[1] Verfahren zum Starten einer Gasentladungslampe und elektronisches Betriebsgerät zum Starten und Betreiben einer Gasentladungslampe.

Technisches Gebiet

[2] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Betriebsgerät zum Starten einer Gasentladungslampe mittels einer Resonanzzündung.

Stand der Technik

[3] Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Starten einer Gasentladungslampe nach der Gattung des Hauptanspruchs. Hochdruckentladungslampen benötigen bauartbedingt eine relativ hohe Spannung zum Starten. Um diese Spannung zu erzeugen sind im Stand der Technik grundsätzlich zwei verschiedene Verfahren bekannt: Ein erstes Verfahren verwendet eine Überlagerungszündung, bei der die in einer Kapazität gespeicherte Energie über einen Schnellen Schalter in einen Transformator entladen wird, der diese Energie in einen Zündpuls hoher Spannung umwandelt. Ein zweites Verfahren verwendet eine Resonanz- zündung, bei der ein Resonanzkreis so angeregt wird, dass er eine hohe Spannung an der Gasentladungslampe erzeugt. Diese hohe Spannung wurde anfangs so lange an die Entladungslampe angelegt, bis in ihrem Brenner ein Spannungsschlag entstand, der den Betrieb der Lampe initiierte. Da sich hierbei bei nichtzündenden oder defekten Gasentladungslampen Sicherheitsprobleme ergaben ging man dazu über, die Resonanzspannung in sogenannten Bursts an die Gasentladungslampe anzulegen. Ein Burst besteht aus einem Aufschwingen der Zündspannung für eine bestimmte, meist recht kurze Zeitspanne. Wenn die Gasentladungslampe nach einer gewissen Anzahl von Bursts nicht gestartet hat, schaltet das elektronische Betriebsgerät ab und nimmt einen Fehlerzustand ein. Im Laufe der Zeit liegt die hohe Zündspannung aber für eine nicht zu unterschätzdende kumulierte Zeitspanne an der Gasentladungslampe an, und verursacht so eine hohe Belastung der hochspannungsführenden Isolation. Bei empirischen Untersuchungen hat sich gezeigt, dass in vielen Fällen die Isolation im laufe der Zeit so stark geschädigt wird, dass ein sicherer Betrieb der Gasentladungslampe in der entsprechenden Installation nicht mehr gewährleistet ist.

Aufgabe

[4] Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren und ein Betriebsgerät zum Starten einer Gasent- ladungslampe mit einer Resonanzzündung anzugeben.

Darstellung der Erfindung

[5] Die Lösung der Aufgabe bezüglich des Verfahrens erfolgt erfindungsgemäß mit einem Verfahren zum Starten einer Gasentladungslampe mit einem Resonanzkreis, gekenn- zeichnet durch folgende Schritte: a) Anregen des Resonanzkreises derart, dass für eine erste Zeitspanne eine Zündspannung generiert wird, deren Betrag lediglich für eine Anzahl n Halbwellen oberhalb des Betrages einer vorbestimmten kritischen Spannung liegt, und b) Anregen des Resonanzkreises für eine zweite Zeit ^¬ spanne derart, dass eine Zündspannung erzeugt wird, deren Betrag deutlich unterhalb des Betrages der kritischen Spannung liegt, wobei die Zeitspanne länger ist als eine vorbestimmte kritische Zeitspanne. Der überwiegende Teil der Zeitspannen ist dabei bevorzugt größer als lOμs, insbesondere größer als 33μs. Durch diese Maßnahme ist die Zeit, während der eine hohe Spannung an der Lampe anliegt und damit die Isolation beansprucht, auf ein Minimum beschränkt. Dadurch kann die Betriebssicherheit der Installation für einen signifikant längeren Zeitraum gewährleistet werden. Dieser Zeitraum wird in den meisten Fällen länger sein als die Lebensdauer der betreffenden Installation .

[6] Erfindungsgemäß erfolgt das Auf- und Abschwingen der sehr schnell, damit die Isolationsbelastung weiter sinkt, insbesondere ist eine dritte Zeitspanne, während der der Betrag der Zündspannung zwischen dem 0,2 ..0,5fachem des Betrages der kritischen Spannung und dem Betrag der kritischen Spannung liegt, höchstens zehn mal so lange wie die erste Zeitspanne ist, während der der Betrag der Zündspannung größer als der Betrag der kritischen Spannung ist.

[7] Um die Belastung weiter zu minimieren, ist die Zündspannung U _z im Schritt b) bevorzugt deutlich unter der kritischen Spannung U _krit . Besonders bevorzugt gilt für die Zündspannung folgende Beziehung: -\l/ _knt .

Die kritische Spannung liegt dabei bevorzugt in einem Bereich zwischen 700V und 1OkV, besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 1000V und 4000V.

[8] Das Wiederholen der Schritte kann dabei periodisch oder nichtperiodisch erfolgen. Dies führt je nach Anwendung zu einer weiteren Verringerung der Isolationsbeanspruchung. [9] Die Anzahl n der Halbwellen liegt dabei vorzugsweise zwischen 1 und 40, besonders bevorzugt zwischen 1 und 10. In einer besonderen Ausführungsform liegt die Anzahl n der Halbwellen zwischen 1 und 4. Die Wiederholfrequenz der Schritte a) und b) liegt weiterhin bevorzugt bei unter 10OkHz, besonders bevorzugt bei unter 3OkHz. In einer besonderen Ausführungsform liegt die Wiederholfrequenz der Schritte a) und b) bei unter 3kHz. Diese Werte stellen eine besonders effektive Minimierung der Isolati- onsbeanspruchung sicher.

[10] Die Lösung der Aufgabe bezüglich des Betriebsgerätes erfolgt erfindungsgemäß mit einem elektronischen Betriebsgerät zum Starten und Betreiben einer Gasentladungslampe mit einer Brückenschaltung zum Erzeugen einer variablen Wechselspannung und einem Resonanzkreis, der aus mindestens einem Resonanzkondensator und mindestens einer Resonanzdrossel besteht, wobei das elektronische Betriebsgerät ein oben beschriebenes Verfahren ausführt.

[11] Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestal- tungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und Betriebsgerätes zum Starten einer Gasentladungslampe ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.

Kurze Beschreibung der Zeichnung (en)

[12] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zei- gen: Fig. 1 den Spannungs-Zeitverlauf eines einzelnen Zündbursts der Zündspannung,

Fig. 2 eine zeitliche Abfolge zweier Zündbursts als Spannungs-Zeitverlauf,

Fig. 3 ein Spannungs-Frequenzdiagramm zur Ermittlung der Resonanzfrequenz,

Fig. 4 ein Spannungs-Frequenzdiagramm zur Abschätzung der Anregungsfrequenz durch Extrapolation,

Fig. 5 das schematische Schaltbild des Ausgangsteils einer das Verfahren ausführenden Schaltungsanordnung.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

[13] Fig. 1 zeigt den Spannungs-Zeitverlauf einer Zündspannung U _z mit einem typischen Zündburst, wie er nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Zünden einer Gasentladungslampe generiert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet eine Schaltungsanordnung mit einer Resonanzzündung die einen Resonanzkreis zum Zünden der Gasentladungslampe aufweist (hier nicht gezeigt) . Wie in der Figur gut zu sehen ist, ist der Betrag der Zündspannung U _z einen Großteil der Zeit deutlich unter dem Wert des Betrages der kritischen Spannung U _krit , und nur eine sehr kurze Zeit oberhalb dieses Wertes.

[14] Die kritische Spannung U _krit stellt einen Grenzwert dar, den die Zündspannung über längere Zeit maximal haben darf, um die Isolation des Ausgangs eines das erfindungsgemäße Verfahren ausführenden elektronischen Betriebsgerätes nicht zu schädigen. Bei empirischen Untersuchungen hat sich gezeigt, dass eine Spannung, die über längere Zeit am Ausgang des elektronischen Betriebsgerätes anliegt und oberhalb der kritischen Spannung U _krit liegt, die Isolationsmaterialien des Ausgangsteils des elektro- nischen Betriebsgerätes auf Dauer schädigt. Um die Gasentladungslampe aber sicher zünden zu können ist es notwendig, eine Spannung an die Lampenelektroden anzulegen, die oberhalb der kritischen Spannung U _krit liegt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun eine Spannung an die Lampe angelegt, deren Betrag erfindungsgemäß lediglich für eine sehr kurze erste Zeitspanne ti, die unterhalb einer kritischen Zeitspanne t _k π _t liegt, oberhalb der kritischen Spannung U _krit ist. Diese erste Zeitspanne ti wird im Folgenden als Zündphase bezeichnet. Wie in der Figur gut zu erkennen ist, ist die Zündspannung U _z nur für eine Halbwelle oder eine Vollwelle oder mehrere Halbwellen, insbesondere für eine Anzahl n Halbwellen oberhalb der kritischen Spannung U _krit . Bevorzugt ist dabei die Anzahl n der Halbwellen oberhalb der kritischen Spannung U _krit kleiner oder gleich 40, besonders bevorzugt ist dabei n≤lO. In der vorliegenden Figur ist z.B. n=10. Unter optimalen Bedingungen mit gut aufeinander abgestimmten Komponenten kann n≤4 sein. Es hat sich gezeigt, dass dieses kurze Aufschwingen der Spannung ausreicht, um den elektrischen Durchbruch zu initiieren und eine Entladung im Brenner der Gasentladungslampe zu etablieren. Gleichzeitig wird aber erfindungsgemäß die Belastung der Isolation des Ausgangs des elektronischen Betriebsgerätes minimiert. Die Zündspannung U _z ist also nur für eine erste sehr kurze Zeitspanne ti oberhalb der kritischen Spannung, aber für eine sehr lange zweite Zeitspanne t ₂ deutlich unterhalb der kritischen Spannung U _krit . Diese zweite Zeitspanne t ₂ wird hier als Niederspannungsphase bezeichnet. Der Betrag der Zündspannung U _z in der Niederspannungsphase bewegt sich dabei bevorzugt in einem Bereich von OV bis zu 0, 2*U _k π _t ~0, 5*U _k π _t • Die Zündspannung U _z ist also während der Niederspannungsphase einen Großteil der Zeit deutlich unterhalb des Betrages der kritischen Spannung U _krit , aber groß genug, um nach einem elektrischen Durchbruch im Brennergefäß eine sichere Übernahme und Etablierung eines Plasmabogens im Gasentla- dungslampenbrenner bewerkstelligen zu können. Als Übernahme der Gasentladungslampe wird hier die Phase beim Start der Gasentladungslampe bezeichnet, bei der kurz nach dem elektrischen Durchbruch im Lampenbrenner die Brennspannung noch sehr niedrig und die Elektroden noch sehr kalt sind. Durch die kalten Elektroden in der Übernahmephase benötigt die Gasentladungslampe sehr viel Spannung, um bei der nächsten Stromkommutierung nicht zu verlöschen .

[15] Wenn die Resonanz an- oder abgeregt wird und die Zündspannung U _z für die Zündphase auf- oder abschwingt, gilt für eine kurze dritte Zeitspanne t3, im folgenden auch als Übergangsphase bezeichnet: .

Dieser Spannungsbereich sollte von der Zündspannung U _z möglichst schnell durchschritten werden, damit die Isola- tion nicht unnötig zusätzlich beansprucht wird. Je höher die Spannung, desto stärker ist die Beanspruchung der Isolation. Erfindungsgemäß ist die Zeit, während der der

Betrag der Zündspannung U _z zwischen und liegt, kleiner als die zehnfache erste Zeitspanne ti der Zündphase, während der der Betrag der Zündspannung U _z oberhalb der kritischen Spannung liegt. Der Spannungsbe- reich von 0,2..0,5 • U _knt bis U _knt wird von der Zündspannung

U _z zweimal durchschritten, einmal für eine Zeitspanne t3 _A beim Aufschwingen auf die Zündspannung U _z und einmal für eine Zeitspanne t3 _B beim Abschwingen von der Zündspannung U _z . Die dritte Zeitspanne t3 ist die Summe der beiden Zeitspannen t3 _A und t3 _B .

[16] Zusammenfassend kann also gesagt werden, dass eine Periode des erfindungsgemäßen Startverfahrens aus der Zündphase, der Übergangsphase und der Niederspannungspha- se besteht, wobei die Übergangsphase zwischen der Zünd- und der Niederspannungsphase angeordnet ist. Die Niederspannungsphase ist dabei mit Abstand am längsten, nur unterbrochen vom Aufschwingen auf die kurzen Zündbursts. Dadurch, dass die Spannung in der Niederspannungsphase erfindungsgemäß unter dem 0, 2..0, 5fachem des Betrages der kritischen Spannung U _krit und dem Betrag der kritischen Spannung ü _krit liegt, werden Koronaeffekte, die sich negativ auf die Isolation auswirken, vermieden, und die Lebensdauer der gesamten Isolation erhöht sich signifi- kant.

[17] Der Übersicht halber sind im Folgenden die Spannungsbereiche und die Zeitbereiche der verschiedenen Phasen nochmals in einer Tabelle zusammengefasst :

[18] Fig. 2 zeigt den Spannungs-Zeitverlauf in einer anderen zeitlichen Auflösung mit einer zeitlichen Abfolge zweier Zündbursts. Die Spannungsbeträge der Zündbursts sind jeweils lediglich für wenige Halbwellen oberhalb des Betrages der kritischen Spannung U _krit . Die Länge der Zündbursts, also der ersten Zeitspanne ti ist wieder kleiner als eine kritische Zeitspanne tk _rit . Der zeitliche Abstand der Zündbursts ist durch die relativ lange Ge- samtzeitspanne t _Ges gegeben. Die Zeitspanne t _Ges setzt sich damit aus der Abfolge einer Zündphase mit einer ersten Zeitspanne ti, einer Niederspannungsphase mit einer zweiten Zeitspanne t ₂ und einer Übergangsphase mit einer dritten Zeitspanne t3 zusammen (t _Ges ⁼ ti+t2+t3) . Die Wieder- holfrequenz der Zündbursts beträgt demnach f _w = • Der

Betrag der Spannung U _z ist zwischen den Zündbursts, also während der Niederspannungsphase wie oben schon erläutert vorzugsweise bei U ₂ < 0,2..0,5 • U _knt . Die das erfindungsgemäße

Verfahren ausführende Schaltungsanordnung ist derart ausgelegt, dass ein sehr schnelles Auf- und Abschwingen der Zündspannung U _z möglich ist, die Übergangsphase und somit die Zeitspanne t3 also möglichst kurz gehalten wird. Für die Übergangsphase gilt: .

Die Zündbursts sind, unabhängig davon, ob die Gasentla- dungslampe zündet oder nicht, immer nur für wenige Halbwellen oberhalb der kritischen Spannung U _krit . Eine Steuerung trägt dafür Sorge, dass die Zündspannung U _z mit den Zündbursts nur solange an der Lampe anliegt, bis sich eine Entladung im Gasentladungslampenbrenner etabliert hat. [19] Wenn die Gasentladungslampe zündet, und ein Strom durch die Gasentladungslampe fließt und das Plasma der Gasentladung nährt, wird der Resonanzkreis bedämpft und die Spannung an der Lampe fällt unterhalb die kritische Spannung U _krit . Wenn die Lampe bei einem Zündburst nicht durchbricht, fällt der Betrag der Zündspannung U _z auch ohne die Bedämpfung nach einigen wenigen Halbwellen wieder unterhalb die kritische Spannung Uk _rit . Ein schnelles An- und Abschwingen des Zündbursts wird dadurch erreicht, dass sowohl die Frequenz als auch die Phase der den Schwingkreis anregenden (bzw. beim Abschwingen dämpfenden) Spannung entsprechend gesteuert werden. Die Zündbursts werden aber solange an die Gasentladungslampe angelegt, bis sich ein Entladungsbogen im Brennergefäß der Gasentladungslampe etabliert.

[20] Fig. 3 zeigt einen Graphen, der die Zündspannung U _z in Abhängigkeit von der Frequenz darstellt. Die Zündspannung entspricht hier immer auch der Ausgangsspannung U _out/ mit der die Lampe betrieben wird. Als Zündspannung U _z wird daher im Folgenden immer die Spannung U _out bezeichnet, die die Ausgangsspannung der das Verfahren ausführenden Schaltungsanordnung während der Gesamtzünddauer ist. Um derart kurze Zündbursts, wie sie in den Fig. 1 und 2 gezeigt sind, mittels einer Resonanzüberhöhung erzeugen zu können, ist es notwendig, eine genaue Kenntnis der realen Resonanzfrequenz f _res des jeweiligen Resonanzkreises bei verschiedenen Betriebszuständen zu besitzen. Die reale Resonanzfrequenz f _res hängt z.B. von Temperaturschwankungen und von den Toleranzen der verschiede- nen bei der Resonanz beteiligten Bauteilen ab. Aus der realen Resonanzfrequenz f _res kann die Anregungsfrequenz f _A bestimmt werden, um eine bestimmte Zündspannung zu generieren. Um die reale Resonanzfrequenz f _res zu bestimmen, kann folgendes Verfahren verwendet werden: In einem ersten Schritt wird von einer ersten Anregungsfrequenz fi ausgehend diese Schrittweise gesteigert, bis die Ausgangsspannung eine vorbestimmte Spannung U _x erreicht. Die erste Anregungsfrequenz liegt dabei deutlich unter der aus den Bauteilewerten und ihren Toleranzen ermittelten rechnerischen Resonanzfrequenz. In einem zweiten Schritt wird nun ausgehend von einer zweiten Anregungsfrequenz ±2, die deutlich oberhalb der rechnerischen Resonanzfrequenz liegt, diese schrittweise erniedrigt, bis die Ausgangsspannung wieder die vorbestimmte Spannung U _x erreicht. Die Spannung U _x ist dabei kleiner als die Spannung U _krit . Die reale Resonanzfrequenz f _res ergibt sich dann zu : f _res = f _λ +0,5 ■ (J ₂ -f _λ ) .

[21] Fig. 4 zeigt einen weiteren Graphen zur Erläuterung eines Verfahrens zur Abschätzung der Anregungsfrequenz f _A für eine bestimmte Zündspannung U _z . Hier ist wieder die Zündspannung in Abhängigkeit von der Frequenz dargestellt. Als Ausgangswerte werden in diesem Verfahren eine erste Anregungsfrequenz f3 und eine zweite Anregungsfrequenz f ₄ gewählt. Eine besonders genaue Estimation der Anregungsfrequenz für eine bestimmte Zündspannung U _z erhält man, wenn dieses Verfahren mit dem oben genannten Verfahren zur Bestimmung der Resonanzfrequenz f _res kombiniert wird. Dazu wählt man im ersten Verfahren die Spannung U _x sehr hoch, idealerweise wählt man U _x ~U _knt . Je näher die Spannung U _x an die Zündspannung U _z herankommt, umso genauer wird die Estimation der Anregungsfrequenz. Mit U _x ~U _knt werden die beiden Frequenzen fi und f.2 be- stimmt und die Resonanzfrequenz f _res berechnet. Die gefundene Frequenz f ₂ und die berechnete Resonanzfrequenz f _res aus dem ersten Verfahren werden nun als Ausgangswerte im zweiten Verfahren verwendet. Um die erforderliche Anre- gungsfrequenz f _A für eine bestimmte Zündspannung U _z abzuschätzen, wird nun die im obigen Verfahren gefundene Frequenz f ₂ als zweite Anregungsfrequenz f ₄ gewählt. Die erste Anregungsfrequenz f ₃ kann nun aus der zweiten

Anregungsfrequenz f ₄ berechnet werden: / ₃ =/ ₄ —f - f— . Je y nach Auslegung der das Verfahren ausführenden Schaltungsanordnung kann der Quotient y sinnvollerweise zwischen 2 und 10 liegen. Bei bestimmten konstellationen, z.B. einer sehr hohen Güte des Resonanzkreises kann gelten: f3,f ₄ >£ ₂ . Dies kann notwendig werden, da sonst die aus der Anregung mit der ersten Anregungsfrequenz f ₃ resultierende Spannung zu hoch wird. Mittels dieser beiden Frequenzen wird nun die Anregungsfrequenz f _A für eine bestimmte Zündspannung U _z berechnet. Die beiden Anregungsfrequenzen f ₃ und f ₄ erzeugen dabei jeweils eine Spannung Ui und U2, die beide vorzugsweise unter der kritischen Spannung U _krit liegen. In speziellen Fällen können die Spannungen jedoch auch über der kritischen Spannung U _krit liegen und recht nahe an den Spitzenwert der Zündspannung U _z herankommen. Die beiden durch die Anregungsfrequenzen erzeugten Span- nungen werden gemessen, und aus diesen Werten kann dann die reale Resonanzfrequenz f _res durch Extrapolation abgeschätzt werden. Aus dem Verhältnis der Differenz der Frequenzen Δf und des Quotienten der Ausgangsspannungen lässt sich mit Kenntnis der Resonanzfrequenz f _res die Anregungsfrequenz f _A , die benötigt wird um eine bestimmte Spannung U _z zu erreichen, berechnen: f _Ä = 2 * f _res - \n(U _z ) * f — _{T j} f ; dabei i st hier die Dämpfung des

H-)

Schwingkreises bereits grob modelliert.

[22] Fig. 5 zeigt das schematische Schaltbild des Ausgangsteils der das Verfahren ausführenden Schaltungsan- Ordnung. Der Ausgangsteil besteht aus einer Halbbrückenschaltung mit zwei Schaltern Sl und S2, denen Freilaufdioden parallelgeschaltet sind. Die beiden ersten Pole der Schalter sind in einem Mittenpunkt miteinander und mit dem ersten Pol einer Drossel Ll verbunden. Die zweiten Pole der beiden Schalter sind mit der Eingangsspannung verbunden. Der zweite Pol der Drossel Ll ist mit einer ersten Elektrode einer Gasentladungslampe 5, sowie mit dem ersten Pol eines Kondensators Cl verbunden. Die zweite Elektrode der Gasentladungslampe ist mit den ersten Polen zweier Kondensatoren C3 und C4 verbunden. Die zweiten Pole der Kondensatoren Cl, C2 und C3 sind jeweils mit der Versorgungsspannung verbunden. Die Schaltungsanordnung weist weiterhin einen Steuerteil 20 auf, der die Schalter Sl und S2 ansteuert sowie die Spannung über der Gasentladungslampe 5 als Eingangsgröße bekommt. Die Induktivität Ll bildet nun zusammen mit dem Kondensator Cl einen Resonanzkreis, der durch entsprechende Frequenzanregung eine Zündspannung U _z an die Lampe anlegt. Die Induktivität Ll sowie die Kapazität Cl des Resonanzkreises können in einer realen Schaltungsanordnung auch auf mehrere Komponenten verteilt sein. Die Bezeichnung Resonanzkreis schließt hier auch Resonanzkreise höherer Ordnung ein, d.h. es können auch mehrere reale Resonanzkreise gekoppelt sein. Eine entsprechende Anregung vorausgesetzt, können mit dieser Schaltungsan- Ordnung Zündspannungsverläufe wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt, erzeugt werden.