Schaltkreise für Gasentladungslampen

Künstliche Lichtquellen, die eine elektrische Entladung eines Gasmediums in Quecksilberdampf nutzen, um Lichtwellen zu erzeugen, werden als Quecksilbergasentladungslampen bezeichnet.

Das in die Flasche gepumpte Gas kann unter niedrigem, mittlerem oder hohem Druck stehen. Bei Lampenkonstruktionen kommt Niederdruck zum Einsatz:

• linear fluoreszierend;

• Kompakte Energieeinsparung:

• bakterizid;

• Quarz.

Hochdruck wird in Lampen verwendet:

• Quecksilberbogenphosphor (DRL);

• metallisches Quecksilber mit radioaktiven Zusätzen (DRI) aus Metallhalogeniden;

• Arc-Natriumrohr (DNAT);

• Natriumbogenspiegel (DNaZ).

Sie werden dort installiert, wo es notwendig ist, große Flächen mit geringem Energieverbrauch zu beleuchten.

DRL-Lampe

Design-Merkmale

Der Aufbau einer Lampe mit vier Elektroden ist auf dem Foto schematisch dargestellt.

Sein Sockel dient wie bei herkömmlichen Modellen der Verbindung mit den Kontakten, wenn er in das Spannfutter eingeschraubt wird. Der Glaskolben schützt alle inneren Elemente hermetisch vor äußeren Einflüssen. Es ist mit Stickstoff gefüllt und enthält:

• Quarzbrenner;

• elektrische Drähte von den Basiskontakten;

• zwei strombegrenzende Widerstände, die in den Stromkreis zusätzlicher Elektroden eingebaut sind

• die Leuchtstoffschicht.

Der Brenner besteht aus einem versiegelten Quarzglasrohr mit eingespritztem Argon, in das Folgendes eingebracht wird:

• zwei Elektrodenpaare – Haupt- und Zusatzelektroden – an gegenüberliegenden Enden des Kolbens;

• ein kleiner Tropfen Quecksilber.

Argon – ein chemisches Element, das zu den Edelgasen gehört. Es wird im Prozess der Luftzerlegung mit Tiefenkühlung und anschließender Rektifikation gewonnen. Argon ist ein farbloses, geruchloses einatomiges Gas, Dichte 1,78 kg/m3, tSiede = –186 °C. Argon wird als Inertmedium in metallurgischen und chemischen Prozessen, in der Schweißtechnik (vgl Lichtbogenschweißen), sowie in Signal-, Werbe- und anderen Lampen, die ein bläuliches Licht abgeben.
Das Funktionsprinzip von DRL-Lampen

Die DRL-Lichtquelle ist eine elektrische Bogenentladung in einer Argonatmosphäre, die zwischen Elektroden in einem Quarzrohr fließt. Dies geschieht unter Einwirkung einer an die Lampe angelegten Spannung in zwei Stufen:

1. Zunächst beginnt zwischen den nahe beieinander liegenden Haupt- und Zündelektroden eine Glimmentladung aufgrund der Bewegung freier Elektronen und positiv geladener Ionen;

2. Die Bildung einer großen Anzahl von Ladungsträgern im Brennerhohlraum führt zum schnellen Zusammenbruch des Stickstoffmediums und zur Bildung eines Lichtbogens durch die Hauptelektroden.

Die Stabilisierung des Startmodus (elektrischer Lichtbogen- und Lichtstrom) dauert etwa 10-15 Minuten. Während dieser Zeit erzeugt das DRL Lasten, die die Nennbetriebsströme deutlich übersteigen. Um sie einzuschränken, bewerben Sie sich Ballast – Erstickung. 

Regenbogenstrahlung in Quecksilberdampf hat einen blauen und violetten Farbton und wird von starker ultravioletter Strahlung begleitet. Es durchdringt den Leuchtstoff, vermischt sich mit dem von ihm gebildeten Spektrum und erzeugt ein helles Licht, das nahezu weiß ist.

Das DRL reagiert empfindlich auf die Qualität der Versorgungsspannung und wenn diese auf 180 Volt abfällt, erlischt es und leuchtet nicht auf.

Während Bogenentladung Es entsteht eine hohe Temperatur, die sich auf die gesamte Struktur überträgt. Dies beeinträchtigt die Qualität der Kontakte in der Steckdose und führt zu einer Erwärmung der angeschlossenen Drähte, die daher nur mit hitzebeständiger Isolierung verwendet werden.

Während des Betriebs der Lampe steigt der Gasdruck im Brenner deutlich an und erschwert die Bedingungen für die Zerstörung des Mediums, was eine Erhöhung der angelegten Spannung erfordert. Wenn der Strom ausgeschaltet und angelegt ist, startet die Lampe nicht sofort: Sie muss abkühlen.

Anschlussplan der DRL-Lampe

Die Vier-Elektroden-Quecksilberlampe wird mittels einer Drossel eingeschaltet und Sicherung.

Eine Schmelzsicherung schützt den Stromkreis vor möglichen Kurzschlüssen und die Drossel begrenzt den Strom, der in der Mitte des Quarzrohrs fließt. Der induktive Widerstand der Drossel wird entsprechend der Leistung des Beleuchtungskörpers gewählt. Das Einschalten der Lampe unter Spannung ohne Drossel führt dazu, dass sie schnell durchbrennt.

Ein im Schaltkreis enthaltener Kondensator kompensiert die durch die Induktivität eingeführte Blindkomponente.

DRI-Lampe

Design-Merkmale

Der interne Aufbau der DRI-Lampe ist dem der DRL sehr ähnlich.

Sein Brenner enthält jedoch eine gewisse Menge an Zusätzen aus den Hapogeniden der Metalle Indium, Natrium, Thallium oder anderen. Sie ermöglichen es Ihnen, die Lichtemission bei guter Farbe auf 70-95 lm/W und mehr zu erhöhen.

Der Kolben hat die Form eines Zylinders oder einer Ellipse, wie in der Abbildung unten dargestellt.

Das Material des Brenners kann Quarzglas oder Keramik sein, das bessere Betriebseigenschaften aufweist: weniger Verdunkelung und längere Lebensdauer.

Der im modernen Design verwendete kugelförmige Brenner erhöht die Lichtleistung und Helligkeit der Quelle.

Funktionsprinzip

Die grundlegenden Prozesse, die bei der Lichterzeugung aus DRI- und DRL-Lampen ablaufen, sind die gleichen. Der Unterschied liegt im Zündschema. DRI kann nicht mit der angelegten Netzspannung gestartet werden. Dieser Wert reicht ihr nicht.

Um im Brenner einen Lichtbogen zu erzeugen, muss ein Hochspannungsimpuls an den Zwischenelektrodenraum angelegt werden. Seine Ausbildung wurde der IZU anvertraut – einem Impulszündgerät.

So funktioniert IZU

Das Funktionsprinzip der Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochspannungsimpulses lässt sich bedingt durch ein vereinfachtes Schaltbild darstellen.

Am Eingang der Schaltung liegt die Betriebsspannung an. Diode D, Widerstand R und Kondensator C erzeugen einen Kondensatorladestrom. Am Ende des Ladevorgangs wird über den geöffneten Thyristorschalter in der Wicklung des angeschlossenen Transformators T ein Stromimpuls über den Kondensator zugeführt.

In der Ausgangswicklung des Aufwärtstransformators wird ein Hochspannungsimpuls von bis zu 2-5 kV erzeugt. Es dringt in die Kontakte der Lampe ein und erzeugt eine Bogenentladung des gasförmigen Mediums, die für ein Leuchten sorgt.

Anschlussdiagramme für Lampen vom Typ DRI

IZU-Geräte werden für Gasentladungslampen in zwei Modifikationen hergestellt: mit zwei oder drei Drähten. Für jeden von ihnen wird ein eigener Anschlussplan erstellt.Die Montage erfolgt direkt am Blockgehäuse.

Bei Verwendung eines zweipoligen Geräts wird die Leistungsphase über die Drossel mit dem Mittelkontakt des Lampensockels und gleichzeitig mit dem entsprechenden Ausgang der IZU verbunden.

Der Neutralleiter wird an den Seitenkontakt des Sockels und dessen IZU-Klemme angeschlossen.

Bei einem dreipoligen Gerät bleibt das Neutralleiter-Anschlussschema gleich und die Phasenversorgung nach der Drossel ändert sich. Es wird über die beiden verbleibenden Ausgänge mit dem IZU verbunden, wie auf dem Foto unten gezeigt: Der Eingang zum Gerät erfolgt über die Klemme „B“ und der Ausgang zum zentralen Kontakt der Basis über „Lp“.

Daher ist die Zusammensetzung des Steuergeräts (Vorschaltgerät) für Quecksilberlampen mit emittierenden Zusätzen zwingend erforderlich:

• Gaspedal;

• Impulsladegerät.

Der den Blindleistungswert kompensierende Kondensator kann in das Steuergerät integriert werden. Seine Einbeziehung bestimmt die allgemeine Reduzierung des Energieverbrauchs des Beleuchtungsgeräts und die Verlängerung der Lebensdauer der Lampe bei richtig gewähltem Kapazitätswert.

Ungefähr sein Wert von 35 μF entspricht Lampen mit einer Leistung von 250 W und 45 – 400 W. Bei zu hoher Kapazität kommt es zu Resonanzen im Stromkreis, die sich durch das „Blinken“ des Lichts der Lampe bemerkbar machen.

Das Vorhandensein von Hochspannungsimpulsen in einer funktionierenden Lampe bestimmt die Verwendung von Extremhochspannungskabeln im Verbindungskreis mit einer Mindestlänge zwischen Vorschaltgerät und Lampe von nicht mehr als 1–1,5 m.

DRIZ-Lampe

Hierbei handelt es sich um eine Version der oben beschriebenen DRI-Lampe, die im Inneren der Glühbirne eine teilweise verspiegelte Beschichtung aufweist, um das Licht zu reflektieren, das einen gerichteten Strahlenbündel bildet.Dadurch können Sie die Strahlung auf das beleuchtete Objekt fokussieren und Lichtverluste durch Mehrfachreflexionen reduzieren.

HPS-Lampe

Design-Merkmale

Im Inneren des Kolbens dieser Gasentladungslampe wird anstelle von Quecksilber Natriumdampf verwendet, der sich in einer Umgebung aus Inertgasen befindet: Neon, Xenon oder andere oder deren Mischungen. Aus diesem Grund werden sie „Natrium“ genannt.

Durch diese Modifikation des Geräts konnten die Konstrukteure die höchste Betriebseffizienz erreichen, die 150 lm/W erreicht.

Das Wirkprinzip von DNaT und DRI ist dasselbe. Daher sind ihre Anschlusspläne gleich und wenn die Eigenschaften des Vorschaltgeräts mit den Parametern der Lampen übereinstimmen, können sie in beiden Ausführungen zum Zünden des Lichtbogens verwendet werden.

Hersteller von Metallhalogenid- und Natriumdampflampen produzieren Vorschaltgeräte für bestimmte Produkttypen und versenden sie in einem einzigen Gehäuse. Diese Vorschaltgeräte sind voll funktionsfähig und betriebsbereit.

Schaltpläne für Lampen vom Typ DNaT

In einigen Fällen kann die Gestaltung des HPS-Vorschaltgeräts von den oben genannten DRI-Startschemata abweichen und nach einem der drei folgenden Schemata ausgeführt werden.

Im ersten Fall wird die IZU parallel zu den Kontakten der Lampe geschaltet. Nach der Zündung des Lichtbogens im Brenner fließt der Betriebsstrom nicht mehr durch die Lampe (siehe IZU-Schaltplan), was den Stromverbrauch senkt. In diesem Fall wird die Drossel durch Hochspannungsimpulse beeinflusst. Daher ist es zum Schutz vor Zündimpulsen mit einer verstärkten Isolierung ausgestattet.

Daher wird das Parallelschaltungsschema bei Lampen mit geringer Leistung und einem Zündimpuls von bis zu zwei Kilovolt verwendet.

Im zweiten Schema kommt IZU zum Einsatz, das ohne Impulstransformator auskommt und Hochspannungsimpulse durch eine speziell konstruierte Drossel erzeugt, die über einen Abgriff zum Anschluss an die Lampenfassung verfügt. Auch die Isolation der Wicklung dieses Induktors erhöht sich: Sie ist Hochspannung ausgesetzt.

Im dritten Fall wird die Methode der Reihenschaltung von Drossel, IZU und Lampenkontakt verwendet. Hier gelangt der Hochspannungsimpuls der IZU nicht zur Drossel und die Isolierung ihrer Wicklungen erfordert keine Verstärkung.

Der Nachteil dieser Schaltung besteht darin, dass der IZU einen erhöhten Strom verbraucht, wodurch es zu einer zusätzlichen Erwärmung kommt. Dies erfordert eine Vergrößerung der Strukturdimensionen, die über die Dimensionen der bisherigen Pläne hinausgehen.

Diese dritte Gestaltungsmöglichkeit wird am häufigsten für den Betrieb von HPS-Lampen genutzt.

Alle Schemata können verwendet werden Blindleistungskompensation Kondensatoranschluss wie in den Anschlussdiagrammen der DRI-Lampe gezeigt.

Die aufgeführten Schaltungen zum Einschalten von Hochdrucklampen mittels Gasentladung zur Beleuchtung weisen eine Reihe von Nachteilen auf:

• unterschätzte Leuchtressource;

• abhängig von der Qualität der Versorgungsspannung;

• stroboskopischer Effekt;

• Gas- und Ballastgeräusche;

• erhöhter Stromverbrauch.

Die meisten dieser Nachteile werden durch den Einsatz elektronischer Triggergeräte (EKG) überwunden.

Sie ermöglichen nicht nur eine Stromeinsparung von bis zu 30 %, sondern bieten auch die Möglichkeit, die Beleuchtung stufenlos zu steuern. Allerdings ist der Preis solcher Geräte immer noch recht hoch.