DD272166A1

DD272166A1 - Wall-stabilized high-pressure discharge lamp

Info

Publication number: DD272166A1
Application number: DD31403188A
Authority: DD
Inventors: Rainer Radke; Hans-Georg Kloss; Klaus Guenther; Uwe Keiderling; Wolfgang Gottschling
Original assignee: Narva Rosa Luxemburg K
Priority date: 1988-03-25
Filing date: 1988-03-25
Publication date: 1989-09-27
Also published as: EP0334355A2; EP0334355B1; DE58909273D1; EP0334355A3; HU204624B; HUT49964A

Abstract

Wandstabilisierte Hochdruck-Entladungslampe mit hohem lichttechnischen Wirkungsgrad und sehr guten Farbeigenschaften, die sich bei kompaktem Aufbau durch eine gute Buendelungsfaehigkeit der Strahlung und eine sofortige Lichtstromabgabe nach dem Einschalten auszeichnet und die insbesondere auch fuer sehr niedrige Leistungen ausgelegt werden kann. Sie ist fuer allgemeine Beleuchtungszwecke geeignet, aber auch in Kraftfahrzeug-Scheinwerfern und fuer Beleuchtungsaufgaben im wissenschaftlichen und medizinischen Geraetebau einsetzbar. Die Erfindung nutzt eine Entladung in Xenon oder Krypton, deren Plasma durch leistungsstarke Impulse mit hoher Folgefrequenz und niedrigem Tastverhaeltnis soweit aufgeheizt wird, dass das ueber den sichtbaren Spektralbereich verteilte Rekombinationskontinuum mit hoher Intensitaet abgestrahlt wird, wobei die Entladung in der Lampe zwischen den Impulsen durch einen Haltestrom geringer Staerke aufrecht erhalten wird.Wall-stabilized high-pressure discharge lamp with high lighting efficiency and very good color properties, which is characterized in a compact design by a good Buendelungsfaehigkeit the radiation and an immediate luminous flux delivery after switching and can be designed in particular for very low power. It is suitable for general lighting purposes, but can also be used in automotive headlamps and lighting tasks in scientific and medical device construction. The invention uses a discharge in xenon or krypton, the plasma is heated by powerful pulses with high repetition frequency and low Tastverhaeltnis far enough that the distributed over the visible spectral range Rekombinationskontinuum is radiated with high intensity, the discharge in the lamp between the pulses by a Holding current of low power is maintained.

Description

Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Hochdruck-Entladungslampe mit hohem lichttechnischem Wirkt ngsgrad und sehr guten Farbeigenschaften, die sich bei kompaktem Aufbau für allgemeine Beleuchtungszwecke eignet, aufgrund der guten Bündelungsfähigkeit der Strahlung und der sofortigen Lichtstrorruibgabe nach dem Einschalten aber auch in Kraftfahrzeug-Scheinwerfern und für Beleuchtungsaufgaben im wissenschaftliche;! und medizinischen Gerätebau einsetzbar ist und die insbesondere auch für sehr niedrige Leistungen ausgelegt werden kann.The invention relates to a high-pressure discharge lamp with a high photometric effect and very good color properties, which is suitable for general lighting purposes in a compact design, due to the good bundling ability of the radiation and the immediate Lichtstrorruibgabe after switching but also in motor vehicle headlights and lighting tasks in the scientific ;! and medical device construction can be used and which can be designed in particular for very low power.

Characteristic of the known state of the art

Es existieren zahlreiche Hochdruck-Entladungslampen für allgemeine Beleuchtungszwecke, bei denen hohe Lichtausbeute und gute Farbwiedergabeeigenschaften, d.h. eine im Bereich der Augsnempfindlichkeitskurve 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 700 nm proportional zur spektralen Emission eines schw arzen Strahlers mit einer Temperatur, die der gewünschten Farbtemperatur der Lichtquelle gleich ist, und ist außerhalb dieses Slpektralbereiches gleich Null. Abgesehen von den nicht vermeidbaren Wärme- und Elektrodenverlusten ist die Lichtaus beute einer Hochdruck-Entladungslampe über die spektrale Emissionsverteilung de» strahlenden Plasmas durch die Zusammensetzung und den Druck des Entladungsmediums, die Abmessungen des Entladungsrohres und die räumliche Te nperaturverteilung der Entladung gegeben und nur innerhalb gewisser Grenzen optimierbar. So kann in einer Quecksilberdcimpfatmosphäre bei einem Druck von 0.1 bis 10MPa eine Gasentladung betrieben werden, die im sichtbaren Spekt albereich die bekannten Quecksilberlinien 405,436, 546 und 577/599nm emittiert. Die sehr intensive Strahlung boi 3Ί3 und 2Co nm kann durch einen geeigneten Leuchtstoff in den sichtbaren Spektralbereich transformiert werden. Solche Queck; ilber-Hochdrucklamper, 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.: High-pressure mercury-vapor lamps; and their application; Philips Technical Library, 1965).There are many high pressure discharge lamps for general lighting purposes where high luminous efficacy and good color rendering properties, i. a well-distributed spectral emission in the area of the eye sensitivity curve should be 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. In the spectral range between 400 and 700 nm, this optimal emission distribution is proportional to the spectral emission of a black radiator with a temperature which is the same as the desired color temperature of the light source, and is equal to zero outside this spectral range. Apart from the unavoidable heat and electrode losses, the light output of a high-pressure discharge lamp is given by 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, and only within certain limits Borders can be optimized. For example, 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 spectrum. The very intense radiation boi 3Ί3 and 2Co nm can be transformed by a suitable phosphor in the visible spectral range. Such mercury; ilber-Hochdrucklamper, have found a wide distribution, especially in outdoor lighting; their luminous efficacy is at most 55Im / W, and the general color rendering index is 50 (see Elenbaas, W .: High-pressure mercury-vapor lamps and their application, Philips Technical Library, 1965).

Es ist gelungen, durch Einbringen 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 Lichtausheuten von 60 bis 80Im.'W bei einem allgemeinen Farbwiedergabeindex von 60 bis 90, wobei in der Regel die hohen Werte der Lichtausbeute mit niedrigen WertenIt 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 achieve light outputs of 60 to 80 lm.sup.W at a higher power conversion, with a general color rendering index of 60 to 90, typically with high values of lumen output with low values

des Farbwiedergabehdex kombinieren und umgekehrt. Bei kleinen Leistungsumsätzen bis herab zu 35 W sinkt die Lichtausbeute jedoch generell ganz erheblich auf 50Im/W und darunter. Solche Lichtquellen haben in der Beleuchtung von Innenräumen, Fertigungeräumen und Verkaufseinrichtungen große Verbreitung gefunden, ihr Einsatz beschränkt sich jedoch durch die deutlich verminderte Lebensdauer, die Brennlugeabhängigkeit und die sehr störende Instabilität der Farbtemperatur infolge Exemplarstreuungen und Alterung (vgl. Rochlin.G.N.: Halogen-Metalldampflampen; Verlag Energija Moskau 1971). Die Erfindung alkaliresistenter Hüllwerkstoffe und Verschlußmaterialien hat die Verwendung von Natrium in metallischer Form als Träger der Lichtemistiion möglich gemacht. Natriumdampf-Hochdrucklampen 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 35 W mit einer Lichtausbeute von 75 Ii n/W bis 1000W mit 150Im/W. Wegen der sehr niedrigen Farbtemperatur von etwa 2000K und des unbefriedigenden Farbwiedergabeindex von etwa 20 werden solche Lampen jedoch für anspruchsvollere Beleuchtungsaufgaben, speziell in der Innenraumbeleuchtung, nicht akzeptiert.combine color reproduction video and vice versa. However, at low power levels down to 35W, the light output generally drops significantly to 50Im / W and below. Such light sources have found widespread use in the lighting of interiors, manufacturing areas and retail facilities, but their use is limited by the significantly reduced lifetime, the Brennlugeabhängigkeit and the very disturbing instability of the color temperature due to specimen scattering and aging (see Rochlin.GN: metal halide lamps ; Energija Moscow 1971). The invention of alkali-resistant sheath materials and closure materials has made possible the use of sodium in metallic form as a carrier of light emission. High-pressure sodium vapor lamps currently occupy a leading position with respect to their luminous efficacy among all known high-pressure discharge lamps and have found widespread use in outdoor lighting. The range of offered power types ranges from 35 W with a luminous efficacy of 75 l / W to 1000 W with 150 lm / W. However, because of the very low color temperature of about 2000K and the unsatisfactory color rendering index of about 20, such lamps are not accepted for more demanding lighting tasks, especially in interior lighting.

Allen bisher genannten Hochdrucklampen ist gemein, daß sie jeden Versuch, den Leistungsumsatz zu reduzieren und im Wohnhereich übliche Leistungseinheiten zu entwickeln, mit drastischen Einbußen an Lichtausbeute beantworten. Die Ursache hierfür liegt einmal darin, daß entsprechend den Wirkungsmechanismen einer Hochdrucklampe kleine Lichtströme nur in kleinen Volumina erzeugt werden können, wobei sich das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen unvorteilhaft vergrößert. Bei durch plasmpphysikalische Optimierung vorgegebener Achsentemperatur der Entladung wächst zwangsläufig bei Verkleidung des Entladungsvolumens der Temperaturgradient der Entladung und damit die durch Wärmeleitung und Teilchendiffusion aus den heißen Zonen der Entladung zur Wand verursachten Wärmeverluste. Zum anderen erfordert die Nutzung von Metalldämpfen oder Halogeniden als strahlendes Medium eine minimale Innenwandtemperatur des Entladungsgefäßes, die die erforderlichen Dampfdrücke gewährleistet. Diese Temperaturen liegen relativ hoch und haben ebenfalls unvermeidbare Wärmeverluste zur Folge, die insbesonde e bei niedrigen Leistungsumsätzen der Lampen erheblich ins Gewicht fallen.All previously mentioned high-pressure lamps have in common that they answer any attempt to reduce the power and residential units to develop conventional power units, with dramatic losses of light output. The reason for this lies in the fact that according to the mechanisms of action of a high-pressure lamp small light fluxes can be generated only in small volumes, whereby the ratio of surface area to volume increases unfavorably. In the case of plasma discharge temperature predefined by plasma physical optimization, the temperature gradient of the discharge and thus the heat losses caused by heat conduction and particle diffusion from the hot zones of the discharge to the wall inevitably increase when the discharge volume is lined up. 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 temperatures are relatively high and also result in unavoidable heat losses, which are particularly significant at low power consumption of the lamps.

Weiterhin erfordern eile diese technischen Lösungen zur Verdampfung der leuchtenden Metallzusätze eine beträchtliche Anlaufzeit im Minutenbereich. Die Verwendung von Gasen als strahlendes Medium eliminiert vom Prinzip her die Anlaufprobleme und die Notwendigkeit, die Brennertemperatur hoch zu halten. Dabei auftretende Zündprobleme lassen sich durch verschiedene Zündhilfen in Grenzen halten (siehe z. B. DE 1638977 und 3323603). Bedauerlicherweise sind die Strahlungsausbeuten von Gasplasmen im sichtbaren Spe.üralbereich bei technisch realisierbaren Leistungsumsätzen ausnahmslos sehr niedrig. Daher ist bisher lediglich eine einzige Hochdrucklichtquelle auf der Basis von Momärbn oder molekularen Füllgasen 6i ,twickelt worden, die Xenonhoch- bzw. -höchstdrucklampon. Sie zeigen eine sonnenlichtähnliche Strahlungsemission mit kontinuierlicher Spektralverteilung, welche sich aus dem Rekombinationskontinuum des Xenons ergibt. Derartige Lampen werden für stationären Betrieb mit Leistungen von 50 bis 50000 Wgebaut und zeichnen sich durch eine hervorragende Farbwiedergabe, verbunden mit einer Farbtemperatur im Bereich von 6000 K, aus. Bedauerlicherweise beträgt b?i kleinen Leistungen zwischen 30 und 50 W die Lichtausbeute nur 15 Im/W und läßt sich selbst durch hohe Leistungsdichten bis 800W/cm³ nicht über 20lm/W steigern (AT 222P23). Erst bei Leistungen im kW-Bereich kann sie bis auf 35 Im/W steigen. 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 und die erreichbare Lichtausbeute erheblich begrenzt. Aus diesem Grunde werden stationäre Xenonentladungen als effektive Lichtquelle für allgemeine ßeleuchtungszwecke nicht verwendet.Furthermore, these technical solutions for evaporating the luminous metal additives require a considerable startup time in the minute range. The use of gases as a radiant medium eliminates in principle the start-up problems and the need to keep the burner temperature high. Occurring ignition problems can be kept within limits by various ignition aids (see, for example, DE 1638977 and 3323603). Regrettably, the radiation yields of gas plasmas in the visible Spe.üralbereich with technically feasible power sales without exception are very low. Therefore, so far only a single high-pressure light source based on Momärbn or molecular filling gases 6i, has been, the Xenonhoch- or -hochdrucklampon. They show a sunlight-like radiation emission with continuous spectral distribution, which results from the recombination continuum of the xenon. Such lamps are built for stationary operation with powers of 50 to 50,000 W and are characterized by excellent color rendering, combined with a color temperature in the range of 6000 K from. Regrettably, b? I small power between 30 and 50 W, the light output only 15 Im / W and can not increase even through high power densities up to 800W / cm ³ above 20lm / W (AT 222P23). Only with power in the kW range, it can rise to 35 Im / W. The reason for this is, inter alia, that in the area of stationary powers this continuum is superimposed by an intensive line radiation, which is emitted predominantly in the infrared range and considerably limits the achievable light output. For this reason, stationary xenon discharges are not used as an effective light source for general lighting purposes.

Höchstdrucklampen nutzen Xenon oder Quecksilberdampf bei Drücken von mehr als 1 MPa als strahlendes Medium. Die in ihnen realisierte hohe Energiekonzentration läßt die Strahlung in einem sehr kleinen Volumen entstehen, was eine gute Bündelungsfähigkeit der Strahlung zur Folge hat. Ihre Lichtausbeute ist jedoch eher kleiner als die der entsprechenden Hochdrucklampen.High-pressure lamps use xenon or mercury vapor at pressures of more than 1 MPa as a radiating medium. The high energy concentration realized in them causes the radiation to be generated in a very small volume, which results in a good bundling ability of the radiation. However, their luminous efficacy is rather smaller than that of the corresponding high-pressure lamps.

Hochdruck-Kapillarlampen mit Halogenid-Füllung sind bereits für den Einsatz in Kraftfahrzeug-Scheinwerfern vorgeschlagen worden (DE 3341846). Sie haben aber gerade für diesen Einsatzzweck den großen Nachteil, bis zum Erreichen ihres vollen Lichtstromes eine Anlaufzeit von etwa einer Minute zu benötigen.High-pressure capillary lamps with halide filling have already been proposed for use in motor vehicle headlamps (DE 3341846). But they have just for this purpose the great disadvantage of needing to reach their full luminous flux a startup time of about one minute.

Es sind auch bereits Versuche unternommen worden, durch eine zeitlich gesteuerte Energieeinspeisung bei Quecksilber-Hochdrucklampen mit einem Tastverhältnis von 1:4 bis 1:20 die Strahlungsausbeute in den grünen und gelben Quecksilberlinien (US 3624447) zu verbessern. Bei Natrium-Hochdrucklampen sollte 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. Instabilitäten der Entladung und akustische Störungen der Umgebung lassen sich durch konstruktive Maßnahmen an solchen Lampen (DE 2733168 und 2733170) und spezielle Betriebsweisen (DE 2335589,2704311,2847840 und 3122183) verhindern. Allerdings sind die so erreichbaren Farbtemperaturen für einen Einsatz bei der Innenraumbeleuchtung, insbesondere im Wohnbereich, immer noch zu niedrig, weil hierfür Werte von 3000 K 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 sind (DE 2657824).Attempts have already been made to improve the radiation yield in the green and yellow mercury lines (US Pat. No. 3,624,447) by means of a time-controlled energy feed in the case of high-pressure mercury lamps with a pulse duty factor of 1: 4 to 1:20. 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. Instabilities of the discharge and ambient noise can be prevented by constructive measures on such lamps (DE 2733168 and 2733170) and special modes of operation (DE 2335589,2704311,2847840 and 3122183). However, the color temperatures so achievable for use in interior lighting, especially in the living area, still too low, because this values of 3000 K and more are desirable. The experiments were also abandoned because the undesired side effects such as increased self-absorption of the sodium resonance lines and underproportional increase in the mercury lines question the desired effect and further increases in color temperature are possible only at the cost of large losses in light output (DE 2657824).

Für Xenonentladungen ist bekannt, daß sie bei impulsförmiger Energiezufuhr mit hoher Momentanleistung einen höheren lichttechnischen Wirkungsgrad als im stationären Betrieb entwickeln. Diese Tatsache wird in Gestalt von Fotoblitzlampen zu vielen Anwendungen genutzt. Auch ein Betrieb mit Impulsfolgen ist bekannt und wird in stroboskopischen Vorrichtungen (z. B. DE 1924162 und 2134544) und bei Trocknung;- und Härtungsprozessen von Lacken und Druckfarben (DE 2120777) eingesetzt. Sogar als Beleuchtungsvorrichtung zur Innen- und Außenbeleuchtung wurden edelgasgefüllte Blitzröhren hoher Intensität bereits vorgeschlagen, die mittels einer elektronischen Steuereinheit mit einer zur Überwindung der physiologischen Trägheit des menschlichen Auges hinreichenden Blitzfrequenz betrieben werden (DE 2 724101). Diese Anwendung hat jedoch den großen Nachteil, daß für jeden Impuls ein Zündvorgang erforderlich ist und die resultierende außerordentlich hohe Zahl von Zündungen im Dauerbetrieb der Lebensdauer der Lampe in hohem Maße abträglich ist, so daß zusätzliche Maßnahmen zur Erhöhung von Lebensdauer und Zuverlässigkeit einer solchen Beleuchtungsvorrichtung in Form von Kühleinrichtungen für die Lampe oder durch Einsatz mehrerer redundanter Lampen getroffen werden mußten. Aus dem gleichen Grunde war man gezwungen, dieFor xenon discharges is known that they develop a higher photometric efficiency in pulsed power supply with high instantaneous power than in stationary operation. This fact is used in the form of photo flash lamps for many applications. Operation with pulse trains is also known and is used in stroboscopic devices (eg DE 1924162 and 2134544) and in drying and curing processes of paints and printing inks (DE 2120777). Even as a lighting device for indoor and outdoor lighting noble gas-filled flash tubes of high intensity have already been proposed, which are operated by means of an electronic control unit with sufficient to overcome the physiological inertia of the human eye flash frequency (DE 2,724,101). However, this application has the great disadvantage that for each pulse an ignition is required and the resulting extremely high number of firing in continuous operation of the lamp life is highly detrimental, so that additional measures to increase the life and reliability of such a lighting device in Form of cooling devices for the lamp or by using multiple redundant lamps had to be taken. For the same reason one was forced, the

Blitzfrequenz so niedrig wie möglich zu halten, um z.B. mit 40...50Hz ein eben gerade noch flimmerfreies Licht zu erzeugen. Sehphysiologische Belastungen können bei dieser Betriebsart nicht ausgeschlossen werden, weshalb der Einsatz einer solchen Beleuchtungsvorrichtung auch auf spezielle Anwendungen, wie Verkehrs-Hinweisschilder, Werbeschilder u. dgl. beschränkt bleiben muß, die vom menschlichen Beobachter im allgemeinen nur kurzzeitig betrachtet werden. Alle Entladungslichtquellen enthalten als energiewandelnde Medien elektrisch aufgeheizte Plasmen, deren elektrische Eigenschaften sich in Abhängigkeit von der zugeführten Energie ändern. Insbesondere steigt bei Erhöhung der Betriebsspannung der Leistungsumsatz, wodurch die Ladungsträgerdichte wächst. Damit erhöht sich die elektrische Leitfähigkeit und die Leistungsaufnahme steigt weiter. Um den daraus folgenden Instabilitäten entgegenzuwirken, müssen Entladungslampen über Vorschaltgeräte betrieben werden, die insbesondere strombegrenzende Bauelei nente enthalten. Masse und Umfang dieser strombegrenzenden Bauelemente erschweren den Einsatz solcher Lichtquellen vor allem im Wohnbereich. Um eine Strom-Spannungskennlinie mit positivem Anstieg zu realisieren, wurde bei Xenon- und anderen Edelgas-Hochdrucklampen der Einsatz von Beimengungen bestimmter Metalle oder Metallsalze erprobt (DE 2236973 und 2525408). An der Wirksamkeit der behaupteten Effekte bestehen jedoch erhebliche Zweifel; über ihre praktische Nutzung ist bisher nichts bekannt geworden. Die in der Österreichischen Patentschrift Nr. 222223 ausgewiesene positive Strom- und Spannungskennlinie kann nur bei sehr hohen Leistungen im Entladungsrohr realisiert werden, was zu einer schnellen Zerstörung des Hüllmaterials führt. Die US-PS 3707649 befaßt sich mit einer Lampe bei der sich Anode und Kathode in einem solchen Abstand befinden, daß eine Funkenstrecke zwischen ihnen entsteht. Diese elektrodenstabilisierten Entladungen haben den Nachteil hoher anteiliger Elektrodenverluste und großer gasdynamischer Verluste durch Stoßwellen. Außerdem ergeben sich aus den in der Patentschrift genannten Tastverhältnisse unvorteilhaft hohe Farbtemperaturen von 9000K und entsprechend niedrige Lichtausbeuten infolge des Emissionsmaximums am Rande des UV-Bereichs. Zu den daraus resultierenden niedrigen Lichtausbeuten werden keine Aussagen gemacht.Flash frequency as low as possible, e.g. with 40 ... 50Hz just to produce flicker-free light. Sehphysiologische loads can not be excluded in this mode, which is why the use of such a lighting device on special applications, such as traffic signs, advertising signs u. Like. Limited, which are considered by the human observer in general only briefly. All discharge light sources contain, as energy-converting media, electrically heated plasmas whose electrical properties change as a function of the supplied energy. In particular, as the operating voltage increases, the power conversion increases, thereby increasing the carrier density. This increases the electrical conductivity and the power consumption continues to increase. To counteract the consequent instabilities, discharge lamps must be operated via ballasts, which contain in particular current-limiting Bauelei nent. Mass and scope of these current-limiting components complicate the use of such light sources, especially in the living area. In order to realize a current-voltage characteristic with a positive increase, the use of admixtures of certain metals or metal salts has been tested in xenon and other noble gas high-pressure lamps (DE 2236973 and 2525408). However, there are considerable doubts about the effectiveness of the alleged effects; nothing is known about their practical use. The positive current and voltage characteristic shown in Austrian Patent No. 222223 can only be realized at very high outputs in the discharge tube, which leads to a rapid destruction of the envelope material. The US-PS 3707649 is concerned with a lamp in which the anode and cathode are at such a distance that a spark gap arises between them. These electrode-stabilized discharges have the disadvantage of high proportional electrode losses and large gas-dynamic losses due to shock waves. In addition, resulting from the tact ratios mentioned in the patent unfavorably high color temperatures of 9000K and correspondingly low luminous efficiencies due to the emission maximum at the edge of the UV range. No statements are made on the resulting low light yields.

Object of the invention

Es ist das Ziel der Erfindung, eine Hochdruck-Entladungslampe zu entwickeln, die bei sehr guten Farbwidergabeeigenschaften auch bei niedrigen Leistungsumsätzen eine hohe Lichtausbeute besitzt und unmittelbar nach dem Einschalten den vollen Lichtstrom abgibt. Sie soll bei kompakter Bauform eine gute Bündelungsfähigkeit der Strahlung durch optische Bauelemente gewährleisten. Darüber hinaus soll die Stromversorgung der Lampe so einfach wie möglich gestaltet werden. Eine solche Lichtquelle sollte sowohl für allgemeine Beleuchtungszwecke geeignet als auch in Kraftfahrzeug-Scheinwerfern verwendbar sein und eignet sich damit als Glühlampenalternative bei erheblicher Einsparung an Elektroenergie bzw. bei erheblichem Lichtstromgewinn und als Alternative zu Halogenmetalldampflampen mit dem Vorteil der sofortigen Lichtstromabgabe nach dem Einschalten. Sie ist außerdem für Beleuchtungsaufgaben im wissenschaftlichen und medizinischen Gerätebau einsetzbar und führt dort als Alternative zu Glühlampen und elektrodenstabilisierten Xenon-Höchstdrucklampen zu einer erheblichen Verminderung der Wärmebelastungen des Objektes bzw. des Patienten und im Gerät selbst.It is the object of the invention to develop a high-pressure discharge lamp which has a high luminous efficacy with very good color rendering properties even at low power conversions and emits the full luminous flux immediately after switching on. It should ensure a good bundling ability of the radiation through optical components in a compact design. In addition, the power supply of the lamp should be made as simple as possible. Such a light source should be suitable both for general lighting purposes and usable in motor vehicle headlamps and is thus suitable as a light bulb alternative with considerable savings in electrical energy or significant luminous flux and as an alternative to metal halide lamps with the advantage of immediate luminous flux delivery after switching. It is also used for lighting tasks in scientific and medical device construction and leads there as an alternative to incandescent and electrode-stabilized xenon high pressure lamps to a significant reduction in heat loads on the object or the patient and in the device itself.

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, bereits unmittelbar nach dem Einschalten der Lichtquelle aus einem kleinen Volumen elf intensives Kontinuum im sichtbaren Spektralbereich auszusenden, für dieses Medium einen Plasmazustand aufzufinden, hei dem sowohl diese Kontinuumsstrahlung mit hoher Ausbeute und guter Bündelungsfähigkeit erzeugt wird als auch die Entladung eine positive Strom-Spannungskenniinie aufweist, 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 able to emit eleven intense continuum in the visible spectral range immediately after switching on the light source from a small volume, for this medium to find a plasma state in which both this continuum radiation is generated with high yield and good bundling capability and the discharge has a positive current-voltage characteristic, and finally the technical means for realizing such a plasma state.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in einem lichtdurchlässigen Entladungsgefäß mit Elektroden eine Entladung in Xenon und/oder Krypton betrieben wird und das Entladungsplasma durch leistungsstarke elektrische Impulse mit hoher Folgefrequenz und kleinem Tastverhältnis soweit aufgeheizt wird, daß das über den sichtbaren Spektralbereich verteilte Rekortbinationskontinuum mit hoher Intensität abgestrahlt wird und daß diese die Intensität der Linienstrahlung in den lichttechnisch unwirksamen Spektralbereichen deutlich übertrifft.According to the invention, this object is achieved in that a discharge in xenon and / or krypton is operated in a light-transmitting discharge vessel with electrodes and the discharge plasma is heated by powerful electrical pulses with high repetition rate and low duty cycle to the extent that distributed over the visible spectral range Rekortbinationskontinuum with emitted high intensity and that this exceeds the intensity of the line radiation in the photoperiodically ineffective spectral ranges.

Dazu wird der Entladung während der Impulse eine Momentanleistung zugeführt, welche die im Interesse der Leoensdauer des Entladungsrohres im Dauerbdtrieb zulässige mittlere Leistung N um den Faktor 5 oder mehr übersteigt. Dabei wird die Entladung zwischen den Impulsen mit Hilfe eines Haltestromes von maximal 50% des durchschnittlichen Stromes betrieben, ¹Jo daß sie nicht verlischt und nicht zu Beginn jedes Impulses neu gezündet werden muß. Die Impulsfolgefrequenz wird gleich oder größer als 100Hz gewählt, so daß sie hinreichend weit oberhalb der Flimmerverschmelzungsfrequenz des menschlichen Ai ges liegt und diesbezügliche sehphysiologis~he Probleme vermieden werden.For this purpose, the discharge during the pulses an instantaneous power is supplied, which exceeds the permissible in the interest of the Leoensdauer the discharge tube in the continuous drive average power N by a factor of 5 or more. The discharge between the pulses is operated by means of a holding current of at most 50% of the average current, ¹ Jo that it does not go out and does not have to be re-ignited at the beginning of each pulse. The pulse repetition frequency is chosen to be equal to or greater than 100 Hz, so that it is sufficiently far above the flicker fusion frequency of the human eye and related sehphysiological problems are avoided.

Die Impulslänge läßt sich dann aus der Bedingung errechnen, daß die im zeitlichen Mittel durch Impuls und Haltestrom eingespeiste Leistung gleich der im Dauerbetrieb zulässigen mittleren Leistung N ist. Allerdings sollten sowohl die Momentanleistung während der Impulse als auch die Impulsfolgefrequenz in der Weise nach oben begrenzt v/erden, daß die so berechneten Impulslängen einen Wert von 10ps nicht unterschreiten, weil sonst infolge der thermischen Trägheit der Entladung der beabsichtigte 'iffekt nur unvollkommen erreicht wird.The pulse length can then be calculated from the condition that the power fed in on average by pulse and holding current is equal to the permissible average power N in continuous operation. However, both the momentary power during the pulses and the pulse repetition frequency should be limited in the way that the pulse lengths calculated in this way do not fall below 10 ps, otherwise the intended inertia will only be reached imperfectly due to the thermal inertia of the discharge ,

Die durch diese Art des Betriebes der Lampen technisch realisierte Erhöhung der Plasmatemperatur T_p über die Temperatur T, der stationär mit Gleichstrom oder quasistationär mit sinusförmigem Wechselstrom betrieberen Entladungen hinaus, ohne dabei die Wandtemperatur T_w des Entladungsgefäßes gegenüber dem stationären Betrieb zu erhöhen, bewirkt eine une;wartet starke Erhöhung der Kontinuumsstrahlung im sichtbaren Bereich, so daß sich ein hoher visueller Nutzeffekt ergibt. Dieser hohe visuelle Nutzeffekt wird noch dadurch verstärkt, daß die zeitlich kurzen, aber intensiven Leistungsimpulse die in jeder Gasentladung auftretenden thermischen Verluste deutlich verringern. Eine weitere Verbesserung des Nutzeffekts läßt sichThe technically realized by this type of operation of the lamps increase of the plasma temperature T _p over the temperature T, stationary stationary with DC or quasi stationary with sinusoidal AC Betrieberen discharges addition, without increasing the wall temperature T _{w of} the discharge vessel relative to the stationary operation, causes a une; waits strong increase of the continuum radiation in the visible range, so that a high visual benefit results. This high visual efficiency is further enhanced by the fact that the short but intense power pulses significantly reduce the thermal losses occurring in each gas discharge. A further improvement of the efficiency can be

erreichen, wenn das Verhältnis vom Innendurchmesser des Entladungsgefäßes zum Elektrodenabstand den Wert von 0,3 nicht übersteigt, da dann der Leitwert der Entladungsstrecke nicht durch eine radiale Expansion des Entladungskanals in der stromstarken Phase vergrößert wird.reach, if the ratio of the inner diameter of the discharge vessel to the electrode gap does not exceed the value of 0.3, since then the conductance of the discharge gap is not increased by a radial expansion of the discharge channel in the high-current phase.

Diese Maßnahmen bewirken eine deutliche Steigerung der Lichtausbeute gegenüber dem jetzigen Stand der Technik, die nbht unbedingt erwartet wurde.These measures cause a significant increase in the light output compared to the current state of the art, which was definitely expected.

Ein weiterer Vorzug dieser Betriebsart besteht darin, daß bei Impulsleistungen, die um den Faktor 5 und mehr oberhalb der stationär zulässigen Leistung liegen, die Elektronendichte mit einer weiteren Steigerung der Leistung nicht mehr nennenswert wächst. Doshalb steigt dabei auch die elektrische Leitfähigkeit nur noch unwesentlich an, und die Entladung gewinnt eine positive Charakteristik. Auf diese Weise werden die bei Hochdruck-Entladungslampen üblichen platzraubenden, schweren und verlustbehafteten Bauelemente zur Strombegrenzung entbehrlich, und die Stromversorgungsgeräte für solche Lampen werden besonders einfach im Aufbau.Another advantage of this mode is that at pulse powers that are by a factor of 5 and more above the steady state allowable power, the electron density no longer increases significantly with a further increase in power. At the same time, the electrical conductivity only increases insignificantly, and the discharge gains a positive characteristic. In this way, the space-consuming, heavy and lossy components for current limiting common in high-pressure discharge lamps are dispensable, and the power supply units for such lamps are particularly simple in construction.

Die Farbtemperatur der erfindungsgemäßen Lampe läßt sich erniedrigen und den Wünschen für die Innenraumbeleuchtung anpassen, indem man das Entladungsrohr mit einbm Außenkolben umgibt, dessen Innenwand mit einem Leuchtstoff beschichtet ist, welcher im Wellenlängenbereich zwischen 550 und 650nm emittiert und durch langwellige Ultraviolettstrahlung angeregt werden kann. Dieser Leuchtstoff transformiert die kurzwelligen Anteile des Rekombinationskontinuums unterhalb einer Wellenlänge von 450 nm in den gelbroten Spektralbereich mit dem Ergebnis einer wirksamen Absenkung der Farbtemperatur auf einen Wert von 4000K oder darunter, welche darüber hinaus sogar noch mit 'einer Erhöhung der Lichtausbeute verbunden ist. Gleichzeitig wird durch die lichtstreuende Wirkung der Leuchtstoffschicht die Leuchtdichte der Lampe stark herabgesetzt und damit die Gefahr einer durch sie verursachten Blendung vermieden.The color temperature of the lamp according to the invention can be lowered and adapted to the wishes of the interior lighting by surrounding the discharge tube with einbm outer bulb whose inner wall is coated with a phosphor which emits in the wavelength range between 550 and 650 nm and excited by long-wave ultraviolet radiation. This phosphor transforms the short-wavelength components of the recombination continuum below a wavelength of 450 nm into the yellow-red spectral range with the result of an effective lowering of the color temperature to a value of 4000K or below, which is moreover associated with an increase in the luminous efficacy. At the same time the luminance of the lamp is greatly reduced by the light-scattering effect of the phosphor layer and thus avoids the risk of glare caused by them.

embodiment

Die Erfindung soll nachsehend an zwei Ausführungsbeispielen beschrieben werden, die für eine elektrische Leistung von 35W ausgelegt sind und in den Fig. 1,2,3 und 4 näher erläutert werden.The invention will be described with reference to two exemplary embodiments, which are designed for an electrical power of 35W and are explained in more detail in FIGS. 1, 2, 3 and 4.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem die Entladungslampe durch ein zylindrisches Entladungsrohr 1 aus Kieselglas mit einem Innendurchmesser von 1,5mm und mit zwei einander im Abstand von 10mm gegenüberstehenden Elektroden 2 und vakuumdicht eingeschmolzenen Stromzuführungen 3 gebildet wird. Es wird mit Xenon bei einem Kaltdruck von 300 kPa gefüllt. Eine außen am Entladungsrohr angebrachte Zündsonde 4 dient der Erleichterung der Zündung der Lampe. Die Lampe wird durch ein Stromversorgungsgerät 5 in der Weise betrieben, daß ihr nach Zündung durch einen Hochspannungsimpuls 200 Stromimpulse pro Sekunde mit einer Impulsdauer von t = 100 μβ und einer Maximalstromstärke im Impuls von 50A zugeführt werden. Diese Impulse werden einem Haltestrom in Form eines Gleichstromes von 0,1 A bei gleicher Polarität überlagert. Fig. 2 zeigt den Verlauf des Lampenstromes als Funktion der Zeit.Fig. 1 shows an embodiment in which the discharge lamp is formed by a cylindrical discharge tube 1 made of silica glass with an inner diameter of 1.5 mm and with two mutually spaced at a distance of 10mm electrodes 2 and vacuum-tight fused power supply 3. It is filled with xenon at a cold pressure of 300 kPa. An ignition probe 4 mounted on the outside of the discharge tube serves to facilitate the ignition of the lamp. The lamp is operated by a power supply unit 5 in such a way that after ignition by a high voltage pulse 200 current pulses per second with a pulse duration of t = 100 μβ and a maximum current intensity in the pulse of 50A are supplied. These pulses are superimposed on a holding current in the form of a direct current of 0.1 A with the same polarity. Fig. 2 shows the course of the lamp current as a function of time.

Die so mit leistungsstarken Impulsen betriebene Xenonhochdruck-Entladungslampe emittiert bei einer mittleren Leistungsaufnahme von 35W einen Lichtstrom von 1400Im. Ihre Farbtemperatur beträgt 6500K, und ihr allgemeiner Farbwiedergabeindex hat den Wert 95. Ihre mittlere Leuchtdichte ist 12000 cd/cm² und bildet eine gute Voraussetzung für die Bündelung der Strahlung durch optische Bauelemente. Die von der Entladung ausgebildete Strom-Spannungscharakteristik ist in Fig.3 dargestellt; sie hat im Bereich der Impulsstromstärke den gewünschten positiven Anstieg. Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig.4 abgebildet. Es enthält ein Entladungsrohr nach Fig. 1, welches von einem evakuierten Außenkolben 6 ><mgeben ist, wobei ein Gestellaufbau 7 die mechanische Halterung des Entladungsrohres und die elektrische Verbindung der Stromzuführungen mit dem Sockel 8 übernimmt. Der Außenkolben ist auf seiner Innenwand mit einer Leuchtstoffschicht 9 aus Ca-Halophosphat:Mn überzogen. Entladungsrohr mit Zündsonde, Gestellaufbau, Außenkolben und Sockel bilden zusammen die Entladungslampe. Sie wird in derselben Weise betrieben wie die Lampe nach Ausführungsbeispiel 1 und emittiert bei einer mittleren Leistungsaufnahme von 35W einen Lichtstrom von 1450 Im bei einer Farbtemperatur von 4000K und einem Farbwiedergabeindex von 90.The xenon high-pressure discharge lamp, which is operated with powerful pulses, emits a luminous flux of 1400 lm at an average power consumption of 35W. Its color temperature is 6500K, and its general color rendering index is 95. Its average luminance is 12000 cd / cm ² and is a good prerequisite for the bundling of radiation by optical components. The current-voltage characteristic formed by the discharge is shown in FIG. it has the desired positive increase in the range of the pulse current. Another embodiment is shown in FIG. It contains a discharge tube according to FIG. 1, which is surrounded by an evacuated outer bulb 6, with a frame structure 7 assuming the mechanical support of the discharge tube and the electrical connection of the current leads to the base 8. The outer bulb is coated on its inner wall with a phosphor layer 9 of Ca-halophosphate: Mn. Discharge tube with ignition probe, frame assembly, outer bulb and socket together form the discharge lamp. It is operated in the same way as the lamp according to embodiment 1 and emits at a mean power consumption of 35W a luminous flux of 1450 Im at a color temperature of 4000K and a color rendering index of 90.

Claims

1. A wall-stabilized high-pressure discharge lamp comprising a light-emitting discharge vessel with two fused electrodes and filled with a discharge medium, characterized in that by a combination of the use of a heavy noble gas as a discharge medium with a power supply of the lamp by pulses with a Power density of 1000 to 10,000 W / cm ³ , a maximum peak current in the pulse of 5OA uno a pulse repetition frequency of 100 to 1000Hz is used, the ratio of pulse width to the time interval of the individual pulses is between 0.01 and 0.15.

2. Wall-stabilized high-pressure discharge lamp according to claim 1, characterized in that is, heavy noble gas xenon and / or krypton with a cold pressure of 10 to 50OkPa.

3. Wall-stabilized high-pressure discharge lamp according to claim 1 and 2, characterized in that the pulse width is not less than 10ps and not greater than 1 ms and the ratio of pulse width to Impulsibstand preferably .between 0.02 and 0.1. ,

4. Wall-stabilized high-pressure discharge lamp according to claim 1, characterized in that the peak current in the pulse is chosen so that the ratio of instantaneous power in the pulse to the time average of the power is greater than 5: 1.

5. Wall-stabilized high-pressure discharge lamp according to claim 1 to 4, characterized in that the discharge between the pulses by a holding current in the amount of up to 50% of the time average value of the current at rated power is maintained.

6. wall-stabilized high-pressure discharge lamp according to claim 1 to 5, characterized in that the ratio of the inner diameter of the discharge tube to the! Electrode spacing does not exceed the value of 0.3.

7. Wall-stabilized high-pressure discharge lamp according to claim 1 to 6, characterized in that the Larnpe is surrounded by an evacuated or Gau filled outer bulb whose inner wall is coated with a phosphor which emits in the wavelength range of 550 to 650 nm.