DE10028089B4

DE10028089B4 - Beleuchtungseinrichtung mit einer Hochleistungs-Entladungslampe

Info

Publication number: DE10028089B4
Application number: DE10028089A
Authority: DE
Inventors: Kazutoshi Mita; Hisashi Honda; Seiji Ashida
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 1999-06-10
Filing date: 2000-06-07
Publication date: 2010-12-09
Anticipated expiration: 2020-06-08
Also published as: KR20010049503A; KR100387689B1; CN1277535A; CN1192688C; US6388394B1; DE10028089A1

Abstract

Leuchtvorrichtung mit einer Hochleistungs-Entladungslampe (HDL), beinhaltend ein lichtdurchlässiges Entladungsgefäß (1) mit Mantel (1a), Entladungsraum, gefüllt mit einem Ne- und Ar-haltigen Entladungsmittel, und einer Elektrode (2), die mit Abstand (g) zur Innenwand in dem hohlen Abschnitt (1b) eingesetzt ist, die vorne in den Entladungsraum ragt und die am hinteren Ende mit einem Anschlussleiter (3) verbunden ist, welcher im Mittenabschnitt am lichtdurchlässigen Entladungsgefäß befestigt ist und der hinten aus dem Entladungsgefäß herausschaut, sowie einem Vorschaltgerät (HB), dessen Belastungskennlinie glatt von der sekundären Leerlaufspannung zum sekundären Kurzschlussstrom verläuft, und mit dem man die Hochleistungs-Entladungslampe mit Hochfrequenz betreiben kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung mit einer Hochleistungs-Entladungslampe, wobei die Hochleistungs-Entladungslampe mit einem kompakten Vorschaltgerät betrieben werden kann.
Es wurde kürzlich eine kompakte Halogen-Metalldampflampe mit einer Betriebsleistung im Bereich von 10 bis 30 Watt als Lichtquelle für Lichtleiter oder als Ersatz. für Halogenglühlampen entwickelt. Bei einer derartigen Halogen-Metalldampflampe ist der Wirkungsgrad der Lichterzeugung drei- bis viermal größer als bei Halogenglühlampen, und sie ist beträchtlich kleiner als eine Leuchtstofflampe gleicher Leistung. Sie bietet sich daher als Lichtquelle an.
Die genannte Halogen-Metalldampflampe ist eine Lichtquelle, die die Vorteile der Halogenglühlampe und der elektrischen Leuchtstofflampe in sich vereint. Da es sich um eine Hochleistungs-Entladungslampe handelt, benötigt sie jedoch einen Stabilisator, d. h. ein Vorschaltgerät, in dem sich ein Zünder befindet, der beim Startvorgang eine relativ hohe pulsförmige Spannung erzeugt, oder ein Vorschaltgerät ohne Zünder und zusätzlich einen vom Vorschaltgerät getrennten Zünder. Natürlich benötigt eine Leuchtstofflampe, da sie auch eine Entladungslampe ist, ebenfalls ein Vorschaltgerät. Das Vorschaltgerät einer Hochleistungs-Entladungslampe ist jedoch verglichen mit dem Vorschaltgerät einer Leuchtstofflampe in Glühbirnenform außerordentlich groß. Selbst wenn man die Schwierigkeiten überwinden kann, die die Entwicklung einer kompakten Hochleistungs-Entladungslampe bietet, so ist das Gesamtsystem, das die Lichtquelle, den Stabilisator, d. h. das Vorschaltgerät, und eine Beleuchtungseinrichtung enthält, sehr groß.
Die DE 35 06 295 A1 offenbart eine Hochdruck-Gasentladungslampe mit einem Entladungsgefäß sowie Elektroden. Das Entladungsgefäß ist mit einer Mischung aus einem Edelgas sowie Metallhalogeniden und Halogen im Überschuss gefüllt. Als Halogen ist dabei Argon genannt.
sDie DE 44 36 825 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Betreiben einer Hochdruck-Gasentladungslampe mit einer elektronischen Vorschalteinrichtung. Problematisch bei diesen Lampen ist, dass es oft zu einer Schwärzung der Lampe kommt.
Zum Lösen dieses Problems setzt der Erfinder ein Vorschaltgerät ein, das hauptsächlich aus einem kompakten Hochfrequenzumrichter besteht, der für Leuchtstofflampen und insbesondere für Leuchtstofflampen in Glühbirnenform verwendet wird. Dieses Vorschaltgerät für Leuchtstofflampen in Form einer Glühbirne hat im Allgemeinen einen einfachen Schaltungsaufbau und arbeitet bei hohen Frequenzen. Damit ist ein derartiger Stabilisator kompakt, billig und von geringem Gewicht.
Betreibt man eine Hochleistungs-Entladungslampe mit einem solchen kompakten Vorschaltgerät für eine Leuchtstofflampe, so tritt durch den Startvorgang eine intensive Schwärzung auf.
Der Erfinder hat deshalb Untersuchungen über Ursache und Stärke der Schwärzung angestellt. Es wurden die folgenden Ergebnisse erzielt.

(1) Das Material der Schwärzung besteht im Wesentlichen aus dem Metall Wolfram, aus dem die Elektroden aufgebaut sind.
(2) Die Schwärzung entsteht dadurch, dass das Wolfram der Elektroden beim Startvorgang verdampft, und zwar insbesondere beim Übergang von der Glimm- zur Bogenentladung. Das Wolfram haftet dann an der Innenfläche des lichtdurchlässigen keramischen Entladungsgefäßes.

Ferner hat sich herausgestellt, und zwar durch eine weitere Untersuchung des Elektrodenverhaltens beim Übergang von der Glimm- zur Bogenentladung, dass im Vergleich zum Vorschaltgerät der herkömmlichen Hochleistungs-Entladungslampe, das beim Startvorgang keine solche Schwärzung erzeugt, die Schwarzfärbung durch das unterschiedliche Belastungsverhalten des Leuchtstofflampen-Vorschaltgeräts und des Hochleistungs-Entladungslampen-Vorschaltgeräts entsteht.
1 zeigt eine Kurve des Belastungsverhaltens eines Hochleistungs-Entladungslampen-Vorschaltgeräts und eines Leuchtstofflampen-Vorschaltgeräts.
In 1 ist auf der Abszisse der Strom und auf der Ordinate die Spannung aufgetragen.
In 1 zeigt die Kurve A das Belastungsverhalten eines Hochleistungs-Entladungslampen-Stabilisators. Die Kurve B zeigt das Belastungsverhalten eines Leuchtstofflampen-Stabilisators. Die Nennbetriebspunkte der Hochleistungs-Entladungslampe für beide Stabilisatoren liegen im Spannungsbereich von 72–75 V und im Strombereich von 280–340 mA. Die Nennbetriebspunkte der beiden Stabilisatortypen sind damit nahezu gleich.
Wie man sehen kann, ist bei der Kennlinie A des Belastungsverhaltens des Hochleistungs-Entladungslampen-Stabilisators die sekundäre Leerlaufspannung V20 relativ gering und der sekundäre Kurzschlussstrom Is relativ groß. Dies hat seine Ursache in einer höheren Impulsspannung, die ein Zünder beim Startvorgang erzeugt, und die der Ausgangsspannung des Stabilisators überlagert wird. Die überlagerte Spannung wird dann an die Lampe angelegt. Damit braucht der Stabilisator zum Zeitpunkt des Starts keine besonders hohe Spannung zu erzeugen. Da zum Startzeitpunkt die Lampenspannung an der Hochleistungs-Entladungslampe niedrig ist, vergrößert sich der Lampenstrom.
Die Kurve B zeigt, dass bei der Belastungskennlinie des Leuchtstofflampen-Stabilisators die sekundäre Leerlaufspannung V20 relativ groß und der sekundäre Kurzschlussstrom Is relativ gering ist. Zwischen diesen beiden Punkten verläuft die Kurve B relativ glatt. Damit ist im Niederstrombereich, der der Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung entspricht, d. h. im Bereich unter 30 mA, die sekundäre Versorgungsspannung höher als bei der Belastungscharakteristik des Hochleistungs-Entladungslampen-Stabilisators.
Eine Bestimmung der Glimmleistung beim Übergang von der Glimm- zur Bogenentladung hat ergeben, dass die Glimmleistung beim Einsatz des Leuchtstofflampen-Stabilisators um ein Mehrfaches größer ist als beim Gebrauch des Hochleistungs-Entladungslampen-Stabilisators.
Aufgrund der obigen Tatsachen geht man davon aus, dass die Schwärzung durch verdampfendes Wolfram aus den Elektroden bei übermäßiger Glimmleistung entsteht.
Andererseits hat sich gezeigt, dass die Schwärzung auch durch die Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung beeinflusst wird. Beim Betrieb einer Hochleistungs-Entladungslampe mit einem Quarzglas-Entladungsgefäß an einem Stabilisator, d. h. einem Vorschaltgerät mit Spule und Eisenkern für herkömmliche, übliche Hochleistungs-Entladungslampen, entsteht die Schwärzung beim Startvorgang aufgrund des Zerstäubens der Wolframelektroden durch Quecksilberionen und Edelgasionen während der Glimmentladung. Deswegen hat man bisher geglaubt, dass die Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung zum Unterdrücken der Schwärzung so kurz wie möglich sein sollte.
Bei Untersuchungen des Erfinders an einer Hochleistungs-Entladungslampe mit einem lichtdurchlässigen keramischen Entladungsgefäß hat sich gezeigt, dass eine sehr kurze Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung die Schwärzung beschleunigt, und zwar wegen des besonderen Aufbaus und des ungewöhnlichen Verhaltens des Entladungsgefäßes. Im Gegensatz dazu hat sich gezeigt, dass eine sehr lange Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung die Schwärzung ebenfalls beschleunigt.
Im Folgenden wird der Zusammenhang zwischen der Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung und der Schwärzung erklärt.
Eine Hochleistungs-Entladungslampe mit einem lichtdurchlässigen keramischen Gefäß besteht aus einem Mantel, der einen Entladungsraum bestimmt, und aus zylindrischen Abschnitten mit geringem Durchmesser, die mit dem Mantel verbunden sind. In den zylindrischen Abschnitt mit kleinem Durchmesser ist ein Elektrodenhalteteil eingesetzt, das einen schmalen Spalt, die sogenannte Kapillare, zwischen der Innenwand des zylindrischen Abschnitts mit kleinem Durchmesser und dem Elektrodenhalteteil bestimmt. Arbeitet die Hochleistungs-Entladungslampe bei stabilen Betriebsbedingungen, so befindet sich überschüssiges Entladungsmittel in flüssiger Phase unten im schmalen Spalt. Seine Oberfläche bildet die kälteste Stelle in der Lampe. Ist die Hochleistungs-Entladungslampe außer Betrieb, so scheidet sich eine große Menge des Entladungsmittels im schmalen Spalt ab und berührt die Elektrode in flüssiger oder fester Phase.
Beim Starten der Hochleistungs-Entladungslampe wirken das gesamte Elektrodenhalteteil im schmalen Spalt und der Hauptabschnitt der Elektrode als Elektrode, und es tritt eine Glimmentladung um sie herum auf. In diesem Zeitabschnitt wird ein Teil der Leistung beim Übergang von der Glimm- zur Bogenentladung zum Verdampfen des Entladungsmittels verbraucht. Der größte Teil des Entladungsmittels verdampft in kurzer Zeit. Dies verzögert den Anstieg auf die Temperatur, die für einen Übergang von der Glimm- zur Bogenentladung erforderlich ist, und verlängert damit die Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung. Ist die Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung sehr lang, so zerstäubt sehr viel Elektrodenmaterial; dadurch entsteht die Schwärzung. Die Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung wird auch durch Menge und Art des Entladungsmittels beeinflusst. Im Entladungsmittel kann man eine Kombination aus Na, Tl und In oder aus Na, Tl und Dy als Entladungsmaterial verwenden; es kann die Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung jedoch nicht verbessern.
Man hat versucht, die Betriebsspannung zum Startzeitpunkt der Hochleistungs-Entladungslampe so anzuheben, dass die kleinstmögliche Leistung beim Übergang von der Glimm- zur Bogenentladung überschritten wird, um die Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung ein wenig zu verkürzen. Eine übermäßige Zufuhr an Glimmleistung bewirkt jedoch eine starke Elektrodenerwärmung. Dies erzeugt eine zusätzliche Elektrodenverdampfung und beschleunigt damit die Schwärzung.
Nach dem Übergang der Hochleistungs-Entladungslampe von der Glimmentladung zur Bogenentladung entsteht ein Brennfleck auf dem Hauptabschnitt der Elektrode. Anschließend kondensiert überschüssiges Entladungsmittel unten im schmalen Spalt und verbleibt dort in flüssiger Phase. Seine Oberfläche bildet den kältesten Abschnitt der Lampe. Die Hochleistungs-Entladungslampe arbeitet dann stabil.
Bei einer Hochleistungs-Entladungslampe mit Quarzglas-Entladungsgefäß bildet sich der kälteste Abschnitt an einem Teil der Elektrode, der von dem Elektrodenteil im Mantel entfernt ist, der den Entladungsraum bestimmt. Daraus schließt man, dass das Verkürzen der Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung so weit wie möglich die Schwärzung wirksam unterdrücken kann. Uns ist kein Dokument bekannt, das die Schwärzung für den Fall behandelt, dass eine Hochleistungs-Entladungslampe mit einem Vorschaltgerät für den Hochfrequenzbetrieb von Leuchtstofflampen betrieben wird.
Beim Betrieb einer Hochleistungs-Entladungslampe ist es zudem erforderlich, das Auftreten eines akustischen Resonanzphänomens zuverlässig zu verhindern. Die akustische Resonanzerscheinung wird nun beschrieben. Zum Vermeiden des akustischen Resonanzphänomens sind bereits eine Reihe von Vorschlägen unterbreitet worden. Ein einfacher und wirksamer Ansatz bei Hochleistungs-Entladungslampen ist eine Betriebsfrequenz, die deutlich unter der Resonanzfrequenz der Hochleistungs- Entladungslampen liegt. Die Resonanzfrequenz der Hochleistungs-Entladungslampen ändert sich abhängig von der Form und der Größe der Entladungsräume in dem lichtdurchlässigen Entladungsgefäß. Ist die Gestalt des Entladungsraums kompliziert, beispielsweise zylinderförmig, so treten mehrere Moden mit Resonanzfrequenzen auf. Betreibt man die Hochleistungs-Entladungslampe nicht mit einer Betriebsfrequenz, die wesentlich unter der Frequenz des Grundmodus liegt, d. h. unter der niedersten Frequenz der zahlreichen Resonanzfrequenzmoden, so kann man das akustische Resonanzphänomen nicht vermeiden.
Zum Erfüllen der angegebenen Bedingungen ist es erforderlich, die Betriebsfrequenz beträchtlich zu senken. Dies ist hinsichtlich einer Miniaturisierung des Vorschaltgeräts unvorteilhaft.
Andererseits weiß man auch, dass bei einem Betrieb von Hochleistungs-Entladungslampen mit einer Frequenz, die zehnfach über dem Grundmode der Frequenz des akustischen Resonanzphänomens liegt, die Probleme mit der akustischen Resonanz nicht auftreten. Bei einer derartig hohen Betriebsfrequenz wird jedoch das Strahlungsrauschen und Leitungsrauschen sehr stark. Kämpft man mit einer elektromagnetischen Abschirmung dagegen an, so tritt die weitere Schwierigkeit auf, dass die Größe der Hochleistungs-Entladungslampe letztlich zunimmt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Hochleistungs-Entladungslampe und/oder ihr Vorschaltgerät so klein wie möglich zu gestalten.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine kompakte Hochleistungs-Entladungslampe und ein zugehöriges Vorschaltgerät bereitzustellen, die eine Schwärzung durch Verdampfung von Elektrodenmaterial beim Übergang von der Glimm- zur Bogenentladung verringern.
Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine kompakte Hochleistungs-Entladungslampe und ein zugehöriges Vorschaltgerät bereitzustellen, die nicht nur akustische Resonanzerscheinungen vermeiden können, sondern auch möglichst klein sind.
Gemäß der Erfindung besitzt eine Beleuchtungseinrichtung mit einer Hochleistungs-Entladungslampe
eine Hochleistungs-Entladungslampe, die enthält: ein lichtdurchlässiges keramisches Entladungsgefäß mit einem Mantel, der einen Entladungsraum bestimmt, und einem hohlen Teil, dessen Innendurchmesser kleiner ist als der Mantel, eine längliche Elektrode, die in das hohle Teil des lichtdurchlässigen Entladungsgefäßes eingesetzt ist, wobei ein schmaler Spalt zur Innenwand des hohlen Teils verbleibt und ein Vorderende der Elektrode in das hohle Teil des lichtdurchlässigen Entladungsgefäßes ragt, einen Anschlussleiter, dessen Vorderende mit einem hinteren Ende der Elektrode verbunden ist, dessen Mittenabschnitt an dem lichtdurchlässigen Entladungsgefäß befestigt ist, und dessen Hinterende aus dem lichtdurchlässigen Entladungsgefäß herausragt, und ein Entladungsmittel, das Neon und Argon enthält, und
ein Vorschaltgerät, das durch einen Hochfrequenzumrichter verankert ist, um die Hochleistungs-Entladungslampe mit einer Hochfrequenz zu zünden, die in einer solchen Größenordnung liegt, dass das Verhältnis V20/VS der sekundären Leerlauf-Entladungsspannung V20 des Vorschaltgeräts zur Entladungsstartspannung VS der Hochleistungs-Entladungslampe in den folgenden Bereich gebracht werden lann: 110 ≤ V20/VS ≤ 300. Dabei ist das Argon so mit dem Neon gemischt, dass es 0,1 bis 10% des Gesamtdrucks enthält und der Gasdruck von Neon und Argon liegt im Bereich von 6,65 bis 77,1 kPa.
In den folgenden Beschreibungen werden einige Definitionen und ihre technischen Bedeutungen für die folgenden besonderen Begriffe festgelegt, soweit sie nicht anderweitig definiert werden.
Hochleistungs-Entladungslampe
Lichtdurchlässiges Entladungsgefäß
Das lichtdurchlässige Entladungsgefäß, das aus einem Mantel und einem hohlen Teil besteht, wird aus lichtdurchlässiger Keramik hergestellt. Der Begriff ”lichtdurchlässig” bedeutet in diesem Fall eine Durchlässigkeit, die es einem durch Entladung erzeugten Licht erlaubt, das Gefäß einer Entladungslampe nach außen zu durchdringen. Demgemäß kann der Term nicht nur eine Durchlässigkeit bedeuten, sondern auch eine Lichtstreuung. Es reicht zudem aus, wenn das Gefäß zumindest eine Lichtdurchlässigkeit hat. Das Gefäß kann auch eine Tönwirkung haben.
Der Mantel hält hauptsächlich eine positive Säule, die während des Betriebs auf den Elektroden erzeugt wird. Der Mantel kann mehrere Formen aufweisen und beispielsweise kugelförmig, oval oder unregelmäßig sein.
Das hohle Teil befindet sich an einer oder beiden Seiten des Mantels und bestimmt einen schmalen Spalt zwischen seiner inneren Oberfläche und einer Elektrode, die in das hohle Teil eingesetzt wird.
Das lichtdurchlässige Keramikgefäß, das nicht durch Erwärmen bearbeitbar ist, kann man mit einer keramischen Dichtmasse abdichten.
Elektrode
Die Elektrode hat eine längliche Form und ist aus Wolfram oder dotiertem Wolfram hergestellt. Sie bildet einen schmalen Spalt gegen die Innenfläche des Gefäßes aus, in das sie eingesetzt ist. Ihr Vorderende ragt in den Mantel hinein, und kann gewickelt sein, um die Entladung durch einen größeren Oberflächenbereich zu verbessern.
Der Mittenabschnitt der Elektrode hat bevorzugt eine feste Abmessung, damit ein schmaler Spalt, d. h. eine Kapillare, so gleichförmig wie möglich und mit gleichmäßigem Abstand zur Innenfläche des hohlen Teils des lichtdurchlässigen Gefäßes der Entladungslampe ausgebildet wird.
Das hintere Ende der Elektrode wird in einer festgelegten Position zum lichtdurchlässigen Gefäß der Entladungslampe befestigt und führt den elektrischen Strom von außen zu. Das hintere Ende der Elektrode ist durch eine Sinterung mechanisch mit dem Anschlussleiter verbunden, und sie ist dadurch befestigt und elektrisch angeschlossen. Zum Puffern der Sinterwärme kann man zwischen den Anschlussleiter und das hintere Ende der Elektrode ein geeignetes Material, beispielsweise Molybdän, einlegen.
Anschlussleiter
Der Anschlussleiter dient zum Anlegen einer Spannung an die Elektroden und führt den Elektroden den elektrischen Strom zu. Zudem dichtet er das lichtdurchlässige Gefäß der Entladungslampe ab. Das vordere Ende des Anschlussleiters ist mit dem hinteren Ende der Elektrode verbunden. Das hintere Ende des Anschlussleiters ragt aus dem lichtdurchlässigen Gefäß der Entladungslampe hervor. Der Satz ”das Hinterende des Anschlussleiters ragt aus dem lichtdurchlässigen Gefäß der Entladungslampe hervor” bedeutet nicht unbedingt, dass der Anschlussleiter aus dem lichtdurchlässigen Gefäß der Entladungslampe herausragen muss; er muss jedoch von außen zugänglich sein, damit man ihm Strom von außen zuführen kann.
Der Anschlussleiter kann auch dazu dienen, die gesamte Hochleistungs-Entladungslampe zu halten.
Der Anschlussleiter kann aus einem dichtenden Metallstab, einem Metallrohr oder einer Wicklung aus Niob aufgebaut sein. Da Niob sehr leicht oxidiert, ist in diesem Fall an den Anschlussleiter ein oxidationsbeständiger Leiter angeschlossen. Der Anschlussleiter muss von einem Dichtmittel eingeschlossen sein, damit er keinen Kontakt zur Luft hat, falls die Hochleistungs-Entladungslampe an der Luft betrieben wird.
Entladungsmittel
Das Entladungsmittel enthält Neon und Argon als Startgas und Puffergas. Es wird in das lichtdurchlässige Gefäß der Entladungslampe eingefüllt und erzeugt bei Betrieb einen Gesamtdruck.
In der Entladungslampe kann man je nach Anforderung Halogen-Metalldampf oder Quecksilber als Licht abstrahlendes Material oder Puffergas verwenden.
Das Argon ist mit dem Neon so gemischt, dass es 0,1–10 Prozent des Gesamtdrucks erzeugt.
Neon und Argon werden normalerweise mit einem Gasdruck im Bereich von 6,65 bis 77,1 kPa (50 bis 580 Torr) eingefüllt. Beträgt der Druck des eingefüllten Gases weniger als 6,65 kPa (50 Torr), so verlängert sich die Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung, und die Schwärzung durch die Verdampfung des Elektrodenwolframs wird beträchtlich. Übersteigt der Druck des eingefüllten Gases 77,1 kPa (580 Torr), so steigt die Betriebsspannung der Hochleistungs-Entladungslampe, und die Glimmleistung nimmt zu. Damit ist die Aufgabe der Erfindung nicht zu erfüllen.
Verwendet man Halogen-Metalldampf als Entladungsmittel, so kann man als Halogen zum Bilden des Halogen-Metalldampfs einen oder mehrere Stoffe aus der Gruppe mit Jod, Brom, Chlor und Fluor verwenden.
Die Halogen-Metalldämpfe, die das lichtaussendende Metall enthalten, kann man aus einer Gruppe bekannter Halogen-Metalldämpfe auswählen, damit man eine Strahlung mit gewünschten Strahlungseigenschaften erhält, beispielsweise eine Lichtfarbe oder einen mittleren Farbwiedergabe-Bewertungsindex Ra und einen Lichterzeugungs-Wirkungsgrad. Die Art des Halogen-Metalldampfs hängt weiter von der Größe des lichtdurchlässigen Entladungsgefäßes und der Leistungszufuhr ab. Man kann beispielsweise ein oder mehrere Halide ausgewählt aus der Gruppe mit Na-Halid, Li-Halid, Sc-Halid oder Halide von seltenen Erden verwenden.
Man kann auch Metallhalide mit einem relativ hohen Dampfdruck, die wenig oder überhaupt nicht im Bereich des sichtbaren Lichts abstrahlen, z. B. Aluminium, in das Entladungsgefäß einfüllen, und zwar anstelle einer geeigneten Menge an Quecksilber als Pufferdruck.
Anstelle von Neon oder Argon kann man bei Bedarf auch andere Edelgase in das Gefäß der Entladungslampe einfüllen.
Andere Anordnungen
1) Äußerer Kolben
In der Hochleistungs-Entladungslampe der Erfindung kann man das lichtdurchlässige Entladungsgefäß so aufbauen, dass es mit der Luft in Berührung kommt. Man kann das lichtdurchlässige Entladungsgefäß jedoch auch abgedichtet in einem äußeren Kolben aufnehmen. Die Hochleistungs-Entladungslampe kann als Lichtquelle mit gerichteter Lichtabstrahlung dienen, wenn man die Innenwand des äußeren Kolbens als Reflexionsfläche bezüglich eines Brennpunkts gestaltet.
2) Reflektor
Die Hochleistungs-Entladungslampe der Erfindung kann das Licht mit einer optischen Anordnung leicht bündeln und damit die Größe der Lichtquelle verringern. Auf Wunsch lässt sich die Lichtquelle auch mit einem Reflektor verbinden. Der Reflektor kann auf der Innenwand des äußeren Kolbens ausgebildet sein, der die Hochleistungs-Entladungslampe aufnimmt. Man kann die Hochleistungs-Entladungslampe auch auf einem getrennten Reflektor montieren.
Vorschaltgerät
Das Belastungsverhalten des Vorschaltgeräts in der Erfindung gleicht dem Belastungsverhalten von Vorschaltgeräten, die bei Leuchtstofflampen verwendet werden. Die Erfindung beruht auf der neuen Erkenntnis, dass der Betrieb einer wie beschrieben aufgebauten Hochleistungs-Entladungslampe mit einem Vorschaltgerät, das das genannte Belastungsverhalten aufweist, beim Startvorgang nicht zu Schwärzungen führt.
Damit kann man in der Erfindung das Vorschaltgerät einer Leuchtstofflampe verwenden. Natürlich kann man auch ein Vorschaltgerät verwenden, das für Hochleistungs-Entladungslampen hergestellt wird, wenn es das in der Erfindung festgelegte Belastungsverhalten aufweist.
In der Beschreibung der Erfindung bezeichnet der Begriff ”Hochfrequenz” eine Frequenz von 5 kHz oder mehr.
Zudem ist in der Erfindung die sekundäre Leerlaufspannung V20 des Vorschaltgeräts in einem Bereich eingestellt, der eine relativ große Flexibilität für die Entladungsstartspannung der Hochleistungs-Entladungslampe lässt. D. h., das Verhältnis V20/Vs der sekundären Leerlauf-Entladungsspannung V20 des Vorschaltgeräts zur Entladungsstartspannung Vs der Hochleistungs-Entladungslampe kann im folgenden Bereich eingestellt werden: 110 ≤ V20/Vs ≤ 300.
Da die Entladungsstartspannung der Hochleistungs-Entladungslampe statistisch streut, muss die Festlegung der Entladungsstartspannung Vs mit Vorsicht erfolgen.
Für das Vorschaltgerät kann man irgendeine Schaltungsanordnung wählen, sofern sie das angegebene Belastungsverhalten hat. Die Schaltung des Vorschaltgeräts kann beispielsweise ein Halbbrückenumrichter, ein Vollbrückenumrichter, ein Parallelumrichter oder ein Einzeltransistor-Umrichter sein, etwa ein Sperrwandler.
Betrieb gemäß dem Merkmal der Erfindung
Eine Voraussetzung für den Übergang von der Glimm- zur Bogenentladung ist, dass eine normale Glimmentladung in eine unnormale Glimmentladung übergeht. Erforderlich für den Übergang von der Glimm- zur Bogenentladung ist ein Zusammenhang zwischen dem Kathodenspannungsabfall VK und der auf der Elektrode gemessenen Stromdichte j/p² (j bezeichnet den Glimmentladungsstrom (in mA); p bezeichnet die Größe der Elektrodenoberfläche (in mm²)), der auch von der Art des Puffergases abhängt.
In der Hochleistungs-Entladungslampe gemäß diesem Merkmal der Erfindung enthält das Ionisierungsmittel Neon und Argon als Puffergas. Die Elektrode verläuft durch das hohle Teil des lichtdurchlässigen Entladungsgefäßes. Das Vorschaltgerät hat ein dem Vorschaltgerät einer Leuchtstofflampe ähnliches Belastungsverhalten, d. h. eine Belastungskennlinie, die glatt von der sekundären Leerlaufspannung zum sekundären Kurzschluss verläuft. Dabei liegt die sekundäre Leerlaufspannung nahe an der Entladungsstartspannung der Hochleistungs-Entladungslampe. Damit kann man die Glimmleistung beim Übergang von der Glimm- zur Bogenentladung senken. Dies ist aus den bereits angegebenen Gründen wünschenswert.

1) Die gemessene Stromdichte auf der Elektrode nimmt ab Besteht das Puffergas aus Neon und aus Argon, so bleibt der Kathodenspannungsabfall gleich, der Glimmstrom beim Übergang von der normalen Glimmentladung zur unnormalen Glimmentladung nimmt jedoch ab. Damit nimmt die Glimmleistung ebenfalls ab. Da beim Glimmentladungsvorgang der Elektrodenmittenabschnitt, der im schmalen Spalt des hohlen Teils freiliegt, als Elektrode wirkt, und ebenso der Kantenbereich der Elektrode, der aus dem hohlen Teil des lichtdurchlässigen Gefäßes der Entladungslampe herausragt, nimmt die wirksame Elektrodenoberfläche zu. Damit sinkt bei festliegendem Kathodenspannungsabfall die an der Elektrode gemessene Stromdichte.
2) Die Entladungsstartspannung sinkt Besteht das Puffergas aus Neon und aus Argon, so sinkt verglichen dem Fall, dass nur Argon als Puffergas verwendet wird, bekanntlich die Entladungsstartspannung. Man kann damit die Spannung senken, die das Vorschaltgerät in der Periode des Übergangs von der Glimm- zur Bogenentladung zuführt, und der Glimmstrom wird ebenfalls geringer. Die Entladungsstartspannung kann man in diesem Fall jedoch nicht unter 2 kV absenken.
3) Der positive Säulenverlust nimmt zu Besteht das Puffergas aus Neon und Argon, so nimmt der positive Säulenverlust verglichen damit zu, dass nur Argon als Puffergas dient, und die an die Elektroden anzulegende Spannung nimmt zu.

Dadurch nimmt die Glimmleistung verglichen damit, dass nur Argon verwendet wird, auf ungefähr 1/5 ab. Es hat sich gezeigt, dass die Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung nur geringfügig zunimmt, so dass die Verdampfung von Wolfram aus der Elektrode unterdrückt wird und beträchtlich weniger Schwärzung auftritt. Damit kann man durch eine gute Anpassung des Puffergas-Einfülldrucks die Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung in einen technisch zulässigen Bereich legen.
Zwischen der Innenfläche des hohlen Teils des lichtdurchlässigen Gefäßes der Entladungslampe und der Elektrode besteht ein schmaler Spalt. Im Inneren des schmalen Spalts befindet sich bei Betrieb der kälteste Abschnitt der Lampe mit einer geeigneten Temperatur. Im Inneren des schmalen Spalts sammelt sich bei Betrieb unten unverdampftes Entladungsmittel in flüssiger Phase.
Die Erfindung liefert also ein kompaktes Vorschaltgerät für eine Hochleistungs-Entladungslampe, wobei das kompakte Vorschaltgerät ohne irgendeinen Zünder verwendet wird.
Liegt die Lampenleistung der Hochleistungs-Entladungslampe im einer vorteilhaften Ausführungsform unter 50 W, so hat das Vorschaltgerät bevorzugt ein Belastungsverhalten, bei dem die sekundäre Leerlauf-Entladungsspannung V20 geringer als 2,5 kV ist, mehr bevorzugt geringer als 2 kV, und der sekundäre Kurzschlussstrom IS liegt unter 1,0 A.
Das Vorschaltgerät kann als wesentliche Komponente einen Hochfrequenzumrichter besitzen, der einen LC-Schwingkreis enthält.
Ein Umrichter, der die genannten Anforderungen erfüllt, kann ein Halbbrückenumrichter, ein Parallelumrichter oder ein Einzeltransistor-Umrichter sein, etwa ein Sperrwandler.
Die Schwingungssteuerung des Umrichters kann durch Selbsterregung oder Fremderregung erfolgen. Die Betriebsfrequenz des Umrichters kann entweder fest oder variabel sein.
Ändert sich die Betriebsfrequenz des Umrichters abhängig vom Betriebszustand gegen die Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises, so kann man die Ausgangsspannung des Vorschaltgeräts durch Ändern der Betriebsfrequenz des Umrichters steuern.
Führt man beim Startvorgang die Betriebsfrequenz näher an die Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises, so steigt die Ausgangsspannung. Damit kann man die sekundäre Leerlaufspannung näher an die Entladungsstartspannung der Hochleistungs-Entladungslampe führen. Führt man die Betriebsfrequenz nachdem Betriebsstart weg von der Resonanzfrequenz, so sinkt die Ausgangsspannung. Damit kann man die sekundäre Leerlaufspannung näher an die Entladungsstartspannung der Hochleistungs-Entladungslampe führen, und die Belastungskennlinie des Vor schaltgeräts verläuft von der sekundären Entladungsspannung glatt zum sekundären Kurzschlussstrom.
Bei feststehender Betriebsfrequenz kann man die Ausgangsspannung des Vorschaltgeräts dadurch regeln, dass man den LC-Schwingkreis so aufbaut, dass sich seine Resonanzfrequenz abhängig von den Umständen ändert. Beispielsweise kann man die Spule L des LC-Schwingkreises im Leerlauf in der Sättigung betreiben. In der Sättigung sinkt die Induktivität der Spule L, und die Resonanzfrequenz steigt, so dass die Resonanzfrequenz näher an der Betriebsfrequenz liegt. Dadurch steigt die Ausgangsspannung des Vorschaltgeräts. Unter Belastung befindet sich die Spule L des LC-Schwingkreises aufgrund des Lampenstroms nicht mehr im gesättigten Zustand. Dadurch wandert die Resonanzfrequenz von der Betriebsfrequenz weg, und die Ausgangsspannung sinkt durch die Frequenzverschiebung.
In der Erfindung vereinfacht sich die Schaltungsanordnung des Vorschaltgeräts. Damit kann man eine kompakte und kostengünstige Beleuchtungseinrichtung mit einer Hochleistungs-Entladungslampe erhalten.
Da das Vorschaltgerät einen LC-Schwingkreis enthält, hat die Kurvenform der Ausgangs Spannung einen sinusförmigen Verlauf.
Lichtdurchlässiges Keramikgefäß der Entladungslampe
Der Satz ”lichtdurchlässiges Keramikgefäß der Entladungslampe” bezeichnet ein hermetisch verschlossenes Gefäß der Entladungslampe, das aus monokristallinem Metalloxid besteht, z. B. Saphir, oder aus polykristallinem Metalloxid, z. B. halbdurchsichtigem Aluminiumoxid, oder aus Yttrium-Aluminium-Granat (YAG), Yttriumoxid (YOX) oder aus polykristallinem nichtoxidischem Material, z. B. einem Material, das eine Lichtdurchlässigkeit und Wärmebeständigkeit wie Aluminiumnitrid (AIN) aufweist.
Wird das Gefäß an seinen beiden Enden abgedichtet, so kann man beim Herstellen des lichtdurchlässigen keramischen Entladungsgefäßes einen in der Mitte angeordneten Mantel und zwei zylindrische Abschnitte mit kleinem Durchmesser, die an beiden Enden des Mantels das hohle Teil bilden, von Anfang an in einem Stück ausführen. Man kann jedoch auch ein lichtdurchlässiges keramisches Entladungsgefäß in einem Stück herstellen, indem man einen einzelnen Kolben, der den Mantel bildet, und zwei Zylinder mit kleinem Durchmesser, die mit den beiden gegenüberliegenden Enden des Kolbens verbunden werden, getrennt vorsintert, die Teile dann verbindet und sie zuletzt gemeinsam fertig sintert. Man kann ein Entladungsgefäß in einem Stück auch dadurch herstellen, dass man zunächst einzelne Teile getrennt vorsintert, nämlich einen Zylinder, der ein hohles Glied bildet, zwei Endplatten, die in beide Enden des Zylinders eingesetzt werden und ihn verschließen, und zwei Zylinder mit kleinem Durchmesser, die als zylindrische Abschnitte mit kleinem Durchmesser dienen und die in mittige Löcher eingesetzt werden, die in den Endplatten bestimmt sind. Anschließend setzt man die Teile zusammen und sintert sie gemeinsam fertig.
Bei einer Anordnung, die nur an einem Ende verschlossen wird, kann man sämtliche Teile von Anfang an in einem Stück ausbilden, wie dies bei der Anordnung mit zwei verschlossenen Enden beschrieben wurde. Man kann auch eine Kugel mit einer Öffnung oder einen unten verschlossenen Zylinder, der eine Öffnung enthält, und einen Zylinder, der den zylindrischen Abschnitt mit kleinem Durchmesser bildet, getrennt vorsintern Anschließend setzt man die Teile passend zusammen und sintert sie gemeinsam zu Ende. Man kann den zylindrischen Abschnitt mit kleinem Durchmesser auch als ein Stück ausformen, in dem sich beide Elektroden befinden. Wahlweise kann man auch zwei zylindrische Abschnitte mit kleinem Durchmesser herstellen. Bei der Montage des gemeinsamen zylindrischen Abschnitts mit kleinem Durchmesser bestimmt man zunächst zwei Durchgangslöcher in einem mittleren keramischen Zylinder. Anschließend setzt man zwei Anschlussleiter in die Durchgangslöcher des mittleren Zylinders ein und dichtet sie passend ab, so dass ein erforderlicher Abstand zwischen dem Anschlussleiter und der Elektrode sichergestellt ist.
Dieses Merkmal der Erfindung ist besonders wirksam, wenn das Innenvolumen des lichtdurchlässigen keramischen Entladungsgefäßes einen geringen Rauminhalt von 0,05 Kubikzentimeter oder bevorzugt weniger als 0,04 Kubikzentimeter hat. Die Erfindung ist jedoch nicht notwendig auf dieses Volumen eingeschränkt. In diesem Fall hat das lichtdurchlässige keramische Entladungsgefäß eine Gesamtlänge von 35 Millimetern oder weniger und liegt bevorzugt in einem Bereich von 10 bis 30 Millimetern.
Anschlussleiter
Als Material für den Anschlussleiter kann man Tantal, Titan, Zirkon, Hafnium oder Vanadium verwenden. Dies sind elektrisch leitende Metalle, die nahezu den gleichen mittleren thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzen wie die lichtdurchlässige Keramik. Verwendet man eine Aluminiumkeramik, beispielsweise Aluminiumoxid, als Material des lichtdurchlässigen keramischen Entladungsgefäßes, so sind Niob und Tantal zum Abdichten geeignet, weil sie nahezu den gleichen mittleren thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzen wie das Aluminiumoxid. Setzt man Yttriumoxid und YAG ein, so weichen ihre thermischen Ausdehnungskoeffizienten nur sehr wenig ab. Benutzt man Aluminiumnitrid, so nimmt man als Material für den Dichtungsabschnitt am besten Zirkon.
Dichtungsmaterial für die keramische Vergussmasse
Das Dichtungsmaterial bzw. die keramische Vergussmasse wird zwischen den Anschlussleiter und den zylindrischen Abschnitt mit geringem Durchmesser am hinteren Ende des zylindrischen Abschnitts mit geringem Durchmesser eingebracht. Es schmilzt und fließt in den Spalt zwischen dem zylindrischen Abschnitt mit geringem Durchmesser und dem Anschlussleiter. Anschließend wird das Dichtungsmaterial bzw. die keramischen Vergussmasse abgekühlt; es härtet aus und verschließt den Spalt zwischen dem Anschlussleiter und dem zylindrischen Abschnitt mit geringem Durchmesser. Das Dichtungsmaterial befestigt den Anschlussleiter in einer vorgeschriebenen Stellung.
Das Dichtungsmaterial muss den Anschlussleiter, der in den zylindrischen Abschnitt mit geringem Durchmesser eingesetzt ist, vollständig abdichten Bedeckt das Dichtungsmaterial den länglichen Endabschnitt der Elektrode, der am Anschlussleiter befestigt ist, auf einer kurzen Strecke, bevorzugt auf einer Länge von 0,2 bis 0,3 Millimetern, so kann das Entladungsmittel, z. B. ein Halogen, den Anschlussleiter nur schwer angreifen.
Nach dem Befestigen des länglichen Endabschnitts der Elektrode am Ende des Anschlussleiters und dem Einbringen des keramischen Dichtungsmaterials zwischen dem Anschlussleiter und dem zylindrischen Abschnitt mit geringem Durchmesser des lichtdurchlässigen keramischen Entladungsgefäßes ist das lichtdurchlässige keramische Entladungsgefäß verschlossen. Am Ende des hohlen Teils, d. h. des zylindrischen Abschnitts mit geringem Durchmesser, bildet das Dichtungsmaterial ein abdichtendes Unterteil, und es entsteht ein schmaler Spalt zwischen der Innenfläche des hohlen Teils und der Elektrode, die in den zylindrischen Abschnitt mit geringem Durchmesser eingesetzt ist.
Da für das lichtdurchlässige Entladungsgefäß eine lichtdurchlässige Keramik verwendet wird, erhält man eine Beleuchtungseinrichtung mit einer Hochleistungs-Entladungslampe, bei der die Hochleistungs-Entladungslampe einen guten Lampenwirkungsgrad und eine lange Lebensdauer hat.
Das lichtdurchlässige keramische Entladungsgefäß ist für Neon undurchlässig; daher kann das Neon auch bei längerem Lampenbetrieb nicht entweichen, und die Lampe arbeitet lange Zeit ordentlich.
Die erfindungsgemäße Hochleistungs-Entladungslampe der Hochleistungs-Entladungslampen-Beleuchtungseinrichtung kann dadurch gekennzeichnet sein, dass die Hochleistungs-Entladungslampe mit dem Entladungsmittel gefüllt wird, das Neon und Argon mit einem Gasdruck im Bereich von 13,3 bis 26,6 kPa (100 bis 200 Torr) enthält.
In der Erfindung ist der bevorzugt in die Hochleistungs-Entladungslampe eingefüllte Gasdruck des Neons und Argons begrenzt.
Die Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung und das Ausmaß der Schwärzung ändern sich abhängig vom Startgas und vom Druck des eingefüllten Puffergases. Ein zunehmender Gasfülldruck erhöht die Glimmleistung und damit die Temperatur, auf die sich die Elektrode erwärmt. Dies führt leicht zu einer verkürzten Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung.
Wird der Gasfülldruck des Neons und Argons zu hoch, so nimmt die Schwärzung zu. Wird der Gasfülldruck zu gering, so nimmt die Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung zu und die Verdampfung des Elektrodenmaterials steigt an.
Durch das Begrenzen des Neon-Argon-Gasfülldrucks auf den genannten Bereich liegt die Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung bei zwei bis drei Sekunden, und die Schwärzung nimmt beträchtlich ab. Eine Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung in diesem Umfang liegt im tolerablen Bereich für praktische Anwendungen.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung liegt die Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung der erfindungsgemäßen Hochleistungs-Entladungslampe im Bereich von 0,5 bis 3,0 Sekunden.
Eine Beschreibung des lichtdurchlässigen keramischen Entladungsgefäßes, der Elektrode, des Anschlussleiters und des Vorschaltgeräts ist nicht erforderlich, da diese Elemente mit den vorhergehenden Merkmalen der Erfindung übereinstimmen.
Entladungsmittel
Das Entladungsmittel enthält Neon und Argon als Puffergas. Es wird in das lichtdurchlässige keramische Gefäß der Entladungslampe eingefüllt, um ähnlich wie in den vorhergehenden Ausführungsformen bei Betrieb einen Gesamtdruck zu erzeugen. In der Entladungslampe kann man ähnlich wie in den vorhergehenden Ausführungsformen Halogen-Metalldämpfe oder Quecksilber als Licht abstrahlendes Material oder Puffergas verwenden. Im Entladungsmittel kann man je nach Anforderung Halogen-Metalldämpfe oder Quecksilber als Licht abstrahlendes Material oder Puffergas verwenden. Als Edelgas kann man eine Mischung von Neon und Argon einfüllen, um den Glimmstrom beim Übergang von der normalen Glimmentladung zur unnormalen Glimmentladung zu verringern, und um die Entladungsstartspannung zu verkleinern, d. h. die Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung einzustellen. Das Argon ist mit dem Neon so gemischt, dass es 0,1–10 Prozent des Gesamtdrucks erzeugt. Neon und Argon werden normalerweise mit einem Gasdruck im Bereich von 6,65 bis 77,1 kPa (50 bis 580 Torr) eingefüllt, bevorzugt im Bereich von 13,3 bis 26,6 kPa (100 bis 200 Torr). Beträgt der Druck des eingefüllten Gases weniger als 6,65 kPa (50 Torr), so verlängert sich die Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung, und die Schwärzung durch die Verdampfung des Elektrodenwolframs wird beträchtlich. Übersteigt der Druck des eingefüllten Gases 77,1 kPa (580 Torr), so steigt die Betriebsspannung der Hochleistungs-Entladungslampe, und die Glimmleistung nimmt zu.
Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung
Gemäß diesem Merkmal der Erfindung hat die Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung im Bereich von 0,5 bis 3 Sekunden zu liegen. Diese Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung bestimmt man durch eine Mittelung über fünf Messwerte jeweils im Minimum der Lampenspannungskurve bei einer Beobachtung mit dem Oszilloskop. Die Lampenspannungskurve erreicht ihr Minimum, wenn beide Elektroden den Übergang von der Glimm- zur Bogenentladung vollzogen haben. Tritt ein Zeitunterschied zwischen den Übergängen von der Glimm- zur Bogenentladung an den Elektroden auf, so nimmt man am besten das Minimum des zuletzt auftretenden Übergangs von der Glimm- zur Bogenentladung.
Beträgt die Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung weniger als 0,5 Sekunden, so wird ein großer Teil der Leistung beim Übergang von der Glimm- zur Bogenentladung in kurzer Zeit zugeführt, und die Elektrode wird außerordentlich stark erwärmt. Dadurch verdampft die Elektrode übermäßig. Dies beschleunigt die Schwärzung in unerwünschter Weise, und der Lichtstrom wird zu stark abgeschirmt.
Übersteigt die Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung 3,0 Sekunden, so nimmt das Zerstäuben der Elektrode stark zu. Dies beschleunigt die Schwärzung in unerwünschter Weise, und der Lichtstrom wird zu stark abgeschirmt.
Liegt die Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung im Bereich von 0,5 bis 3,0 Sekunden, so kann man nach 3000 Stunden Betriebszeit einen relativen Lichtstrom von 80 Prozent oder mehr garantieren. Der Begriff ”Betriebszeit” bezeichnet hier einen Zyklus mit 165 Minuten Betrieb und 15 Minuten Ruhe, der entsprechend oft wiederholt wird. Man kann die Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung im angegebenen Bereich halten, wenn man die Eigenschaften der Hochleistungs-Entladungslampe passend einstellt und/oder das Vorschaltgerät gut anpasst.
Da bei diesem Merkmal der Erfindung die Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung der Hochleistungs-Entladungslampe, die mit einem lichtdurchlässigen keramischen Entladungsgefäß versehen ist, in einem vorbestimmten Bereich eingestellt wird, vermindert sich die Schwärzung beim Startvorgang und der relative Lichtstrom nimmt zu.
Liegt die Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung unter 3 Sekunden, so bewegt sie sich in einem für praktische Anwendungen zulässigen Bereich, der vom Benutzer noch nicht als unangenehm empfunden wird.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann man eine Beleuchtungseinrichtung mit einer Hochleistungs-Entladungslampe bereitstellen, bei der die Schwärzung beim Startvorgang ebenfalls gut unterdrückbar ist.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann man eine Beleuchtungseinrichtung mit einer Hochleistungs-Entladungslampe bereitstellen, bei der die Schwärzung beim Startvorgang ebenfalls gut unterdrückbar ist, und die kompakter ist als alle bisher bekannten Typen.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann man eine Beleuchtungseinrichtung mit einer Hochleistungs-Entladungslampe bereitstellen, die mit einem Vorschaltgerät versehen ist, das sich gut für den Hochfrequenzbetrieb eignet.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Hochleistungs-Entladungslampe der Hochleistungs-Entladungslampen-Beleuchtungseinrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Hochleistungs-Entladungslampe eine Lampenleistung unter 50 Watt aufweist.
Die Hochleistungs-Entladungslampe der Erfindung ist so kompakt, dass sie sich für Lichtleiter eignet. Die Beleuchtungseinrichtung mit einer solchen Hochleistungs-Entladungslampe wird so klein, dass sie eine Halogenglühlampe gleicher Leistung ersetzen kann.
Eine derartige Hochleistungs-Entladungslampe ist besonders zu bevorzugen, wenn sie die folgenden Anforderungen erfüllt.

1) Der Zusammenhang zwischen dem Durchmesser ϕs (Millimeter) des Anschlussleiters und dem Durchmesser ϕe (Millimeter) der Elektrode genügt der folgenden Ungleichung: 0,2 ≤ ϕe/ϕs ≤ 0,6.Um eine Korrosion des Dichtungsmaterials durch die Halide zu verhindern, senkt man die Temperatur des Dichtungsmaterials der keramischen Dichtmasse. Man verbessert die Lichtausbeute, indem man die Temperatur des schmalen Spalts erhöht. Hierzu senkt man einerseits den Wärmewiderstand durch eine Verdickung des Anschlussleiters und erhöht andererseits den Wärmewiderstand der Elektrode. Bei einem Durchmesserverhältnis von ϕe/ϕs kleiner als 0,2 ist die Elektrode zu dünn. Ist das Verhältnis größer als 0,6, kann man die Temperatur des Dichtungsmaterials und des schmalen Spalts nicht auf einem gewünschten Wert halten.
2) Für den Zusammenhang zwischen dem Innenvolumen des lichtdurchlässigen keramischen Entladungsgefäßes und ihrer Lichtdurchlässigkeit gilt: Das Innenvolumen des lichtdurchlässigen keramischen Entladungsgefäßes wird auf weniger als 0,1 Kubikzentimeter eingestellt bzw. bevorzugt auf weniger als 0,05 Kubikzentimeter. Die mittlere Lichtdurchlässigkeit des hohlen Teils wird auf 20 Prozent oder mehr und bevorzugt auf 30 Prozent oder mehr eingestellt.

Dabei sei vorausgesetzt, dass die Lichtdurchlässigkeit bei 550 Nanometern gemessen wird. Der Begriff ”mittlere Lichtdurchlässigkeit” bezeichnet hier einen Mittelwert der Lichtdurchlässigkeitsdaten gemessen an fünf verschiedenen Messpunkten.
Hat das lichtdurchlässige keramische Entladungsgefäß wie angesprochen ein geringes Innenvolumen, und beträgt die mittlere Lichtdurchlässigkeit seines hohlen Teils 20 Prozent oder mehr, so verbessert sich die Lichtausbeute (Lichtausbeute der Gesamtvorrichtung), und zwar auch bei einem optischen System, bei dem ein Reflektor mit der Entladungslampe verbunden ist. Zusätzlich treten weniger Brüche in dem lichtdurchlässigen keramischen Entladungsgefäß auf.
Das Innenvolumen des lichtdurchlässigen keramischen Entladungsgefäßes wird auf folgende Weise gemessen. Zunächst wird das Gefäß in Wasser getaucht, so dass es sich mit Wasser füllt. Das Gefäß wird aus dem Wasser genommen, nachdem die Öffnungen an beiden zylindrischen Abschnitten mit kleinem Durchmesser verschlossen worden sind. Das Volumen des in dem Gefäß eingeschlossenen Wassers wird nun bestimmt.

3) Die Gesamtlänge des lichtdurchlässigen keramischen Entladungsgefäßes wird kürzer als 30 Millimeter ausgelegt.
4) Der schmale Spalt wird auf weniger als 0,21 Millimeter eingestellt.

Wünscht man eine kompakte Hochleistungs-Entladungslampe mit einer Lampenleistung von unter 50 Watt, hoher Lebensdauer und gutem Lampenwirkungsgrad, so zeigt sich, dass man dieses Ziel nicht erreicht, wenn man eine herkömmliche Entladungslampe proportional verkleinert.
Stellt man den schmalen Spalt wie angegeben ein, so nimmt der Wärmewiderstand der Elektrode zu. Damit sinkt die Wärmeübertragung aus dem Entladungsplasma der Elektrode, und die Temperatur des Dichtungsmaterials sinkt. Undichtigkeiten im Dichtungsmaterial werden somit vermieden.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung besitzt eine Beleuchtungseinrichtung mit einer Hochleistungs-Entladungslampe eine Hochleistungs-Entladungslampe, die ein lichtdurchlässiges keramisches Gefäß aufweist, und zwar mit einem sphärischen Mantel, der eine Sphärizität (Kugelförmigkeit) von 0,6 oder mehr hat und einen Entladungsraum bestimmt, und ein Vorschaltgerät zum Betreiben der Hochleistungs-Entladungslampe bei einer Betriebsfrequenz im Bereich von 40 bis 80 kHz.
Hochleistungs-Enlladungslampe
Lichtdurchlässiges keramisches Entladungsgefäß
Das lichtdurchlässige keramische Entladungsgefäß ist gekennzeichnet durch den Mantel, der mit einer Sphärizität von 0,6 oder mehr sphärisch geformt ist. Die Sphärizität wird anhand von 2 erklärt.
2 dient dem Erklären des Sphärizitäts-Begriffs beim lichtdurchlässigen keramischen Entladungsgefäß in der Hochleistungs-Entladungslampe der Erfindung.
In 2 bezeichnet 1 ein lichtdurchlässiges keramisches Gefäß, 1a einen Mantel, 1b einen Abschnitt mit geringem Durchmesser, x die Mittenachse und y eine gegen die Mittenachse x senkrechte Achse.
Das lichtdurchlässige keramische Gefäß 1 besteht aus lichtdurchlässiger Keramik und hat die Gesamtlänge L.
Der Mantel 1a befindet sich in der Mitte des lichtdurchlässigen keramischen Gefäßes 1 und ist mit einer vorgeschriebenen Sphärizität RB sphärisch geformt. Der Mantel 1a hat einen größten Innendurchmesser a, einen größten Außendurchmesser Oa und eine axiale Länge b entlang der Mittenachse x.
Der zylindrische Abschnitt 1b mit kleinem Durchmesser ist in einem Stück mit dem Mantel 1a ausgebildet und verläuft vom Mantel weg auf der Mittenachse x. Die zylindrischen Abschnitte 1b mit kleinem Durchmesser enthalten jeweils auf der Mittenachse x Durchgangslöcher 1b1 mit der Länge L1 bzw. L2. Die inneren Enden der Durchgangslöcher 1b1 stehen mit dem Inneren des Mantels 1a in Verbindung. Die äußeren Enden münden in die Umgebung.
In die Durchgangslöcher 1b1 der zylindrischen Abschnitte 1b mit kleinem Durchmesser sind später beschriebene Elektroden eingesetzt. Damit entstehen schmale Spalte oder sogenannte Kapillaren zwischen der Innenwand der zylindrischen Abschnitte 1b mit kleinem Durchmesser und den eingesetzten Elektroden. Die zylindrischen Abschnitte 1b mit kleinem Durchmesser dienen auch dem Abdichten des lichtdurchlässigen keramischen Gefäßes 1.
Die Summe aus den beiden Längen L1 und L2 der zylindrischen Abschnitte 1b mit kleinem Durchmesser, d. h. L1 + L2, ist gleich der Differenz aus der Gesamtlänge L des lichtdurchlässigen keramischen Gefäßes und der axialen Länge b des Mantels 1a.
P1 bezeichnet die beiden Schnittpunkte der y-Achse mit der Innenwand des Mantels 1a. P2 bezeichnet Flächen an der Grenze der Innenwand des Mantels 1a zu den zylindrischen Abschnitten 1b mit kleinem Durchmesser. Die von den Schnittpunkten P1 gezogen Linien l berühren die Flächen P2. P3 bezeichnet die Schnittpunkte der Linien l mit der Mittenachse x. Die axiale Länge B des Mantels 1a ist als Abstand zwischen den beiden Schnittpunkten P3 gegeben.
Die Sphärizität RB des Mantels 1a ist dann durch die folgende Gleichung definiert: RB = a/b.
Dabei bezeichnet a den größten Innendurchmesser des Mantels 1a und b die axiale Länge des Mantels 1a.
Die Sphärizität RB liegt näher an l, wenn die Grenzen der Innenwand des Mantels 1a des lichtdurchlässigen keramischen Gefäßes 1 und die zylindrischen Abschnitte 1b mit geringem Durchmesser näherungsweise in einem rechten Winkel aufeinander treffen, d. h. die Flächen P2 einen sehr kleinen Krümmungsradius aufweisen. Der Innendurchmesser der Durchgangslöcher 1b1 der zylindrischen Abschnitte 1b mit geringem Durchmesser soll dazu relativ klein sein, und der Mantel 1a eine perfekte Kugel. Die Sphärizität RB ändert sich aufgrund ihrer Definition mit dem Krümmungsradius der Flächen P2 und mit dem Innendurchmesser der zylindrischen Abschnitte 1b mit geringem Durchmesser. Der Krümmungsradius der Flächen P2 verändert sich abhängig von den Herstellungsverfahren des lichtdurchlässigen keramischen Entladungsgefäßes. Der Innendurchmesser der Durchgangslöcher 1b1 der zylindrischen Abschnitte 1b mit geringem Durchmesser wird auch vom Lampenentwurf für den Durchmesser der Elektroden und den schmalen Spalt beeinflusst. Da diese Größen kaum einen Einfluss auf die Resonanzfrequenz haben, ist die Sphärizität RB in der Erfindung wie angegeben definiert und lässt einen gewissen Entwurfsspielraum offen. Die Form des Mantels des lichtdurchlässigen keramischen Gefäßes ist in der Erfindung verglichen mit einer Kugel etwas länglich, man kann sie jedoch näherungsweise als Kugel betrachten.
Ist die Sphärizität RB größer als 1, so ist der Abstand a auf der y-Achse größer als die Länge b auf der x-Achse. Man kann erlauben, dass die Sphärizität RB im Allgemeinen Werte bis 1,2 annimmt, bevorzugt jedoch bis 1,1.
Die Anordnung des lichtdurchlässigen keramischen Gefäßes ist außer durch die Struktur des Mantels nicht besonders eingeschränkt.
Andere Anordnungen
Eine Erklärung der Elektrode, des Entladungsmittels und der Lampenleistung ist überflüssig, da Übereinstimmung mit den vorhergehenden Merkmalen der Erfindung besteht.
Vorschaltgerät
Das Vorschaltgerät erzeugt zum Betreiben der Hochleistungs-Entladungslampe eine Betriebsfrequenz im Bereich von 40 bis 80 kHz. Da die Betriebsfrequenz nicht von der Schaltungsanordnung abhängt, kann man irgendeine Schaltungsanordnung für das Vorschaltgerät wählen.
Bei diesem Merkmal der Erfindung hat der Mantel des lichtdurchlässigen keramischen Gefäßes die Form einer Kugel mit einer Sphärizität von 0,6 oder mehr. Das Entladungsmittel enthält Neon und Argon. Die Lampenleistung liegt unter 50 Watt. Die Betriebsfrequenz des Vorschaltgeräts liegt im Bereich von 40 bis 80 kHz. Da die Resonanzfrequenz der Hochleistungs-Entladungslampe beträchtlich über der Betriebsfrequenz liegt, tritt keine akustische Resonanz auf. Liegt die Betriebsfrequenz im angegebenen Bereich, so werden die Schaltelemente, insbesondere die Wicklungen, kleiner. Damit dient die Betriebsfrequenz im angegebenen Bereich der Miniaturisierung des Vorschaltgeräts. Zudem werden die im Vorschaltgerät zum Erzeugen der Hochfrequenz verwendeten Halbleiter-Schaltbauteile billiger, und man kann aufgrund geringer Schaltverluste einen guten Hochfrequenz-Umsetzwirkungsgrad erreichen.
Bei einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Hochleistungs-Entladungslampe der Beleuchtungsvorrichtung mit einer Hochleistungs-Entladungslampe der Erfindung durch eine Übergangszeit der Hochleistungs-Entladungslampe von der Glimm- zur Bogenentladung im Bereich von 0,5 bis 3,0 Sekunden gekennzeichnet.
Liegt die Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung im angegebenen Bereich, so liefert dieses Merkmal der Erfindung eine Hochleistungs-Entladungslampe, die beim Startvorgang auch dann kaum eine Schwärzung erzeugt, wenn man zum Betrieb ein kompaktes Vorschaltgerät einer Leuchtstofflampe verwendet.
Bei einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Hochleistungs-Entladungslampe der Beleuchtungsvorrichtung mit einer Hochleistungs-Entladungslampe der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass das Vorschaltgerät eine sekundäre Leerlaufspannung im Bereich von 1,0–3,0 kV hat.
Bei diesem Merkmal der Erfindung kann das Vorschaltgerät mit der sekundären Leerlaufspannung im genannten Bereich die Hochleistungs-Entladungslampe ohne Zünder zuverlässig starten.
Mit einer sekundären Leerlaufspannung im angegebenen Bereich vereinfacht sich auch der Schaltungsaufbau des Vorschaltgeräts.
Beispielsweise kann man einen Hochfrequenzumrichter mit LC-Schwingkreis dazu verwenden, die geforderte sekundäre Leerlaufspannung einfach zu erzielen.
Die Erfindung kann man beispielsweise verwenden für glühlampenartige Hochleistungs-Entladungslampen, Beleuchtungseinrichtungen, mobile Scheinwerfer, Lichtquellen für Lichtleiter, Bildprojektoren, photochemische Vorrichtungen, Fingerabdruckerkennung usw.
Der Begriff ”glühlampenartige Hochleistungs-Entladungslampe” bezeichnet eine Beleuchtungsvorrichtung, bei der eine Hochleistungs-Entladungslampe und ein zugehöriger Stabilisator miteinander zu einer Einheit verbunden sind. Die Einrichtung enthält auch einen Glühbirnensockel, der den Anschluss an ein kommerzielles Stromnetz erlaubt. Durch das Einschrauben des Glühbirnensockels in eine zugehörige Glühbirnenfassung kann man diese Lampenart wie eine Glühlampe verwenden.
Baut man eine Hochleistungs-Entladungslampe glühlampenartig auf, so kann man auch einen Reflektor bereitstellen, der eine geforderte Lichtverteilung der Hochleistungs-Entladungslampe liefert.
Man kann auch ein Lichtstreuglas oder eine Abdeckung anbringen, das bzw. die die Helligkeit der Hochleistungs-Entladungslampe ein wenig dämpft.
Damit der direkte Ersatz einer herkömmlichen Lampe durch eine Hochleistungs-Entladungslampe möglich ist, sollte die Hochleistungs-Entladungslampe den gleichen Lampensockel aufweisen wie die herkömmliche Lampe.
Die Beleuchtungseinrichtung kann eine Hochleistungs-Entladungslampe enthalten, die mit einem externen Vorschaltgerät versehen ist, oder sie enthält eine glühlampenartige Hochleistungs-Entladungslampe, die kein äußeres Vorschaltgerät benötigt. Bei der Beleuchtungseinrichtung mit externem Vorschaltgerät kann das Vorschaltgerät innerhalb der Beleuchtungseinrichtung untergebracht sein oder außerhalb, z. B. an der Decke.
Fachleute können weitere Aufgaben und Vorzüge der Erfindung der folgenden Beschreibung bevorzugter und den anliegenden Zeichnungen entnehmen.
Ausführungsbeispile der Erfindung werden nunmehr mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben.
Es zeigt:
1 zwei Kurven, die die Belastungskennlinien der Vorschaltgeräte für eine Hochleistungs-Entladungslampe und eine Leuchtstofflampe zeigen;
2 eine Skizze, die der Erklärung des Begriffs der Sphärizität des Mantels bei einer erfindungsgemäßen Entladungslampe dient;
3 eine Teilquerschnittsdarstellung einer ersten Ausführungsform der Hochleistungs-Entladungslampe der Erfindung;
4 die Kurve des Zusammenhangs zwischen einer auf der Elektrode gemessenen Stromdichte und der Entladungsstartspannung bei der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochleistungs-Entladungslampe, und die Kurve eines Vergleichsbeispiels;
5 die Kurve des Zusammenhangs zwischen dem Gasfülldruck und der Entladungsstartspannung bei der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochleistungs-Entladungslampe, und die Kurve eines Vergleichsbeispiels;
6 die Kurven des Zusammenhangs zwischen dem Gasfülldruck, der Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung und dem Schwärzungsgrad der Hochleistungs-Entladungslampe der ersten Ausführungsform;
7 die Kurve des relativen Lichtstroms abhängig von unterschiedlichen Gasfülldrücken bei der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochleistungs-Entladungslampe, und eine Kurve eines Vergleichsbeispiels;
8 einen Schaltplan eines Vorschaltgeräts für die erste erfindungsgemäße Ausführungsform der Hochleistungs-Entladungslampe;
9 ein Blockdiagramm des Vorschaltgeräts, das bei einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Hochleistungs-Entladungslampe verwendet wird;
10 ein Blockdiagramm eines Vorschaltgeräts, das bei einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Hochleistungs-Entladungslampe verwendet wird;
11 eine Vorderansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Hochleistungs-Entladungslampe, die mit einem entsprechenden Vorschaltgerät verwendet wird;
12 eine Querschnittsansicht der Hochleistungs-Entladungslampe in 11, wobei nur das obere Ende abgedichtet ist;
13 eine Kurve, die den Zusammenhang zwischen der Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung und dem relativen Lichtstrom bei der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Hochleistungs-Entladungslampe darstellt;
14 einen Schaltplan, der der Erklärung einer Messanordnung für die Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung der Hochleistungs-Entladungslampe dient, und zwar in Verbindung mit der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Hochleistungs-Entladungslampe;
15 eine Skizze der Signalform der Lampenspannung der Hochleistungs-Entladungslampe in Verbindung mit der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Hochleistungs-Entladungslampe;
16 eine Vorderansicht der dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochleistungs-Entladungslampe;
17 eine Vorderansicht der Hochleistungs-Entladungslampe der dritten Ausführungsform mit einem äußeren Kolben;
18 eine Querschnittsansicht der Hochleistungs-Entladungslampe in einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochleistungs-Entladungslampe, wobei nur der obere Lampenabschnitt in Einzelheiten dargestellt ist;
19 eine Vorderansicht einer glühlampenartigen Beleuchtungseinrichtung mit Hochleistungs-Entladungslampe als erster Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung; und
20 eine Vorderansicht eines Punktstrahlers (Beleuchtungseinrichtung) mit einer Hochleistungs-Entladungslampe als zweiter Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung.
Anhand von 3 bis 20 werden nun einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung erklärt.
3 zeigt eine Teilquerschnittsdarstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochleistungs-Entladungslampe.
In 3 bezeichnet 1 ein lichtdurchlässiges keramisches Entladungsgefäß, 2 eine Elektrode, 3 einen Anschlussleiter und 4 eine Dichtung. Der obere und der untere Teil der Hochleistungs-Entladungslampe sind zueinander symmetrisch. Im unteren Teil in 3 sind die Elektrode 2, der Anschlussleiter 3 und die Dichtung 4 nicht dargestellt.
Das lichtdurchlässige keramische Entladungsgefäß 1 umfasst einen Mantel 1a, zylindrische Abschnitte 1b, 1b mit kleinem Durchmesser und Durchgangslöcher 1c, 1c.
Der Mantel 1a ist annähernd oval; seine beiden Enden münden in sanft gekrümmte Flächen.
Der zylindrische Abschnitt 1b mit geringem Durchmesser ist über eine sanft gekrümmte Fläche mit dem Mantel 1a verbunden; somit besteht das lichtdurchlässige keramische Entladungsgefäß 1 aus einem einzigen Teil.
Das Durchgangsloch 1c ist im zylindrischen Abschnitt 1b mit geringem Durchmesser ausgebildet.
Die Elektrode 2 ist aus einem dotierten Wolframstab hergestellt. Der Wolframstab wird in das Durchgangsloch 1c eingeführt; sein Vorderende ragt in den Mantel 1a. Zwischen dem zylindrischen Abschnitt 1b mit geringem Durchmesser und der Elektrode 2 verbleibt ein schmaler Spalt g.
Der Anschlussleiter 3 ist aus einem Niobstab hergestellt. Sein Vorderende ist mit den Hinterende der Elektrode 2 verschweißt. Das rückwärtige Ende des Anschlussleiters ragt aus dem äußeren Abschnitt des lichtdurchlässigen keramischen Entladungsgefäßes 1 heraus.
Das keramische Dichtungsmaterial wird zuerst geschmolzen und härtet anschließend aus. Dadurch dringt das Dichtungsmaterial 4 in den Spalt zwischen dem zylindrischen Abschnitt 1b mit geringem Durchmesser des lichtdurchlässigen keramischen Entladungsgefäßes 1 und dem Anschlussleiter 3 ein und dichtet das lichtdurchlässige keramische Entladungsgefäß 1 ab. Zugleich deckt der Anschlussleiter 3 die Innenseite des lichtdurchlässigen keramischen Entladungsgefäßes 1 ab, so dass sie nicht beleuchtet wird. Durch das Dichtungsmaterial wird die Elektrode 2 in einer festen Stellung gehalten.
Zum Ausbilden der Dichtung 4 wird ein keramisches Dichtungsmaterial um den Anschlussleiter 3 herum angebracht, der aus dem zylindrischen Abschnitt mit geringem Durchmesser herausragt. Das Dichtungsmaterial wird erwärmt, schmilzt und dringt in den Spalt zwischen dem Anschlussleiter 3 und der Innenwand des zylindrischen Abschnitts 1b mit geringem Durchmesser ein. Das Dichtungsmaterial bedeckt den gesamten Anschlussleiter 3, der in den zylindrischen Abschnitt mit geringem Durchmesser 1b eingesetzt ist, und das hintere Ende der Elektrode 2. Anschließend kühlt das Dichtungsmaterial ab und härtet aus.
In das lichtdurchlässige keramische Entladungsgefäß 1 wird ein Entladungsmittel eingefüllt, das ein Puffergas enthält, das Neon und Argon umfasst, und ein Halid eines Licht abstrahlenden Metalls.
Beispiel 1
Die Hochleistungs-Entladungslampe in 3 weist die folgenden Merkmale auf.
Lichtdurchlässiges keramisches Entladungsgefäß: hergestellt aus YAG, 25 Millimeter Gesamtlänge.

Mantel 1a: 5 Millimeter Außendurchmesser, 4,5 Millimeter Innendurchmesser, 0,5 Millimeter Dicke.
Zylindrischer Abschnitt 1b mit geringem Durchmesser: 1,8 Millimeter Außendurchmesser, 0,75 Millimeter Innendurchmesser, 0,53 Millimeter Dicke.
Elektrode: 0,25 Millimeter Durchmesser, 3 Millimeter Abstand zwischen den Elektroden.
Anschlussleiter: hergestellt aus Niob, 0,64 Millimeter Durchmesser.
Schmaler Spalt g: 0,25 Millimeter.
Entladungsmittel: Neon 3 Prozent + Argon bei 66,5 kPa (500 Torr) im Startgas und Puffergas sowie eine geeignete Menge Quecksilber und Halogen.
Lampenleistung: 20 Watt.

4 zeigt die Kurve des Zusammenhangs zwischen einer auf der Elektrode gemessenen Stromdichte und der Entladungsstartspannung bei der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochleistungs-Entladungslampe, und die Kurve eines Vergleichsbeispiels.
In 4 ist auf der Abszisse die auf der Elektrode gemessene Stromdichte j/p² (mA/mm²/Torr²) aufgetragen. Auf der Ordinate ist der Kathodenspannungsabfall Vk (Volt) dargestellt. Die Kennlinie C stellt die Ausführungsform dar, und die Kennlinie D ein Vergleichsbeispiel. Das Vergleichsbeispiel entspricht nahezu der Ausführungsform; das Puffergas besteht jedoch lediglich aus Argon.
4 ist zu entnehmen, dass die auf der Elektrode gemessene Stromdichte und die Glimmleistung abnehmen, wenn das Startgas und das Puffergas aus einer Neon-Argon-Mischung bestehen.
5 zeigt die Kurve des Zusammenhangs zwischen dem Gasfülldruck und der Entladungsstartspannung bei der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochleistungs-Entladungslampe, und die Kurve eines Vergleichsbeispiels.
In 5 ist auf der Abszisse der Gasfülldruck (Torr) aufgetragen. Auf der Ordinate ist die Entladungsstartspannung Vs (Volt) dargestellt. Die Kennlinie E stellt die Ausführungsform dar und die Kennlinie F das Vergleichsbeispiel. Das Vergleichsbeispiel ist mit dem Vergleichsbeispiel in 4 identisch.
5 ist zu entnehmen, dass bei einem Puffergas, das aus einer Neon-Argon-Mischung besteht, die Entladungsstartspannung geringer ist als bei einem Puffergas, das nur aus Argon besteht.
6 zeigt die Kurven des Zusammenhangs zwischen dem Gasfülldruck, der Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung und dem Schwärzungsgrad der Hochleistungs-Entladungslampe der ersten Ausführungsform.
In 6 ist auf der Abszisse der Gasfülldruck (in Torr) aufgetragen. Die linke Ordinate stellt die Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung (in Sekunden) dar. Die rechte Ordinate stellt den Schwärzungsgrad dar. Die Kennlinie G beschreibt die Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung. Die Kennlinie H beschreibt den Schwärzungsgrad. Den Schwärzungsgrad erhält man aus einer Helligkeitsbewertung. Große Werte stellen stärkere Schwärzungen dar.
Die Kurven in 6 entstanden durch das Messen der Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung und des Schwärzungsgrads der Hochleistungs-Entladungslampe bei veränderlichem Gasfülldruck und einem Startgas und Puffergas, das aus einer Neon-Argon-Mischung bestand.
6 ist zu entnehmen, dass der Gasfülldruck im Bereich zwischen 13,3 und 26,6 kPa (100 und 200 Torr) seinen besten Wert hat.
7 zeigt die Kurve der Eigenschaften des relativen Lichtstroms abhängig von der Betriebsdauer bei der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochleistungs-Entladungslampe, und eine Kurve eines Vergleichsbeispiels.
In 7 ist auf der Abszisse die Betriebsdauer in Stunden und auf der Ordinate das Lichtstromverhältnis in Prozent aufgetragen.
Die Kennlinie I ist eine Kennlinie des Lichtstromver-hältnisses für ein Beispiel, das 13,3 kPa (100 Torr) einer Mischung aus Neon und Argon enthält. Die Kennlinie J ist eine Kennlinie des Lichtstromverhältnisses für ein weiteres Beispiel, das 20,0 kPa (150 Torr) der Mischung enthält. Die Kennlinie K ist eine Kennlinie des Lichtstromverhältnisses für ein Vergleichsbeispiel, das 13,3 kPa (100 Torr) Argon enthält.
7 ist zu entnehmen, dass man mit der Erfindung eine günstige Kennlinie des Lichtstromverhältnisses für praktische Anwendungen erhält.
8 zeigt einen Schaltplan eines Vorschaltgeräts für die erste erfindungsgemäße Ausführungsform der Hochleistungs-Entladungslampe.
8 zeigt eine Beleuchtungseinrichtung mit Hochleistungs-Entladungslampe, für die das Vorschaltgerät einer Leuchtstofflampe verwendet wird, das im Wesentlichen aus einem Halbbrücken-Hochfrequenzumrichter besteht.
In 8 bezeichnet AS eine Wechselspannungsquelle, f eine Überstrom-Schutzsicherung, NF ein Rauschfilter, RD eine Gleichspannungsquelle mit Gleichrichter, Q1 eine erste Schalteinrichtung, Q2 eine zweite Schalteinrichtung, GD eine Gatetreiberschaltung, ST eine Starterschaltung, GP eine Gate-Schutzschaltung und LC eine Lastschaltung.
Die Wechselspannungsquelle AS ist eine Netzspannung mit 100 Volt.
Die Überstrom-Schutzsicherung f ist eine gedruckte Sicherung auf der Schaltungsplatine. Sie schützt die Schaltung vor dem Durchbrennen, falls ein Überstrom fließt.
Das Rauschfilter NF besteht aus einer Spule L1 und einem Kondensator C1. Es beseitigt Hochfrequenzanteile, die beim Betrieb des Hochfrequenzumrichters auftreten, und verhindert ein Einstreuen auf die Netzseite.
Die Gleichspannungsquelle mit Gleichrichter RD besteht aus einem Brückengleichrichter BR und einem Glättungskondensator C2. Die Wechselspannungs-Eingangsanschlüsse des Brückengleichrichters BR sind über das Rauschfilter NF und die gedruckte Überstrom-Schutzsicherung f an die Wechselspannungsquelle AS angeschlossen. Die Gleichspannungs-Ausgangsanschlüsse sind durch einen Glättungskondensator C2 verbunden, der die ausgegebene Gleichspannung glättet.
Die erste Schalteinrichtung Q1 besteht aus einem N-Kanal-MOSFET. Das Drain ist mit dem Anschluss des positiven Pols des Glättungskondensators C2 verbunden.
Die zweite Schalteinrichtung Q2 besteht aus einem P-Kanal-MOSFET. Ihre Source ist mit der Source der ersten Schalteinrichtung Q1 verbunden. Ihr Drain liegt am negativen Pol des Glättungskondensators C2.
Die erste und die zweite Schalteinrichtung Q1 und 42 sind in Reihe geschaltet. Ihre jeweiligen Anschlüsse liegen zwischen den Ausgangsanschlüssen der Gleichspannungsquelle mit Gleichrichter RD.
Die Gatetreiberschaltung GD besteht aus einer Rückführschaltung FBC, einer Reihenresonanzschaltung SOC und einer Gatespannung-Ausgabeschaltung GO.
Die Rückführschaltung FBC besteht aus einer Hilfswicklung, die magnetisch mit einer Strombegrenzungsspule L2 gekoppelt ist.
Die Reihenresonanzschaltung SOC besteht aus einer Reihenschaltung einer Spule L3 und eines Kondensators C3. Ihre freien Enden sind an die Rückführschaltung FBC angeschlossen.
Die Gatespannung-Ausgabeschaltung GO dient dem Ausgeben einer Resonanzspannung, die am Kondensator C3 der Reihenresonanzschaltung SOC auftritt, über einen Kondensator C4. Ein Anschluss des Kondensators C4 ist mit dem Verbindungsknoten des Kondensators C3 und der Spule L3 verbunden. Der andere Anschluss liegt an den Gates der ersten und der zweiten Schalteinrichtung Q1 und Q2. Der andere Anschluss des Kondensators C3 ist mit den Sources der ersten und der zweiten Schalteinrichtung Q1 und Q2 verbunden. Damit liegt die am Kondensator C3 auftretende Resonanzspannung über die Gatespannung-Ausgabeschaltung GO jeweils an Gate und Source der ersten und der zweiten Schalteinrichtung Q1 und Q2.
Die Startschaltung ST besteht aus den Widerständen R1, R2 und R3.
Ein Anschluss des Widerstands R1 liegt an der positiven Seite des Kondensators C2. Der andere Anschluss ist mit dem Gate der ersten Schalteinrichtung Q1, einem Anschluss des Widerstands R2 und mit dem gateseitigen Ausgang der Gatespannung-Ausgabeschaltung GO der Gatetreiberschaltung GD verbunden, d. h. mit dem anderen Anschluss des Kondensators C4.
Der andere Anschluss des Widerstands R2 ist mit dem Verbindungsknoten der Spule L3 der Reihenresonanzschaltung SOC und der Rückführschaltung FBC verbunden.
Ein Anschluss des Widerstands R3 ist mit der ersten und der zweiten Schalteinrichtung Q1 und Q2 verbunden, d. h. den Sources der Schalteinrichtungen Q1 und Q2. Der andere Anschluss des Widerstands R3 liegt an der negativen Seite des Glättungskondensators C2.
Die Gate-Schutzschaltung GP besteht aus zwei Zenerdioden, die in Reihe geschaltet und gegenläufig gepolt sind, und liegt parallel zur Reihenschaltung der Kondensatoren C4 und C3.
Die Lastschaltung LC besteht aus einer Reihenschaltung der Hochleistungs-Entladungslampe HDL, der Strombegrenzungsspule L2 und des Gleichspannungs-Abblockkondensators CS. Zusätzlich liegt der Resonanzkondensator C6 parallel zur Hochleistungs-Entladungslampe HDL. Ein Anschluss der Lastschaltung LC ist an den Verbindungsknoten der ersten und der zweiten Schalteinrichtung Q1 und Q2 angeschlossen. Der andere Anschluss liegt am Drain der zweiten Schalteinrichtung Q2.
Die Hochleistungs-Entladungslampe HDL ist gemäß 3 aufgebaut.
Die Strombegrenzungsspule L2 und der Resonanzkondensator C6 bilden gemeinsam eine Reihenresonanzschaltung. Der Gleichspannungs-Abblockkondensator C5 besitzt eine große Kapazität und beeinflusst daher die Reihenresonanz nur unwesentlich.
Ein Kondensator C7, der Drain und Source der zweiten Schalteinrichtung Q2 verbindet, verringert die Last während des Schaltvorgangs der zweiten Schalteinrichtung Q2.
Es wird nun die Arbeitsweise des Vorschaltgeräts beschrieben.
Nach dem Einschalten der Wechselspannungsquelle AS baut sich die gleichgerichtete und geglättete Gleichspannung der Gleichspannungsquelle mit Gleichrichter RD am Glättungskondensator C2 auf. Die Gleichspannung liegt nun an beiden Drains der ersten und der zweiten Schalteinrichtung Q1 und Q2, die in Reihe geschaltet sind. Da keine Gatespannung anliegt, sperren beide Schalteinrichtungen Q1 und Q2.
Die Gleichspannung liegt wie angegeben auch an der Startschaltung ST an. Am Widerstand R2 liegt die Spannung an, die durch die proportionale Spannungsteilung an den Widerständen R1, R2 und R3 entsteht. Die Spannung am Widerstand R2 liegt als positive Spannung zwischen dem Gate und der Source der ersten und der zweiten Schalteinrichtung Q1 und Q2.
Da die Schwellwertspannung an der ersten Schalteinrichtung Q1 überschritten wird, schaltet diese durch. Die zweite Schalteinrichtung Q2 sperrt nach wie vor, da die zwischen Gate und Source der Schalteinrichtung Q2 anliegende Spannung die entgegengesetzte Polarität hat.
Nach dem Durchschalten der ersten Schalteinrichtung Q1 fließt aus der Gleichrichter-Gleichspannungsquelle RD ein Strom über die erste Schalteinrichtung Q1 in die Lastschaltung LC. Durch die Resonanz des Serienresonanzkreises aus der Strombegrenzungsspule L2 und dem Resonanzkondensator C6 erscheint die höhere Resonanzspannung an den Anschlüssen des Resonanzkondensators C6. Die Resonanzspannung liegt an der Hochleistungs-Entladungslampe HDL an.
Der in der Strombegrenzungsspule L2 fließende Strom induziert eine Spannung in der Rückführschaltung FBC, die magnetisch mit der Strombegrenzungsspule L2 gekoppelt ist.
Durch die Serienresonanz in der Reihenresonanzschaltung SOG wird eine verstärkte negative Spannung am Kondensator C3 erzeugt. Die Gateschutzschaltung GP begrenzt diese Spannung auf einen festen Wert und legt sie über die Gatespannung-Aus gabeschaltung GO zwischen Gate und Source der ersten und der zweiten Schalteinrichtung Q1 und Q2.
Die begrenzte feste Spannung übersteigt die Schwellwertspannung der zweiten Schalteinrichtung Q2; diese schaltet daher durch.
Die erste Schalteinrichtung Q1 schaltet dagegen aufgrund der umgekehrten Polarität der Gatespannung ab.
Beim Einschalten der zweiten Schalteinrichtung Q2 wird die in der Strombegrenzungsspule L2 der Lastschaltung LC gespeicherte elektromagnetische Energie und die im Kondensator C5 gespeicherte Ladung frei. In der Lastschaltung fließt ein Strom in umgekehrter Richtung von der Strombegrenzungsspule L2 über die zweite Schalteinrichtung Q2. Dadurch erscheint eine hohe Resonanzspannung mit umgekehrter Polarität am Kondensator C6, die auch an der Hochleistungs-Entladungslampe HDL liegt. Im Weiteren wiederholen sich die beschriebenen Vorgänge.
Da der Halbbrückenumrichter vor dem Starten der Hochleistungs-Entladungslampe HDL bei einer Frequenz arbeitet, die relativ nahe an der Resonanzfrequenz der Serienresonanzschaltung aus der Strombegrenzungsspule L2 und dem Kondensator C6 liegt, beträgt die sekundäre Leerlaufspannung ungefähr 550 Volt (Effektivwert). D. h., die sekundäre Leerlaufspannung beträgt ungefähr 1,5 kVss und liegt damit etwa bei der Entladungsstartspannung der Hochleistungs-Entladungslampe HDL.
Der sekundäre Kurzschlussstrom liegt bei etwa 550 mA, und die Lastkennlinie verläuft ähnlich zur Kennlinie B in 1 glatt von der sekundären Leerlaufspannung zum sekundären Kurzschlussstrom.
Die Hochleistungs-Entladungslampe HDL startet damit auch dann nach kurzer Zeit, wenn kein Zünder zum Erzeugen einer Im pulsspannung benutzt wird. Nach gewisser Zeit tritt der Übergang von der Glimm- zur Bogenentladung auf, der Lampenstromwert auf der Lastkennlinie bewegt sich in den Nennpunkt, und die Hochleistungs-Entladungslampe beginnt mit dem stabilen Betrieb. Da die Hochleistungs-Entladungslampe gemäß 1 aufgebaut ist, tritt beim Startvorgang kaum eine Schwärzung auf.
9 zeigt einen Schaltplan des Vorschaltgeräts, das bei einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Hochleistungs-Entladungslampe verwendet wird.
Bereits in 8 dargestellte Elemente sind in 9 mit den gleichen Namen bezeichnet und werden nicht nochmals erklärt.
Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass sie im Wesentlichen aus einem Vollbrücken-Hochfrequenzumrichter FBI besteht.
Der Name BUT bezeichnet einen Hochsetzsteller, BDT einen Tiefsetzsteller und FBI den Vollbrücken-Hochfrequenzumrichter.
Der Hochsetzsteller BUT besteht aus einer Spule L4, einer Schalteinrichtung Q3, einer Diode D1 und einem Glättungskondensator C8. Am Glättungskondensator C8 tritt eine geglättete Gleichspannung von ungefähr 580 Volt auf, die aus der gleichgerichteten und ungeglätteten Versorgungsspannung gewonnen wird.
Der Tiefsetzsteller BDT besteht aus einer Schalteinrichtung Q4 und einem Kondensator C9. Der Tiefsetzsteller BDT wird als Konstantspannungsregler betrieben. Er verändert aufgrund des integrierenden Verhaltens des Kondensators C9 die Ausgangsspannung über eine veränderliche Einschaltdauer der Schalteinrichtung Q4.
Der Vollbrücken-Hochfrequenzumrichter FBI besteht aus den vier Schalteinrichtungen Q5, Q6, Q7 und Q8 in Brückenschaltung. Sein Eingangsanschluss ist mit beiden Seiten des Kondensators C9 im Tiefsetzsteller BDT verbunden. Zwischen seinen Ausgangsanschlüssen liegt die Lastschaltung LC. Die Spule L5 der Lastschaltung LC begrenzt die Stromspitze beim Einschalten der Schalteinrichtung Q3 oder Q6. Beim Vollbrückenumrichter kann man die Strombegrenzungsspule auch weglassen.
Der Vollbrücken-Hochfrequenzumrichter FBI kann seine Ausgangsspannung dadurch einstellen, dass er die Eingangsgleichspannung verändert. Der Vollbrücken-Hochfrequenzumrichter FBI gibt zum Startvorgang der Hochleistungs-Entladungslampe HDL ungefähr 580 Volt aus, und ungefähr 75 Volt bei stationärem Lampenbetrieb.
10 zeigt ein Blockdiagramm eines Vorschaltgeräts, das bei einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Hochleistungs-Entladungslampe verwendet wird.
In 10 bezeichnet AS eine Niederfrequenz-Wechselspannungsquelle, SW einen Netzschalter, HB das Vorschaltgerät und HDL die Hochleistungs-Entladungslampe.
Die Wechselspannungsquelle AS ist eine Netzspannung mit 100 Volt.
Der Netzschalter SW schaltet das Vorschaltgerät HB ein und aus. Das Vorschaltgerät HB besteht im Wesentlichen aus einem LC-Resonanz-Hochfrequenzumrichter, der einer Hochleistungs-Entladungslampe HDL eine hochfrequente Spannung zuführt. Das Vorschaltgerät HB enthält eine strombegrenzende Impedanz.
11 zeigt die Vorderansicht der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochleistungs-Entladungslampe in der Hochleistungs-Entladungslampe.
12 zeigt eine Querschnittsansicht der Hochleistungs-Entladungslampe, wobei nur das obere Ende abgedichtet ist.
In 11 und 12 sind gleiche Elemente wie in 3 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet; sie werden nicht nochmals erklärt.
Die Hochleistungs-Entladungslampe HDL gleicht – mit Ausnahme der Beschaffenheit und der Größe – nahezu der Hochleistungs-Entladungslampe in der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Hochleistungs-Entladungslampe nach 3.
Am Ende des zylindrischen Abschnitts 1b mit geringem Durchmesser sind drei radiale Vorsprünge 3a ausgebildet, die untereinander jeweils einen Winkel von 120 Grad einschließen. Die radialen Vorsprünge 3a haben in Achsrichtung jeweils eine sich verjüngende Fläche. Sie dienen damit als Anschlag für die Speiseleitung 3, die an das Ende des zylindrischen Abschnitts 1b mit geringem Durchmesser des lichtdurchlässigen keramischen Gefäßes 1 anstößt, und sie richten die Speiseleitung 3 und die Elektrode 2 koaxial zum zylindrischen Abschnitt 1b mit geringem Durchmesser aus.
Beispiel 2
Hochleistungs-Entladungslampe
Die Hochleistungs-Entladungslampe weist die folgenden Merkmale auf.
Lichtdurchlässiges keramisches Entladungsgefäß 1: hergestellt aus lichtdurchlässiger Aluminiumkeramik, 24 Millimeter Gesamtlänge.

Mantel: 6 Millimeter Außendurchmesser, 5 Millimeter Innendurchmesser, 0,5 Millimeter Dicke.
Zylindrischer Abschnitt 1b mit geringem Durchmesser: 1,7 Millimeter Außendurchmesser, 0,7 Millimeter Innendurchmesser, 0,5 Millimeter Dicke.
Elektrode 2: Material auf Wolframbasis, 0,25 Millimeter Durchmesser, 7 Millimeter freie Länge, 3 Millimeter Abstand zwischen den Elektroden.
Anschlussleiter 3: hergestellt aus Niob (im abdichtbaren Bereich), 0,64 Millimeter Durchmesser.
Schmaler Spalt g: 0,225 Millimeter.
Dichtung 4: 3,5 Millimeter Dichtungslänge über dem Verbindungsabschnitt des Anschlussleiters 3 und der Elektrode 2.
Entladungsmittel: Neon 3 Prozent + Argon bei 66,5 kPa (500 Torr) im Startgas und Puffergas sowie eine geeignete Menge Quecksilber und Halogen.

Vorschaltgerät

Schaltungsaufbau: LC-Resonanz-Hochfrequenzumrichter.
Betriebsfrequenz: 45 kHz.

Betriebsdaten

Lampenleistung: 23 Watt.
Lampenspannung: 72 Volt.
Lampenstrom: 0,3 Ampere.

13 zeigt eine Kurve, die den Zusammenhang zwischen der Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung und dem relativen Lichtstrom bei der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung mit Hochleistungs-Entladungslampe darstellt.
In 13 zeigt die Abszisse die Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung in Sekunden. Auf der Ordinate ist das Lichtstromverhältnis in Prozent aufgetragen. 13 zeigt einige Beispiele der Hochleistungs-Entladungslampe mit verschiedenen Übergangszeiten von der Glimm- zur Bogenentladung, die die Ergebnisse darstellen, die man durch die Messung des Zusammenhangs zwischen der Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung und dem relativen Lichtstrom erhalten hat. Die Beispiel-Hochleistungs-Entladungslampen wurden 3 000 Stunden dem Zyklus von 165 Minuten Betrieb und 15 Minuten Ruhe unterwarfen.
Der Kurve in 13 kann man einen offenkundigen Zusammenhang zwischen der Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung und dem relativen Lichtstrom entnehmen. Man sieht, dass bei einer Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung im Bereich von 0,5 bis 3,0 Sekunden der relative Lichtstrom auf 80 Prozent oder mehr zunimmt.
Liegt die Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung im Bereich von 1,0 bis 2,5 Sekunden, so nimmt der relative Lichtstrom auf 90 Prozent oder mehr zu.
14 zeigt einen Schaltplan, der der Erklärung einer Messanordnung für die Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung der Hochleistungs-Entladungslampe dient, und zwar in Verbindung mit der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Hochleistungs-Entladungslampe.
In 14 bezeichnet OSC ein Speicheroszilloskop.
Die Messanschlüsse des Oszilloskops OSC werden mit beiden Anschlüssen der Hochleistungs-Entladungslampe HDL verbunden. Die Beobachtung erfolgt zwischen dem Einschaltzeitpunkt des Schalters SW, der dem Vorschaltgerät HB die Netzspannung zuführt, und dem Zeitpunkt, zu dem beide Elektroden vom Glimm- in den Bogenentladungszustand übergegangen sind. Den Übergang erkennt man an der Veränderung der Lampenspannung.
15 zeigt eine Skizze der Signalform der Lampenspannung der Hochleistungs-Entladungslampe in Verbindung mit der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Hochleistungs-Entladungslampe.
In 15 ist auf der Abszisse die Zeit (in Sekunden) aufgetragen und auf der Ordinate die Spannung (in Volt). 15 zeigt ein Beispiel, bei dem der Netzschalter SW zum Zeitpunkt 0 eingeschaltet wird. Eine Elektrode geht nach 2 Sekunden vom Glimm- in den Bogenentladungszustand über, die andere Elektrode nach 2,5 Sekunden. Damit beträgt im Beispiel nach 15 die Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung 2,5 Sekunden. Die Hochleistungs-Entladungslampe im Beispiel geht nach der Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung in einen stabilen Betrieb über.
16 zeigt eine Vorderansicht der dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochleistungs-Entladungslampe.
Gleiche Elemente in 16 und in 11 sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet; sie werden nicht nochmals erklärt.
In 16 bezeichnet 5 einen Stableiter, und 6 einen Starthilfeanschluss.
Der Stableiter 5 ist aus Molybdän hergestellt. Sein oberes Ende ist mit dem Anschlussleiter verbunden, und sein unteres Ende mit dem Vorschaltgerät (nicht dargestellt).
Der Starthilfeanschluss ist ebenfalls aus Molybdän hergestellt. Sein hinteres Ende ist an den Stableiter 5 geschweißt. Sein Vorderende ist um die Mitte des zylindrischen Abschnitts 1b mit kleinem Durchmesser gewickelt, der die untere Elektrode (nicht dargestellt) umschließt.
In der Ausführungsform nach 16 liegt die Ausgangsspannung des Vorschaltgeräts beim Startvorgang zwischen der unteren Elektrode und dem Starthilfeanschluss 6. Damit verstärkt sich das elektrische Feld zwischen diesen beiden Leitern, und ein dielektrischer Durchbruch des Entladungsmittels wird beschleunigt. Daher startet die Hochleistungs-Entladungslampe mit einer relativ geringen Spannung.
Die Hochleistungs-Entladungslampe dieser Ausführungsform ist in einem äußeren Kolben (nicht dargestellt) untergebracht.
17 zeigt eine Vorderansicht der Hochleistungs-Entladungslampe der dritten Ausführungsform mit einem äußeren Kolben.
Gleiche Elemente in 16 und in 17 sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet; sie werden nicht nochmals erklärt.
In 17 bezeichnet 7 den äußeren Kolben und 8 den Lampensockel. Der äußere Kolben 7 ist birnenförmig. Seine Innenseite ist mit Ausnahme des unteren Endes mit einer Reflexionsschicht 7a versehen, siehe 17. Das Innere des Kolbens ist evakuiert. Die Reflexionsschicht 7a ist mit Aluminium bedampft.
Im äußeren Kolben 7 ist zudem das lichtdurchlässige keramische Gefäß 1 nach 16 enthalten. Der Mantel 1a des lichtdurchlässigen Gefäßes 1 ist im Brennpunkt der Reflexionsschicht 7a befestigt.
Der Lampensockel 8 ist ein E26-Schraubsockel, der am Hals 7b des äußeren Kolbens 7 mit einem anorganischen Kleber befestigt ist.
18 zeigt eine Querschnittsansicht der Hochleistungs-Entladungslampe in einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochleistungs-Entladwlgslampe, wobei nur der obere Lampenabschnitt in Einzelheiten dargestellt ist.
Gleiche Elemente in 18 und in 3 sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet; sie werden nicht nochmals erklärt.
Die Hochleistungs-Entladungslampe, siehe 18, besteht aus einem lichtdurchlässigen keramischen Gefäß 1, zwei Elektroden 2, einem Anschlussleiter 3, einer ersten Dichtung 4, einer keramischen Scheibe 7, einem äußeren Anschlussdraht 8 und einer zweiten Dichtung 9. In dem Gefäß ist ein Entladungsmittel enthalten (in 18 nicht erkennbar).
18 zeigt den zusammengebauten Zustand. Dabei sind zum besseren Verständnis nur die Bauteile im oberen Abschnitt des Gefäßes zusammengesetzt und abgedichtet dargestellt. In Wirklichkeit ist die Hochleistungs-Entladungslampe natürlich in senkrechter Richtung symmetrisch. Die erste Dichtung 4 gleicht der Dichtung 4 in 3.
Der Mantel 1a des lichtdurchlässigen keramischen Gefäßes 1 ist kugelförmig, siehe die Erklärung zu 2.
Die keramische Scheibe 7 weist ein mittiges Loch 7a auf und umgibt die Verbindungsstelle des Anschlussleiters 3 mit dem äußeren Anschlussdraht 8.
Der äußere Anschlussdraht 8 ist aus säurebeständigem Metall hergestellt und an das Hinterende des Anschlussleiters 3 geschweißt.
Die zweite Dichtung 9 umschließt das Hinterende des Anschlussleiters 3, das durch das mittige Loch 7a in der keramischen Scheibe 7 aus dem zylindrischen Abschnitt 1b mit geringem Durchmesser herausragt. Damit ist der Anschlussleiter 3 von der ersten Dichtung 4 und der zweiten Dichtung 9 vollständig bedeckt.
Als Entladungsmittel sind Halide des Licht aussendenden Metalls, Quecksilber und Edelgas in das Gefäß der Entladungslampe eingefüllt.
Beispiel 3
Hochleistungs-Entladungslampe
Die Hochleistungs-Entladungslampe weist die folgenden Merkmale auf.
Lichtdurchlässiges keramisches Entladungsgefäß 1: hergestellt aus lichtdurchlässiger Aluminiumkeramik, 24 Millimeter Gesamtlänge.

Mantel: 6 Millimeter Außendurchmesser, 5 Millimeter Innendurchmesser, 0,5 Millimeter Dicke.
Zylindrischer Abschnitt 1b mit geringem Durchmesser: 1,7 Millimeter Außendurchmesser, 0,7 Millimeter Innendurchmesser, 0,5 Millimeter Dicke, 9 Millimeter Länge.
Gesamtlänge: 28 Millimeter.
Mantel 1a: 6,6 Millimeter Außendurchmesser, 5,5 Millimeter Innendurchmesser, 0,5 Millimeter Dicke, 0,087 Kubikzentimeter Innenvolumen, Sphärizität 0,68, 7,2 Millimeter axiale Länge.
Gewicht: 386 Milligramm.
Elektrode 2: Material auf Wolframbasis, 0,25 Millimeter Durchmesser, 7 Millimeter freie Länge, 3 Millimeter Abstand zwischen den Elektroden.
Schmaler Spalt g: 0,225 Millimeter.
Anschlussleiter 3: hergestellt aus Niob, 0,64 Millimeter Durchmesser, 3,5 Millimeter Einführtiefe in den zylindrischen Abschnitt 1b mit kleinem Durchmesser.
Äußerer Anschlussdraht 8: hergestellt aus einer Fe-Ni-Co-Legierung, 0,64 Millimeter Durchmesser, 5,5 Millimeter Länge.
Erste Dichtung 4: Al2O3-SiO2-Dy23-Systemkeramik-Dichtungsmaterial oder Fritte, Schmelzpunkt 1500 Grad Celsius.
Keramische Scheibe 7: hergestellt aus Aluminiumkeramik.
Zweite Dichtung 9: CaO-BaO-SiO-Systemglaskleber oder Fritte, Schmelzpunkt 1045 Grad Celsius.
Entladungsmittel: 20,0 kPa (150 Torr) Neon 3 Prozent + Argon 97 Prozent Mischgas im Startgas und Puffergas.
Pufferdampf: 1,5 Milligramm Quecksilber.
Zusammensetzung des Licht abstrahlenden Metalls: 1,4 Milligramm NaI-TlI-DyI3 bei einem Molverhältnis von 71:8:21.
Lampenleistung: 20 Watt.
Lampengewicht: 487 Milligramm.
Lampenleistung (Watt)/Gewicht (Milligramm) des lichtdurchlässigen keramischen Entladungsgefäßes: 0,0518 (Watt/Milligramm).
Lampenleistung (Watt)/Gewicht (Milligramm) der Hochleistungs-Entladungslampe: 0,0411 (Watt/Milligramm).
Eingeschlossene Menge des Entladungsmittels pro Innenvolumen des Gefäßes: 16,09 (Milligramm/Kubikzentimeter).
Verhältnis des Abstands zwischen den Elektroden gE zur axialen Länge b des Mantels 1a: 0,427

Vorschaltgerät

Schaltungsaufbau: LC-Resonanz-Hochfrequenzumrichter, wobei eine Halbbrückenschaltung komplementär mit einem Paar Schaltbauteile verdrahtet ist.
Betriebsfrequenz: 45 kHz.

Betriebsdaten

Lampenspannung: 70 Volt.
Lampenstrom: 0,26 Ampere.
Lampenwirkungsgrad: 781 m/W.
Lebensdauer bei unterbrechungsfreiem Betrieb: 7000 Stunden.

19 zeigt eine Vorderansicht einer glühlampenartigen Beleuchtungseinrichtung mit einer Hochleistungs-Entladungslamne als erster Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung.
Gleiche Elemente in 18 und in 19 sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet; sie werden nicht nochmals erklärt.
In 19 bezeichnet 11 die Beleuchtungseinrichtung, 12 die Befestigungsvorrichtung, 13 das Vorschaltgerät, 14 die Netzanschlussvorrichtung, 15 das Gehäuse, 16 eine Verbindungsleitung und 17 den Schutz.
Die Beleuchtungseinrichtung 11 umfasst eine Hochleistungs-Entladungslampe 11a und einen Reflektor 11b.
Die verwendete Hochleistungs-Entladungslampe 11a entspricht der Lampe in 18.
Der Reflektor 11b besitzt eine reflektierende Oberfläche 11b1, zwei Löcher 11b2 und eine Haltevorrichtung 11b3.
Die reflektierende Oberfläche 11b1 ist ein Rotationsparaboloid.
An zwei festgelegten Stellen der reflektierenden Oberfläche 11b1 befindet sich jeweils ein Loch 11b2, das die reflektierende Oberfläche 11b1 von innen nach außen durchstößt. Die Orte der Löcher sind so festgelegt, dass die Verbindungslinie der Lochmittelpunkte waagrecht verläuft und durch den Brennpunkt der reflektierenden Oberfläche 11b1 geht.
Die Haltevorrichtung 11b3 ist zylindrisch geformt und geht von der Rückseite des Reflektorspiegels 11b1 aus.
Der zylindrische Abschnitt 1b mit geringem Durchmesser an jeder Seite der Hochleistungs-Entladungslampe 11a wird jeweils in eines der Löcher 11b2 des Reflektors 11b eingesetzt. Dadurch sind die Lampe und der Reflektor miteinander verbunden.
Die Befestigungsvorrichtung 12 besitzt einen Randabschnitt 12a und einen Befestigungsabschnitt 12b.
Der Randabschnitt 12a stößt an die Rückseite der Abdeckung 15b des Gehäuses 15.
Der Befestigungsabschnitt 12b ist in die Haltevorrichtung 11b3 des Reflektors 11b der Beleuchtungseinrichtung 11 eingesetzt und dort angeklebt. Damit ist die Beleuchtungseinrichtung 11 mit der Abdeckung 15b verbunden.
Das Vorschaltgerät 13 ist für das Lastverhalten einer Leuchtstofflampe ausgelegt. Es enthält einen Hochfrequenzumrichter und einen Strombegrenzer und betreibt die Hochleistungs-Entladungslampe 11a mit Hochfrequenz. Das Vorschaltgerät 13 der Entladungslampe ist an der Rückseite des Reflektors 11b angeordnet. Das Bezugszeichen 13a bezeichnet eine gedruckte Schaltungsplatine.
Die Netzanschlussvorrichtung 14 umfasst einen Lampenschraubsockel E11 und nimmt Netzspannung auf, wenn der Lampenschraubsockel in eine Lampenfassung (in der Zeichnung nicht dargestellt) eingesetzt wird. Auf diese Weise wird dem vorschaltgerät 13 der Entladungslampe Netzspannung zugeführt.
Das Gehäuse 15 nimmt die besprochenen Komponenten auf und hält sie an Ort und Stelle. Das Gehäuse 15 besteht aus dem Gehäusehauptteil 15a und der Abdeckung 15b. Der obere Teil des Gehäuses in der Zeichnung hat die Form eines abgeschnittenen Kegels. Der untere Teil ist als offener Zylinder ausgebildet. Das Vorschaltgerät 13 der Entladungslampe ist im Gehäusehauptteil 15a untergebracht. Die Netzanschlussvorrichtung ist an der flachen Oberseite des Gehäuses 15 angeordnet.
Die Abdeckung 15b ist mit einem Kleber (in der Zeichnung nicht dargestellt) an den Gehäusehauptteil 15a geklebt. In der Mitte der Abdeckung 15b befindet sich die Öffnung 15b1, in der die Beleuchtungseinrichtung aufgenommen wird. In der Abdeckung 15b befindet sich auch das Durchgangsloch 15b2, durch das der Anschlussdraht 16 verläuft.
Der Anschlussdraht 16 kommt vom Vorschaltgerät 13 der Entladungslampe, das sich im Gehäuse 15 befindet, und läuft über das Durchgangloch 15b2 und die Abdeckung 15b zum äußeren Anschlussleiter der Hochleistungs-Entladungslampe HDL.
Der Schutz 17 bildet mit der Abdeckung 15b ein Teil.
Der Schutz 17 umgibt die Beleuchtungseinrichtung 11 und schützt damit den Reflektor 12, den Abschnitt der Hochleistungs-Entladungslampe HDL, der aus dem Reflektor 12 herausragt, und den Anschlussdraht 16.
20 zeigt eine Vorderansicht eines Punktstrahlers (Beleuchtungseinrichtung) mit einer Hochleistungs-Entladungslampe als zweiter Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung.
Gleiche Elemente in 20 und in 19 sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet; sie werden nicht nochmals erklärt.
In 20 bezeichnet 21 den Hauptteil eines Beleuchtungssystems.
Der Beleuchtungssystem-Hauptteil 21 weist einen Fuß 21a, einem Arm 21b und einen Beleuchtungskörper 21c auf.
Der Fuß 21a ist für eine Direktmontage an der Decke ausgelegt; man kann ihn aber auch an das Lampenkabel hängen. Er enthält das Vorschaltgerät (nicht dargestellt) der Entladungslampe.
Der Arm 21b trägt den Beleuchtungskörper 21c und hängt am Fuß 21a. Im Arm 21b verläuft ein isolierter Leitungsdraht (nicht dargestellt), der das Vorschaltgerät der Entladungslampe mit dem Beleuchtungskörper 21c verbindet.
Im Beleuchtungskörper 21c befindet sich eine Lampenfassung (nicht dargestellt).
Die Hochleistungs-Entladungslampe HDL ist gemäß 17 aufgebaut.
Nach dem Einschrauben des Lampensockels der Hochleistungs-Entladungslampe HDL in die Lampenfassung (nicht dargestellt) im Inneren des Beleuchtungskörpers 21c des Beleuchtungssystem-Hauptteils 21 leuchtet die Hochleistungs-Entladungslampe HDL mit hoher Intensität. Die Reflektorfläche 7a des äußeren Kolbens 7 sammelt das Licht der Hochleistungs-Entladungslampe HDL. Somit kann man einen zu beleuchtenden Gegenstand mit einer gewünschten Lichtverteilung ordentlich beleuchten.
Mit der Entladungslampe kann man eine Beleuchtungswirkung erzielen, die genauso gut ist wie bei einer Halogenlampe oder bei einem Halogenlampen-Punktstrahler.

Claims

Beleuchtungseinrichtung mit Hochleistungs-Entladungslampe, aufweisend: eine Hochleistungs-Entladungslampe (HDL), die enthält: ein lichtdurchlässiges keramisches Entladungsgefäß (1) mit einem Mantel (1a), der einen Entladungsraum bestimmt, und einem hohlen Teil (1b), dessen Innendurchmesser kleiner ist als der Mantel (1a), eine längliche Elektrode, die in das hohle Teil (1b) des lichtdurchlässigen Entladungsgefäßes (1) eingesetzt ist, wobei ein schmaler Spalt (g) zur Innenwand des hohlen Teils (1b) verbleibt und ein Vorderende der Elektrode (2) in das hohle Teil (1b) des lichtdurchlässigen Entladungsgefäßes (1) ragt, einen Anschlussleiter (3), dessen Vorderende mit einem hinteren Ende der Elektrode (2) verbunden ist, dessen Mitteln abschnitt an dem lichtdurchlässigen Entladungsgefäß (1) befestigt ist und dessen Hinterende aus dem lichtdurchlässigen Entladungsgefäß (1) herausragt, und ein Entladungsmittel, das Neon und Argon, welches mit dem Neon so gemischt ist, dass es 0,1 bis 10% des Gesamtdrucks erzeugt, enthält, wobei der Gasdruck von Neon und Argon im Bereich von 6,65 bis 77,1 kPa liegt; und ein Vorschaltgerät (HB), das durch einen Hochfrequenzumrichter verankert ist, um die Hochleistungs-Entladungslampe mit einer Hochfrequenz zu zünden, die in einer solchen Größenordnung liegt, dass das Verhältnis V20/VS der sekundären Leerlauf-Entladungsspannung V20 des Vorschaltgeräts zur Entladungsstartspannung VS der Hochleistungs-Entladungslampe in den folgenden Bereich gebracht werden kann: 110 ≤ V20/VS ≤ 300.
Beleuchtungseinrichtung mit Hochleistungs-Entladungslampe nach Anspruch 1, wobei die Übergangszeit von der Glimm- zur Bogenentladung der Hochleistungs-Entladungslampe (HDL) im Bereich von 0,5 bis 3,0 s liegt.
Beleuchtungseinrichtung mit Hochleistungs-Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 2, zudem umfassend einen Starthilfeleiter (6), der nahe an dem lichtdurchlässigen keramischen Entladungsgefäß (1) angeordnet ist.
Beleuchtungseinrichtung mit Hochleistungs-Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Vorschaltgerät im stabilen Betrieb eine Betriebsfrequenz im Bereich von 5 bis 500 kHz aufweist.
Beleuchtungseinrichtung mit Hochleistungs-Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Lampenleistung der Hochleistungs-Entladungslampe (HDL) unter 50 Watt liegt.
Beleuchtungseinrichtung mit Hochleistungs-Entladungslampe nach einem der Ausprüche 1 bis 5, aufweisend: eine Hochleistungs-Entladungslampe mit einem lichtdurchlässigen keramischen Entladungsgefäß (1) mit einem sphärischen Mantel, dessen Sphärizität 0,6 oder mehr beträgt, um einen Entladungsraum zu begrenzen, und ein Vorschaltgerät (HB) zum Betreiben der Hochleistungs-Entladungslampe (HDL) mit einer Betriebsfrequenz im Bereich von 40 bis 80 kHz.
Beleuchtungseinrichtung mit Hochleistungs-Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Vorschaltgerät eine Spannungsschwankung der Spitzenspannungen der sekundären Leerlaufspannung von 1,0 bis 3,0 kV aufweist.