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Main Title: Der elektronische Betrieb von Hochdruckgasentladungslampen unter besonderer Berücksichtigung der Schnittstelle Lampe - Vorschaltgerät
Translated Title: The electronic operation of high-pressure gas discharge lamps with special consideration of the lamp-ballast interface
Author(s): Bönigk, Michael
Advisor(s): Völker, Stephan
Referee(s): Völker, Stephan
Flesch, Peter
Günther, Klaus
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/17059
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-15838
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Abstract: Diese Dissertation beruht auf den Erfahrungen einer langjährigen Tätigkeit im Forschungs- und Entwicklungsbereich der Firmen NARVA und OSRAM bezüglich des elektronischen Betriebs verschiedenster Hochdruckentladungslampentypen. Sie ist dem Fachgebiet „Lichttechnik“ der TU Berlin zugeordnet. Unter Zuhilfenahme physikalisch / elektrischer Zusammenhänge, eigener Forschungsergebnisse sowie entwickelter Modelle wird der elektronische Betrieb von Hochdruckentladungslampen unter der Prämisse der Förderung des Verständnisses der Schnittstelle „Lampe - EVG“ sowie der Erstellung einer Schnittstellenspezifikation erläutert. Der elektronische Betrieb von Hochdruckentladungslampen beinhaltet die konsequente Umsetzung der Erkenntnisse aus dem konventionellen Betrieb. Die Erhöhung der Frequenz des strombegrenzenden Drosselkreises, verbesserte Kommutierungseigenschaften sowie die Nutzung zusätzlicher Steuer- und Regelungsmöglichkeiten sind grundlegende Aspekte. Betrachtete elektronische Betriebsarten: - mittelfrequenter Wechselstrombetrieb - Gleichstrombetrieb - niederfrequenter rechteckförmiger Wechselstrombetrieb - hochfrequenter Wechselstrombetrieb. Eigene Untersuchungen zeigen, dass unabhängig von der Betriebsart für eine hinreichende Ausführung elektronisch betriebener Hochdruckentladungslampensysteme die Berücksichtigung verschiedenster Belange aus den Gebieten der Lampenzündung, der Zündhilfen sowie die sich aus den einzelnen Betriebsphasen ergebenen Anforderungen notwendig ist. Eine Abstimmung des Gesamtsystems bestehend aus „EVG – Zündeinheit – Hochdruckentladungslampe“ ist unabdingbar. Dieses erfordert ein genaues Verständnis sowie die definierte Beschreibung der elektrischen Schnittstellen. Die Erläuterung der aufgezeigten Phasen des elektronischen Betriebs sowie die sich daraus ableitenden Parameter für eine Schnittstellenspezifikation erfolgen überwiegend an Fallbeispielen aus dem Bereich des Rechteckbetriebs von automotive D-Lampen. Entsprechende Ergebnisse und Fazits sind allerdings allgemeingültiger Natur. Eigens durchgeführte Analysen und begleitende Elektrodentemperaturmessungen zeigen einen besonderen Einfluss diverser Strom- und Kommutierungsparameter auf den thermischen Haushalt und den Moden-Wechsel der Elektroden auf. Hiervon beeinflusst werden wiederum die elektrische Systemstabilität, die Lichtstromstabilität sowie eine elektromagnetische Störstrahlung durch den Hochdruckentladungsbrenner. Eine Modulation der im Brenner umgesetzten Leistung durch die Konverterfrequenz stellt ein grundlegendes Problem elektronischer Betriebsarten dar. Es wird dargestellt, wie durch die Berücksichtigung entsprechender Schnittstellenparameter die Ausbildung akustischer Resonanzen im Entladungsgefäß wirkungsvoll zu verhindern ist. Besondere Aufmerksamkeit ist auf den Vorgang der Kommutierung verwandt. Die allgemein übliche Beschreibung der Kommutierungsgüte durch Parametrisierung des Stromanstiegs erwies sich als ungeeignet. Es wird ein eigenes Verfahren mittels der über dem Brenner kommutierenden Spannung vorgestellt. Eine Verbesserung der Kommutierungsgüte ist durch einen Kommutierungspulsbetrieb möglich. Hierzu wurde eine spezielle Ausführung des Stromreglers entwickelt. Arbeitsweise und Anforderungen an Regler in Hochdruckentladungslampen-EVGs werden im Hinblick auf eine elektrische Schnittstellenspezifikation ebenfalls dargestellt. Die Definition und Messung erforderlicher Schnittstellenparameter bedingt spezialisierte Messtechnikansätze. Eine Parameterermittlung auf EVG-Seite mittels realer Hochdruckentladungslampen ist teils aufwendig. Für diese Messungen wurde eine elektronische Entladungslampennachbildung realisiert. Zusammenfassend kann für elektronisch betriebene Hochdruckentladungslampensysteme festgestellt werden, dass unter Berücksichtigung der Anforderungen aus den elektrischen Schnittstellen sowie unter Zuhilfenahme neuartiger Methoden zur Beschreibung der Schnittstellenparameter die Eigenschaften entsprechender Systeme einen hohen Standard erreichen können.
This dissertation is based on the experience of many years of work in the research and development departments of the companies NARVA and OSRAM with regard to the electronic operation of various high-pressure discharge lamp types. It is assigned to the “Chair of Lighting Technology” department of the TU Berlin. The electronic operation of high-pressure discharge lamps is explained under the premise of promoting the understanding of the interface between "lamp - ECG" and the creation of an interface specification. This is done with help of physical - electrical relationships, own research results and own developed models. The electronic operation of high-pressure discharge lamps includes the consistent implementation of the knowledge gained from conventional operation. Fundamental aspects are the increasing of the frequency of the current-limiting choke circuit, improved commutation properties and the use of additional control and regulation options. Operating modes considered: - Medium-frequency AC operation - DC operation - Low-frequency rectangular AC operation - High-frequency AC operation. Own studies show that regardless of the operating mode for a sufficient design of electronically operated high-pressure discharge lamp systems, a variety of aspects in the areas of lamp ignition, ignition aids and the resulting requirements of the individual operating phases must be taken into account. A coordination of the overall system consisting of "igniter - electronic ballast - high-pressure discharge lamp" is essential. This requires a precise understanding and a defined description of the electrical interfaces. The explanation of the shown phases of the electronic operation as well as the derived parameters for an interface specification are mainly based on case studies from the area of the rectangular operation of automotive D-lamps. The corresponding results and conclusions are of a general nature. Performed analyzes and accompanying electrode temperature measurements show a particular influence of various current and commutation parameters on the thermal management and the mode change of the electrodes. This in turn influences the electrical system stability, the luminous flux stability and electromagnetic interference radiation from the high-pressure discharge burner. Modulation of the power converted in the burner by the converter frequency represents a fundamental problem of electronic operating modes. The formation of acoustic resonances in the discharge vessel can be effectively prevented by taking appropriate interface parameters into account. Particular attention is paid to the commutation process. A generally customary description of the commutation quality by parameterizing the current rise proved to be unsuitable. A method was developed using the voltage commutating across the burner. An improvement in the commutation quality is possible through a commutation pulse operation. Commutation pulse operation can be realized with a special version of the current controller. The mode of operation and requirements for regulators in high-pressure discharge lamp electronic ballasts are also shown with regard to an electrical interface specification. The definition and measurement of required interface parameters requires specialized measurement technology approaches. Determining parameters using real high-pressure discharge lamps is sometimes complex. An electronic discharge lamp dummy was developed for these measurements. In summary, for electronically operated high-pressure discharge lamp systems can be determined that, taking into account the requirements from the electrical interfaces and with the aid of new methods for describing the interface parameters, the properties of corresponding systems can reach a high standard.
Subject(s): Hochdruckentladungslampe
elektronischer Betrieb
elektrische Schnittstelle
Kommutierung
Zündhilfe
high pressure discharge lamp
electronic operation
electrical interface
commutation
ignition aid
Issue Date: 2022
Date Available: 13-Jul-2022
Exam Date: 29-Apr-2022
Language Code: de
DDC Class: 600 Technik, Technologie
537 Elektrizität, Elektronik
TU Affiliation(s): Fak. 4 Elektrotechnik und Informatik » Inst. Energie- und Automatisierungstechnik » FG Lichttechnik
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