DE69930897T2

DE69930897T2 - Anordnung zum Betreiben einer Entladungslampe

Info

Publication number: DE69930897T2
Application number: DE69930897T
Authority: DE
Inventors: Akira Chofu-shi Shinogi
Original assignee: Orc Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Orc Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1998-06-25
Filing date: 1999-06-01
Publication date: 2006-11-23
Anticipated expiration: 2019-06-02
Also published as: EP0967843A2; EP0967843B1; DE69930897D1; US6114815A; EP0967843A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betreiben einer Kurzbogen-Entladungslampe für Lichtbehandlungsanwendungen und im Besonderen eine Vorrichtung zum Betreiben einer Kurzbogen-Entladungslampe, die in der Anfangsphase angemessen arbeitet.
Im Allgemeinen wurden auf dem Gebiet von Gleichstrom-Entladungsentladungslampen zur Verwendung für Lichtbehandlungsanwendungen, etwa zum Ausbilden eines elektrischen Schaltkreises auf einem Halbleiter oder einer gedruckten Leiterplatte, verschiedenste Vorrichtungen vorgeschlagen, um eine Reihe von Aufgaben vom Zünden der Entladungslampe bis zum stabilen Betrieb der Entladungslampe reibungslos abzuwickeln. Als typisches Beispiel für eine solche Art von Entladungslampe wird eine so genannte Kurzbogen-Entladungslampe beschrieben, bei der der Abstand zwischen den Elektroden einige mm beträgt.
Beim Starten verursacht die Kurzbogen-Entladungslampe einen dielektrischen Durchbruch eines eingeschlossenen Gases, um über eine Glimmentladung eine Lichtbogenentladung herbeizuführen, um einen stabilen Betrieb der Entladungslampe zu erreichen. 9A zeigt Kurven, die den sich verändernden Zustand von Spannung und Strom vom dielektrischen Durchbruch bis zum Zustand der Aufrechterhaltung der Bogenentladung veranschaulichen.
Wie in 9A durch einen Pfeil (11) dargestellt ist (siehe Kurve A), wird das eingeschlossene Gas, beispielsweise Quecksilber oder Xenon, durch das Anlegen von Hochspannung, typischerweise 1000 V oder mehr, an die Elektroden der Entladungslampe ionisiert, um ein elektrisch leitendes Gas zu erzeugen. Dieses Phänomen wird als "dielektrischer Durchschlag oder Durchbruch" bezeichnet. Das nun folgende durchgehende Anlegen einer Spannung von mehreren hundert Volt an die Elektroden löst einen Zusammenstoß der Elektronen mit den Atomen im ionisierten, elektrisch leitenden Gas aus und führt zum Fortschreiten der Ionisierung. Dadurch wird die Entladung aufrechterhalten (siehe Pfeil (12)). Die an der Ionisierung teilneh menden Elektronen sind jene, die von den Atomen als Folge des dielektrischen Durchschlags des Gases freigegeben wurden. Dieser Zustand der fortgeführten Entladung wird als "Glimmentladung" bezeichnet. In diesem Fall beträgt die Spannung zwischen den Elektroden, an denen die Entladung erzeugt wird, im Allgemeinen etwa 90 bis 120 V, während der zwischen diesen Elektroden fließende Strom nicht mehr als einige hundert mA beträgt.
Fließt im Glimmentladungszustand der Strom aufgrund der Erhitzung der Elektrode durch den Elektronenzusammenstoß kontinuierlich durch das Gas, so werden die Menge der von der Elektrode thermisch abgegebenen Elektronen und gleichzeitig die Ionisierung des Gases gefördert, um einen leitenden Zustand zu erreichen. Dieser Zustand wird als "Lichtbogenentladung" bezeichnet (siehe Pfeil (13)). In diesem Zustand beträgt die zwischen den Elektroden fließende Spannung im Allgemeinen 20 bis 60V, und der Strom zwischen den Elektroden kann leicht von einigen A auf einige hundert A ansteigen.
Verschiedenste Vorrichtungstypen wurden als Vorrichtung zum Betreiben einer solchen Entladungslampe vorgeschlagen. Beispielsweise gibt es eine Inbetriebnahmevorrichtung, die einen Transformator, einen so genannten Lecktransformator, der den Strom zum Zeitpunkt des Kurzschlusses der Ladung regeln kann, umfasst, und eine Schaltbetrieb-Inbetriebnahmevorrichtung unter Verwendung von Halbleiterelementen, die eine Zündvorrichtung verwendet, um den dielektrischen Durchschlag des in einer Entladungslampe eingeschlossenen Gases auszulösen und somit die Glimmentladung und die Lichtbogenentladung zu bewirken.
Der Starter der Inbetriebnahmevorrichtung besteht aus Schaltungen zur Erzeugung von Gleichstrom-Hochspannung, die an der Entladungslampe parallel bereitgestellt sind, und gleichzeitig ist eine Diode zwischen dem Hauptspannungskreis und der Entladungslampe bereitgestellt, um zu verhindern, dass eine hohe Spannung an den Gleichstrom-Hauptspannungskreis zur Aufrechterhaltung der Lichtbogenentladung angelegt wird.
Beim Starter für die Entladungslampe kann es sich um einen handeln, der zur Erzeugung einer Spannung von nicht weniger als 1000 V imstande ist, was für den dielektrischen Durchschlag des eingeschlossenen Gases erforderlich ist, und der einen Strom einspeisen kann, der zum Einleiten der Lichtbogenentladung ausreicht. Bei der Hauptspannung kann es sich um eine handeln, die einen Strom und eine Spannung einspeisen kann, die zur Aufrechterhaltung der Lichtbogenentladung ausreichen, wie anhand der Kurve d in 9A dargestellt ist. Hierbei sollten die Kennlinien des Ausgangsstroms und der -spannung des Starters jenen entsprechen, die in 9A durch die gepunktete Linie b dargestellt sind.
Da es jedoch erforderlich ist, eine für den dielektrischen Durchschlag ausreichende Hochspannung zu erzeugen, verwendet der Starter einen Transformator mit einem hohen Übertragungsverhältnis. Dadurch kann der Starter nur einen schwachen Strom bereitstellen, weshalb die Ausgangsspannungs- und -stromeigenschaften der Entladungslampe zu einer zweifach durchbrochenen Linie b in 9A führen. Folglich kann der dielektrische Durchschlag des eingeschlossenen Gases ausgelöst werden, doch ist es manchmal nicht möglich, den Glimmentladungszustand aufrechtzuerhalten und den Übergang zur Lichtbogenentladung zu erzielen.
Um dieses Problem zu lösen wurde eine Vorrichtung zum Betreiben einer Entladungslampe geoffenbart, in der ein Glättungskondensator zur Gleichrichtung bereit gestellt ist, der eine große Kapazität aufweist, sodass die im Kondensator gesammelte elektrische Ladung zum Zeitpunkt der Entladung sofort durch die entladene Lampe fließt, und durch den großen elektrischen Stromwert, der zu diesem Zeitpunkt gegenwärtig ist, wird der Zustand in den Bogenentladungszustand gebracht (vgl. die japanische Patentschrift Nr. 2705010 und die japanische Patentschrift Nr. 2705018).
Allerdings wird selbst bei so wie oben beschrieben hergestellten Vorrichtungen der dielektrische Durchschlag aufgrund der Einwirkung von Temperaturen und dergleichen auf die Lampe manchmal bei einer relativ niedrigen Spannung von etwa 500 V ausgelöst. In diesem Fall beläuft sich die im Glättungskondensator geladene Spannung auf nur 500 V, sodass es unmöglich ist, den Übergang zur Lichtbogenentla dung zu vollziehen. Um dieses Problem zu lösen wurde ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem ein Schaltglied, das leitet, wenn die Spannung einen vorgeschriebenen Pegel von etwa 1000 V erreicht, zwischen dem Glättungskondensator und der Entladungslampe eingekoppelt wird (vgl. die veröffentliche japanische Patentanmeldung 02-029200). Dieses Verfahren wird auf die Konstruktion der Schaltung angewendet, die als Kippschwingungsschaltung bekannt ist und ein nicht-lineares Schaltglied, wie etwa einen Wechselstrom-Diodenschalter (DIAC) verwendet.
Die EP Nr. 0.294.901 beschreibt eine Schaltanordnung, Die EP Nr. 0.485.866 beschreibt einen Schaltkreis für den Betrieb einer Entladungslampe. Die FR Nr. 2.489.069 beschreibt eine Vorrichtung zur Inbetriebnahme (Zünder) einer Entladungslampe. Die EP Nr. 0.601.847 beschreibt einen Umwandler für Start-, Glimm-zu-Lichtbogen- und Betriebsfunktionen einer Hochintensitäts-Gleichstromentladungslampe.
Die herkömmlichen Vorrichtungen für die Inbetriebnahme einer Entladungslampe weisen aber die folgenden Probleme auf:

(1) Wird eine Kippschwingungsschaltung verwendet, so wird das Schaltglied zum ersten Mal leitfähig, wenn die Spannung hoch wird, sodass die Energie des Glättungskondensators sofort in die Entladungslampe eingespeist werden kann. Aus diesem Grund ändern sich die Spannung und der elektrische Strom, die an die Entladungslampe angelegt werden, im Vergleich zu einer normalen Kippschwingungsschaltung sehr rasch. Die Wellenform umfasst Abschnitte, an denen große Schwingungen auftreten, wie in 9B zu erkennen ist. Dies sorgt für Hochspannungsinterferenzen bis hin zum Versagen des Spannungskreises.
(2) In diesem Zusammenhang wurde ein Induktivitätselement in Serie in die Entladungslampe eingesetzt, um die Schwingungsstrom zu relaxieren. Aufgrund der relativ hohen Induktivität, die erforderlich ist, kann aber kein geschlossener Magnetkreis verwendet werden, um eine magnetische Sättigung bei einem großen Stromfluß zu verhindern, der sofort fließt, weshalb das Induktivitätselement äußerst groß sein muss und somit Probleme hinsichtlich des hohen Gewichts mit sich bringt.
(3) Was den Startvorgang unter Verwendung eines Glättungskondensators betrifft, so wird die Entladung aufgrund des großen Stroms, der vom Glättungskondensator zur Entladungslampe fließt, sehr groß (wenn auch der Zeitraum dieser sehr kurz ist), was zur Zerstäubung der Elektrode führt und die Lebensdauer deutlich verkürzt.
(4) Wird eine mit der Entladungslampe verbundene Spannungsquelle verwendet, die den Strom und die Spannung, die zur Aufrechterhaltung der Glimmentladung und der Lichtbogenentladung erforderlich sind, bereitstellen kann, so es möglich, sofort nach dem dielektrischen Durchschlag des eingeschlossenen Gases in den Zustand der Lichtbogenentladung überzugehen. Um den Zustand der Glimmentladung aufrechtzuerhalten, wird gegebenenfalls eine relativ kleine Menge Strom benötigt, auch wenn eine Spannung von 1000 V oder mehr erforderlich ist. Andererseits wird für die Beibehaltung des Zustands der Lichtbogenentladung eine Spannung von nur 60 V, aber ein Strom in der Größenordnung von 1A oder mehr, und in einigen Fällen sogar eine Spannungsquelle, die einen Strom von über 100 A treiben kann, benötigt. Folglich muss bei der Verwendung eines einzigen Spannungskreises für die Beibehaltung des Zustands der Glimmentladung und des Zustands der Lichtbogenentladung aufgrund des großen Wärmeverlustes im Spannungskreis während des Zustands der Lichtbogenentladung eine Spannungsquelle mit übermäßig großer Kapazität verwendet werden.
(5) Kann beispielsweise durch die Einwirkung einer gewissen Temperatur die Entladungslampe nicht eingeschaltet werden, so kommt es bei einer niedrigeren Spannung zum dielektrischen Durchschlag, wonach die Lampe nicht in die Glimmentladung übergeführt werden kann. Wird beispielsweise versucht, die Lampe zu rasch nach dem Ausschalten wieder einzuschalten, so kommt der Nachteil zum tragen, dass der Starter oder Zünder nicht erneut gestartet werden kann, bis die an die Entladungslampe angelegte Spannung sehr hoch ist.

Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt, um die obgenannten Probleme zu lösen. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Betreiben einer Kurzbogen-Entladungslampe bereitzustellen, die keine Hochfrequenzwellenstörung aufgrund einer raschen Änderung des elektrischen Stroms und der Spannung erzeugt, die ein reduziertes Gewicht aufweisen kann und imstande ist, die Ursachen des Zerstäubens von Elektroden so gut wie möglich zu unterdrücken.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung zum Betreiben einer Kurzbogen-Entladungslampe, umfassend einen Gleichrichter; einen Schaltkreis mit einem mit dem Gleichrichter zu verbindenden Halbleiterelement; einen direkten Spannungsversorgungskreis, der eine Gleichrichterschaltung und eine Filterschaltung aufweist, die jeweils mit dem Schaltkreis verbunden sind; eine Vorrichtung zur Detektion eines Stroms und einer Spannung sowie eine Diode; und eine Kurzbogen-Entladungslampe sowie einen Zünder, die beide über die Vorrichtung und die Diode mit der Filterschaltung verbunden sind, worin der Zünder einen Transformator, dessen Primärwicklungsseite mit der Filterschaltung verbunden ist, und einen Glättungskondensator zur Erzeugung von Hochspannung aufweist, und worin die Vorrichtung zum Betreiben der Kurzbogen-Entladungslampe eine Schaltung, die ein mit einem Widerstand in Serie geschaltetes Schaltglied aufweist, umfasst, die zwischen dem Glättungskondensator und der Kurzbogen-Entladungslampe bereitgestellt ist, und zudem einen zweiten Kondensator aufweist, der mit der Kurzbogen-Entladungslampe direkt parallel geschaltet ist.
In dieser Vorrichtung ist es bevorzugt, dass das Schaltglied eine Spannung so in die Kurzbogen-Entladungslampe einspeist, dass die Spannung eingestellt wird, bis die Bedingungen für die Auslösung des dielektrischen Durchschlags des eingeschlossenen Gases der Kurzbogen-Entladungslampe gegeben sind.
Außerdem ist es in dieser Vorrichtung bevorzugt, dass der zweite Kondensator eine kleinere Kapazität als der Glättungskondensator aufweist.
In den beigefügten Zeichnungen ist:
1 ein Schaltbild, das die gesamte Vorrichtung zum Betreiben einer Kurzbogen-Entladungslampe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ein Graph, der die Spannungs-/Stromkennlinien des Schaltglieds der Vorrichtung zum Betreiben einer Kurzbogen-Entladungslampe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
3A ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Lampenstrom und der Zeit darstellt, während 3B ein Graph ist, der die Startspannung des Schaltglieds zeigt;
4 ein Schaltbild, das die gesamte Vorrichtung zum Betreiben einer Kurzbogen-Entladungslampe zeigt;
5 ein Schaltbild, das den Hauptabschnitt des Schaltkreises zeigt;
6 ein Graph, der die Änderung des Stroms im Laufe der Zeit sowie einen festgesetzten Wert des Stroms darstellt;
7A und 7B jeweils eine Schaltung, die den Strom im Schaltkreis darstellen;
8 ein Schaltbild, das den Hauptabschnitt des Schaltkreises zeigt; und
9A ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Strom und der Spannung des gewöhnlichen Zünders (Starters) zeigt, während 9B ein Graph ist, der die Beziehung zwischen dem Strom und der Spannung bei der herkömmlichen Entladungslampe darstellt.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun anhand der 1, 2, 3A und 3B beschrieben.
(1) AUSFÜHRUNGSFORM
1 ist ein Schaltbild, das die gesamte Vorrichtung zum Betreiben einer Kurzbogen-Entladungslampe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, 2 ist ein Graph, der die Spannungs-/Stromkennlinien des Schaltglieds der Vorrichtung zum Betreiben einer Kurzbogen-Entladungslampe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, 3A ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Lampenstrom und der Zeit darstellt, und 3B ist ein Graph, der die Startspannung des Schaltglieds zeigt.
BAUWEISE DER SCHALTUNG
Wie in 1 dargestellt ist, besteht eine Vorrichtung A zum Betreiben einer Kurzbogen-Entladungslampe aus einer handelsüblichen Spannungsquelle 101, einer Gleichrichterschaltung 102, die an die Spannungsquelle 101 angeschlossen ist, einem Schaltkreis 103, der mit der Gleichrichterschaltung 102 verbunden ist, einer Schaltung 104 zur Versorgung mit Gleichspannung, die mit dem Schaltkreis 103 verbunden ist, einer Vorrichtung 114 zum Detektieren eines Stroms und einer Spannung, die mit der Schaltung 104 verbunden ist, einer Kurzbogen-Entladungslampe 108, die über eine Diode 107 mit der Vorrichtung 114 verbunden ist, einem zweiten Kondensator 110, der zur Kurzbogen-Entladungslampe 108 direkt parallel geschaltet ist, und einem Serienschaltkreis 131, der ein Schaltglied 130 und einen Widerstand 109 umfasst und zwischen dem Zünder 106 und der Kurzbogen-Entladungslampe 108 geschaltet ist.
Die Schaltung 104 zur Versorgung mit Gleichspannung besteht aus einem Transformator 105, Dioden 118b und 118a, die als zweite Gleichrichterschaltung wirken, die mit einer Sekundärwicklung der Primärwicklung des Transformators 105 verbunden ist, einer Drosselspule 119, die mit den Ausgangsseiten der Dioden 118b und 118a verbunden ist, einen Glättungskondensator 120 (Filterschaltung), der mit der Drosselspule 119 parallel geschaltet ist.
Der Zünder 106 ist mit dem Widerstand 106a und einem Wechselspannungs-Diodenschalter (DIAC) 106c in Serie geschaltet und besteht aus einem Kondensator 106b, der mit dem Widerstand 106a und dem DIAC 106c parallel geschaltet ist, einem Transformator 106d zur Erzeugung von Hochspannung, der stromabwärts des DIAC 106c bereitgestellt ist, einer Diode 106e, die stromabwärts des Transformators 106d zur Erzeugung von Hochspannung bereitgestellt ist, und einem Glättungskondensator 106, der mit der Diode 106e parallel geschaltet ist.
Das Wicklungsverhältnis des Transformators 106d ist auf einen hohen Wert festgesetzt, um Spannung erzeugen zu können, die nicht kleiner als das Doppelte das anfänglichen Betriebsstroms des Schaltglieds 130 ist.
Andererseits verbindet der Serienschaltungskreis 131 den Zünder 106 und die Kurzbogen-Entladungslampe 108 in Serie und besteht aus der Kurzbogen-Entladungslampenseite, einem Widerstand 109 und einem stromabwärts des Widerstands 109 angeschlossenen Schaltglied 130. Ein Triggerelement, etwa eine Funkenstrecke oder ein DIAC, wird im Schaltglied 130 verwendet.
Nun wird die Arbeitsweise der Funkenstrecke beschrieben. Wird eine Spannung zwischen den beiden Elektroden der Funkenstrecke angelegt und überschreitet diese Spannung einen vorgeschriebenen Pegel, so verändert sich der Zustand vom Isolierzustand zum Zustand des Startens der Entladung (im Allgemeinen über etwa 1.000 V, vgl. 2(1)), die Entladung wird in Gang gesetzt (vgl. 2(2)), wonach die Spannung zwischen den Elektroden der Funkenstrecke auf einige Dutzend Volt abfällt (vgl. 2(3)). Dieser Zustand entspricht jenem Zustand, bei dem Strom zwischen den Elektroden der Funkenstrecke fließt.
Betriebsablauf der Kurzbogen-Entladungslampe
Nun wird der Betriebsablauf der Kurzbogen-Entladungslampe 108 beschrieben.
Wie in 1 dargestellt ist, wird die elektrische Spannung beim Anschluss an eine handelsübliche Spannungsquelle 101 durch die Gleichrichterschaltung 102 zu Gleichspannung. Danach wird die Gleichspannung durch eine Filterschaltung 103 in eine elektrische Hochfrequenzspannung umgewandelt und von den Dioden 118b und 118a ausgegeben, bei denen es sich um den Transformator 105 bzw. eine zweite Gleichrichterschaltung handelt.
Andererseits erhält ein Zünder 106 Spannung aus den Dioden 118b und 118a und erzeugt mithilfe einer Kippschwingungsschaltung, die ein Triggerelement zur Ansteuerung eines ein hohes Spannungsanstiegsverhältnis aufweisenden Transformators 106d verwendet, eine Hochfrequenz-Schaltspannung. Die Spannungsausgabe des Zünders 106 wird über die Schaltung 131, die das Schaltglied 130 und den Widerstand 109 in Serie schaltet, in die Kurzbogen-Entladungslampe 108 eingespeist. Zu diesem Zeitpunkt wird vom Zünder 104 keine Hochspannung an die Schaltung 104 zur Versorgung mit Gleichspannung, welche die Diode 107 bereitstellt, angelegt.
Die Schaltung 131, die den Widerstand 109 aufweist, kann an der Erzeugung eines rasch schwingenden Stroms gehindert werden, da der aktuell vom Glättungskondensator 106f zur Kurzbogen-Entladungslampe 108 hin fließende Strom 108 unterdrückt werden kann.
Der zweite Kondensator 110, der zur Kurzbogen-Entladungslampe 108 direkt parallel geschaltet ist und eine Situation herbeiführt, in der Strom einfach fließen kann, kann die rasche Spannungsänderung der Kurzbogen-Entladungslampe 108 unterdrücken, da bei einer Ladung des Schaltelements 130 der Glättungskondensator 106f und der zweite Kondensator parallel geschaltet sind und somit die auf dem Glättungskondensator 106f vorherrschende Ladung vor der Ladung des Schaltglieds 130 auf den Glättungskondensator 106f und den zweiten Kondensator 110 aufgeteilt wird, was zur Unterdrückung einer Abnahme der auf die Kurzbogen-Entladungslampe 108 anliegenden Spannung führt. Folglich wird sofort nach dem Laden des Schaltglieds die Ladung des Glättungskondensators 106f langsam durch die Kurzbogen-Entladungslampe 108 fließen gelassen. Wie in 3A dargestellt ist, kann der Lampenstrom in einem zur Aufrechterhaltung der Entladung geeigneten Zustand in die Kurzbogen-Entladungslampe 108 eingespeist werden.
3A bezieht sich auf den Bereich vom Glättungskondensator 106f bis zur Kurzbogen-Entladungslampe 108, wobei das Schaltglied 130 und der zweite Glättungskondensator in Serie geschaltet sind. Aus diesem Grund ist die Spannung zum Fließenlassen des Stroms zum Schaltglied 130 eine Spannung, die zusätzlich zu der an den zweiten Kondensator 110 angelegten Spannung, der Spannung zum Starten des Stromflusses hin zum Schaltglied 130 hinzugefügt wird (seihe 3B). Da an die Kurzbogen-Entladungslampe 108 eine Hochspannung angelegt wird, die mindestens so hoch wie die an den zweiten Kondensator angelegte Spannung ist, kann die Kurzbogen-Entladungslampe 108 leicht einen dielektrischen Durchschlag herbeiführen, der dann in eine Lichtbogenentladung überführt werden kann.
Gewöhnlicherweise muss beim erneuten Einschalten einer Entladungslampe so lange zugewartet werden, bis die Temperatur des eingeschlossenen Gases ausreichend abgefallen ist. Bei der vorliegenden Erfindung hingegen kann die Kurzbogen-Entladungslampe 108 einfach neu gezündet werden, selbst wenn die Temperatur des eingeschlossenen Gases in der Kurzbogen-Entladungslampe 108 noch nicht ausreichend abgekühlt ist.
Ist die Kapazität des zweiten Kondensators 110 kleiner als jene des Glättungskondensators 106f, so können die folgenden bevorzugten Auswirkungen erzielt werden:
Selbst wenn ein Strom zum Schaltglied 130 fließen gelassen wird, wird dadurch kein dielektrischer Durchschlag ausgelöst, da die Ladung, die auf dem Glättungskondensator 106f vorherrscht, auf den Glättungskondensator 106f und den zweiten Kondensator 110 aufgeteilt wird, bevor der Strom in das Schaltglied 130 eingespeist wird. Zu diesem Zeitpunkt ist der Wert des zweiten Kondensators 110 klein, der Spannungsabfall ist gering, und somit wird die Spannung des zweiten Kondensators 110 auf einen Pegel eingestellt, der annähernd dem Pegel des Glättungskondensators 106f entspricht. Entspricht beispielsweise die Kapazität des zweiten Kondensators 110 je ner des Glättungskondensators 106f, so entsteht ein Spannungsabfall, der dem halben Wert der Spannung vor dem Abfall entspricht. Beträgt im Gegensatz dazu die Kapazität des zweiten Kondensators 110 ein Zehntel der Kapazität des Glättungskondensators 106f, so beträgt der Spannungsabfall nur ein Zehntel des Werts der Spannung vor dem Abfall. Folglich kann im letzteren Fall eine sehr viel höhere Spannung an die Kurzbogen-Entladungslampe 108 angelegt werden, um den dielektrischen Durchschlag zu gewährleisten.
4 ist ein Schaltbild, das die gesamte Vorrichtung zum Betreiben einer Kurzbogen-Entladungslampe zeigt; 5 ist ein Schaltbild, das den Hauptabschnitt des Schaltkreises zeigt; 6 ist ein Graph, der die Änderung des Stroms im Laufe der Zeit sowie einen festgesetzten Wert des Stroms darstellt; die 7A und 7B zeigen jeweils eine Schaltung, die den Strom im Schaltkreis darstellen; und 8 ist ein Schaltbild, das den Hauptabschnitt des Schaltkreises zeigt.
Auf eine Wiederholung der bereits bei der Beschreibung der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgten Erläuterung wird verzichtet.
Bauweise der Schaltung
Wie in 4 dargestellt ist, besteht die Vorrichtung A' zum Betreiben einer Kurzbogen-Entladungslampe aus einer handlesüblichen Leistungsquelle 401, einer Gleichrichterschaltung 402, die an der Spannungsquelle 401 angeschlossen ist, einem Schaltkreis 403, der mit der Gleichrichterschaltung 402 verbunden ist, einer Schaltung 404 zur Umwandlung in Gleichspannung, die mit dem Schaltkreis 403 verbunden ist, einem Detektor 414 zum Detektieren eines Stroms und einer Spannung, der mit der Wandlerschaltung 404 verbunden ist, einer Kurzbogen-Entladungslampe 408, die über eine Diode 407 mit dem Detektor 414 verbunden ist, einem Kondensator 410, der mit der Kurzbogen-Entladungslampe 408 direkt parallel geschaltet ist, einem Schaltkreis 424 zur Inbetriebnahme, der auf der Schaltung 404 zur Umwandlung in Gleichspannung bereitgestellt ist, einem Zünder 406, der über den Schaltkreis 424 zur Inbetriebnahme arbeitet, und einem Widerstand 409, der zwischen dem Zünder 406 und der Kurzbogen-Entladungslampe 408 in Serie geschaltet ist.
Das vom Detektor 414 detektierte Signal wird über die Schaltung 415 zum Steuern der Spannung und eine Treiberschaltung 416, die auf Basis eines Signals aus der Schaltung 415 zum Steuern der Spannung arbeitet, an den Schaltkreis 416 übertragen.
Der Schaltkreis 404, ein Detektor 414 zum Detektieren eines Stroms und einer Spannung umfasst einen Transformator 405, Sekundärwicklungen 417a und 417b der Primärwicklung des Transformators 405, zweite Hilfswicklungen 421a und 421b der Sekundärwicklungen 417a und 417, Dioden 418a und 418 sowie Dioden 422a und 422b, die an den Sekundärwicklungen 417a und 417b bzw. den zweiten Hilfswicklungen 421a und 421b bereitgestellt sind (um eine Gleichrichterschaltung zu bilden), einen Schaltkreis 424 zur Inbetriebnahme, der über einen Widerstand 423 mit den Dioden 422a und 422b verbunden ist, eine Drosselspule 419, die mit den Dioden 418b und 418a verbunden ist, und einen Glättungskondensator 420, der mit der Drosselspule 419 parallel geschaltet ist.
Der Zünder 406 ist mit dem Widerstand 406a und einem DIAC 406c in Serie geschaltet und besteht aus einem Kondensator 406b, der mit dem Widerstand 406a und dem DIAC 406c parallel geschaltet ist, einem Transformator 406d, der stromabwärts des DIAC 406c bereitgestellt ist, einer Diode 406e, die stromabwärts des Transformators 406d bereitgestellt ist, und einem Kondensator 406f, der mit der Diode 406e parallel geschaltet ist.
Bei dem in den 5 und 8 dargestellten Zünder 405 nimmt der Anfangswiderstand zu, wenn ein Strom fließt und somit wenn die Funktionen zur Inbetriebnahme der Kurzbogen-Entladungslampe 408 ausgeführt werden, wonach die Spannung zur Öffnung der Schalterabschnitte 424a und 424 gesenkt wird, um dadurch gestoppt zu werden.
Wie in 5 dargestellt ist, besteht der Schaltkreis 424 zur Inbetriebnahme aus einer Schaltung 425 zur Entladungsdiskriminierung, einem Transistor 427, der an der Ausgangsseite der Schaltung 425 zur Entladungsdiskriminierung über einen Widerstand bereitgestellt ist, einer Relaisspule 428, die mit dem Transistor 427 verbunden ist, eine Spannungsquelle 429, die mit der Relaisspule 428 verbunden ist, wobei ein Ende der Spannungsquelle 429 an Erde gelegt ist. Eine Spannungsquelle 426 mit der Seite des nicht invertierenden Eingangs des Komparators der Schaltung 425 zur Entladungsdiskriminierung verbunden, und der Ausgangsanschluss des Detektors 414 zum Detektieren eines Stroms und einer Spannung ist mit der Seite des invertierenden Eingangs des Komparators der Schaltung 425 verbunden. Gegenüber der Relaisspule 428 ist ein Schalterabschnitt 424a bereitgestellt, der das Öffnen oder das Schließen der Kommunikation mit der Ansteuerung oder das Stoppen der Relaisspule 428 steuert.
Die Schaltung 425 zur Entladungsdiskriminierung, d. h. zur Diskriminierung, ob eine Glimmentladung oder eine Lichtbogenentladung den Schalterabschnitt 424a steuert, wird nun beschrieben.
Die Spannungsquelle erzeugt eine Standardspannung zur Entladungsdiskriminierung, d. h. zur Bestimmung, ob es sich beim Zustand um eine Glimmentladung oder eine Lichtbogenentladung handelt. Die Schaltung 425 diskriminiert den Entladungszustand auf der Grundlage des Unterschieds der Spannung zur Standardspannung für die Steuerung des Schalterabschnitts 424a. Wie in 6 dargestellt ist, wird die Standardspannung aus dem Vergleichsausdruck von Strom und Spannung zur jeweiligen Erzeugung des dielektrischen Durchschlags (4) des eingeschlossenen Gases im Inneren der Entladungslampe 408, der Glimmentladung (5) und der Lichtbogenentladung sowie aus dem festgesetzten Wert, der für jeden Zustand festgesetzt wurde (der als Strom umgerechnete Wert der Spannung), berechnet.
Noch spezifischer weist der Strom bei detektierter Glimmentladung durch den Detektor einen kleinen Wert auf (d. h. höher als die Standardspannung), somit ist die Ausgangsspannung der Schaltung 425 hoch. Folglich wird der Transistor 427 einge schaltet, um die Relaisspule 428 in Betrieb zu nehmen und dadurch den Schalterabschnitt 424a zu schließen. Steigt der Strom bei der Lichtbogenentladung über den Standardstromwert an (d. h. wird niedriger als die Standardspannung), so ist die Ausgangsspannung der Schaltung 425 niedrig, um den Transistor 427 auszuschalten. In Folge dessen wird der Strom der Relaisspule 428 unterbrochen, um den Schalterabschnitt 424a zu öffnen.
Betrieb der Kurzbogen-Entladungslampe
Nun wird der Betrieb der Kurzbogen-Entladungslampe 408 beschrieben.
Wie in 7A dargestellt ist, wird die Spannung aus der Spannungsquelle 401 (vgl. 4) mithilfe der Gleichrichterschaltung 402 in Gleichspannung umgewandelt. Die Gleichspannung wird dann mithilfe des Schaltkreises 103 eine Hochfrequenzspannung umgewandelt. Folglich beginnt der Schaltkreis 424 zur Inbetriebnahme damit, Hochspannung vom Zünder 406 zur Kurzbogen-Entladungslampe 408 zu führen, um einen dielektrischen Durchschlag zu verursachen und gleichzeitig eine Glimmentladung zu erzeugen. Zu diesem Zeitpunkt sind die Spannungen an den Seiten der zweiten Hilfswicklungen 421a und 421b in einem niedrigeren Zustand als die Spannung an der Seite des Zünders 406. Das Fließen des Stroms im Glimmzustand senkt die Spannung des Zünders 406 aufgrund des hohen Innenwiderstands, wodurch der Zünder 406 im Wesentlichen gestoppt wird. In der Folge fließt kein unnotwendiger Strom zum Widerstand 409, was bedeutet, dass ein Verlust aufgrund der Wärme des direkten Widerstands verhindert wird. Somit kann ein im Widerstand erzeugter Wärmeverlust verhindert werden.
Wie in 7A dargestellt ist, ist die Gesamtspannung aus den zweiten Hilfswicklungen 421a und 421b in einem höheren Zustand als die Spannung an der Seite des Zünders 406, wenn die Spannung des Zünders 406 gesenkt wird. In diesem Fall wird zusätzlich Spannung (eine Hochspannung für die Entladung) aus den zweiten Hilfswicklungen 421a und 421b über die Dioden 422a und 422b durch die vom Zünder 406 getrennte Schaltung in die Kurzbogen-Entladungslampe 408 eingespeist. Auf grund der Bereitstellung der zweiten Hilfswicklungen 421a und 421b sind die Spannungen an den Seiten der zweiten Hilfswicklungen 421a und 421b in etwa doppelt so hoch wie die Spannung der Hauptspannungsschaltung, was zu einer Sperrvorspannung führt. In diesem Fall fließt kein Strom aus der an der Seite der Hauptspannungsschaltung angeordneten zweiten Hilfswicklung. Der Strom fließt in die durch den Pfeil in 7A dargestellte Richtung.
Wie 7B zu entnehmen ist, nimmt bei Beginn der Entladung der Kurzbogen-Entladungslampe 408 aufgrund des Übergangs von der Glimmentladung auf die Lichtbogenentladung die Spannung zwischen den Elektroden der Kurzbogen-Entladungslampe 408 ab, um durch die Lichtbogenentladung Strom zu erzeugen. Der Lichtbogenstrom veranlasst mithilfe des Detektors 414 zum Detektieren eines Stroms und einer Spannung und der Schaltung 425 zur Entladungsdiskriminierung einen offenen Zustand des Schaltkreises 424 zur Inbetriebnahme, um die Stromspeisung aus den zweiten Hilfswicklungen 421a und 421b zu unterbrechen. Aus diesem Grund geht die Vorspannung an der Seite der Hauptspannungsschaltung auf den Normalzustand über. In diesem Fall wird der Strom aus den zweiten Hilfswicklungen 417a und 417b in die durch den Pfeil dargestellte Richtung in die Kurzbogen-Entladungslampe 408 eingespeist. Danach wird die Kurzbogen-Entladungslampe 408 durch Gleichspannung aus den Sekundärwicklungen 417a und 417b, die in der Hauptspannungsschaltung angeordnet sind, im Dauerbetriebszustand gehalten.
Da also kein unnötiger Strom zum Widerstand 423 fließt, kann ein Verlust durch Erwärmung des direkten Widerstands verhindert werden.
Der Schaltkreis zur Inbetriebnahme kann so wie in 8 abgebildet konstruiert sein. Spezifischer ausgedrückt, besteht der Schaltkreis 824 zur Inbetriebnahme aus einer Schaltung 825 zur Entladungsdiskriminierung, einem Transistor 827, der an der Ausgangsseite der Schaltung 825 zur Entladungsdiskriminierung über einen Widerstand bereitgestellt ist, und einem pnp-Transistor 824c, der als Schalterabschnitt dient, der über den Transistor 827 am Transistor angeschlossen ist. Eine Spannungsquelle 826 ist mit der Seite des nicht invertierenden Eingangs des Komparators der Schaltung 425 zur Entladungsdiskriminierung verbunden, und der Ausgangsanschluss des Detektors 814 zur Detektion eines Stroms und einer Spannung ist an der Seite des invertierenden Eingangs des Komparators der Schaltung 825 angeschlossen.
Zeigt die Ausgangsspannung der Schaltung 825 zur Entladungsdiskriminierung an, dass ein Lichtbogenentladungszustand vorliegt, so schaltet sich der Transistor 827 ein. Zu diesem Zeitpunkt wird auch der Schalterabschnitt 824b eingeschaltet, da der pnp-Transistor 824c eingeschaltet ist, was dem Zustand entspricht, bei dem der Verbindungspunkt der Relaisspule 428 geschlossen ist, wie oben beschrieben wurde (vgl. 5). Wird die Schaltung 825 zur Entladungsdiskriminierung im Zustand der Lichtbogenentladung ausgeschaltet, so schaltet dementsprechend auch der Transistor 827 aus. Der Basisstrom des pnp-Transistors 824c wird unterbrochen, um den Schalterabschnitt 824b auszuschalten, was dem Zustand entspricht, bei dem der Verbindungspunkt der Relaisspule 428 geöffnet ist, wie oben beschrieben wurde (vgl. 5). Somit wirkt die Schaltung 825 zur Entladungsdiskriminierung ähnlich wie die Schaltung 425 zur Entladungsdiskriminierung.
In 5 oder 8 ist ein Schaltglied 411 oder 811, das in den 5 oder 8 durch imaginäre Linien dargestellt ist, mit dem Widerstand 409 oder 809 zu einem Serienschaltungskreis in Serie geschaltet, der zwischen dem Zünder 406 oder 806 und der Kurzbogen-Entladungslampe 408 oder 808 bereitgestellt ist, um das Stoppen des Zünders zu gewährleisten. Ist ein Schaltglied 411 oder 811 bereitgestellt, so ist die Arbeit des Zünders 406 oder 806 und das Stoppen des Schaltglieds 411 oder 811 gewährleistet, wenn die Spannung des Zünders 406 oder 806 abfällt. Daher können der dielektrische Durchschlag, die Glimmentladung und der Übergang zur Lichtbogenentladung der Kurzbogen-Entladungslampe 408 oder 808 gewährleistet werden.
Die zusätzliche Ausgangsspannung und der zusätzliche Ausgangsstrom der zweiten Hilfswicklungen 421a und 421b weisen die Kennlinien auf, die für Übergang von der Glimmentladung auf die Lichtbogenentladung erforderlich sind. Aus diesem Grund müssen die zweiten Hilfswicklungen 421a und 421b nur einen Strom in ausreichen der Menge fließen lassen, um die Lichtbogenentladung einzuleiten, weshalb ihre Kapazität kleiner als die der Sekundärwicklungen 417a und 417b (Hauptspannungswicklung) sein kann.
Die vorliegende Erfindung, welche die anhand der 1, 2, 3A und 3B beschriebene Bauweise aufwiest, bietet die folgenden Vorteile.

(1) Bei der Vorrichtung zum Betreiben einer Kurzbogen-Entladungslampe gemäß der vorliegenden Erfindung, die einen Serienschaltungskreis aufweist, der ein Schaltglied und einen Widerstand umfasst, kann die rasche Änderung der Spannung und des Stroms bei der Inbetriebnahme der Kurzbogen-Entladungslampe gemindert werden, um die Entstehung von Rauschen zu verhindern. Dadurch wird ein durch Rauschen, das bei der Einleitung der Entladung auf die Spannungsschaltung einwirkt, verursachter instabiler Betrieb verhindert.
(2) Mit der Vorrichtung zum Betreiben einer Kurzbogen-Entladungslampe gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der ein zweiter Kondensator mit der Kurzbogen-Entladungslampe direkt parallel geschaltet ist und bei der ein Schaltglied zwischen dem Zünder und der Kurzbogen-Entladungslampe angeordnet ist, und das Schaltglied zusätzliche Hochspannung aus der Hauptspannungskreisseite zur Kurzbogen-Entladungslampe führen kann, wird es möglich, eine Spannung an die Kurzbogen-Entladungslampe anzulegen, die höher als die Spannung zur Einleitung der Entladung der Kurzbogen-Entladungslampe ist, wodurch der dielektrische Durchschlag des im Inneren der Kurzbogen-Entladungslampe eingeschlossenen Gases gewährleistet werden kann. Aus diesem Grund kann die Vorrichtung zum Betreiben einer Kurzbogen-Entladungslampe gemäß der vorliegenden Erfindung die Kurzbogen-Entladungslampe rasch erneut in Betrieb nehmen, selbst wenn die Temperatur des in der Kurzbogen-Entladungslampe eingeschlossenen Gases noch nicht ausreichend gesunken ist.

Die direkte Parallelschaltung des zweiten Kondensators mit der Kurzbogen-Entladungslampe kann eine rasche Änderung der Spannung, die bei der Kurzbogen- Entladungslampe erzeugt wird, absorbieren. Es besteht keine Notwendigkeit, die Kurzbogen-Entladungslampe mit unnotwendig hohem Strom zu speisen, was die Lebensdauer der Kurzbogen-Entladungslampe stark anhebt.

(3) Bei der Vorrichtung zum Betreiben einer Kurzbogen-Entladungslampe gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der die Kapazität des zweiten Kondensators kleiner ist als jene des Glättungskondensators wird dann, wenn selbst beim Anlegen einer hohen Spannung an die Kurzbogen-Entladungslampe kein dielektrischer Durchschlag herbeigeführt wird, die Spannung des zweiten Kondensators auf einen Pegel eingestellt, der annähernd dem des Glättungskondensators entspricht. Dadurch kann verhindert werden, dass ein Spannungsabfall an die Kurzbogen-Entladungslampe angelegt wird. So kann der dielektrische Durchschlag einfach herbeigeführt werden und die Lampe rasch erneut in Betrieb genommen werden.
(4) Bei der Vorrichtung zum Betreiben einer Kurzbogen-Entladungslampe gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der ein Schaltglied mit dem Widerstand in Serie geschaltet ist, um einen Serienschaltungskreis zu bilden, der zwischen dem Zünder und der Kurzbogen-Entladungslampe bereitgestellt ist, werden das Funktionieren des Zünders und das Stoppen des Schaltglieds gewährleistet, wenn die Spannung des Zünders gesenkt wird. Dadurch können der dielektrische Durchschlag, die Glimmentladung und der Übergang auf die Lichtbogenentladung der Kurzbogen-Entladungslampe gewährleistet werden.
(5) Mit der Vorrichtung zum Betreiben einer Kurzbogen-Entladungslampe gemäß der vorliegenden Erfindung, die eine vereinfachte Bauweise aufweist und imstande ist, eine Entladungslampe präzise in Betrieb zu nehmen, kann eine Vorrichtung von geringer Größe und Gewicht bereitgestellt werden.

Claims

Vorrichtung zum Betreiben einer Kurzbogen-Entladungslampe (108), umfassend einen Gleichrichter (102); einen Schaltkreis (103) mit einem mit dem Gleichrichter (102) zu verbindenden Halbleiterelement; einen direkten Spannungsversorgungskreis (104), der eine Gleichrichterschaltung (105, 118a, 118b) und eine Filterschaltung (120) aufweist, die jeweils mit dem Schaltkreis (103) verbunden sind; eine Vorrichtung (114) zur Detektion eines Stroms und einer Spannung sowie eine Diode (107); und eine Kurzbogen-Entladungslampe (108) sowie einen Zünder (106), die beide über die Vorrichtung (114) und die Diode (107) mit der Filterschaltung (120) verbunden sind, worin der Zünder (106) einen Transformator (106d), dessen Primärwicklungsseite mit der Filterschaltung (120) verbunden ist, und einen Glättungskondensator (106f) zur Erzeugung von Hochspannung aufweist, und worin die Vorrichtung zum Betreiben der Kurzbogen-Entladungslampe (108) eine Schaltung (131), die ein mit einem Widerstand (109) in Serie geschaltetes Schaltglied (130) aufweist, umfasst, die zwischen dem Glättungskondensator (106f) und der Kurzbogen-Entladungslampe (108) bereitgestellt ist, und zudem einen zweiten Kondensator (110) aufweist, der mit der Kurzbogen-Entladungslampe (108) direkt parallel geschaltet ist.
Vorrichtung zum Betreiben einer Kurzbogen-Entladungslampe (108) nach Anspruch 1, worin das Schaltglied (130) so Spannung in die Kurzbogen-Entladungslampe (108) einspeist, dass die Spannung eingestellt wird, bis die Bedingungen für die Auslösung des dielektrischen Durchschlags des eingeschlossenen Gases der Kurzbogen-Entladungslampe (108) gegeben sind.
Vorrichtung zum Betreiben einer Kurzbogen-Entladungslampe (108) nach Anspruch 1 oder 2, worin der zweite Kondensator (110) eine kleinere Kapazität als der Glättungskondensator (106f) aufweist.