DE4301276A1 - Verfahren und Stromversorgungseinheit zum stabilisierten Betrieb einer Natrium-Hochdruckentladungslampe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum stabili­ sierten Netzbetrieb einer im Sattdampf betriebenen Natrium-Hochdruckentladungslampe gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1. Außerdem betrifft die Erfin­ dung eine Stromversorgungseinheit zur Durchführung des Verfahrens.

Zu den gebrauchswertbestimmenden Eigenschaften einer Lichtquelle gehören neben hoher Lichtausbeu­ te, guten Farbwiedergabeeigenschaften und angepaß­ ter Farbtemperatur auch die Unempfindlichkeit dieser Eigenschaften gegenüber Fertigungsstreuungen und Schwankungen der Betriebsbedingungen sowie ihre Stabilität im Verlauf der Lebensdauer. Es ist bekannt, daß Hochdruckentladungslampen je nach dem gewählten Entladungsmedium und den konstruktiven Besonderheiten mehr oder weniger zu Veränderungen dieser Eigenschaften und - damit gekoppelt - auch zur Änderung ihrer elektrischen Betriebsparameter neigen, die unter vielen Einsatzbedingungen störend wirken oder sogar zum Ausfall der Lampen führen können. Eine wesentliche Ursache für diese Schwan­ kungen und Abweichungen sind neben fertigungsbe­ dingten Schwankungen der Füllung und der Brenner­ geometrie auch Veränderungen der Gaszusammensetzung und des Drucks im Entladungsvolumen im Verlauf der Lebensdauer, die von chemischen Reaktionen der Komponenten untereinander und mit den Materialien des Entladungsgefäßes, von Materialverlusten auf­ grund von Diffusionsprozessen durch die Gefäßwände, aber auch von veränderten Temperaturverteilungen im Gefäß herrühren können. Diese Temperaturverände­ rungen können die Folge von schwankenden Lampenlei­ stungen infolge von Netzspannungsschwankungen, von veränderten Absorptions- und Abstrahlungseigen­ schaften der Brennerkomponenten infolge von Ablage­ rungen oder chemischen Veränderungen oder aber von thermischen Veränderungen der Lampenumgebung sein. Insbesondere bei den Komponenten der Lampenatmos­ phäre, die im Dampfdruckgleichgewicht mit einem Bodenkörper im Entladungsgefäß stehen, werden dadurch Dampfdruckveränderungen hervorgerufen, die sowohl den Lichtstrom und seine spektrale Vertei­ lung als auch die elektrischen Eigenschaften der Lampe erheblich beeinflussen und über die veränder­ te Leistungsbilanz der Lampe im Stromkreis ihrer­ seits die Temperaturverteilung im Brenner noch weiter verändern können.

Bei Natrium-Hochdrucklampen, die im Sattdampf über einem Bodenkörper aus Natrium oder Natriumamalgam betrieben werden, führen solche Temperaturschwan­ kungen zu Veränderungen des Farbwiedergabeindex und der Lichtausbeute sowie zu Brennspannungsschwankun­ gen bis hin zu Werten, bei denen die Lampe verlö­ schen kann. Die Veränderungen sind um so schwerwie­ gender, je höher der Sollwert des Farbwiedergabein­ dex und damit auch des Natriumdampfdruckes ist. Während bei der Standard-Natrium-Hochdrucklampe (Farbwiedergabeindex R_a = 20-40) die Schwankungen des Farbwiedergabeindex wenig auffällig sind, die Lichtausbeute nur geringfügig schwankt und die Brennspannung erst nach Ende der Nennlebensdauer auf unzulässige Werte ansteigt, sind die entspre­ chenden Veränderungen bei den farbverbesserten Typen mit einem Farbwiedergabeindex R_a = 60 wesent­ lich schwerwiegender.

Natrium-Hochdrucklampen für anspruchsvolle Innen­ raumbeleuchtung werden mit sehr hohen Amalgam- Dampfdrücken betrieben, bei denen die Verbreiterung der Resonanzlinien durch den Na- und Hg-Partial­ druck einen Farbwiedergabeindex von R_a = 80 bei einer Farbtemperatur von 2500 K ergibt. Unter­ schiedliche thermische Verhältnisse im Brenner und in seiner Umgebung sowie Veränderung des Amalgam­ verhältnisses durch Natriumdiffusion und Korrosion führen zu unerwünschten Veränderungen der Farbtem­ peratur und des Farbortes sowie zu Schwankungen der Brennspannung nach oben oder unten, bei denen die Lampe sogar verlöschen kann. In der EP 0 445 882 wird daher vorgeschlagen, zum stabilisierten Be­ trieb einer solchen Natrium-Hochdruckentladungslam­ pe die Kombination aus Brennspannung U und Strom I auf einen Sollwert C = U + βI zu regeln, der die Einhaltung eines "weißen" Farbortes bei 2500 K gewährleisten soll. β ist hierbei ein Zahlenfaktor, der möglichst klein gewählt werden soll. Um ten­ denziellen Veränderungen der Lampe im Verlauf der Lebensdauer der Lampe Rechnung zu tragen, ist es jedoch erforderlich, auch den Sollwert C entspre­ chend anzupassen.

Natrium-Hochdruckentladungslampen mit Farbtempera­ turen bis 2500 K können mit einer kontinuierlichen Leistungszufuhr durch eine konventionelle oder elektronische Stromversorgungseinheit betrieben werden. Für Farbtemperaturen oberhalb 2500 K ist, wie in der DD 2 70 405 beschrieben, eine gepulste Leistungszufuhr in die Lampe erforderlich, wobei vorzugsweise die Füllung der Natrium-Hochdruckent­ ladungslampe kein Quecksilber enthält, sondern lediglich Natrium und ein Edelgas. Bei der gepul­ sten Leistungszufuhr setzt sich die mittlere Lei­ stung der Lampe aus einer dichten Folge leistungs­ starker kurzer Impulse, die durch Tastpausen von­ einander getrennt sind, und einer geringen Halte­ leistung, die das Verlöschen der Entladung in den Tastpausen verhindert, zusammen. Mit einer solchen Lampe sind bei einer thermischen Belastung, die der einer Standardlampe entspricht, Farbtemperaturen bis 3000 K sowie ein Farbwiedergabeindex über 80 bei relativ hoher Lichtausbeute realisierbar. Dabei wird die Farbtemperatur im wesentlichen durch die Momentanleistung der Lampe während der Impulsphase bestimmt, während der Farbwiedergabeindex vor allem durch den Dampfdruck in der Lampe festgelegt ist. Untersuchungen zeigen, wie in Fig. 1 dargestellt, daß weitgehend unabhängig von der Betriebsart der Lampe der Farbwiedergabeindex R_a durch eine Druck­ steigerung bei leicht fallender Lichtausbeute η bis R_a = 80 gesteigert werden kann. Eine weitere Anhe­ bung des Dampfdruckes erhöht den Farbwiedergabein­ dex zunächst weiter bis zu einem Maximalwert von annähernd 90 und führt schließlich sogar zu einem Rückgang bis auf R_a = 60. Damit verbunden ist ein erheblicher Rückgang der Lichtausbeute η und ein starker Brennspannungsanstieg, der die Lampe zum Verlöschen bringen kann. Auch der für Innenbeleuch­ tung gleichermaßen wichtige spezielle Farbwiederga­ beindex R₉ für die roten Farbanteile steigt mit dem Dampfdruck bis zu Werten von nahezu 100, um im Bereich oberhalb R_a = 85 ebenfalls steil wieder bis auf negative Werte abzufallen.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Verfahren und eine Stromversorgungseinheit zu finden, das bzw. die einen stabilisierten Betrieb aller im Sattdampf betriebenen Typen von Natrium-Hochdruckentladungs­ lampen, wie sie oben aufgeführt sind, ermöglicht. Die Lampendaten bezüglich Brennspannung, Lichtaus­ beute, Farbwiedergabe und Farbtemperatur sollten dabei dem Lampentyp entsprechend optimale Werte annehmen. Außerdem sollte das Verfahren möglichst einfach und für alle Typen von Lampen gleich sein.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merk­ male des Verfahrens sind den Unteransprüchen 2 bis 8 zu entnehmen. In den Ansprüchen 9 bis 11 werden außerdem Merkmale einer Stromversorgungseinheit zur Durchführung des Verfahrens beansprucht.

Überraschenderweise zeigt sich, daß die Einstellung der lampentechnischen Daten wie Brennspannung, Lichtausbeute, Farbtemperatur und Farbwiedergabein­ dex auf optimale Werte durch eine entsprechende Regelung des Dampfdrucks in der Lampe möglich ist, wobei als Regelgröße für den Dampfdruck die Impe­ danz des Plasmas in der Lampe verwendet werden kann. Zum stabilisierten Betrieb der Lampe ist es dann lediglich nur noch erforderlich, die Ausgangs­ leistung der Stromversorgung so zu regeln, daß die Impedanz der Lampe den gefundenen Wert annimmt.

Die Impedanz der Lampe kann grundsätzlich durch Bildung des Quotienten aus der Lampenspannung und dem Lampenstrom gewonnen werden, wobei im Impulsbe­ trieb sowohl der jeweilige Wert in der Impulsphase als auch in der Haltephase benutzt werden kann. Bei Verwendung einer Stromversorgung mit gegenüber Netzspannungsschwankungen stabilisierter Leerlauf­ spannung und vorgegebener Ausgangsimpedanz genügt es sogar, lediglich den Strom oder die Spannung an der Lampe auf den vorgegebenen Sollwert zu regeln, der dem Optimalwert des Dampfdrucks und damit dem der Farbwiedergabeeigenschaften und der Lichtaus­ beute sowie der Brennspannung entspricht. Im Fall eines Impulsbetriebs der Lampe durch eine Stromver­ sorgung mit gegenüber Netzspannungsschwankungen stabilisierter Leerlaufspannung und vorgegebener Ausgangsimpedanz reicht als Regelgröße eine der Größen Impulsspannung, Impulsstrom, Haltespannung oder Haltestrom. Die Nachregelung der Lampenlei­ stung kann dann wahlweise durch die Veränderung der Breite und des Abstands der Leistungsimpulse und/- oder der Halteleistung realisiert werden.

Man kann aber im Impulsbetrieb auch auf die Kon­ stanthaltung der Betriebsspannung und damit der Leerlaufspannung der Stromversorgungseinheit ver­ zichten, indem die Impulsleistung durch eine hoch­ frequente Schwingung mit steuerbarer Frequenz erzeugt wird, die zu Beginn und am Ende des Impul­ ses ein- bzw. ausgeschaltet wird. Wahlweise kann auch die um Größenordnungen geringere Halteleistung durch diese oder eine zweite Hochfrequenzschwingung erzeugt werden. In diesem Fall kann der Zeitverlauf der elektrischen Leistung als Einhüllende der HF-Schwingungen aufgefaßt werden. Die der Lampe durch die Stromversorgungseinheit zur Verfügung gestellte Ausgangsleistung kann nun sowohl im Bereich der Halteleistung als auch der Impulse sehr leicht über eine Veränderung der Frequenz in der Halte- und in der Impulsphase geregelt werden. Zusätzlich zu der bereits beschriebenen Steuerung der mittleren Leistung durch Impulsfolgefrequenz, Impulsbreite und Halteleistung kann im Fall einer auf Grund von Netzspannungsschwankungen vom Soll­ wert abweichenden Betriebsspannung durch eine von dieser Betriebsspannung abhängige Nachführung der Hochfrequenzschwingung diese Betriebsspannungs­ schwankung bezüglich ihres Einflusses auf die Regelgröße kompensiert werden.

Die hier beschriebene Dampfdruckregelung gleicht sämtliche Abweichungen, verursacht z. B. durch Fertigungsstreuungen der Lampen, unterschiedliche thermische Bedingungen beim Lampenbetrieb in Leuch­ ten oder langsame Veränderungen der Lampe infolge Materialabtragungen im Brenner und daraus resultie­ rende Schwärzungen automatisch aus, die auf den Wärmehaushalt der Toträume hinter den Elektroden Einfluß haben, indem die mittlere Lampenleistung so nachgeführt wird, daß sich trotz dieser Abweichun­ gen die Totraumtemperatur und damit die Temperatur des Bodenkörpers sowie der Dampfdruck in der Lampe nicht verändert. Es ist offensichtlich, daß dieses Ziel durch eine einfache Konstanthaltung der Lam­ penleistung wie bei elektrisch betriebenen Entla­ dungslampen bisher üblich nicht erreichbar ist.

Das Verfahren ist darüber hinaus geeignet, auf extreme Umgebungsbedingungen und weit fortgeschrit­ tene Lampenalterung durch Abschaltung des Systems zu reagieren, indem für den Einstellbereich der Lampenleistung eine obere Grenze, die zum Beispiel aus der thermischen Belastungsgrenze des Brenners abgeleitet werden kann, und eine untere Grenze, die im Impulsbetrieb beispielsweise bei der Flimmerver­ schmelzungsfrequenz des menschlichen Auges liegen kann, festgelegt wird. Der Betrieb total überalter­ ter Lampen mit unbefriedigenden lichttechnischen Eigenschaften kann so auf einfache Weise ausge­ schlossen werden.

Die Erfindung ist anhand der nachfolgenden Figuren näher veranschaulicht

Fig. 2a zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer konventionellen oder elektronischen Stromversorgungseinheit, bei der die Natrium-Hochdruckentladungslampe mit gleichmäßiger Leistungseinspeisung betrie­ ben wird.

Fig. 2b zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer elektronischen Stromversorgungsein­ heit mit Netzspannungsstabilisierung, bei der die Natrium-Hochdruckentladungslampe mit Leistungsimpulsen betrieben wird.

Fig. 2c zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer elektronischen Stromversorgungsein­ heit, bei der die Natrium-Hochdruckentla­ dungslampe mit Leistungsimpulsen in Form von Hochfrequenzschwingungen betrieben wird.

Fig. 3 zeigt schematisch in normaler und zeitge­ dehnter Form die bei Impulsbetrieb von der Stromversorgungseinheit der Natrium-Hoch­ druckentladungslampe kontinuierlich zur Verfügung gestellte Impuls- und Haltelei­ stung P in Abhängigkeit von der Zeit t.

Fig. 4 zeigt schematisch in normaler und zeitge­ dehnter Form die bei Impulsbetrieb von der Stromversorgungseinheit der Natrium-Hoch­ druckentladungslampe in Form von Hochfre­ quenzschwingungen zur Verfügung gestellte Impuls- und Halteleistung P in Abhängigkeit von der Zeit t.

In Fig. 2a ist ein Ausführungsbeispiel für eine konventionelle oder elektronische Stromversorgungs­ einheit zum Betreiben der Natrium-Hochdrucklampe 3 mit gleichmäßiger Leistungseinspeisung dargestellt. Die Impedanz der Lampe 3, d. h. die Lampenspannung u und der Lampenstrom I werden dabei in einer Steuer­ einheit 4 mit dem für den optimalen Dampfdruck der Lampe entsprechenden Sollwert verglichen. Bei Abweichung veranlaßt die Steuereinheit 4 eine Strombegrenzungseinheit 2 oder einen elektronisch betriebenen Oszillator 2, eine entsprechende Rege­ lung der Ausgangsleistung vorzunehmen.

In Fig. 2b ist eine Stromversorgungseinheit für den Impulsbetrieb der Natrium-Hochdrucklampe darge­ stellt. Block 1 enthält die Oberwellenfilterung, Funkentstörung, Gleichrichtung und Stabilisierung der Betriebsgleichspannung U_o für einen Generator 2, der eine Folge von Leistungsimpulsen über einer Halteleistung mit dem in Fig. 3 schematisch darge­ stellten Zeitverlauf erzeugt. Die Lampe 3 nimmt entsprechend ihrem aktuellen Zustand und ihren Umgebungsbedingungen einen Betriebszustand an, der sich entsprechend den Lampenimpedanzen in einer Kombination von Haltespannung und Haltestrom sowie Impulsspannung und Impulsstrom äußert. Jede dieser Spannungen und Ströme werden bei gegebener Leer­ laufspannung und Impedanz des Generators 2 eindeu­ tig durch die Impedanzen der Entladung in der Halte- bzw. Impulsphase und damit durch den Dampf­ druck festgelegt und können in einer Steuereinheit 4 als Steuergrößen für den Impulsabstand verwendet werden. Die aktuelle Auswahl der vorteilhaftesten Steuergröße hängt vor allem von den Potentialver­ hältnissen im Generator 2 und dem technisch zuläs­ sigen Aufwand ab.

Fig. 2c zeigt eine Anwendung für gepulsten Betrieb, bei der jedoch auf die Stabilisierung der Gleich­ spannung in Block 1 verzichtet wird. Block 2 ent­ hält einen Generator, der die Impulsleistung und die Halteleistung in Form von Hochfrequenzschwin­ gungen, wie in Fig. 4 dargestellt, bereitstellt, die über ein passives LG-Netzwerk 5 an die Lampe 3 weitergegeben werden. Die Steuereinheit 4 empfängt Informationen über die Betriebsgleichspannung U_o sowie über die Lampenspannungen oder -ströme in der Impuls- oder Haltephase. Sie beeinflußt die Frequen­ zen der Impulsleistung und der Halteleistung sowie den Impulsabstand und die Impulsbreite im Generator 2. Die Funktion verläuft wie folgt: Zunächst wird die Betriebsgleichspannung U_o mit ihrem Sollwert verglichen und die Frequenz des Generators 2 so verstellt, daß über das passive Netzwerk 5 eventu­ elle Abweichungen des Lampenarbeitspunktes kompen­ siert werden. Dann wird eine der elektrischen Lampengrößen erfaßt und mit ihrem Sollwert vergli­ chen. Im Fall von Abweichungen wird jetzt der Abstand oder durch Veränderung der Anzahl der Schwingungen des Leistungsimpulses die Breite der Impulse oder durch Veränderung der Generatorfre­ quenz die Halteleistung so verändert, daß die mittlere Lampenleistung über die Totraumtemperatur den Sollwert des Dampfdrucks und damit auch die Sollwerte der Impedanzen der Lampe sowie ihrer Brennspannung in der Impuls- und Haltephase und ihrer Farbwiedergabeeigenschaften wieder einstellt.

Claims (11)

1. Verfahren zum stabilisierten Betrieb einer im Sattdampf betriebenen Natrium-Hochdruckentladungs­ lampe mittels einer entsprechenden Stromversor­ gungseinheit, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsleistung der Stromversorgungseinheit so geregelt wird, daß der Quotient aus Lampenspannung und Lampenstrom bzw. die Impedanz der Natrium-Hoch­ druckentladungslampe einen bestimmten Wert annimmt, bei dem sich optimale Lampendaten ergeben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß im Fall einer aus einer Folge leistungs­ starker Impulse und einer geringen Halteleistung bestehenden impulsartigen Energieversorgung durch die Stromversorgungseinheit die Ausgangsleistung der Stromversorgungseinheit so geregelt wird, daß der Quotient aus Lampenspannung und Lampenstrom bzw. die Impedanz der Natrium-Hochdruckentladungs­ lampe während der Leistungsimpulse und während der Haltephase Werte annimmt, bei denen sich optimale Lampendaten ergeben.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß bei stabilisierter Leerlaufspannung und vorgegebener Ausgangsimpedanz der Stromversorgungs­ einheit als Regelgröße eine der Größen Lampenspan­ nung oder Lampenstrom gewählt wird, bei der bzw. dem sich optimale Lampendaten ergeben.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß bei stabilisierter Leerlaufspannung und vorgegebener Ausgangsimpedanz der Stromversorgungs­ einheit als Regelgröße eine der Größen Impulsspan­ nung, Impulsstrom, Haltespannung oder Haltestrom gewählt wird, bei der bzw. dem sich optimale Lam­ pendaten ergeben.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß im Fall einer impulsartigen Energieversor­ gung durch die Stromversorgungseinheit die mittlere Lampenleistung durch Veränderung der Breite der Leistungsimpulse, des Impulsabstands und/oder der Halteleistung nachgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Impuls- und Halteleistung aus einer hochfrequenten Schwingung mit regelbarer Frequenz erzeugt sind, wobei die Halteleistung durch Verän­ derung der Frequenz der Schwingung und die Impuls­ breite durch Veränderung der Zahl der Schwingungen des Leistungsimpulses geregelt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Netzspannung mit einem Sollwert ver­ glichen wird und Schwankungen der Netzspannung entsprechend ihrem Einfluß auf die Regelgröße durch Verstellen der Schwingungsfrequenz kompensiert werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei Erreichen eines oberen oder unteren Grenzwertes der am Ausgang der Stromversor­ gungseinheit zur Verfügung gestellten Lampenlei­ stung die Stromversorgungseinheit abgeschaltet wird.

9. Stromversorgungseinheit zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Stromversorgungseinheit zur Erzeugung einer gleichmäßigen Leistungseinspeisung eine Strombegrenzungseinheit (2) oder einen elektronisch betriebenen Oszillator (2) und eine Steuereinheit (4) umfaßt.

10. Stromversorgungseinheit zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stromversorgungseinheit zur Erzeugung einer impulsartigen Leistungseinspeisung einen Impulsgenerator (2) und eine Steuereinheit (4) umfaßt.

11. Stromversorgungseinheit zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgungseinheit zur Erzeugung einer impulsartigen Leistungsein­ speisung in Form von hochfrequenten Schwingungen einen Impulsgenerator (2), eine Steuereinheit (4) und ein passives LG-Netzwerk (5) umfaßt.