DD270406A1

DD270406A1 - Wall-stabilized metal vapor discharge lamp

Info

Publication number: DD270406A1
Application number: DD88314030A
Authority: DD
Inventors: Harry Erbs; Klaus Guenther; Hennig Von Gynz-Rekowski; Hans-Georg Kloss; Rainer Radtke; Felix Serick
Original assignee: Narva Rosa Luxemburg K
Priority date: 1988-03-25
Filing date: 1988-03-25
Publication date: 1989-07-26
Also published as: HUT49963A; EP0334356A1

Abstract

Wandstabilisierte Metalldampf-Entladungslampe mit kompaktem Aufbau, hohem lichttechnischen Wirkungsgrad und sehr guten Farbeigenschaften. Sie ist fuer allgemeine Beleuchtungsaufgaben geeignet, weist eine Farbtemperatur im Bereich 3 000...4 000 K auf und kann fuer einen weiten Leistungsbereich, insbesondere auch fuer sehr niedrige Leistungen, ausgelegt werden. Die Erfindung nutzt eine Entladung in Caesium oder Rubidium, deren Plasma mit leistungsstarken Impulsen hoher Folgefrequenz und kleinem Testverhaeltnis soweit aufgeheizt wird, dass das ueber den sichtbaren Spektralbereich verteilte Rekombinationskontinuum mit hoher Intensitaet abgestrahlt wird und dass diese die Intensitaet der Linienstrahlung in den lichttechnisch unwirksamen Spektralbereichen deutlich uebertrifft.Wall-stabilized metal vapor discharge lamp with compact design, high lighting efficiency and very good color properties. It is suitable for general lighting tasks, has a color temperature in the range 3 000 ... 4 000 K and can be designed for a wide power range, especially for very low power. The invention utilizes a discharge in cesium or rubidium, the plasma of which is heated with powerful pulses of high repetition frequency and small test ratio to such an extent that the recombination continuum distributed over the visible spectral range is radiated with high intensity and that this clearly shows the intensity of the line radiation in the spectrally ineffective spectral ranges surpasses.

Description

Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Metalldampf-Entladungslampe für allgemeine Beleuchtungszwecke, vorzugsweise für Brennstellen in Innenräumen, die nicht häufiggeschaltet werden, welche bei kompaktem Aufbau, hohem lichttechnischen Wirkungsgrad und sehr guten Farbeigenschaften für einen weiten Leistungsbereich, insbesondere auch für sehr niedrigen Leistungen, ausgelegt werden kann.The invention relates to a metal vapor discharge lamp for general lighting purposes, preferably for indoor burners, which are not frequently switched, which can be designed for a wide power range, in particular for very low power with a compact design, high lighting efficiency and very good color properties.

Characterization of the known prior art

Es existieren zahlreiche Hochdruck-Entladungslampen für allgemeine Beleuchtungszwecko, bei denen hohe Lichtausbeute und gute Farbwiedergabeeigenschaften, d. h. eine im Bereich der Augenempfindlichkeitskurve gut verteilte spektrale Emission, angestrebt werden. Es ist bekannt, daß eine Lichtquelle mit idealer Farbwiedergabe eine maximale Lichtausbeute von etwa 250Im/W erreichen kann, wenn es gelingt, Wärme- und Elektrodenverluste zu unterdrücken und die spektrale Emissionsverteilung auf den Bereich der sichtbaren Strahlung zu beschränken. Diese optimale Emissionsverteilung verläuft im Spektralbereich zwischen 400 und 700nm proportional zur spektralen Emission eines schwarzen Strahlers mit einerTemperatur, die der gewünschten Farbtemperatur der Lichtquelle gleich ist, ¹Jηd ist außerhalb dieses Spektralbereiches gleich Null. Abgesehen von den nicht vermeidbaren Wärme- und Elektrodenverlusten ist die Lichtausbeute einer Hochdruck-Entlastjngslampe über die spektrale Emissionsverteilung des strahlenden Plasmas durch die Zusammensetzung und den Druck des Entladungsmediums, die Abmessungen der Entladungsrohres und die räumliche Temperaturverteilung der Entladung gegeben und nur innerhalb gewisser Grenzen optimierbar. So kann in einer Quecksilberdampfatmosphäre bei einem Druck von 0,1 bis 10 MPa eine Gasentladung betrieben werden, die im sichtbaren Spektralbereich die bekannten Quecksilberlinien 405,436, 546 und 577/599 nm emittiert. Die sehr intensive Strahlung bei 313 und 365 nm kann durch einen geeigneten Leuchtstoff in den sichtbaren Spektralbereich transformiert werden. Solche Quecksilber-Hochdrucklampen haben insbesondere in der Außenbeleuchtung eine weite Verbreitung gefunden; ihre Lichtausbeute beträgt maximal 55Im/W, und der allgemeine Farbwiedergabeindex liegt bei 50 (vgl. Elenbaas, W.: Highpressure mercury-vapor lamps and their application; Philips Technical Library, 1965).There are numerous high-pressure discharge lamps for general lighting purposes, in which high luminous efficacy and good color rendering properties, ie a well-distributed in the eye sensitivity curve spectral emission, are sought. It is known that a light source with ideal color rendering can achieve a maximum light output of about 250 lm / W if it is possible to suppress heat and electrode losses and to limit the spectral emission distribution to the region of visible radiation. This optimum emission distribution in the spectral range between 400 and 700 nm is proportional to the spectral emission of a blackbody radiator with a temperature that is equal to the desired color temperature of the light source. ¹ Jηd is equal to zero outside this spectral range. Apart from the unavoidable heat and electrode losses, the luminous efficacy of a high-pressure discharge lamp via the spectral emission distribution of the radiating plasma by the composition and pressure of the discharge medium, the dimensions of the discharge tube and the spatial temperature distribution of the discharge is given and can only be optimized within certain limits. Thus, in a mercury vapor atmosphere at a pressure of 0.1 to 10 MPa, a gas discharge can be operated which emits the known mercury lines 405, 436, 546 and 577/599 nm in the visible spectral range. The very intense radiation at 313 and 365 nm can be transformed by a suitable phosphor in the visible spectral range. Such high-pressure mercury lamps have found widespread use especially in outdoor lighting; their luminous efficacy is at most 55Im / W, and the general color rendering index is 50 (see Elenbaas, W .: Highpressure Mercury-Vapor Lamps and their Application, Philips Technical Library, 1965).

Es ist gelungen, durch Einbringung geeigneter leicht verdampfbarer Leuchtzusätze das lückenhafte Quecksilberspektrum aufzufüllen mit dem Ergebnis, daß sich sowohl die Lichtausbeute als auch die Farbwiedergabe erheblich verbessert haben. Solche Halogen-Metalldampflampen erreichen bei höherem Leistungsumsatz Lichtausbeuten von 60 bis 80Im/W bei allgemeinen Farwiedergabeindices von 60 bis 90, wobei in der Regel die hohen Werte der Lichtausbeute mit niedrigen Werten des Farbwiedergabeindex kombinieren und umgekehrt. Bei kleinen LeiMungsumsätzen, die inzwischen bis herab zu 3a W reichen, sinkt die Lichtausbeute e-heblich. Solche Lichtquellen haben in der Beleuchtung von Innenräumen, Fertigungsräumen und Verkaufseinrichtungen große Verbreitung gefunden, ihr Einsatz beschränkt sich jedoch durch die deutlich verminderte Lebensdauer, die Brennlageabhängigkeit und die sehr störende Instabilität der Farbtemperatur infolge Exemplarstreuungen und Alterung (vgl. Rochlin, G. N.: Halogen-Metalldampflampen; Verlag Energija Moskau 1971).It has been possible to fill up the incomplete mercury spectrum by introducing suitable easily evaporable fluorescent additives, with the result that both the luminous efficacy and the color rendering have improved considerably. Such metal halide lamps, with higher power conversion, achieve light efficiencies of 60 to 80 lm / W at 60 to 90 general color rendering indices, with typically high lumen efficiencies combining with low color rendering index values and vice versa. With small sales revenues, which now reach down to 3,3 W, the luminous efficacy drops considerably. Such light sources have found widespread use in the lighting of interiors, production areas and sales facilities, but their use is limited by the significantly reduced lifetime, burning dependency and the very disturbing instability of the color temperature due to specimen scattering and aging (see Rochlin, GN: metal halide lamps ; Energija Moscow 1971).

Die Entwicklung alkaliresistenter Hüllwerkstoffe und Verschlußmaterialien hat die Verwendung von Natrium in metallischer Form als Träger der Lichtemission möglich gemacht. Natriumdampf-Hochdrucklampfen nehmen gegenwärtig unter allen bekannten Hochdruck-Entladungslampen bezüglich ihrer Lichtausbeute eine Spitzenstellung ein und haben bei der Außenbeleuchtung eine weite Verbreitung gefunden. Die Palette der angebotenen Leistungstypen reicht von 35W mit einerThe development of alkali-resistant sheath materials and sealing materials has made possible the use of sodium in metallic form as a carrier of light emission. High-pressure sodium vapor currently occupies a leading position with regard to their luminous efficacy among all known high-pressure discharge lamps and has gained widespread use in outdoor lighting. The range of offered types of services ranges from 35W to one

Lichtausbeute von 75Im/W bis 1000W mit 's F<0Im/W. Wegen der sehr niedrigen Farbtemperatur von etwa 2OCOK und des unbefriedigenden Farbwiedergabolndex von etwa 20 werden soche Lampen jedoch for anspruchvollere Beleuchtungsaufgaben, speziell in der Innenraumbeleuchtung, nicht akzeptiert.Luminous efficacy of 75Im / W to 1000W with 's F <0Im / W. However, because of the very low color temperature of about 2OCOK and the unsatisfactory color rendering index of about 20, such lamps are not accepted for more demanding lighting tasks, especially in interior lighting.

Neuere Entwicklungen zur Farbverbesserung von Natriumdampf-Hochdrucklampen beheben diesen Mangel nur teilweise. Seit etwa 1980 werden zusätzlich farbverbesserte Ausführungen angeboten, bei denen die den Dampfdruck bestimmende Temperatur der kältesten Stelle im Entladungsgefäß angeboten wurde. Für diese Lampen werden Farbtemperaturen bis 2 500 K und Farbwiedergabewerte bis 80 angegeben. Diese Verbesserungen sind jedoch mit einer Verringerung der Lichtausbeute bis zu 40% und einer Reduzierung der Lebensdauer um z.T. mehr als den Faktor 2 verbunden (vgl. z. B. J. A. van Vliet, J. J. de Grott; High pressure sodium lamps, IEE Proc. 128,415-451 [1981]). Auch die Verwendung von Rot absorbierenden Filtergläsern zur Anhebung der Farbtomperatnr (DE 2711733) ist mit großen Lichtausbeuteverlusten gekoppelt.Recent developments to improve the color of high-pressure sodium vapor lamps only partially solve this deficiency. Since about 1980 additionally color enhanced versions are offered in which the vapor pressure determining temperature of the coldest point was offered in the discharge vessel. For these lamps, color temperatures up to 2 500 K and color rendering values up to 80 are given. These improvements, however, are with a reduction in light output of up to 40% and a reduction in lifetime by z.T. more than a factor of 2 (see, for example, J.A. van Vliet, J.J. de Grott, High pressure sodium lamps, IEE Proc., 128, 415-451 [1981]). The use of red-absorbing filter glasses to increase Farbtomperatnr (DE 2711733) is coupled with large light yield losses.

Andere Versuche, die Farbeigonschaften von Natriumdampf-Hochdrucklr>mpen durch Zugabe von Quecksilber, Cadmium, Thalliurr, Zink oder Blei bzw. Kombinationen aus diesen Elementen (US 3248590 und 3521108, GB 1192094 und 1280370) zu verbessert¹!, haben bisher zu keiner kommerziell brauchbaren Lampe geführt. Dies ist aus plasmaphysikalischer Sicht verständlich, da der stationär betriebene Bogen solcher Lampon mit Achsentempuraturen von etwa 4000 K nur sehr ungünstige Anregunpsbedingungen für energetisch höher gelegene Strahlungsprozesse bietet.Other attempts Farbeigonschaften of sodium vapor Hochdrucklr> mpen by the addition of mercury, cadmium, Thalliurr, zinc or lead, or combinations thereof (US 3,248,590 and 3,521,108, GB 1,192,094 and 1,280,370) to improve ^{a 1,} have been commercially no useable lamp. This is understandable from a plasma-physical point of view, since the steady-state arc of such Lampon with axis tem- peratures of about 4000 K offers only very unfavorable conditions for energetically higher radiation processes.

Gelegentlich werden auch Natrium-Hochdrucklampen mit Zusätzen von Cadmium beschrieben (DE 2032615), bei denen das Cadmium als Puffergas fungiert und zur Stabilisierung der i.ampenparametar beitragen soll. Zusätze von Cadmium, Thallium, Zink, Blei, Zinn und Wismut sind vorgeschlagen worden (Cr. 2707203), um im Interesse geringer Umweltschädlichkeit und besserer Luftbeständigkeit der Füllsubstanzen den Quecksilberanteil in den Nctriumdampf-Hochdrucklampen zu verringern. Es sind Bestrebungen bekannt, durch eine zeitliche modifizierte Energieeinspeisung in Form von Impulsen mit einem bestimmten Tastverhältnis und einer Frequenz über 100Hz die spektiale Verteilung des von Entladungslampen emittierten Lichtes zu verbessern. Durch den gegenüber stationärem Betrieb konzentrierten Energietimsatz werden zeitweilig höhere Plasmatemporaturen erzeugt, wodurch im allgemeinen Strahlungsprozesse mit .höheren Anregungsenergien begünstigt werden. Ob und wie diese Tendenz im konkreten Fall zum Tragen kommt, hängt neben der jeweiligen Form und Höhe der Temperaturprofile auch von der Geometrie der Entlf dungsgefäße ab, da erhebliche Anteile der Strahlung die Plasmasäule nicht direkt, sondern nach Reabsorbtion durch verwickelt) Stufenprozesse verlassen. Die zeitliche Modulation dar Energieeinspeisung und die deshalb einzubeziehende Dynamik der Pias' nasäule schaffen insgesamt bereits bsi Einkomponentenplasmen derartig komplizierte Verhältnisse, daß eine Vorausherechnung lichttechnischer Daten zur Zeit noch nicht möglich ist. Durch eine impulsmäßige Energieeinspeisung mit einem Tastverhältnis 1:4 bis 1:20 win de bei Quecksilberhochdrucklampen (US 3624447) versucht, die Strahlungsausbeute der grünen und gelben Oue^ksilberlinien zu verbessern. Bei Natrium-Hochdrucklampen sollten nach der gleichen Technik (US 4137484, DE 2657824 und 2825532) die Breite der Resonanzlinien vergrößert sowie der blaue und grüne Spektralanteil angehoben werden, um dadurch die Farbwiedergabe zu verbessern und die Farbtemperatur anzuheben. Hier wird der Lampe die Energie in Form von Einzelimpulsen bei einer Fequenz von 500... 2000Hz und einem Tastverhältnis von 1:3 bis 1:10 zugeführt, wobei die Durchschnittleistung und damit die' thermische Belastung der Lampe nicht erhöht werden, während die Stromstärke im Impuls deutlich über den sonst üblichen Werten liegt. Dabei wurde die Verwendung eines Haltestromes zwischen den Impulsen in Höhe von 15% des durchschnittlichen Stromes als Stand der Technik gerannt. Auf diese Weise kann die Farbtemperatur auf 2300... 2600K angehoben werden. Instabilitäten der Entladung und akustische Störungen der Umgebung lassen sich durch konstruktive Maßnahmen an solchen Lampen (DE 2733168 und 2733170) und spezieüo Betriebsweisen (DE 2335589,2704311,2847 und 3122183) verhindern. Allerdings sind die so erreichbaren Farbtemperaturen für eine Einsatz bei der Innenraumbeisuchtung, insbesondere im Wohnbereich, immer noch /.u niedrig, weil hierfür Werte von 3000K und mehr wünschenswert sind. Die Versuche wurden auch deshalb wieder aufgegeben, weil die unerwünschten Nebenwirkungen, wie verstärkte Selbstabsorption der Resonanzlinien'des Natriums und unterproportionale Anhebung der Quecksilberlinien, den angestrebten.Effekt in Frage stellen und weitere Steigerungen der Farbtemperatur nur unter Inkaufnahme großer Einbußen an Lichtausbeute möglich zu sein scheinen. Ein Betrieb von Natriumdampf-Hochdrucklumpen, welche neben Natrium noch wenigstens einen anderen Metalldampf enthalten, mit Gleichstromimpulsen von 50... 23000 Hz und mit einem Tastverhältnis zwischen 8 und 80% wurde auch zum Zweck einer Verhinderung von EntmischL-ngserscheinungen vorgeschlagen (DE 2729052).Occasionally, sodium high-pressure lamps with additions of cadmium are described (DE 2032615), in which the cadmium serves as a buffer gas and should contribute to the stabilization of the i.ampenparametar. Additions of cadmium, thallium, zinc, lead, tin and bismuth have been proposed (Cr 2707203) in order to reduce the mercury content in the high pressure Nctrium vapor lamps in the interests of low environmental impact and better air resistance of the filling substances. Efforts are known to improve the spectral distribution of the light emitted by discharge lamps by a temporally modified energy input in the form of pulses with a certain duty cycle and a frequency above 100Hz. Due to the concentrated energy compared to stationary operation temporarily higher plasma temperatures are generated, which are favored in general radiation processes with .Higher excitation energies. Whether and how this tendency comes to fruition in the concrete case depends not only on the shape and height of the temperature profiles but also on the geometry of the discharge vessels, since considerable proportions of the radiation leave the plasma column not directly but after reabsorption by step processes. The temporal modulation of the energy input and the dynamics of the Pias' nasäule, which are therefore to be included, altogether create such complicated conditions for one-component plasmas that it is not yet possible to make a preliminary projection of photometric data. By pulsed energy supply with a duty ratio of 1: 4 to 1:20 win de high pressure mercury lamps (US 3624447) attempts to improve the radiation yield of the green and yellow OÜsksberberlinien. For high-pressure sodium lamps, according to the same technique (US Pat. Nos. 4,137,484, DE 2657824 and 2825532), the width of the resonance lines should be increased and the blue and green spectral components increased, thereby improving color reproduction and raising the color temperature. Here, the lamp is supplied with the energy in the form of single pulses at a frequency of 500 ... 2000Hz and a duty cycle of 1: 3 to 1:10, the average power and thus the 'thermal load of the lamp are not increased while the current in the impulse is well above the usual values. In this case, the use of a holding current between the pulses in the amount of 15% of the average current was run as prior art. In this way, the color temperature can be raised to 2300 ... 2600K. Instabilities of the discharge and environmental noise can be prevented by constructive measures on such lamps (DE 2733168 and 2733170) and spezieüo modes of operation (DE 2335589,2704311,2847 and 3122183). However, the so achievable color temperatures for use in Innenraumbeisuchtung, especially in the living room, still /.u low because this value of 3000K or more are desirable. The experiments were also abandoned because the undesirable side effects, such as increased self-absorption of the sodium resonance lines and underproportional increase in the mercury lines, put the desired effect into question and further increases in color temperature seem possible only at the cost of large losses in luminous efficacy , Operation of high-pressure sodium vapor pumps, which contain at least one other metal vapor in addition to sodium, with DC pulses of 50 to 23000 Hz and with a pulse duty factor between 8 and 80% has also been proposed for the purpose of preventing segregation phenomena (DE 2729052) ,

Eine sonnenlichtähnliche Strahlungsemission mit kontinuierlicher Spektralverteilung ist von Hochdruckentladungen mit Xenon als strahlendes Medium bekannt, welche sich aus dem Rekombinationskontinuum des Xenons ergibt. Xenonhoch- und höchstdrucklampen werden für stationären Betrieb mit Leistungen von 50... 50000W gebaut und zeichnen sich durch eine hervorragende Farbwiedergabe, verbunden mit einer Farbternperatur im Bereich von 6000K, aus. Bedauerlicherweise sind jedoch die Lichtausbeuten mit 14 Im/W bei der 50 W-Lampe bis zu etwa 35 Im/W bei sehr großen Leistungseinheiten recht gering. Das hat seinen Grund u. a, darin, daß im Bereich stationärer Leistungen dieses Kontinuum von einer intensiven Linienstrahlung überlagert ist, die vorwiegend im Infrarotbereich emittiert wird unddie die erreichbare Lichtausbeute erheblich begrenzt. Aus diesem Grunde werden stationäre Xenonentladungen als effektive Lichtquelle für allgemeine Beleuchtungszwecke nicht verwendet. Auch eine stationäre Hochdrucklampe mit Caesiumdampf als strahlendes Medium wurde bereits vorgeschlagen, die bei einer Leistungsaufnahme von 700W Lichtausbeuten von 35 bis 50 Im/W erreich an soll (US 2971110 und 3219096). Diese von anderen Autoren nicht bestätigten und nach neueren Messungen an stationären Entladungen zu hohen Wert« sind außerdem für Entladungsgefäße mit kleinerer Leistungsaufnahme erheblich zu reduzieren, so daß das lichttechnische Interesse an Caesiumentladungen in den letzten zwanzig Jahren erloschen war.A sunlight-like radiation emission with continuous spectral distribution is known from high-pressure discharges with xenon as a radiating medium, which results from the recombination continuum of the xenon. Xenon high and high pressure lamps are built for stationary operation with outputs of 50 ... 50000W and are characterized by an excellent color rendering, combined with a color temperature in the range of 6000K. Regrettably, however, the luminous efficiencies are quite low at 14 Im / W for the 50 W lamp up to about 35 Im / W for very large power units. This has its reason u. a, in that in the range of stationary powers this continuum is superimposed by an intense line radiation, which is predominantly emitted in the infrared range and which limits the achievable light output considerably. For this reason, stationary xenon discharges are not used as an effective light source for general lighting purposes. Also, a stationary high-pressure lamp with Caesiumdampf as radiant medium has already been proposed, the Im / W at the goal of reaching a power input of 700W light yields of 35 to 50 at will (US 2,971,110 and 3,219,096). Moreover, these values, which are not confirmed by other authors and are too high according to recent measurements on stationary discharges, are to be considerably reduced for discharge vessels with lower power consumption, so that the photovoltaic interest in cesium discharges has gone out in the last twenty years.

Allen bisher genannten Hochdrucklampen ist gemein, daß sie jeden Versuch, den Leistungsumsatz zu reduzieren und im Wohnbereich übliche Leistungseinheiten zu entwickeln, mit drastischen Einbußen an Lichtausbeuten beantworten. Die Ursache hierfür liegt einmal darin, daß entsprechend den Wirkunjsmechanismen einer Hochdrucklampe kleine Lichtströme nur in kleinen Volumina erzeugt werden können, wobc! zwangsläufig der Temperaturgradient und damit der durch Wärmeleitung und Teilchendiffusion aus den heißen Zonen der Entladung zur Wand verursachte Wärmeverlust ansteigen. Zum anderen erfordert die Nutzung von Metalldämpfen oder Halogeniden als strahlendes Medium eine minimale Innenwandtemperatur des Entladungsgefäßes, die die erforderlichen Dampfdrücke gewährleistet. Diese Tempi raturen liegen relativ hoch und haben ebenfalls unvermeidbare Wärmeverluste zur Folge, die insbesondere bei niedrigen Leistungsumsätzen der Lampen erheblic ins Gewicht fallen.All previously mentioned high-pressure lamps have in common that they answer any attempt to reduce power consumption and to develop in the living area usual power units, with drastic losses of luminous efficacy. The reason for this lies in the fact that according to the Wirkunjsmechanismen a high-pressure lamp small luminous fluxes can be generated only in small volumes, wobc! inevitably increase the temperature gradient and thus the heat loss caused by heat conduction and particle diffusion from the hot zones of the discharge to the wall. On the other hand, the use of metal vapors or halides as a radiating medium requires a minimum internal wall temperature of the discharge vessel, which ensures the required vapor pressures. These tempe- rates are relatively high and also result in unavoidable heat losses, which are particularly significant at low power levels of the lamps.

Alle Entladungslichtquelleii enthalten als energiewandelnde Medien elektrisch aufgeheizte Plasmen, deren elektrische Eigenschaften sich in Abhängigkeit von der zugeführten spezifischen Leistung ändern. Insbesondere steigt bei Erhöhung der Betriebsspannung der Leistungsumsatz, wodurch die Ladungsträgerdichte wächst. Damit erhöht sich die elektrische Leitfähigkeit, und die Leistungsaufnahme steig'.weiter. Um den daraus folgenden Inf.abilltätjn entgegenzuwirken, müssen Entladungslampen Ober Vorschaltgeräte betrieben werden, die insbesondere strombegrenzende Bauelemente enthalten. Masse und Umfang dieser strombegrenzanden Bauelemente erschweren den Einsatz solcher Lichtquellen vor allem im Wohnbereich. Um eine Strom-Spannungskennlinie mit positivem Anstieg zu realisieren, wurde für Natrium-Hochdrucklampen die Einhaltung spezifischer Druckbereiche bzw. Druckverhältnisse bei der Lampenfüllung (U 3 3248590, DE 2600351) oder die Kombination zweier Metalle mit unterschiedlicher lonisierungsenergie (DE 1539498) empfonlen. Bei Xenon- und anderen Edelgas-Hochdrucklampen soll c'ie gleiche Wirkung durch Beimengungen von Metallen oder Metallsalzen (DE 2236973 und 2525408) oder durch den Eins itz besonderer Hüllwerkstoffe bei extremen Wandtemperaturen (OS 222223) erreicht werden. An der Wirksamkeit dor behaupteten Effekte bestehen jedoch erhebliche Zweifel, da die Plasmen stationär betriebener Enladungslampen lonisierungsgrade im Prozentbereich und darunter aufweisen. Deshalb führt jede Erhöhung des Stromes und damit der Plasmatemperatur zu einer so wesentlichen Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit des Plasmas, daß man sich im fallenden Ast der Strom-Spannungskennlinie befindet.All discharge light sources contain as energy-converting media electrically heated plasmas whose electrical properties change depending on the specific power supplied. In particular, as the operating voltage increases, the power conversion increases, thereby increasing the carrier density. This increases the electrical conductivity and increases the power consumption. In order to counteract the resulting Inf.abilltätjn, discharge lamps Ober ballasts must be operated, which in particular contain current-limiting components. Mass and scope of these current-limited components complicate the use of such light sources, especially in the living area. In order to realize a current-voltage characteristic curve with a positive rise, compliance with specific pressure ranges or pressure conditions during lamp filling (U 3 3248590, DE 2600351) or the combination of two metals with different ionization energy (DE 1539498) was recommended for sodium high-pressure lamps. In the case of xenon and other noble gas high-pressure lamps, the same effect should be achieved by admixtures of metals or metal salts (DE 2236973 and 2525408) or by the use of special enveloping materials at extreme wall temperatures (OS 222223). However, there are considerable doubts as to the effectiveness of the claimed effects since the plasmas of stationary-operated discharge lamps have degrees of ionization in the percent range and below. Therefore, any increase in the current and thus the plasma temperature leads to such a significant increase in the electrical conductivity of the plasma that you are in the falling branch of the current-voltage characteristic.

Object of the invention It is the object of the invention to develop a metal vapor discharge lamp which is very good

Farbwiedergabeeigenschaften Licht mit einer ähnlichsten Farbtemperatur im Bereich von 3000 bie 4000K aussendet und auch bei niedrigen Leistungsumsätzen eint hohe Lichtausbeute besitzt. Eine solche Lichtquelle soll uneingeschränkt für Innenraumbeleuchtung verwendb· sein und sich insbesondere im Wohnbereich zum Einsatz als Glühlampenalternative bei erheblichen Einsparungen an Elektroenergie eignen.Color rendering properties emits light with a similar color temperature in the range of 3000 to 4000K and has high light output even at low power levels. Such a light source is intended to be used without restriction for interior lighting and, in particular in the home, to be used as a light bulb alternative with considerable savings in electrical energy.

Explanation of the essence of the invention

Die technische Aufgabe, eine solche Lichtquelle zu entwickeln, besteht darin, ein Medium zu finden, das bei Anregung in einer elektrischen Entladung imstande ist, ein intensives Kontinuum im sichtbaren Spektralbereich auszusenden und auf dieser Grundlage Farbwiedergabeindices über 90 bei Farbtemperaturen von 3000 bis 4000K zu realisieren, für dieses Medium einen Plasmazustand aufzufinden, bei dem diese Kontinuumsstrahlung mit hoher Ausbeute erzeugt wird und schließlich die technischen Mittel zur Realisierung eines solchen Plasmazustandes anzugeben.The technical task of developing such a light source is to find a medium which, when excited in an electrical discharge, is capable of emitting an intense continuum in the visible spectral range and on that basis realizing color rendering indexes greater than 90 at color temperatures of 3000 to 4000K to find a plasma state for this medium in which this continuum radiation is generated in high yield and finally to specify the technical means for realizing such a plasma state.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in einem lichtdurchlässigen Entladungsgefäß mit Elektroden otne Entladung im Dampf eines schweren Altmetalls, Caesium oder Rubidium durch elektrische Impulse mit hoher Folgefrequenz und kleinem Tastverhältnis betrieben wird.According to the invention, this object is achieved in that in a light-transmitting discharge vessel with electrodes otne discharge in the vapor of a heavy scrap metal, cesium or rubidium is operated by electrical pulses with high repetition rate and low duty cycle.

Dazu wird der Entladung während der Impi Ise eine Momentanleistung zugeführt, welche die im Interesse der Lebensdauer des Entladungsrohres im Dauerbetrieb zulässige mittlere Leistung N um den Faktor 5 oder mehr übersteigt. Die Impulsfolgefrequenz wird gleich oder größer als 1COHz gewählt. So daß sie hinreichend weit oberhalb der Flimmerverschmelzungsfrequenz des menschlichen Auges liegt und diesbezüglich sehphysiologische Probleme vermieden werden. Die Impulslänge läßt sich dann aus der Bedingung erreichnen, daß die im gesamtzeitlichen Mittel eingespeiste Leistung gleich der im Dauerbetrieb zulässigen und für die Verdampfung der Alkalimetalle auch erforderlichen mittleren Leistung N ist. Allerdings sollten sowohl die Momentanleistung während der Impulse als auch die Impulsfolgefrequenz in der Weise' nach oben begrenzt werden, daß die so berechneten Impulslängen einen Wert von 10ps nicht unterschreiten, weil sonst infolge der thermischen Trägheit der !'r.tlndung der beabsichtigte Effekt nur unvollkommen erreicht wild.For this purpose, the discharge during the Impi Ise an instantaneous power is supplied, which exceeds the permissible in the interest of the life of the discharge tube in continuous operation average power N by a factor of 5 or more. The pulse repetition frequency is chosen equal to or greater than 1COHz. So that it is sufficiently far above the Flimmerverschmelzungsfrequenz of the human eye and in this respect sehphysiologische problems are avoided. The pulse length can then be achieved from the condition that the power fed in the total time average power equal to the permissible in continuous operation and for the evaporation of the alkali metals average power N is. However, both the instantaneous power during the pulses and the pulse repetition frequency should be limited so that the pulse lengths calculated in this way do not fall below 10 ps, otherwise the intended effect will only be imperfect due to the thermal inertia of the pulse reaches wild.

Es ist möglich, die Entladung zwischen den Impulsen mit Hilfe eines Haltestromes von 20% des durchschnittlichen Stromes oder weniger weiterzubetreiben, so daß sie nicht verlischt und nicht zu Beginn jedes Impulses neu gezündet werden muß. Außerdem ist es bei Verwendung kombinierter Entladungsmedien vorteilhaft, der' arnpe die Impulse mit alternierender Polarität zuzuführen und den Haltestrom durch einen synchronen Wechselstrom zu realisieren, um einer Entmischung durch Kataphorese vorzubeugen.It is possible to continue the discharge between the pulses by means of a holding current of 20% of the average current or less, so that it does not go out and must not be re-ignited at the beginning of each pulse. In addition, when using combined discharge media, it is advantageous to supply the pulses with alternating polarity to the arm and to realize the holding current through a synchronous alternating current in order to prevent segregation by cataphoresis.

Die unerwartete Steigerung der Lichtausbeute auf ein Vielfaches gegenüber stationärem Betrieb entsprechender Entladungen bei gleichzeitig exzellenten Farbwiedergabeeigenschaften durch die erstmalige Anwendung der Impulseinspeisung auf Caes^:um- bzw. Rubidiumplasmen unter den ermittelten konkreten Bedingungen kann durch das günstige Zusammentreffen verschiedener Sachverhalte erklärt werden. Insbesondere kommt es auch bei gesamtzeitlicher Mittelwertbildung zu einer Anhebung des nach außen abgestrahlten Rekombinationskontinuums zu L; ten der lichttechnisch unwirksamen Resonanzlinien und zu einer relativen Absenkung der durch die Wärmeleitung verursachte Energ^;everluste.The unexpected increase in the luminous efficacy to a multiple compared to stationary operation of corresponding discharges with excellent color rendering properties by the initial application of pulse injection to Caes ^: um- or Rubidiumplasmen under the determined specific conditions can be explained by the favorable coincidence of different circumstances. In particular, all-time averaging also leads to an increase in the outward-emitted recombination continuum to L; th the lighting technically ineffective resonance lines and to a relative reduction of the energy caused by the heat conduction ^; ever losses.

Ein weiterer Vorzug dieser Betriebsart besteht darin, daß bei Impulsleistunyen, die um den Faktor 5 und mehr oberhalb der stationär zulässigen Leistung liegen, die Elektronendichte mit einer weiteren Steigerung der Leb iung nicht mehr nennenswert wächst. Deshalb steigt dabei auch die elektrische Leitfähigkeit nur noch unwesentlich an, und die Entladung gewinnt eine positive Charakteristik. Auf diese Weise werden die bei Metalldampf-Entladungslampen üblichen platzraubenden, schweren und verlustbehafteten Bauelemente zur Strombegrenzung entbehrlich, und die Stromversorgungsgeräte für solche Lampen werden besonders einfach im Aufbau. Der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Lampe kann weiter erhöht werden, indem dem Entladungsmedium zusätzlich Natrium beigefügt wird. Die Resonanzlinien des Natriums liegen bei einer Wellenlänge von 589 ηm im gelben Spektralbereich in der Nähe des Maximums der Augonempfindlichkeit. Sie können auch im Impulsbereich mit großem lichttechnischen Wirkungsgrad abgestrahlt werde, und ihre Emission addiert sich zu der des Rekombinationskontinuums mit dem Ergebnis einer weiteren Erhöhung der Lichtausbeute der Lampe.Another advantage of this mode is that in Impulsleistunyen, which are by a factor of 5 and more above the steady allowable power, the electron density no longer appreciably increases with a further increase in Leb iung. Therefore, the electrical conductivity increases only insignificantly, and the discharge gains a positive characteristic. In this way, the usual in metal vapor discharge lamps bulky, heavy and lossy components for current limitation are unnecessary, and the power supply devices for such lamps are particularly simple in construction. The efficiency of the lamp according to the invention can be further increased by additionally adding sodium to the discharge medium. The resonance lines of sodium are at a wavelength of 589 ηm in the yellow spectral region in the vicinity of the maximum of the Augonempfindlichkeit. They can also be radiated in the pulse region with high photometric efficiency, and their emission adds to that of the recombination continuum, with the result of a further increase in the luminous efficacy of the lamp.

WeiteiO Verbesserungen der Lampe in bezug auf eine Anhebung der ähnlichsten Farbtemperaturen können durch Zusätze von Quecksilber und/oder Cadmium und/oder Zink zum Entladungsrredium erfolgen. Aufgrund der durch den Impulsbetrieb der Lampe erhöhten Plasmatemperatur werden nun auch die mit Anregungsenergien E, im Bereich von 6.4 bis 7.7 eV sonst schwer anregbaren Spektrallinien 405,436,546 und 577/79 nm des Quecksilbers, 438,480,509 und 644nm des Cadmiums und 468,472 und 636 nm des Zinks zur Emission gebracht. Sie liegen überwiegend im kurzwelligen Teil des sichtbaren Spektralbereiches und nehn.an Einfluß auf die ähnlichste Farbtemperatur der Lampe.Improvements of the lamp with respect to raising the most similar color temperatures may be made by adding mercury and / or cadmium and / or zinc to the discharge medium. Due to the increased by the pulsed operation of the lamp plasma temperature now with excitation energies E, in the range of 6.4 to 7.7 eV otherwise difficult to excite spectral lines 405,436,546 and 577/79 nm of mercury, 438,480,509 and 644nm of cadmium and 468,472 and 636 nm of zinc Emission brought. They are mainly in the short-wave part of the visible spectral range and nehn.an influence on the most similar color temperature of the lamp.

Schließlich können die Gebrauchseigenschaften dar Lampe noch dedurch abgerundet werde, daß dem bntladungsmedium in an sich bekannter Weise Quecksilber oder Xenon als Puffergas und Xenon oder ein anderen Edelgas als Zündgas zugesetzt werden, um das Verhalten der Lampe bei derZündung und während des Anlaufvorganges günstig zu gestalten und im Falle des Zusatzes von Natrium auch das Linienprofil der Natrium-Resonanzlinie im Hinblick auf die Lichtemission zu optimieren.Finally, the performance characteristics of the lamp can be further ded rounded that the bntladungsmedium be added in a conventional manner mercury or xenon as a buffer gas and xenon or other noble gas as ignition gas to make the behavior of the lamp at the ignition and during the startup process low and in the case of the addition of sodium, also to optimize the line profile of the sodium resonance line with respect to the light emission.

embodiment

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel, das für eine elektrische Leistung von 7OW ausgelegt ist, und anhand der Figuren näher erläutert wird.The invention will be explained below with reference to an exemplary embodiment which is designed for an electric power of 7OW and with reference to the figures.

Fig. 1 zeigt ein zylindrisches Entladungsrohr 1 aus durchscheinend gesintertem Aluminiumoxid mit einom Innendurchmesser von 3,5mm, mit zwei einander im Abstand von 36mm gegenüberstehenden Elektroden 2 und mit vakuumdicht eingekitteten Stromzuführungen 3, das mit 1,5 mg Caesium und 4,0mg Quecksilber gefüllt wird. Als Zündgas wird zusätzlich Xenon bei einem Kaltdruck von 6kPa eingebracht. Dieses Entladungsrohr ist von einem evakuierten Außenkolben 4 umgeben, wobei ein Gestellaufbau 5 die mechanische Halterung des Entladungsrohres und die elektrische Verbindung dei Stromzuführungen mit dem Sockel 6 übernimmt. Entladungsrohr, Gestellaufbau, Außenkolben und Sockel bilden zusammen die Entladungslampe. Die Lampe wird durch ein Stromversorgungsgerät 7 in der Weise betrieben, daß ihr pro Sekunde 200 Stromimpulse mit einer Impulsdauer von t = 100 με und einer Maximalstromstärke im Impuls von 50 A mit alternierender Polarität zugeführt werden. Diese Impulse werden einem Haltestrom in Form eines 100Hz-Wechselstromes mit einem Effektivwert von 0,1 A so überlagert, daß Impuls und Maximum des Haltestromes bei gleicher Polarität zeitlich etwa zusammenfallen. Fig. 2 zeigt den Vorlauf des Lampenstromes als Funktio ι der Zeit. Die so mit leistungsstarken Impulsen betriebene Alkalimetalldampf-Entladungslampe emittiert bei einer mittleren Leistungsaufnahme von 7OW einen Lichtstrom von 3400Im. Ihre Farbtemperatur beträgt 3500 K, und ihr allgemeiner Farbwiedergabeindex hat den Wert 96. Die von der Entladung ausgebildete Strom-Spannungscharakteristik ist in Fig.3 dargestellt; sie hat im Bereich der Impulsstromstärke den gewünschten positiven Anstieg.Fig. 1 shows a cylindrical discharge tube 1 of translucent sintered alumina with an inner diameter of 3.5 mm, with two mutually spaced apart at a distance of 36mm electrodes 2 and vacuum-tight eingekitteten power supply lines 3, filled with 1.5 mg cesium and 4.0mg mercury becomes. As ignition gas, xenon is additionally introduced at a cold pressure of 6 kPa. This discharge tube is surrounded by an evacuated outer bulb 4, wherein a frame structure 5 takes over the mechanical support of the discharge tube and the electrical connection dei power supply to the base 6. Discharge tube, frame construction, outer bulb and base together form the discharge lamp. The lamp is operated by a power supply unit 7 in such a way that they are supplied per second 200 current pulses with a pulse duration of t = 100 με and a maximum current intensity in the pulse of 50 A with alternating polarity. These pulses are superimposed on a holding current in the form of a 100 Hz alternating current with an effective value of 0.1 A such that the pulse and the maximum of the holding current coincide in time with the same polarity. Fig. 2 shows the flow of the lamp current as Funktio ι the time. The so operated with powerful pulses alkali metal vapor discharge lamp emits at a mean power consumption of 7OW a luminous flux of 3400Im. Its color temperature is 3500 K and its general color rendering index is 96. The current-voltage characteristic formed by the discharge is shown in Fig. 3; it has the desired positive increase in the range of the pulse current.

Claims

Wall stabilized metal vapor discharge lamp for general lighting purposes, consisting of a light-transmitting discharge vessel with electrodes and filled with a discharge medium, characterized by the combination of the use of the vapor of cesium and / or rubinium as Hauptentladur.gsrnedium with the power supply of the lamp by powerful pulses with a repetition frequency of at least 100Hz and a ratio of instantaneous power in the pulse to the time average of the power of at least 5: 1 and with pulse lengths of at least 10μβ and a duty factor <0.2.

2. Wall-stabilized metal vapor discharge lamp according to claim 1, characterized in that the discharge medium additionally contains sodium vapor.

3. Wall-stabilized metal vapor discharge lamp according to claim 1 and 2, characterized in that the discharge medium additionally contains the vapor of mercury and / or cadmium and / or zinc.

4. Wall-stabilized metal vapor discharge lamp according to claim 1 to 3, characterized in that the discharge medium additionally contains xenon or another noble gas.

5. Wandstabilisiertes Met illdampf discharge lamp according to claim 1 to 4, characterized in that the discharge in the ^! .ampe during the time between pulses by a holding current of up to 20% of the average current is maintained.