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Niederdruck-Entladungslampe mit positiver Säule
Die Erfindung bezieht sich auf eine Nieder- druck -Entladungs-Einrichtung mit positiver Säule, u. zw. insbesondere auf eine Fluoreszenzlampe mit positiver Säule.
Man hat schon bisher bei NiederdruckEntladungslampen, insbesondere Fluoreszenzlampen, aktivierte Elektroden an den Enden verhältnismässig langer, röhrenförmiger Entladungsgefässe angewendet, wobei sich aber der Nachteil ergeben hat, dass die Helligkeit der Lampen zufolge der Ausgestaltung der Elektroden nicht über die ganze Länge der Entladungsröhre eine gleichmässige war, sondern dass an den Enden unmittelbar bei den Quetschfüsschen bzw. nahe bei den Elektroden Stellen von geringer Lichtintensität auftraten. Abgesehen von der Ausgestaltung der Elektroden, welche diese Herabsetzung der Helligkeit an den Enden verursacht hat, trägt auch die Natur der Bogenentladung an den Elektroden dazu bei, diesen unerwünschten Zustand zu verstärken.
Vor allem tritt bei den üblichen Elektrodenkonstruktionen an der Grenze zwischen der als Kathode wirkenden Elektrode und dem hochstrahlenden positiven Säulenteil eine Herabsetzung der Intensität der Lichtstrahlung unmittelbar vor der Elektrode ein. Aber auch wenn die Lampen mit Wechselstrom betrieben werden, ist eine verringerte Intensität an den Enden der Entladungsröhre festzustellen.
Manche der älteren Lampenkonstruktionen leiden auch an dem Übelstand, dass sich im Betriebe die Enden der Röhre infolge der Loslösung von Partikeln von den Elektroden während des Betriebes, welche Partikel sich an der Innenseite der Röhre in der Umgebung der Elektroden festsetzen, verfärben oder schwärzen und dadurch eine Verschmutzung schaffen, auf welcher Quecksilber haften bleibt, wodurch eine weitere Reduktion der Helligkeit an den Lampenenden eintritt, die mit fortschreitender Lebensdauer der Lampe zunimmt.
Es ist bereits bekannt, den Niederschlag von Kathodenmaterial an den Röhrenwänden zu vermindern und die Lebensdauer der Kathode zu erhöhen, indem man die Kathode mit einem metallischen Zylinder oder Schirm umschliesst (vgl. deutsches Reichspatent Nr. 514238) ; ferner ist es auch schon bekannt, die Elektrode mit einer zylindrischen Metallhülse zu umgeben, welche als Wärmespeicher dient, durch den die Erhitzung der Elektrode infolge einer Verminderung der Wärmeabstrahlung durch das Glas hindurch verstärkt wird (vgl. USA. Patent Nr. 2114536). Diese bekannten Anordnungen verursachen jedoch Schatteneffekte an den Röhrenenden.
Ferner ist ein Kathodenaufbau bekannt, bei dem eine zylindrische oder konische Metallhülse, welche an dem der Entladungsbahn zugekehrten Ende geschlossen und mit einem im Innern der Hülse angeordneten Glühdraht stromleitend verbunden ist, an ihrer Innenoder Aussenseite einen elektronenemittierenden Belag aufweist, so dass sie als indirekt geheizte Kathode wirkt (vgl. österr. Patent Nr. 115415 und österr. Patent Nr. 127589). Der Zweck dieser Massnahme besteht darin, eine grosse elektronenemittierende Oberfläche zu schaffen ; durch Anwendung eines Innenbelages in der Metallhülse kann diese indirekt geheizte Kathode gegen Zerstörung durch Ionenaufprall geschützt werden.
Im letzteren Falle kann das hintere Ende der hülsenförmigen Kathode einen für die Entladung gelochten Abschlussboden aufweisen, durch den eine Wärmestauung erreicht und ferner verhindert wird, dass etwa losgerissene Partikel des Innenbelages in das Röhreninnere gelangen.
Bei den Entladungslampen gemäss der vorliegenden Erfindung werden eine Verfärbung oder Ausbildung von Bändern an den Röhrenenden sowie eine übermässige Zersetzung der Kathode und andere Mängel älterer Lampen vermieden und eine im wesentlichen gleichmässige Lichtintensität über die Gesamtlänge der Lampe, eine verbesserte Arbeitsweise und Lebensdauer sowie verminderte Herstellungskosten und weitere Vorteile durch eine neue Elektrodenkonstruktion erzielt. Im Rahmen der Erfindung wird eine Elektrode mit aktiviertem Glühdraht und einem in Längsrichtung sich erstreckenden Schirm verwendet, der im wesentlichen zylindrische Form hat, den Glühdraht im wesentlichen in seiner ganzen Länge umgibt und zumindest an dem nach aussen gerichteten Ende offen ist.
Die Entladungslampe gemäss
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und Lichtsäule die Lichtausbeute in unmittelbarer Nachbarschaft der Elektroden noch weiter herabsetzen. Man kann bei elektrischen Gasbzw. Dampfentladungen bekanntlich verschiedene mehr oder weniger scharf getrennte Zonen unterscheiden. Unmittelbar an der Kathode erstreckt sich ein dunkler Raum, der üblicherweise als Kathoden-Dunkelraum bezeichnet wird.
Auf diesen folgt eine leuchtende Zone, die als negatives oder kathodisches Glimmlicht bekannt ist. Die nächste Zone ist verhältnismässig dunkel und entspricht dem Faradayschen Dunkelraum einer Glimmentladung. Der restliche, sehr helle Teil der Entladung ist als positive Säule bekannt und ist bei den üblichen Fluoreszenzlampen die hauptsächliche Quelle der wirksamen Ultraviolettstrahlung (Quecksilber-Resonanzlinie 2537 Angström), welche das fluoreszierende Material erregt und dadurch die sichtbare Strahlung erzeugt.
Bei vielen Typen von Fluoreszenzlampen bilden sich Verfärbungsgebiete an der Innenseite der Entladungsgefässe unmittelbar dem Elektrodenaufbau gegenüber aus. Diese Verfärbungsgebiete, die manches Mal als Bänder oder Ringe angesprochen werden, treten an dem Kopf der positiven Säule auf, d. h. ungefähr dort, wo die positive Säule an den Dunkelraum angrenzt, der dem Faradayschen Dunkelraum entspricht.
Bei der erfindungsgemässen Entladungslampe, bei der ein im wesentlichen zylinderförmiger Schirm rund um den in der Längsrichtung der Röhre angeordneten aktivierten Draht mit
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die zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens erforderlichen Vorgänge im wesentlichen auf den Raum innerhalb dieses Schirmes beschränkt.
Der Schirm dient dabei in an sich bekannter Weise gleichzeitig sowohl als Wärmespeicher als auch zum Abfangen etwa losgelöster Kathodenpartikel. Die Einhaltung der erfindungsgemässen Beziehungen zwischen den Abmessungen des Schirmes, der Glühelektrode und der Röhre gewährleistet optimale Resultate. Durch richtige Dimensionierung des inneren Röhrendurchmessers, des Schirmdurchmessers und der maximalen Querabmessung des Glühdrahtes kann nicht allein die Verfärbung der Lampenenden vermieden werden, sondern auch bewirkt werden, dass die Leitung des elektrischen Stromes ausserhalb des Schirmes, zwischen dem Schirm und der Röhrenwand, sich bis zu dem äusseren Ende des Schirmes erstreckt.
Um zu erreichen, dass sich die positive Säule um den Schirm herum erstreckt und dass sich die zur Aufrechterhaltung des Bogens erforderlichen Vorgänge innerhalb des Schirmes abspielen, soll, wie gefunden wurde, das Verhältnis des inneren Röhrendurchmessers zum Schirmdurchmesser nicht kleiner sein als etwa 4, und der Unterschied zwischen dem Innendurchmesser des Schirmes und der maximalen Querabmessung des Drahtes nicht
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grösser als ungefähr 3 mm sein. Der Abstand zwischen dem Draht und dem Schirm soll grösser sein als die Dicke des Kathoden-Dunkelraumes, welcher sich bei dem gewählten Druck und der Betriebstemperatur in dem ionisierbaren Medium einstellt.
Beispielsweise soll bei einem Elektrodenaufbau für eine Niederdruck-Fluoreszenzröhre mit positiver Säule, welche einen Quecksilberdampfdruck im Bereiche von 4 bis
12 Mikron im Betriebe aufweist, der Schirmdurchmesser zwischen etwa 3 und 4. 5 mm liegen, um die oben erwähnten Vorteile zu erreichen, wenn der aktivierte Elektrodendraht eine maximale Querabmessung von 1-5 mm aufweist.
Für Schirme und aktivierte Elektroden von den angegebenen Werten ist der günstigste Abstand zwischen der Innenseite des Schirmes und der Oberfläche der Glühelektrode 0-75 bis 1-5 mm. In dieser Weise nimmt die Entladung von dem entfernteren Ende des Schirmes ihren Ausgang und bewirkt dadurch eine gleichmässige Helligkeit bis zu den äussersten Enden der Entladungsröhre, selbst wenn das der Gegenelektrode zugekehrte Ende des Schirmes offen ist.
Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit einer Schaltung mit vorgeheizten Elektroden ; Fig. 2 zeigt ein Detail der Elektrodenkonstruktion mit beiderseits offenem Schirm für eine Drahtelektrode ; Fig. 3 ist die Ansicht der in Fig. 2 gezeigten Elektrodenkonstruktion von oben ; Fig. 4 und 5 stellen abgeänderte Ausführungformen der Erfindung dar, wobei das dem Entladungsraum zugekehrte Ende des Schirmes geschlossen ist. Fig. 6 zeigt die Anwendung der Erfindung in einer Schaltung für unmittelbaren Anlauf.
In Fig. 1 ist die Erfindung in ihrer Anwendung auf eine Fluoreszenzlampe 1 dargestellt, vorzugsweise jener Type, die eine langgestreckte oder röhrenförmige Glashülle 2 aufweist, deren innere Fläche mit einem Fluoreszenzbelag 3 versehen ist, welcher sich bis zu den Enden der Röhre erstreckt. An den Enden der Lampe sind Elektroden 4 und 5 vorgesehen, welche erfindunggemäss ausgebildet sind. Jede dieser Elektroden
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elektrisch verbunden, welche an Sockeln 15 und 16 befestigt sind. Die Einführungsdrähte 7-10 sind in geeignete Füsschen eingeschmolzen, welche in Fig. 1 nicht dargestellt, aber in den Fig. 2-5 ersichtlich sind (Bezugszeichen 17).
Die Schaltung entsprechend Fig. 1 eignet sich für Lampenkonstruktionen mit Vorheizung der Elektroden. Bei dieser Anordnung ist das freie Ende 18 jedes aktivierten Elektrodendrahtes 6 (s. Fig. 2) an eine Stromquelle, beispiels- weise eine Wechselstromquelle 19, über einen
Schalter 20 und eine Stabilisierungsimpedanz (Ballast) 21 angeschlossen. Eine an sich bekannte
Glimmschaltröhre 22 kann zwischen die Stecker 12 und 14 geschaltet sein, welche ihrerseits mit den Schirmen 23 und 24 der Elektroden ver- bunden sind.
Die Einzelheiten der Elektroden 4 und 5 können den Fig. 2 und 3 entnommen werden. Der Schirm 23 hat im wesentlichen zylindrische Form, ist an den beiden Enden offen und umgibt den Draht 6 über dessen ganze Länge, wobei die Achse des Schirmes 23 zur Längsachse der Lampe parallel ist oder mit dieser zusammenfällt. Der Schirm 23 kann z. B. aus Molybdän oder Nickel bestehen und in der aus der Zeichnung ersichtlichen Weise geformt sein, so dass die beiden zusammenwirkenden Flansche 25 und 26 den Zuführungsdraht 8 umgeben und dadurch den Schirm derart fixieren, dass das obere Ende des Schirmes (in Fig. 2) und das entsprechende Ende des Drahtes 6, d. h. die der zweiten Elektrode zugekehrten Enden, miteinander verbunden sind.
Die Flanschen 25 und 26 können in irgendeiner geeigneten Weise miteinander verbunden sein, beispielsweise durch Punktschweissung, so dass sie mit dem Zuführungsdraht 8 einen guten Kontakt bilden.
Der Draht 6 kann aus geeignetem schwer schmelzbarem Metall, wie Wolfram, in Form einer einfachen zusammengesetzten oder mehrfachen Wendel hergestellt sein, welche mit Elektronen emittierende, aktivierendem
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menge soll so bemessen sein, dass im Betriebszustande noch ein wenig unverdampftes Quecksilber zugegen ist. Der Quecksilberdruck ist von der Temperatur abhängig und soll vorzugsweise im Betriebe 4-12 Mikron betragen, kann aber im Bereiche zwischen 4-5 Mikron bis zu 30 Mikron und selbst darüber, je nach der Gestalt der Lampe und den Betriebsbedingungen, liegen.
Infolge der leitenden Verbindung des oberen Endes (Fig. 2) der aktivierten Elektrode 6 mit dem Schirm 23 durchfliesst in der Halbperiode, in welcher der entsprechende Aufbau als Anode wirkt, der vom Schirm aufgefangene Anodenstrom die Elektrode 6 und bewirkt dadurch die Aufheizung der Elektrode 6 bis zu dem erforderlichen Wert. Ausserdem wirkt der Schirm als Wärmeschutz. Durch die richtige Bemessung der Querabmessung oder des Durchmessers des Schirmes kann die Temperatur der emit-
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tierenden Elektrode auf einem verhältnismässig hohen Wert gehalten werden, wodurch die Entstehung von überhitzten Kathodenflecken und die damit verbundene Verschlechterung der Elektrode vermieden wird.
Ausserdem wird durch die Einhaltung des optimalen Abstandes zwischen dem Innendurchmesser des Schirmes 23 und der maximalen Querabmessung der emittierenden Elektrode 6 diese von Ionenbombardements während des Anlaufens geschützt. Der erwähnte Abstand soll, wie gesagt, in der Grössenordnung zwischen etwa 1-5-3 mm liegen ; dann wird es auch erreicht, dass die zur Aufrechterhaltung der Bogenentladung erforderlichen Vorgänge sich gänzlich innerhalb des Schirmes 23 abspielen.
Auch die während des Startes auftretende
Glimmentladung ist bei Elektroden mit dem angegebenen Abstand zwischen dem Draht und der Innenwand des Schirmes praktisch vollständig auf den Raum innerhalb des Schirmes beschränkt, wodurch die Wahrscheinlichkeit, dass losgerissenes Material während des Anlaufes an die Glaswand gelangt, auf ein Minimum herabgesetzt ist. Der erfindungsgemässe Elektrodenaufbau verkürzt überdies die Anlaufzeit, innerhalb welcher die Elektrode 6 den Temperaturwert erreicht, bei welchem der Kathodenfall ein Minimum wird, und verringert dementsprechend die Möglichkeit von Schädigungen der Elektrode während des Anlaufes.
Wenn der Abstand zwischen der aktivierten Elektrode und der Innenseite des Schirmes zu klein ist, dann spielt sich die Glimmentladung nicht ausschliesslich innerhalb des Schirmes während des Anlaufes ab, während, wenn der Abstand zu gross ist, der Schirm nicht mehr als ein Mittel zur Erzielung einer raschen Aufheizung der aktivierten Elektrode bzw. als Wärmeschutz während des Betriebes wirksam ist.
Ein anderer wichtiger Faktor ist das Verhältnis zwischen dem Innendurchmesser der Röhre 2 und dem Aussendurchmesser des Schirmes 23. Dieses Verhältnis soll vorzugsweise in dem Bereich von 4 bis 8 liegen, so dass die positive Säule des Lichtbogens sich rings um den Schirm 23 herum in dem ringförmigen Raum zwischen dem Schirm und der Glashülle entwickeln kann und dass der longitudinale Spannungsgradient an dieser Stelle nicht wesentlich grösser ist als in dem Hauptteil der positiven Säule des Lichtbogens (in der Mitte der Röhre zwischen den beiden Elektrodenaufbauten) und vorzugsweise kleiner als der Spannungsgradient entlang der aktivierten Elektrode 6.
Wenn dies der Fall ist, so entwickelt sich die Bogenentladung von dem ferneren Ende des Schirmes 23, das ist von dem Ende, welches dem Sockel 15 zugekehrt ist, u. zw. auch dann, wenn das innere Ende des Aufbaues, welches dem anderen Elektrodenaufbau zugekehrt ist, offen ist.
Nach Schliessen des Schalters 20 wird die Speisespannung an den Ghmmröhrenschalter 22 angelegt, dessen Kontakte sich hierauf fast sofort schliessen und dadurch einen Stromkreis für die Anregung und Heizung der aktivierten Elektroden 6 bilden, die in Serie geschaltet sind. Hierauf öffnet sich der Schalter 22 wieder, weil der Bimetallteil sich abkühlt, wodurch infolge der Stromänderung in der Impedanz 21 ein Spannungsstoss entsteht und eine Lichtbogenentladung zwischen den Elektroden 4 und 5 hervorgerufen wird. Hernach ist die Spannungsdifferenz zwischen den Kontakten der Glimmschaltröhre 22 zu gering, um sie wieder in Aktion zu setzen, es sei denn, dass die Lampe nicht anspricht.
Infolgedessen werden die Elektroden nicht durch die äussere Verbindung über die Glimmschaltröhre 22 erwärmt, sondern durch die Hauptentladung, u. zw. in jenen Halbperioden, während welchen die betreffende Elektrode positiv ist und daher als Anode wirkt. Der Schirm dient zum Auffangen des Entladungsstromes und infolge der Verbindung der aktivierten Elektrode mit dem Schirm durchfliesst der Entladungsstrom die Elektrode 6 in Serie und bringt dadurch ihre Temperatur auf einen Wert, welcher für die Elektronenemission während der nachfolgenden negativen Halbperiode, in welcher der Aufbau als Kathode wirkt, optimal ist.
Während der Wirksamkeit als Kathode sind die Vorgänge, welche zur Aufrechterhaltung der selbständigen Bogenentladung notwendig sind, auf den Raum innerhalb der Schirme 23 und 24 beschränkt, wobei die Entladung jeweils an den voneinander abgewendeten Enden der beiden Schirme ansetzt. Dies trifft zu, auch wenn die beiden einander zugekehrten Enden der Schirme offen sind. Dieser Umstand bewirkt, dass die Intensität der Strahlung über die ganze Länge der Lampe praktisch ganz gleichmässig ist, um so mehr als die leuchtende positive Säule sich bis zu den äussersten Enden der Entladungsröhre erstreckt. Bei Einhaltung der oben angegebenen optimalen Verhältnisse zwischen dem Innendurchmesser des Schirmes und dem Durchmesser der Elektrode erstreckt sich die positive Säule bis zu dem entfernteren Ende des Schirmes.
Obgleich es für die Herstellung gewisse Vorteile bietet, wenn die Schirme an beiden Seiten offen sind (wie in Fig. 2 und 3 dargestellt), liegt es doch auch im Rahmen der Erfindung, Schirme zu verwenden, bei welchen die Enden, welche dem Hauptteil der Entladungsbahn zugekehrt sind, geschlossen sind. Als Beispiel hiefür ist in Fig. 4 ein Schirm 27 dargestellt, welcher am oberen Ende 28 zusammengekniffen ist, so dass dieses vollständig geschlossen ist. Eine andere Ausführungsform zeigt Fig. 5, in welcher eine besondere Kappe 29 auf den zylindrischen Teil 30 des Schirmes aufgesetzt ist. Diese Kappe kann entweder aufgezogen oder aufgeschweisst sein.
Fig. 6 zeigt eine erfindungsgemässe Lampe in Anwendung für eine Schaltung zum unmittelbaren Anlauf (ohne besondere Vorheizung) ;
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ein Streutransformator 31 kann in der in der Figur angegebenen Weise verwendet werden, um die Lampe aus einer Wechselstromquelle 32 zu speisen. Ein Schalter 33 liegt in der Zuleitung zur Primärwindung des Transformators 31. Wenn der Streutransformator 31 richtig gewählt ist, so gibt er eine hinreichend hohe Leerlaufspannung für die Zündung der Entladung und eine hinreichend niedrige Betriebsspannung bei Stromentnahme nach erfolgter Zündung.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Niederdruck-Entladungslampe mit positiver Säule, insbesondere Fluoreszenzlampe, mit einer langgestreckten Entladungsröhre, die als ionisierbares Medium zur Aufrechterhaltung der Bogenentladung Quecksilber sowie ein Hilfsgas mit einem Druck von nicht mehr als etwa 5 mm enthält und mit Elektroden versehen ist, die zumindest an einem Röhrenende durch einen Elektrodenaufbau gebildet sind, welcher aus einem aktivierten Glühdraht und einem in Längsrichtung sich erstreckenden Schirm besteht, der im wesentlichen zylindrische Form hat, den Glühdraht im wesentlichen in seiner ganzen Länge umgibt und zumindest an dem nach aussen gerichteten Ende offen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Innendurchmessers der Entladungsröhre zum Aussendurchmesser des Schirmes in dem Bereiche zwischen 4 und 8 liegt, u. zw.
derart, dass der longitudinale Spannungsgradient in dem äusseren ringförmigen Raum um den Schirm den im Hauptteil der positiven Entladungssäule auftretenden Spannungsgradienten nicht wesentlich überschreitet und vorzugsweise geringer ist als der Spannungsgradient entlang des Glühdrahtes, dass ferner der Abstand zwischen dem Glühdraht und der Innenseite des Schirmes grösser ist als die Dicke des Kathoden-Dunkelraumes bei dem gewählten Betriebsdruck und der Betriebstemperatur des ionisierbaren Mediums und vorzugsweise im Bereich von 0-75 bis 1-5 mm liegt.
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