LOW-PRESSURE DISCHARGE LAMP STARTING AND OPERATING CIRCUIT USING A DC SOURCE

Abstract: 1. A circuit arrangement for starting and operating a low-pressure discharge lamp from a direct current source, this lamp being provided with two electrodes, of which at least one is preheatable, in which an electronic switching element arranged in parallel with the lamp and in series with the preheatable electrode (cathode) is switched to its non-conducting state after the starting temperature of the preheated electrode has been reached, as a result of which the heating current circuit is interrupted and the full direct voltage is applied to the lamp, characterized in that the direct current source (1 to 3) produces a pulsatory direct current and the electronic switching element (8) is switched by a Schmitt trigger (13) controlled in dependence upon the temperature of the preheated electrode (6), wherein the Schmitt trigger derives from the voltage drop across the preheated electrode a supply voltage via a peak voltage store arranged in parallel with the preheatable electrode and comprising the series arrangement of a diode (14) and of a charging capacitor (15).

Description: Schaltungsanordnung zum Zünden und Betrieb einer Niederdruckentladungslampe aus einer Gleichstromquelle Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Zünden und Betrieb einer mit zwei Elektroden, von denen wenigstens eine vorheizbar ist, versehenen Niederdruckentladungslampe aus einer Gleichstromquelle, bei der ein parallel zur Lampe und in Reihe mit der vorheizbaren Elektrode (Kathode) liegendes elektronisches Schaltelement nach Erreichen der Zündtemperatur der vorgeheizten Elektrode in seinen nichtleitenden Zustand geschaltet wird, wodurch der Heizstromkreis unterbrochen und die volle Gleichspannung an die Lampe angelegt wird. Zum einwandfreien Zünden von Niederdruckentladungslampen ist ein zuverlässiges Vorheizen der vorheizbaren Elektroden erforderlich. Um dies unter allen Betriebsbedingungen zu erreichen, geht man bei der obigen Schaltungsanordnung von dem Grundgedanken aus, die Temperatur dieser Elektrode zu messen. Wegen des stark positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstandes der Heizelektrode ist dies in relativ einfacher Weise möglich durch Messung des Spannungsabfalles über der vom Heizstrom durchflossenen Elektrode. Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der US-PS 3 720 861 benannt. Diese Schaltungsanordnung arbeitet mit reinem G:eichstrom und benutzt zum Schalten des Heizkreises cer Lampe einen bipolaren Transistor, der von einem Thyristor gesteuert wird. Bei Betrieb mit reinem Gleichstrom ist hierbei aber nur ein einziger Startversuch möglich. Zündet die Lampe dabei nicht, bleibt der Thyristor leitend und ein neuer Versuch kann erst nach Aus- und Wiedereinschalten der Spannung gemacht werden. Ausserdem ist diese Schaltungsanordnung auf die Verwendung eines für die Zündspannung der Lampe ausgelegten Hochspannungstransistors angewiesen. Diese haben aber nur eine geringe Stromverstärkung, so dass ein in Reihe mit dem Steuerthyristor liegender Widerstand entsprechend klein sein muss. Da dieser Widerstand aber beim Brennen der Lampe ständig an der vollen Spannung liegt, entsteht hier eine grosse Verlustleistung von etwa 15 , bis 20 % der Lampenleistung. - Die bekannte Schaltungsanordnung kann auch nicht mit pulsierendem Gleichstrom betrieben werden, da sonst der Thyristor bei jedem Nulldurchgang der Spannung nichtleitend und somit für jede Halbwelle ein neues Einschalten des Heizkreises bewirken würde, und zwar auch dann, wenn die Lampenelektroden bereits genügend vorgeheizt sind. Auf diese Weise wäre ein Zünden und Brennen der Lampe nach dem Vorheizvorgang gar nicht möglich. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum Zünden und Betrieb einer Niederdruckentladungslampe zu schaffen, bei der sich die vorheizbare Elektrode schnell auf die vorgegebene Zündtemperatur aufheizen lässt, kurz vor Zündung der Lampe aber der Heizvorgang dieser Elektrode beendet wird und während des Betriebes der Lampe auch nicht wieder anfängt. Ausserdem¯ sollen unnötige Verluste im Heizstromkreis vermieden und darüber hinaus erreicht werden, dass bei Nichtzündung der Lampe selbsttätig weitere Zündversuche gemacht werden. Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung eingangs erwähnter Art gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass die Gleichstromquelle einen pulsierenden Gleichstrom erzeugt und das elektronische Schaltelement durch einen in Abhängigkeit von der Temperatur der vorgeheizten Elektrode gesteuerten Schmitt-Trigger geschaltet wird, der seine Versorgungsspannung über einen parallel zur vorheizbaren Elektrode angeordneten Spitzenspannungsspeicher, bestehend aus der Reihenschaltung einer Diode und eines Ladekondensators, aus dem Spannungsabfall über der vorgeheizten Elektrode bezieht. Ein solcher Schmitt-Trigger kann bei entsprechender Hysterese, das heisst bei genügend grossem Unterschied in den beiden Kippspannungen, zwischen den vier möglichen Be triebszuständen der Lampe unterscheiden, nämlich: 1. Einschalten: Elektrode kalt; Spannung über Elektrode klein: Trigger aus0 2. Ende des Heizvorganges: Elektrode heiss; Spannung über Elektrode hoch: Trigger schaltet ein. 3. Lampe brennt nach Zündung: Elektrode bleibt heiss durch Lampenstrom; Spannung über Elektrode mittelgross: Trigger bleibt eingeschaltet. 4. Lampe brennt nicht nach Zündung: Elektrode erkaltet; Spannung über Elektrode verschwin det: Trigger schaltet wieder aus. Damit dieser Zyklus nicht in jeder Halbwelle des pulsie renden Gleichstroms durchlaufen wird, ist der Spitzen spannungsspeicher, bestehend aus Diode und Ladekonden sator, am Eingang des Schmitt-Triggers vorgesehen. Eine bevorzugte Ausführungsform der Schaltungsanordnung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektrode des elektronischen Schaltelementes über einen Spannungsteiler sowohl mit der Anode der Entladungs lampe als auch mit dem Ausgang des Schmitt-Triggers verbunden ist, der von der Spannung aus dem Spannungsabfall über der vorgeheizten Elektrode über einen parallel zum Ladekondensator liegenden, aus einer Zenerdiode und einem Widerstand bestehenden Spannungsteiler angesteuert wird. Mit einem relativ kleinen Ladekondensator kommt die bevorzugte Schaltungsanordnung aus, wenn gemäss einer Weiterbildung nach der Erfindung der an die Steuerelektrode des elektronischen Schaltelementes angeschlossene Spannungsteiler auf der Seite des Schmitt-Triggers einen Feldeffekt-Transistor aufweist, der durch die Spannung am Ausgang des Schmitt-Triggers gesteuert wird. Eine zusätzliche Sicherheit gegen ein unerwünschtes Wiederzünden des elektronischen Schaltelementes erreicht man, wenn nach einer weiteren Ausftihrungsform der Erfindung der an die Steuerelektrode des elektronischen Schaltelementes angeschlossene Spannungsteiler auf der Seite der Lampenanode eine Zenerdiode besitzt. Vorzugsweise sind zwei durch einen Widerstand gegengekoppelte Schmitt-Trigger vorgesehen. Diese AusfUhrungs- form ist vorteilhaft, wenn einzelne handelsübliche Schmitt-Trigger eine zu geringe Hysterese aufweisen, wodurch der Unterschied der Steuerspannungen zwischen den Kipp-Punkten für die in Frage stehende Anwendung zu gering wurde. Der Betrieb mit pulsierendem Gleichstrom hat den Vorteil, dass als elektronisches Schaltelement ein Thyristor benutzt werden kann. Ausserdem ist ein Hochspannungs Feldeffekttransistor als Schaltelement verwendbar. Einige Ausführungsbeispiele nach der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zum Zünden und Betrieb einer Niederdruckentladungslampe und Fig. 2 eine abgewandelte Schaltungsanordnung dieser Art. Mit 1 und 2 sind Eingangsklemmen zum Anschliessen an ein Wechselspannungsnetz von 220 V, 50 Hz, bezeichnet, welche mit einer Gleichrichterbrücke 3 verbunden sind. An die andere Seite der Gleichrichterbrücke 3 ist eine Reihenschaltung, bestehend aus einer Niederdruckquecksilberdampfentladungslampe 4 und einem Ballast 5 zur Strombegrenzung, angeschlossen. Dieser Ballast 5 besteht im einfachsten Fall aus einem ohmschen Widerstand, vorzugsweise jedoch aus einem elektronischen Schaltnetzteil, wie es z.B. in der US-PS 3 890 537 beschrieben ist. Die Entladungslampe besitzt eine vorheizbare Elektrode 6 (Kathode) und eine nicht vorheizbare Gegenelektrode 7 (Anode). Parallel zur Lampe 4 und in Reihe mit der Lampenkathode 6 liegt ein Thyristor 8, dessen Steuerelektrode 9 über einen aus zwei Widerständen 10 und II bestehenden Spannungsteiler sowohl mit der Anode 7 der Entladungslampe 4 als auch mit dem Ausgang 12 eines Schmitt-Triggers 13 verbunden ist. Der Schmitt-Trigger 13 bezieht seine Versorgungsspannung über einen parallel zur Lampenkathode 6 angeordneten Spitzenspannungsspeicher, bestehend aus der Reihenschaltung einer Diode 14 und eines Ladekondensators 15, aus dem Spannungsabfall über der vorgeheizten Kathode 6. Von derselben Spannung wird der Schmitt-Trigger 13 über einen parallel zum Ladekondensator 15 liegenden, aus einer Zenerdiode 16 und einem Widerstand 17 bestehenden Spannungsteiler, dessen Mittelabgriff mit dem Eingang 18 des Schmitt-Triggers 13 in Verbindung steht, angesteuert. Die beschriebene Schaltung wirkt wie folgt: Die Niederdruckentladungslampe 4, z.B. eine 20 W Leucht- stofflampe, wird über die Gleichrichterbrücke 3 mit pulsierendem Gleichstrom versorgt. Der Ballast 5 dient zur Strombegrenzung. Nach Anlegen der Netzspannung fliesst zunächst kein Strom durch die Lampenkathode 6; die Verbindungspunkte 19 und 20 weisen somit gleiches Potential auf. Auf demselben Potential liegt zwangsläufig der Ausgang 12 des Schmitt-Triggers 13. Die Steuerelektrode 9 des Thyristors 8 erhält daher über den Spannungsteiler 10, 11 eine positive Spannung, so dass der Thyristor 8 zünden kann. Nach dem Zünden des Thyristors 8 fliesst über ihn ein Strom durch die vorheizbare Kathode 6, der nur durch das Vorschaltgerät 5 begrenzt wird. Zwischen den Verbindungspunkten 19 und 20 entsteht nun eine Spannung, die mit zunehmender Erwärmung der vorheizbaren Elektrode 6 grösser wird. Erreicht diese Spannung einen vorgegebenen Wert, d.h. ist die Lampenelektrode 6 genügend heiss, dann wird die Zenerspannung der Zenerdiode 16 über schritten, so dass der Schmitt-Trigger ;uskisy4t. Dadurch wird der Ausgang 12 des Schmitt-Triggers 19 vom Potential des Punktes 20 auf das nunmehr negativere Potential des Punktes 19 geschaltet, so dass der Thyristor 8 bei der nächstfolgenden Halbwelle nicht mehr zündet. Damit liegt die volle Leerlauf spannung an der vorgeheizten Lampe 4, so dass diese zünden kann. Bei gezündeter Lampe 4 fliesst der Lampenstrom über die Kathode 6 und bewirkt einen Spannungsabfall zwischen den Punkten 19 und 20; dieser reicht aus, um den Schmitt-Trigger 13 in seinem stabilen Zustand zu haltern, Erst bei einer sehr kleinen Spannung zwischen den Punkten 19 und 20, die nur bei Nichtzünden der Lampe 4 oder bei deren Ausschalten unterschritten wird, kippt der Schmitt-Trigger 13 wieder in seinen ursprünglichen Zustand zurück und ermöglicht ein erneutes Zünden des Thyristors 8 und damit einen erneuten Startversuch der Lampe 4 (in der Praxis nach etwa 0,1 sec). Die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 ist ähnlich aufgebaut wie die nach Fig. 1 und arbeitet im wesentlichen ebenso. Da handelsübliche Schmitt-Trigger (z.B. Valvo HEF 4093) oft nur eine geringe Hysterese aufweisen, d.h., dass bei ihnen der Unterschied der Steuerspannungen zwischen den Kipp-Punkten relativ klein ist, sind bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 zwei durch einen Widerstand 21 gegengekoppelte Schmitt-Trigger 13a und 13b vorgesehen. Der Ladekondensator 15 in der Anordnung nach Fig. 1 muss relativ gross sein, damit er durch den Steuerstrom des Thyristors 8 nicht zu schnell entladen wird. Dies würde nämlich zu einem unerwünschten Wiederzünden des Thyristors 8 nachBeendigung des Vorheizens führen, bevor die Lampe 4 selbst gezündet ist. Mit einem wesentlich kleineren Ladekondensator 15 kommt die Anordnung nach Fig. 2 aus, wenn der Widerstand 11 durch einen Feldeffekt Transistor 22 (n-Kanal-Anreicherungs-MOSFET) ersetzt und die Diode 14 an das positive Ende der Lampenkathode 6 verlegt wird. Der Feldeffekt-Transistor 22 wird durch die Spannung am Ausgang 12 der Schmitt-Trigger 13a und 13b gesteuert. Hierdurch wird nach Ende des Vorheizens die Steuerelektrode 9 des Thyristors 8 niederohmig über einen Begrenzungswiderstand 23 und den Feldeffekt-Transistor 22 direkt mit der negativen Seite der Gleichrichterbrücke 3 verbunden, ohne dass der Ladekondensator 15 den eventuell noch fliessenden Steuerstrom für den Thyristor 8 liefern muss. Der Widerstand 10 des an die Steuerelektrode 9 des Thyristors 8 angeschlossenen Spannungsteilers 10, 11 bzw. 10, 22 kann durch eine Zenerdiode ersetzt werden, deren Zenerspannung etwas höher ist als die Brennspannung der Lampe 4. Dadurch wird eine zusätzliche Sicherheit gegen ein unerwünschtes Wiederzünden des Thyristors 8 erreicht, da nach Zünden der Lampe 4 keine positive Spannung mehr an die Steuerelektrode 9 des Thyristors 8 gelangen kann.

Claims: Patentansprüche: 1. Schaltungsanordnung zum Zünden und Betrieb einer mit zwei Elektroden, von denen wenigstens eine vorheizbar ist, versehenen Niederdruckentladungslampe aus einer Gleichstromquelle, bei der ein parallel zur Lampe und in Reihe mit der vorheizbaren Elektrode (Kathode) liegendes elektronisches Schaltelement nach Erreichen der Zündtemperatur der vorgeheizten Elektrode in seinen nichtleitenden Zustand geschaltet wird, wodurch der Heizstromkreis unterbrochen und die volle Gleichspannung an die Lampe angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichstromquelle (1 bis 3) einen pulsierenden Gleichstrom erzeugt und das elektronische Schaltelement (8) durch einen in Abhängigkeit von der Temperatur der vorgeheizten Elektrode (6) gesteuerten Schmitt Trigger (13) geschaltet wird, der seine Versorungsspannung über einen parallel zur vorheizbaren Elektrode angeordneten Spitzenspannungsspeicher, bestehend aus der Reihenschaltung einer Diode (14) und eines Ladekondensators (15X aus dem Spannungsabfall über der vorgeheizten Elektrode bezieht. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektrode (9) des elektronischen Schaltelementes (8) über einen Spannungsteiler (10, 11) sowohl mit der Anode (7) der Entladungslampe (4) als auch mit dem Ausgang (12) des Schmitt-Triggers (13) verbunden ist, der von der Spannung aus dem Spannungsabfall über der vorgeheizten Elektrode (6) über einen parallel zum Ladekondensator (15) liegenden, aus einer Zenerdiode (16) und einem Widerstand (17) bestehenden Spannungsteiler angesteuert wird. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der an die Steuerelektrode (9) des elektronischen Schaltelementes (8) angeschlossene Spannungsteiler (10, 22) auf der Seite des Schmitt-Triggers (13) einen Feldeffekt-Transistor (22) aufweist, der durch die Spannung am Ausgang (12) des Schmitt-Triggers gesteuert wird. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der an die Steuerelektrode des elektronischen Schaltelementes angeschlossene Spannungsteiler auf der Seite der Lampenanode eine Zenerdiode besitzt. 5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprü- che 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei durch einen Widerstand (21) gegengekoppelte Schmitt-Trigger (13a und 13b) vorgesehen sind. 6. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Schaltelement ein Thyristor (8) ist.

Inventors: HUSGEN, THEO, SCHIEFER, GERD, DR., Hüsgen, Theo
Applicants: N.V. PHILIPS' GLOEILAMPENFABRIEKEN, PHILIPS PATENTVERWALTUNG GMBH
Application year: 1982
Main classification: H05B41
IPC codes: H05B41