DE3942425A1

DE3942425A1 - Zuendgeraet fuer entladungslampen insbesondere fuer hmi-brenner

Info

Publication number: DE3942425A1
Application number: DE19893942425
Authority: DE
Inventors: Stefan Blattl
Original assignee: Lee Colortran Kobold Lich GmbH
Current assignee: "KOBOLD" LICHT BELEUCHTUNGSTECHNIK GMBH, 82515 WOL
Priority date: 1989-12-21
Filing date: 1989-12-21
Publication date: 1991-06-27

Description

Die Erfindung betrifft ein Zündgerät für Ent ladungslampen insbesondere für HMI-Brenner nach dem Prinzip der HF-Überlagerungszündung arbei tend, welches Zündspannungen im Bereich von 8-25 KV produzieren kann, in seinen Abmessungen und Gewichten bei gleicher Zünd leistung wesentlich kleiner ist als dies bis her der Fall war, so daß es sogar in den Hand griff von Leuchten eingebaut werden kann. Dies ermöglichte nicht ein neues Prinzip, sondern eine ausgewogene Abstimmung der bekannten ver wendeten Teile.

Stand der Technik

Zündgeräte mit HF-Überlagerungszündung arbeiten nach dem Prinzip der gedämpften HF-Schwingungen eines LC-Kreises im MHz-Bereich. Die relativ hohen Zündspannungen von etlichen KV′s werden dann in einem Tesla-Trafo erzeugt, dessen Primär- Wicklung Teil des Schwingkreises ist. Ein Kondensator wird dabei an eine Spannungsquelle gelegt und lädt sich auf. Nach Erreichen einer bestimmten Spannung entlädt sich der Kondensator mit Hilfe eines Schwellwertschalters (meist Luft funkenstrecke oder Überspannungsableiter) über die Primärwicklung des Teslatrafos und beginnt gedämpft zu schwingen. Folgende Bauteile werden für ein solches Zündgerät meistens verwendet:

1. Zündtrafo (Spannungsquelle),
2. Funkenstrecke (Schwellwertschalter),
3. Kondensator,
4. Teslatrafo.

Die im Kondensator gespeicherte Energie be trägt , wobei letztlich infolge Verluste nur ein bestimmter Prozentsatz davon an den Elektroden zum Aufbau der Ionisationsstrecke zur Verfügung steht. Die für eine einwandfreie, zuverlässige Zündung nötige Energie ist ab hängig von den Anforderungen des Brenners und meist direkt proportional zu seiner Nenn leistung. Weil die Brennerhersteller meist nicht in der Lage sind, genaue Spezifikationen über die nötige Zündenergie zu liefern, hat man in der Praxis die Zündgeräte in ihren Bauteilen überdimensioniert, was dann zu relativ großen Bauformen führte. Dazu kommt noch die Schwierig keit der meßtechnischen Beherrschung der physi kalischen Vorgänge im Bereich von KV′s und MHz-Schwingungen, was wiederum die Zündgeräte- Entwicklung mehr veranlaßte, zu probieren statt nach genauen Erkenntnissen zu optimieren. Um mit Teslatrafos mit einer Übersetzung von 1 : 10 auf Zündspannungswerte von 20 KV zu kommen, muß die Spannung am Kondensator ca. 2-4 KV betra gen. Schwellwertschalter mit so hohen Ansprech spannungen lassen sich eigentlich nur mit einer Luft-Funkenstrecke realisieren. Um den Abbrand in Grenzen zu halten, müssen die Elektroden mit Wolfram behandelt sein. Außerdem ist dienlich, den Abstand zwischen den Elektro den einstellbar zu gestalten.

Nachteilig ist die starke Abhängigkeit der Schwellwertspannung von Lufttemperatur, -druck und -feuchte. Für nicht leicht zündbare Brenner, wie z. B. alle HMI-Brenner im kleinen Leistungs bereich bis etwa 400 W bedeutet die Verwendung von Luft-Funkenstrecken eine gewisse Unsicher heit in der Zuverlässigkeit.

Gasgefüllte Überspannungsableiter gibt es nur bis ca. 1000 V, die sich daher nur für Zünd geräte bis ca. 10 KV eignen, da sonst das Über setzungsverhältnis des Tesla-Trafos und damit die Energieverluste zu groß werden würden. Teslatrafos sind meist als zylindrische Spulen mit HF-Pulverkernen ausgeführt. Bessere Tesla trafos verwenden Ringkerne, die dann aufgrund geringer Streufelder weniger Störstrahlung pro duzieren. Diese haben jedoch den Nachteil, daß man in der Wahl des Leitungsquerschnittes und der Anzahl der Windungen geometrisch begrenzt ist. Zur Verbesserung der Güte des Tesla schwingkreises verwendet man überdimensionale Querschnitte, um die Oberfläche wegen des Skin-Effektes groß zu gestalten. Eine weitere Forderung an den Tesla-Trafo ist seine niedrige Impedanz wegen der relativ hohen Brenner-Ströme (1,7-8 A). Die Kondensatoren dieser Über lagerungszündgeräte müssen aufgrund von Auf schaukelungsprozessen ein Vielfaches der Schwellwertschalter-Spannung aushalten. Typische Werte dieser Kondensatoren liegen bei 1nF Kapa zität und einer Nennspannung von 15 KV. Zündgeräte werden meist als Beipackgeräte irgendeiner Form an Leuchten direkt befestigt, um Hochspannungsverluste, verursacht durch längere Leitungen, zu vermeiden. Außerdem würden solche längeren Leitungen wegen der hohen Isolationsanforderungen viel zu teuer. Nach teilig an dieser Bauweise ist, daß sich die Zündgeräte im Betrieb durch die Eigenwärme der Leuchte je nach thermischer Isolierung mehr oder weniger aufheizen. Dies führt zu schlech teren Zündungen und auch zum Ausfall von Bau teilen im Zündgerät.

Besonders kritisch ist dies, wenn die Leuchten in senkrechter Lage nach unten leuchten, während das obenbefindliche Zündgerät sich infolge der ansteigenden Wärme kräftig aufheizt. Auch ein zu häufiges Betätigen des Zündgerätes etwa bei er folgloser Zündung verursacht aufgrund der bewußten Unterdimensionierung des Zündtrafos eine Erwärmung desselben, die letztlich auch zur Zerstörung des Zündtrafos führen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Zündgerät für einen bestimmten Brenner zu schaffen, welches so klein ist, daß es in Handgriffen von Leuchten untergebracht werden kann und sich somit nicht mehr durch die Leuchte selbst erwärmt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die kleinsten Baugrößen (Trafo, Funkenstrecke, Kondensator, Tesla-Trafo) der einzelnen Teile un abhängig der in der Energiebilanz ausgewiesenen Verluste Verwendung finden, wobei die höheren Verluste durch die erhöhte Kapazität des Konden sators kompensiert werden, um ein einwandfreies Zünden zu gewährleisten.

Ausführungsbeispiel 1

Dies bedeutet, daß die Auslegung der Schaltung zunächst von der klein sten Funkenstrecke ausgeht bei maximaler An sprechspannung. Hier bieten sich als Optimum edelgasgefüllte Überspannungsableiter mit einer Ansprechgleichspannung von ca. 1000 V an. Sie sind klein in den Abmessungen (7,5 mm×9 mm ⌀) im Bereich ± 20% konstant im Ansprechverhalten und zeigen so gut wie keine Abnützungserschei nungen. Um auf Zündspannungswerte von ca. 25 KV zu kommen, müßte diese Spannung dann um den Faktor 32 (ausgehend von 800 V) mit Hilfe eines Tesla-Trafos hochgespannt werden.

In der Praxis hat sich gezeigt, daß der Tesla trafo mit einem Übersetzungsverhältnis von 1 : 40 ausreichend dimensioniert ist, um die Tesla- Kreis-Spannungsverluste abzudecken. Für einen HMI-Brenner mit 125 W Leistung und einem Nenn strom von 1,7 A reicht ein Ringkern von 20 mm Außendurchmesser und einer Dicke von 8 mm be wickelt mit einem teflonisolierten Draht von 0,5 qmm Querschnitt. Aufgewickelt werden 40 Windungen, wobei der Abgriff für die Primär wicklung nach einer Windung erfolgt. Um die nötige Zündenergie dieses 125 W Brenners zu decken, benötigt man eine Kondensator-Kapazität von 30 nF. Die Spannungsbelastung des Konden sators ist theoretisch maximal 1200 V. Es hat sich jedoch gezeigt, daß durch nicht eindeutig physikalisch zu definierende Vorgänge während der Zündphase weitaus höhere Spannungen den Kondensator beaufschlagen. Damit diese höheren Spannungen am Kondensator nicht über den Zünd trafo das EVG spannungsmäßig belasten und wegen der energiemäßig geringeren Bedämpfung des Tesla-Schwingkreises infolge Wegfall des paral lelliegenden Zündtrafo-Widerstandes wurde die Schaltung dergestalt geändert, als Kondensator und Funkenstrecke einfach die Plätze in der Schaltung tauschen (Fig. 2). Da diese höheren Spannungen für ein sicheres Zünden nicht not wendig sind und dies lediglich einen relativ großen Kondensator erforderlich machen würde, werden diese parasitären Überspannungen mittels Überspannungsableiter abgeblockt. In dem Zündgerät für den 125 W HMI-Brenner wurden 3 parallel geschaltete 10 nF/3 KV Keramik- Scheibenkondensatoren verwendet.

Als Überspannungsableiter wurden 2×1400 V- Typen mit den Abmessungen 8 mm×8 mm ⌀ in Serie geschalten, dem Kondensator parallelge legt. Der als Spannungsquelle fungierende Zündtrafo muß so dimensioniert werden, daß die an den Kondensatoren ansteigende Spannung auch den Schwellwert der Funkenstrecke sicher erreicht bei einer bestimmten Versorgungs frequenz. Da die Einschaltdauer im %-Bereich liegt, kann der Trafo bezogen auf die gefor derte Leistung

wesentlich unterdimen sioniert werden. In unserem Beispiel für einen 125 W HMI-Brenner ist eine Leistung von 2 VA bei 10 Hz ausreichend.

Insgesamt ergibt sich also für einen 125 W HMI-Brenner geeignetes Zündgerät folgender Platzbedarf:

1 Zündtrafo 28 × 20 × 40 mm,
1 Funkenstrecke 7,5 × 9 mm ⌀,
3 Scheibenkondensatoren 3 × 5 mm × 20 mm ⌀,
2 Überspannungsableiter 2 × 8 × 8 mm,
1 Teslatrafo bewickelt 15 × 25 mm ⌀.

Diese Bauteile lassen sich bequem auf einer Platine mit den Abmessungen 80 mm×28 mm bei einer maximalen Bauteilehöhe von 20 mm unterbringen.

Dies bedeutet gleichzeitig die Einbaumöglich keit auch z. B. in den Handgriff einer Leuchte. Die Vorteile für die Leuchte liegen auf der Hand:

1. Kein separates Zündgerät-Gehäuse erforderlich - Leuchte wird kleiner.
2. Die infolge Wärmekopplung des Zündgerätes mit der Leuchte auftretende Erwärmung und der damit verbundenen Verschlechterung der Betriebszuverlässigkeit bzw. der thermisch höher ausgelegten Bauteileanforderungen insbesondere bei Heißzündung treten nicht mehr in Erscheinung.
3. Bei mehreren Fehlzündversuchen wird die Er wärmung hauptsächlich des Zündtrafos in der hand fühlbar, wodurch notwendige Abkühl pausen, die die Zerstörung des Zündgerätes verhindern, registriert werden können.
4. Zweckmäßigerweise wird das Versorgungskabel in den Griff münden, was wiederum zwei Vorteile bietet:
- a) Das sonst von obenherabhängende Kabel scheuert nicht mehr an der Bedienerhand.
- b) Der Ein/Aus-Schalter kann sich statt an der Leuchte ebenfalls im Handgriff be finden, wodurch Einhandbedienung möglich ist.

Auch eine teilweise Optimierung solcher Zünd geräte ist denkbar. So läßt sich z. B. ein für einen 125 W HMI-Brenner geeignetes Zündgerät auch mit einer Luft-Funkenstrecke bezüglich Gesamtvolumen auf die gleiche Weise wie im Hauptanspruch ausgeführt optimieren. Speziell im Falle des 125 W HMI-Brenners sieht die Lösung folgendermaßen aus:

Ausführungsbeispiel 2

1 Zündtrafo 2 VA 28 × 20 × 40
1 Funkenstrecke (Luft) 30 mm × 20 mm ⌀
2 × 10 nF/3 KV Scheibenkondensatoren in Serie
(5 nF/6 KV) 2 × 5 × 20 mm ⌀
1 Tesla-Trafo 1 : 24, 8,5 × 18 mm ⌀.

Durch die hohen erreichbaren Schwellwert spannungen reicht eine Erhöhung der Kapazität lediglich von typisch bisher 1 nF auf 5 nF bei gleichzeitiger Verkleinerung des Tesla-Trafos, dessen Kern die Maße 7 mm×16,5 mm ⌀ besitzt und die Wicklung aus 24 Windungen eines teflonisolierten 0,4 qmm starken Drahtes mit Anzapfung bei 1 Windung besteht, aus. Auch diese Lösung beansprucht nicht mehr Platz als die erste beschriebene, jedoch haften an ihr die Nachteile der Luftfunkenstrecke zu denen zu den bereits genannten auch noch der höhere Preis zählt. Ebenfalls zählt zu den Nachteilen die höhere Geräuschentwicklung. Bei vergleichs weisen Zündgeräten für einen 200 W HMI-Brenner wurden zwei Teslatrafos mit den Abmessungen 2×45 mm×23 mm ⌀ verwendet, was einem Volumen von 37 cm³ entspricht. Der hier im 2. Ausführungsbeispiel verwendete Teslatrafo benötigt lediglich ein Volumen von 2,16 cm³. Man kann sich auch vorstellen, solche kleinen Zündgeräte inklusive Ein/Aus-Schalter statt in den Griff in ein Plastikgehäuse ähnlich einem Schnur-Zwischenschalter in das frei hängende Kabel einzubauen. Man könnte sich auch ein als Universal-Griff ausgelegtes Ge häuse, welches sich sowohl für den Einsatz als Leuchtengriff als auch als Schnur zwischenschalter eignet, vorstellen. Thermische Probleme treten damit nicht mehr auf.

Claims

1. Zündgerät für Entladungslampen insbesondere für HMI-Brenner nach dem Prinzip der HF- Überlagerungszündung arbeitend, dadurch ge kennzeichnet, daß die kleinsten Baugrößen der bekannten Teile (Zündtrafo, Kondensator, Funkenstrecke, Teslatrafo) unabhängig der in der Energiebilanz ausgewiesenen Verluste ver wendet werden, wobei die höheren Verluste (bezogen auf bisherige Ausführungen) durch ein Erhöhen der Kapazität des Kondensators kompensiert werden.

2. Zündgerät für Entladungslampen, dadurch ge kennzeichnet, daß sich der Kondensator in seiner Sapnnungsfestigkeit im Bereich des kleineren, theoretischen für die Erzielung der Zündspannung notwendigen Wertes befin det und auftretende Überspannungen durch Überspannungsableiter abgefangen werden.

3. Zündgerät für Entladungslampen, dadurch ge kennzeichnet, daß die Funkenstrecke parallel zur Versorgungs-Spannungsquelle liegt und der Kondensator in Serie mit der Tesla-Trafo- Primärwicklung ebenfalls parallel zur Funken strecke bzw. Versorgungs-Spannungsquelle liegt.

4. Zündgerät für Entladungslampen, dadurch ge kennzeichnet, daß es in den Griff von Leuchten eingebaut ist.

5. Zündgerät für Entladungslampen, dadurch ge kennzeichnet, daß es in den Versorgungs- Leitungszug von Leuchten in der Art eines Schnur-Zwischenschalters eingebaut ist.

6. Zündgerät für Entladungslampen, dadurch ge kennzeichnet, daß für Zündspannungen 10 KV kleine Knopfüberspannungsableiter mit Edel gasfüllung als Funkenstrecke verwendet werden.

7. Zündgerät für Entladungslampen, dadurch ge kennzeichnet, daß für Zündspannungen 10 KV der Tesla-Trafo als Ringkerntrafo ausgeführt ist.

8. Zündgerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß nur teilweise die Bauteile minimiert werden.