niedrig gewählt, so daß die Wechselstromlampenbetriebsfrequenz ausreichend blockiert wird, während er gleichzeitig einen ausreichend hohen Kapazitätswert hat, um die höhere Frequenz der Startwechselspannung ausreichend durchzulassen und in der Spannungsverdopplungsschaltung zu arbeiten.

Wenn das Bogenentladungsrohr 24 in normaler Gleichstrombetriebsart ist, fließt sein Gleichstrom von der Netzgerätklemme 18 über den Ballastwiderstand 21 (und in Reihe über den zusätzlichen Regulierballastwiderstand 22, wenn der Regulierschalter geöffnet ist), über die Bogenentladungslampe 24, die Dioden 26 und 27 und den Pfad zur Masse über den Widerstand 28 und die Reihenschaltung aus der Diode 29 und dem Widerstand 31, welche zu dem Widerstand 28 parallel sind. Die Diode 29 und der Widerstand begrenzen den maximalen Spannungsabfall an dem Widerstand 28, und zwar beispielsweise auf 1,4 V. Der Kondensator 43 verhindert, daß der Entladungsrohrbetriebsstrom durch die Transformatorwicklungen 37 und 38 fließt.

Fig. 7 zeigt die Entladungsrohrbetriebsstromkurve 106 auf einer Stromachse 107 über einer Zeitachse 108, bei der es sich um die normale Betriebskurve handelt, mit Ausnahme eines Mittelteils, wie im folgenden beschrieben. Der normale Betriebsbogenentladungsstrom ist kein reiner Gleichstrom, sondern schwankt periodisch mit der Gleichrichtung durch den Gleichrichter 16, weil der Kapazitätswert des Hauptfilterkondensators 17 so niedrig

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wie möglich gewählt worden ist, um ein zuverlässiges Arbeiten der Bogenentladungslampe 24 zu erreichen. Ein größerer Wert des Filterkondensators 17 würde einen glätteten Bogenentladungsstrom 106 ergeben, er wäre aber teuerer und körperlich größer. Mit einem Wert von 50 μΡ in einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kondensator 17 eines der größten Bauelemente der Schaltung, zusammen mit den Transformatoren 36 und 57.

Bei einem Typ eines typischen Entladungsrohres 24 fällt an diesem beispielsweise eine Spannung von etwa 85 V während des normalen Bogenentladungsbetriebes bei einem mittleren Bogenentladungsstrom von etwa 350 mA ab.

In dem Fall, daß der normale Beleuchtungsbogenentladungsstrom in dem Entladungsrohr 24 zu stocken oder auszufallen beginnen sollte, beispielsweise aufgrund einer vorübergehenden Verringerung oder Unterbrechung der Gleichstromzufuhr aus dem Netzgerät 16, was aufgrund einer kurzzeitigen Schwankung der Eingangswechselspannung an den Eingangsklemmen 12 und 13 der Fall sein könnte, funktioniert das Bogenentladungshaltemerkmal der Schaltung folgendermaßen. Eine Verringerung des normalen Bogenentladungsstroms 106 in dem Entladungsrohr 24, beispielsweise auf einen "gefährlich niedrigen" Wert an der Stelle 109 in Fig. 7 (beispielsweise 70 mA), verursacht eine Abnahme des Stroms in dem Reihenwiderstand 28 auf einen Wert, bei dem die Spannung an dem Widerstand den Steuertransistor 81 abschaltet, wodurch der Starttransistor 51 eingeschaltet wird (umgekehrt wie bei dem vorgenannten Einschalten und Abschalten dieser Transistoren, wenn die Betriebsbogenentladung in dem Entladungsrohr 24 aufgebaut wird), woraufhin die vorgenannte Startschaltung beginnt, die Startspannung für die Bogenentladungslampe 24 zu erzeugen, bevor der Bogen in der Lampe 24 Zeit hat zu erlöschen, wodurch der Bogen aufrechterhalten wird, bevor er vollständig erlischt, und wieder in seine normale Betriebsart gebracht wird. Diese "Halte"-Startspannung ist dieselbe wie in Fig. 8, ihre typische Stromkurve ist an der Stelle 111 in Fig. 7 angegeben und sie bleibt bestehen, bis der Bogenentladungslampenstrom wie-

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der einen normalen Betriebswert annimmt, wie an dem Punkt 112 in Fig. 7 (beispielsweise 350 mA), woraufhin die Spannung an dem Steuerwiderstand 28 bewirkt, daß die Startschaltung abgeschaltet wird, wie es beschrieben worden ist. Dieses Halte-Merkmal verhindert somit, daß der Bogen in der Lampe 24 zufällig vollständig erlischt, was die unerwünschte "Warmwiederstart "-Betriebsart zur Folge hätte, in der der Bogenentladungslampe für eine Zeitspanne von einer Minute oder so abzukühlen gestattet werden müßte, bevor sie wieder gestartet werden könnte. Die "Halte"-Startspannungsschaltung ist für Speiseschwankungsspannungen weniger empfindlich als das Entladungsrohr 24 und kann somit bei einer SpannungsSchwankung auf einem niedrigen Spannungswert arbeiten, die die Bogenentladung in dem Entladungsrohr 24 zum Erlöschen bringen würde.

Das "Halte"-Schaltungsmerkmal ist so ausgelegt, daß es einen Hystereseeffekt hat, durch den die Startschaltung betätigt wird, wenn der Bogenentladungsstrom auf einen relativ niedrigen bestimmten Wert, wie beispielsweise an der Stelle 109 in Fig. 7, abfällt und zu schwingen fortfährt, bis der Bogenentladungsstrom sich auf einen relativ höheren bestimmten gewünschten Betriebswert aufbaut, wie an der Stelle 112 in Fig. 7. Dieser Hystereseeffekt wird mittels zweier zusammenwirkender Möglichkeiten gleichzeitig erreicht, wie im folgenden dargelegt.

Während die Schwingstartschaltung (die den Transistor 51, die Transformatoren 36 und 57 und den Kondensator 46 enthält) arbeitet, liefern die positiven Halbperioden der Schwingungsenergie in der Wicklung 71 Strom über die Wicklung 68 und den Widerstand 67 in die Basis 66 des Transistors 51, wobei der Rückweg dieses positiven Stroms über die Widerstände 31, 28 und den Kondensator 74 geht. Dieser Strom fließt durch den Widerstand 28 in der entgegengesetzten Richtung wie der durch die Bogen-

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entladungslampe 24 fließende Strom, so daß ein niedrigerer Spannungsabfall an dem Widerstand 28 als durch den Strom aus der Bogenentladungslampe 24 erzeugt wird. Der Bogenentladungsstrom in der Lampe 24 muß somit auf einen höheren Wert (auf oder nahe dem Punkt 112 in Fig. 7) aufgebaut werden, um die Spannung an dem Widerstand 28 auf einen Wert zum Vorspannen des Transistors 81 in den EIN-Zustand und des Transistors 51 in den AUS-Zustand zu bringen, um die Startspannungsschwingungen zu stoppen, als der Wert des Bogenentladungsstroms an dem Punkt in Fig. 7, der das Arbeiten des Startoszillators bewirkt hat.

Die zweite Möglichkeit des Erzielens des vorgenannten Hystereseeffekts beinhaltet die Verstärkung des Transistors 81. Wenn die Startschaltung nicht arbeitet und der Transistor 81 leitend ist, fließt ein Strom niedrigen Wertes in den Kollektor 83, der durch den Wert der Widerstände 67 und 73 und die Speisespannung an dem Punkt 18 festgelegt ist, und deshalb ist der Basisstrom, der über die Widerstände 28 und 88 in die Basis 87 fließt, auf einem niedrigen Wert. Wenn jedoch die Startspannungsschaltung arbeitet, damit der Steuertransistor 81 leitend wird und die schwingende Spannung abschaltet, muß dieser einen relativ großen Strom über seinen Kollektor 83 von der Basis 66 des Transistors 51 abführen. Das erfordert einen höheren Wert des Basisstroms in die Basis 87 und damit einen höheren Wert des Entladungslampenstroms durch den Widerstand 28, um den Transistor 81 leitend zu machen und zu bewirken, daß die Startschaltung zu Schwingen aufhört, als erforderlich war, um zu bewirken, daß der Steuertransistor 81 abschaltet und bewirkt, daß der Oszillator einschaltet, wenn der Bogenentladungslampenstrom einen "gefährlich niedrigen" Wert an dem Punkt 109 in Fig. 7 erreicht. Das trägt zu dem vorgenannten Hystereseeffekt bei und der Bogenentladungsstrom baut sich auf einen normalen Betriebswert auf, wie an dem Punkt 112 in Fig. 7.

Die Schaltungsausführungsform von Fig. 3 gleicht insgesamt der von Fig. 1, und gleiche Schaltungselemente tragen gleiche Bezugszahlen. In der Schaltung von Fig. 3 ist der Rückkopplungs-

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transformator 57, der in Fig. 1 gezeigt ist, weggelassen und seine Funktion wird von dem Transformator 36 übernommen, der so aufgebaut ist, daß die Primärwicklung 37 mit der Hilfswicklung 71 magnetisch fester gekoppelt ist als mit der Sekundärwicklung 38. Die Wicklungen 37 und 71 wirken somit als Rückkopplungstransformator, wodurch ein ansteigender Strom durch die Wicklung 37 zu dem Kollektor 56 einen ansteigenden Strom zu der Basis 66 über die induktive Kopplung der Wicklungen 37 und 71 bewirkt, der seinerseits einen erhöhten Kollektorstrom bewirkt usw. In Fig. 3 ist der Schwingkreiskondensator 46' zu der Reihenschaltung aus der Primärwicklung 37 und der Sekundärwicklung 38 parallel geschaltet und hat einen derartigen Wert, daß er mit diesen Wicklungen bei einer gewünschten Startspannungsfrequenz in Resonanz schwingt. Ein Widerstand 67' ist in Fig. 3 zwischen dem Widerstand 67 und der Basis 66 des Transistors 51 hinzugefügt und bewirkt, daß die "EIN"-Zeitperioden des schwingenden Transistors 51 verlängert werden und somit der mittlere Strom in dem Glühfaden 21 erhöht wird, um dadurch dessen Helligkeit zu erhöhen. Das wird erreicht, indem mehr Widerstand in dem Entladungspfad des Kondensators 74 in die Basis des Transistors 51 als der Widerstandswert in dem Wideraufladungspfad des Kondensators 74 vorgesehen wird. Insbesondere enthält der einen ohmschen Widerstand aufweisende Entladungspfad des Kondensators 74 Widerstände 67, 67', 31 und 28, während der einen Ohmschen Widerstand aufweisende Pfad für die Wiederaufla- dung des Kondensators 74 durch den vorgenannten induktiven Stoß in der Wicklung 71 nur den Widerstand 67 (wegen der Diode 91) enthält. Der Kondensator 74 lädt sich somit relativ langsamer auf und die "EIN"-Perioden des Transistors 51 sind länger als seine "AUS"-Perioden, während denen sich der Kondensator 74 relativ schneller wieder auflädt. Diese asymmetrische Wellenform des Transistors 51 beeinflußt nicht die Sinuswellenformen in den Wicklungen 37, 38 und 71, da der Transistor 51 zu diesen Wicklungen nur während seiner eine kurze Dauer aufweisenden Einschaltzeiten in Beziehung steht, während denen der Ladestrom in der Wicklung 37 Strom in den Wicklungen 38 und 71 induziert und den Schwingkreis "pumpt". Während der stationären "EIN"-Perioden des

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Transistors 51 wird dem Glühfaden 21 Strom zugeführt und die einzigen Wellenformänderungen in den Wicklungen 37, 38 und werden durch den Schwingkreis' verursacht.

Die Schaltungsausführungsform von Fig. 5 ist insgesamt die gleiche wie in Fig. 1, enthält aber nicht den Rückkopplungstransformator 57 in der oben für Fig. 3 beschriebenen Weise, und die Sekundärwicklung 38 ist so geschaltet, daß sie mit der Primärwicklung 37 weder elektrisch in Reihe geschaltet noch direkt verbunden ist. Außerdem sind in Fig. 5 die Startspannungsgleichrichterdiode 26 und der Filterkondensator 32 von Fig. weggelassen worden und das Entladungsrohr 24 wird mit einer Wechselspannung gestartet.

Einige typische Bauelementwerte in einer bevorzugten Schaltung sind folgende:

Kondensator 17: 50 μΡ

Kondensator 32: 50 pF

Kondensator 43: 0,003 \iF

Kondensator 46: 0,003 \iF

Kondensator 74: 0,1 μΡ

Widerstand 28: 10 Ω

Widerstand 31: 1,5 Ω

Widerstand 67: 47 Ω

Widerstand 73: 39 kQ

Widerstand 88: 1 kΩ

Glühfaden 21: 60 W

Glühfaden 22: 40 W

Die oben beschriebenen Schaltungen sind getestet worden und es hat sich gezeigt, daß sie beim Starten, Betreiben und Aufrechterhalten des Betriebes ("Halte-Merkmal") von Bogenentladungslampen in der beschriebenen Weise gut funktionieren. Außerdem erzeugt die Schaltung wenig Wärme, und zwar weitgehend aufgrund des Merkmals, daß der Starttransformator von dem Betriebsstrompfad des Entladungsrohres getrennt ist, und somit kann die Schaltung kom-

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pakt sein und in einem Sockelteil der Lampe vorgesehen werden/ wobei sich das Entladungsrohr 24 und die Glühfaden 21 und 22 in einem Kolbenteil der Lampe befinden. Der Sockelteil kann einen Außengewindeteil aufweisen, so daß die einstückige Lampeneinheit in elektrische Fassungen eingeschraubt werden kann. Der erhöhte Wert der Startspannung leitet, wie oben beschrieben, das anfängliche Glimmen in dem Entladungsrohr schnell und zuverlässig und in einer Weise ein, die wirtschaftlicher und besser durchführbar ist als es durch eine Verdoppelung der Windungszahl der Sekundärwicklung 38 der Fall wäre. Anders ausgedrückt, die Spannungsverdopplungsspaltung gestattet eine Verringerung der Anzahl der für die Sekundärwicklung 38 erforderlichen Windungen. Ein Vorteil von weniger Sekundärwindungen besteht darin, daß die Sekundärwicklung dem Entladungsrohr während der Zeitspanne des Übergangs vom Glimmen zur Bogenentladung einen größeren Strom liefern kann.

Der Stromabfühlwiderstand 28, der hier allgemein als Stromabfühlvorrichtung bezeichnet worden ist, könnte durch andere geeignete Bauelemente ersetzt werden, beispielsweise durch eine in zwei Richtungen leitfähige Halbleitervorrichtung oder durch mehrere Halbleitervorrichtungen, die so angeordnet sind, daß sie ein in zwei Richtungen leitfähiges System bilden, z.B. zwei Dioden, die parallel geschaltet sind, wobei ungleiche Elektroden miteinander verbunden sind.

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Claims (14)

Patentansprüche:

1. Schaltung zum Starten und Betreiben einer gasgefüllten Hochdruck-Hochintensitäts-Bogenentladungslampe an einer elektrischen Stromquelle, gekennzeichnet durch eine Schwingstartschaltung (36, 46, 51, 57) mit einem Transformator (36) mit einer Ausgangswicklung (38) zum Erzeugen einer pulsierenden Spannung bestimmter Frequenz, durch eine Einrichtung zum Anlegen einer an der Ausgangswicklung abgenommenen Startspannung an die Bogenentladungslampe (24) für eine Zeitspanne, bis eine Betriebsbogenentladung in der Lampe aufgebaut ist, durch eine Einrichtung (28) zum Inaktivieren der Schwingstartschaltung, wenn die Betriebsbogenentladung aufgebaut ist, durch BaI-lasteinrichtungen (21, 22) zum Stabilisieren der Bogenentladungslampe für den Betrieb an der elektrischen Stromquelle (11) und durch einen Kondensator (43) in Reihe mit der Ausgangswicklung (38) zum Trennen der Ausgangswicklung von dem Betriebsstrompfad der Bogenentladungslampe, wobei der Kondensator einen Kapazitätswert hat, welcher in bezug auf die Frequenz der pulsierenden Spannung aus-

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reichend groß ist, so daß er für sie leitend ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ballasteinrichtungen einen Glühfaden (21) aufweisen, der mit der Bogenentladungslampe (24) elektrisch in Reihe geschaltet ist, und daß die Schwingstartschaltung eine Einrichtung enthält, die bewirkt, daß der Glühfaden während der Zeit, bis eine Betriebsbogenentladung in der Bogenentladungslampe aufgebaut ist, glüht und Licht erzeugt.

3. Schaltung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Kolben, der den Glühfaden (21) und das Entladungsrohr (24) umschließt.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Diode (27), die mit dem Kondensator (43) verbunden ist, um mit diesem eine Spannungsverdopplerschaltung für die pulsierende Spannung zu bilden, wodurch der Kondensator zusätzlich zu seiner Punktion des Trennens der Ausgangswicklung von dem Betriebsstromweg der Bogenentladungslampe (24) als ein Bauelement in der Spannungsverdopplerschaltung fungiert.

5. Schaltung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Gleichrichter (26) zur Spitzengleichrichtung der verdoppelten Spannung, die durch die Spannungsverdopplerschaltung (27, 43) erzeugt wird, und durch einen Filterkondensator (32),der mit dem Ausgang des Gleichrichters verbunden ist, um eine Gleichspannung zu erzeugen, die die Anfangsionisierung des Gases in der Bogenentladungslampe (24) bewirkt.

6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Stromabfühlvorrichtung (28), die mit dem Betriebsstromweg der Bogenlampe (24) in Reihe geschal-

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tet ist, und durch eine in der Schwingstartschaltung (36, 46, 51, 57) vorgesehene Schaltvorrichtung (51) mit einer Steuerelektrode (66) sowie durch eine zwischen die Stromabfühlvorrichtung (28) und die Steuerelektrode geschaltete Steuereinrichtung (81) zum Vorspannen der Schaltvorrichtung in den "Aus"-Zustand und damit zum Abschalten der Schwingstartschaltung (36, 46, 51, 57), wenn ein gewünschter Wert des Bogenentladungslampenbetriebsstroms erreicht ist.

7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromabfühlvorrichtung (28) ein Widerstand ist.

8. Schaltung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromabfühlvorrichtung (28) und die Steuereinrichtung (81) die Schaltvorrichtung (51) in den "EIN"-Zustand vorspannen und die Schwingstartschaltung (36, 46, 51, 57) immer dann aktivieren, wenn der Bogenentladungslampenbetriebsstrom auf einen "gefährlich niedrigen" Wert sinkt, und durch eine Einrichtung zum Hindurchleiten von Strom der Schwingstartschaltung durch die Stromabfühlvorrichtung in einer zu der Richtung des Bogenentladungslampenstroms entgegengesetzten Richtung, wodurch die Steuerschaltung die Schwingstartschaltung abschaltet, wenn der Bogenentladungslampenstrom auf den gewünschten Betriebswert ansteigt, der größer als der "gefährlich niedrige" Wert ist, der die Schwingstartschaltung aktiviert hat.

9. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingstartschaltung (36, 46, 51, 57) eine Schaltvorrichtung (51) mit zwei Hauptelektroden (52, 56) und einer Steuerelektrode (66) enthält, daß der Transformator (36) eine Primärwicklung (37) und eine Hilfs-

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Wicklung (71) aufweist, die beide mit der Sekundärwicklung (38) induktiv gekoppelt sind, wobei die Primärwicklung zu dem Strompfad der Steuerelektrode elektrisch in Reihe geschaltet ist, und daß ein Schwingkreiskondensator (46) zu einer oder mehreren der Wicklungen parallel geschaltet ist, um mit deren Induktivität einen Schwingkreis zum Steuern der Schwingungsfrequenz in den Wicklungen zu bilden.

10. Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsfrequenz etwa 20 kHz bis 50 kHz beträgt.

11. Schaltung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (37) und die Ausgangswicklung (38) elektrisch in Reihe geschaltet siid.

12. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Stromquelle (11) eine Frequenz hat, die ausreichend niedriger als die der pulsierenden Spannung ist, um durch den Kondensator (43) im wesentlichen blockiert zu werden.

13. Schaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Stromquelle (11) eine Gleichstromquelle ist.

14. Schaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die pulsierende Spannung eine Frequenz von etwa 20 kHz bis 50 kHz hat und daß die elektrische Stromquelle (11) eine Frequenz von etwa 1 kHz oder weniger hat.

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