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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung geht aus von einer Mischlichtlampe gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Mischlichtlampen lassen sich
insbesondere für Allgemeinbeleuchtung einsetzen.
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Stand der Technik
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Mischlichtlampen
zeichnen sich durch die Reihenschaltung einer Hochdruckentladungslampe
und einer Glühlampe aus. Durch die Glühlampe wird
sofort nach dem Zünden der Lampe Licht erzeugt und gleichzeitig
die für die Hochdruckentladungslampe notwendige Strombegrenzung
realisiert. Eine solche Anordnung kann ohne weitere Vorschaltgeräte
direkt an der Netzspannungsversorgung betrieben werden. Implementiert man
in die Stromversorgung eine Gleichrichtung und Glättung
(
WO 2005027588 ,
US 4316124 ), können
so auch Hochdruckentladungslampen mit Metallhalogenidfüllung
betrieben werden.
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Das
Problem der Zündung von Hochdruckentladungslampen wird
derzeit auf zwei Wegen gelöst. Entladungslampen mit niedriger
Zündspannung besitzen eine dritte interne Zündelektrode,
die über einen Widerstand beschaltet ist (
US 4316124 ). Eine solcher Aufbau ist
für Keramikentladungslampen sehr schwer oder nicht realisierbar.
Solche Lampen benötigen ein externes Zündgerät
(
WO 2005027588 ) dadurch gelöst,
dass das Zündgerät in das Vorschaltgerät
integriert ist. Nachteilig daran ist, dass die Zuleitungen hochspannungsfest
ausgelegt sein müssen.
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In
der Vergangenheit hat es immer wieder Versuche gegeben, die Zündeinheit
in die Lampe zu integrieren. Dabei wurde versucht, sie in den Sockel
zu integrieren. Eine besonders effektive und hohe Pulse versprechende
Zündung gelingt mittels sog. Spiral-Puls-Generatoren, siehe
US-A 3 289 015 .
Vor längerer Zeit wurden derartige Geräte bei
verschiedenen Hochdruckentladungslampen wie Metallhalogenidlampen
oder Natriumhochdrucklampen vorgeschlagen, siehe beispielsweise
US-A 4 325 004 ,
US-A 4 353 012 .
Sie konnten sich jedoch nicht durchsetzen, weil sie zum einen zu
teuer sind. Zum andern ist der Vorteil, sie in den Sockel einzubauen,
nicht ausreichend, da das Problem des Zuführens der Hochspannung
in den Kolben bleibt. Daher steigt die Wahrscheinlichkeit für
Schädigungen der Lampe, seien es Isolationsprobleme oder
ein Durchbruch im Sockel, steigt stark an. Bisher übiche
Zündgeräte konnten Im im allgemeinen nicht über
100°C erwärmt werden. Die erzeugte Spannung musste
dann der Lampe zugeführt werden, was Leitungen und Lampenfassungen
mit entsprechender Hochspannungsfestigkeit erfordert, typisch etwa
5 kV.
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Zur
Erzeugung besonders hoher Spannungen wird ein Doppel-Generator verwendet,
siehe
US-A 4 608 521 .
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Darstellung der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Mischlichtlampe
anzugeben, die Sofortlicht bereitstellt und dabei eine relativ hohe
Effizienz erzielt.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale
des Anspruchs 1.
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Eine
Mischlichtlampe ist eine kombinierte Glüh- und Entladungslampe.
Das heißt, dass sie ein Entladungsgefäß und
einen Leuchtkörper besitzt.
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Gewünscht
ist eine Mischlichtlampe für sofortige Lichtabgabe und
vergleichsweise hoher Lichtausbeute, die ohne Vorschaltgerät
direkt an 230 V Netzspannung betrieben werden kann.
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Bisherige
Mischlichtlampen verwenden als Entladungsgefäß bevorzugt
eine reine Quecksilber-Hochdruckentladungslampe. Die gesamte Lampe
ist in einem mit Leuchtstoff beschlämmten elliptischen
Außenkolben untergebracht. Die Wendel, typisch aus Wolfram,
gibt sofort nach dem Einschalten Licht ab. Sie übernimmt außerdem
die Funktion des strombegrenzenden Vorschaltgeräts. Die
Quecksilber-Hochdruckentladung übernimmt mit dem Verdampfen
des Quecksilbers und zusammen mit dem Leuchtstoff des Außenkolbens
zunehmend einen Teil der Lichterzeugung. Ein solcher Aufbau ist
bislang auf die Verwendung von Quecksilber-Hochdruckentladungslampen
mit relativ geringer Lichtausbeute und schlechter Farbwiedergabe
beschränkt, weil nur solche Entladungsgefäße,
mit Hilfselektrode und ohne weitere Zündgeräte
bei 230 V Netzspannung zünden. Gelegentlich wird auch eine
Metallhalogenidlampe als Entladungsgefäß bei Mischlichtlampen
verwendet, wie in
WO 2005/027588 erläutert.
Die Mischlichtlampe enthält typisch außerdem einen
Gleichrichter, und einen Ladekondensator und ein Zündgerät
(???). Das Zündgerät ist bei
WO 2005/027588 so ausgebildet,
dass es einen strombegrenzen den Widerstand, eine Zenerdiode, einen
Kondnensator und eine Spule aufweist, also eine traditionelle Zündschaltung
darstellt..
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Um
ein voluminöses Zündgerät zu vermeiden,
das entweder separat oder im Sockel untergebracht ist, wird nun
erstmals vorgeschlagen, eine Mischlichtlampe auf Basis einer Metallhalogenidlampe
zusammen mit einem keramischen Spiralpulsgenerator als Zündgerät
zu verwenden. Damit ist es sogar möglich, alle Komponenten
wie Wendel, Entladungsgefäß und Zündgerät
in einem Außenkolben unterzubringen. Es können
auch Komponenten zur Gleichrichtung und Glättung des Lampenstroms
mit im Außenkolben der Lampe untergebracht werden. Dazu
müssen die Dioden bevorzugt in SiC Technologie und die
Kondensatoren als keramische Kondensatoren mit hoher Dielektrizitätskonstante
ausgeführt werden. Dieser ist bevorzugt evakuiert. Bbevorzugt
ist der Außenkolben mattiert, jedoch benötigt
er keine Leuchtstoffschicht mehr. Durch den Spiralpulsgenerator
wird das Zünden der Metallhalogenidlampe ermöglicht
und sichergestellt.
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Aus
der
DE-Az 10 2005 061 832.4 und
DE-Az 10 2005 061 831.6 ist
ein kompakter Hochspannungspulsgenerator bekannt, der hohe Spannungen über
15 kV erzeugen kann. Dabei bestehen die Spiralpulsgeneratoren im
allgemeinen aus zwei etwa gleich langen als Spirale aufgewickelten
Leitern, siehe
1. Das bedeutet, dass jeder
Leiter in etwa gleich viele Windungen besitzt. Ein solcher Aufbau
ist erforderlich um das Vektorinversionsprinzip zu nutzen.
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Aus
der
DE-Az 10 2006 026 750.8 ist
bekannt, einen Spiralpulsgenerator zu verwenden, der von einem ferritischen Material
mit einer relativen Permeabilität von μ
r = 1 bis 5000 umgeben ist. Auf diese drei
Schriften wird ausdrücklich bezug genommen. Dabei wird
immer das Prinzip ausgenutzt, dass ein infolge des Kurzschlusses
in der ersten Windung fließender Strom in den restlichen
Windungen einen Hochspannungspuls induziert.
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Bei
Auslegung eines Spiralpulsgenerators für eine Pulsspannung
von etwa 25 kV wird sogar der Bau einer Lichtquelle mit Sofortlicht
und außerdem Heißwiederzündfähigkeit
möglich. Dies kann beispielsweise durch einen Doppelpulsgenerator
erreicht werden, siehe
US-A
4 608 521 und insbesondere auch
DE-Az 10 2006 026 749.4
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Der
jetzt verwendete Spiral-Puls-Generator ist insbesondere ein sog.
LTCC-Bauteil oder auch HTCC-Bauteil. Das LTCC-Material ist eine
spezielle Keramik, die bis 600°C Temperaturfest gemacht
werden kann. Zwar wurde LTCC schon in Zusammenhang mit Lampen verwendet,
siehe
US 2003/0001519 und
US-B 6 853 151 .
Jedoch wurde es für ganz andere Zwecke bei praktisch kaum
temperaturbelasteten Lampen, mit typischen Temperaturen unter 100°C,
eingesetzt. Der besondere Wert der hohen Temperaturstabilität
von LTCC in Zusammenhang mit der Zündung von Hochdruckentladungslampen,
wie vor allem Metallhalogenidlampen mit Zündproblemen,
zu erkennen.
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Der
Spiral-Puls-Generator ist in seiner Basisausführung ein
Bauteil, das Eigenschaften eines Kondensators mit denen eines Wellenleiters
zur Erzeugung von Zündpulsen mit einer Spannung von mindestens
1,5 kV vereint, Für die Herstellung werden zwei keramische
"Grün-Folien" mit metallischer Leitpaste bedruckt und anschließend
versetzt zu einer Spirale aufgewickelt und schließlich
isostatisch zu einem Formkörper gepresst. Die folgende
Co-Sinterung von Metallpaste und keramischer Folie erfolgt an Luft
im Temperaturbereich zwischen 800 und 900°C. Diese Verarbeitung
erlaubt einen Einsatzbereich des Spiral-Puls-Generators bis 700°C Temperaturbelastung.
Dadurch kann der Spiral-Puls-Generator in direkter Nähe
des Entladungsgefäßes im Außenkolben,
aber auch im Sockel oder in unmittelbarer Nähe der Lampe
untergebracht werden.
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Unabhängig
davon kann ein derartiger Spiral-Puls-Generator auch für
andere Anwendungen eingesetzt werden, weil er nicht nur hochtemperaturstabil
ist, sondern auch äußerst kompakt. Dafür
ist wesentlich, dass der Spiral-Puls-Generator als LTCC-Bauteil
ausgeführt ist, bestehend aus Keramikfolien und metallischer Leitpaste.
Um ausreichend Ausgangspannung zu liefern, sollte die Spirale mindestens
5 Windungen umfassen.
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Zudem
lässt sich auf Basis dieses Hochspannungspulsgenerators
eine Zündeinheit angeben, die weiterhin zumindest einen
Ladewiderstand und einen Schalter umfasst. Der Schalter kann eine
Funkenstrecke oder auch ein Diac in SiC-Technologie sein.
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Bevorzugt
ist im Falle einer Anwendung für Lampen die Unterbringung
im Außenkolben. Denn dadurch entfällt die Notwendigkeit
einer hochspannungsfesten Spannungszuleitung.
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Zudem
lässt sich ein Spiral-Puls-Generator so dimensionieren,
dass der Hochspannungspuls sogar eine Heißwiederzündung
der Lampe ermöglicht. Das Dielektrikum aus Kera mik zeichnet
sich durch eine außergewöhnlich hohe Dielektrizitätskonstante ε von ε > 10 aus, wobei je nach
Material und Bauweise ein ε von typisch 70, bis zu ε =
15000 erreicht werden kann. Das schafft eine sehr hohe Kapazität
des Spiral-Puls-Generators und ermöglicht eine vergleichsweise
große zeitliche Breite der erzeugten Impulse. Dadurch wird
eine sehr kompakte Bauweise des Spiral-Puls-Generators möglich,
so dass ein Einbau in handelsübliche Außenkolben
von Hochdruckentladungslampen gelingt.
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Die
große Pulsbreite erleichtert zudem den Durchschlag im Entladungsvolumen.
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Als
Material des Außenkolbens einer Lampe kann jedes übliche
Glas verwendet werden, also insbesondere Hartglas, Vycor oder Quarzglas.
Auch die Wahl der Füllung unterliegt keiner besonderen
Einschränkung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
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1 den
prinzipiellen Aufbau eines Spiral-Puls-Generators wie bereits bekannt;
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2 das
Prinzip der Verschaltung für einen verdoppelten Spiral-Puls-Generator
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3 den
prinzipiellen Aufbau eines Spiral-Puls-Generators mit erhöhter
Zündspannung;
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4 den
prinzipiellen Aufbau einer neuartigen Mischlichtlampe;
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5 den
prinzipiellen Aufbau einer gleichgerichteten Mischlichtlampe.
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Bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung
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1 zeigt
den Aufbau eines Spiral-Puls-Generators 1 in Draufsicht.
Er besteht aus einem keramischen Zylinder 2, in den zwei
verschiedene metallische Leiter 3 und 4 als Folienband
spiralförmig eingewickelt sind. Der Zylinder 2 ist
innen hohl und besitzt einen gegebenen Innendurchmesser ID. Die
beiden inneren Kontakte 6 und 7 der beiden Leiter 3 und 4 liegen
sich in etwa gegenüber und sind über eine Funkenstrecke 5 miteinander
verbunden.
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Nur
der äußere der beiden Leiter besitzt am äußeren
Rand des Zylinders einen weiteren Kontakt 8. Der andere
Leiter endet offen. Die beiden Leiter bilden dadurch zusammen einen
Wellenleiter in einem dielektrischen Medium, der Keramik.
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Der
Spiral-Puls-Generator wird entweder aus zwei mit Metallpaste beschichteten
keramischen Folien gewickelt oder aus zwei Metallfolien und zwei
keramischen Folien aufgebaut. Eine wichtige Kenngröße
ist dabei die Zahl n der Windungen, die bevorzugt in der Größenordnung
5 bis 100 liegen soll. Diese Wickelanordnung wird dann laminiert
und anschließend gesintert, wodurch ein LTCC-Bauteil entsteht.
Die so geschaffenen Spiral-Puls-Generatoren mit Kondensatoreigenschaft
werden dann mit einer Funkenstrecke sowie einem Ladewiderstand beschaltet.
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Die
Funkenstrecke kann sich an den inneren oder den äußeren
Anschlüssen oder auch innerhalb der Wicklung des Generators
befinden. Als Hochspannungsschalter, der den Puls initiiert, kann
bevorzugt eine Funkenstrecke verwendet werden., die auf SiC basiert
und sehr temperaturstabil ist. Beispielsweise kann das Schaltelement
MESFET der Fa. Cree verwendet werden. Dieses ist für Temperaturen
oberhalb 350°C geeignet.
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In
einem konkreten Ausführungsbeispiel wird ein Keramikmaterial
mit ε = 60 bis 70 verwendet. Dabei wird bevorzugt als Dielektrikum
eine Keramikfolie, insbesondere ein Keramikband wie Heratape CT
707 oder bevorzugt CT 765 oder auch eine Mischung beider, jeweils
von Heraeus verwendet. Es hat eine Dicke der grünen Folie
von typisch 50 bis 150 μm. Als Leiter wird insbesondere
Ag-Leitpaste wie "Cofirable Silver," ebenfalls von Heraeus, verwendet.
Ein konkretes Beispiel ist CT 700 von Heraeus. Gute Ergebnisse liefert
auch die Metallpaste 6142 von DuPont. Diese Teile lassen sich gut
laminieren und danach ausheizen ("burnout") und zusammen sintern
("co-firing").
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Der
Innendurchmesser ID des Spiral-Puls-Generator ist 10 mm. Die Breite
der einzelnen Streifen ist ebenfalls 10 mm. Die Foliendicke ist
50 μm und auch die Dicke der beiden Leiter ist jeweils
50 μm. Die Ladespannung beträgt 300 V. Unter diesen
Voraussetzungen erreicht der Spiral-Puls-Generator ein Optimum seiner Eigenschaften
bei einer Windungszahl von n = 20 bis 70.
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In 2 ist
ein Spiralpulsgenerator gezeigt für hohe Zündspannungen.
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Die
Erfindung entfaltet ganz besondere Vorteile im Zusammenwirken mit
Hochdruckentladungslampen, die kein Quecksilber enthalten. Derartige
Lampen sind aus Umweltschutzgründen besonders erstrebenswert.
Sei enthalten eine ge eignete Metallhalogenid-Füllung und
insbesondere ein Edelgas wie Xenon unter hohem Druck. Wegen des
fehlenden Quecksilbers ist die Zündspannung besonders hoch.
Sie beträgt mehr als 20 kV. Derzeit wird versucht, die
Komponenten der Zündeinheit im Sockel unterzubringen. Ein
Spiral-Puls-Generator mit integriertem Ladewiderstand kann entweder
in den Sockel der Quecksilberfreien Lampe oder in einen Außenkolben
der Lampe untergebracht sein.
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Dabei
hat der Spiral-Puls-Generator zum Erzeugen der hohen Spannung von
beispielsweise 20 kV bevorzugt zwei integrierte Generatoren in einer
einzigen LTCC-Spirale oder einem anderen hochwärmebeständigen
Material. Da ein einzelner Generator, der einen Hochspannungspuls
von z. B. 20 kV erzeugen soll, einen größeren
Außendurchmesser haben müsste, als der Außendurchmesser
des Außenkolbens der Lampe, werden zwei Generatoren in
Gegentaktschaltung verwendet (
2). Dabei
werden zwei Ladewiderstände R1 und R2 und ein Schalter
Sch in Form einer Funkenstrecke verwendet. Die beiden auf die Lampe
L wirkenden Spiralgeneratoren sind mit SG1 und SG2 bezeichnet. Dieses
Prinzip ist grundsätzlich aus
US-A 4 608 521 bekannt. Dort
werden jedoch zwei getrennt Generatoren verwendet.
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Die
beiden Generatoren werden jetzt integriert als eine einzige LTCC-Spirale 29 mit
zwei „gestapelten" Leiterebenen und evtl. dazwischen einer
möglichen Abschirmung ausgeführt (3).
Die beiden keramischen Folien 31 und 32 sind jeweils
ein aufgewickeltes Band und haben typisch eine Breite a von 10 bis
50 mm und enthalten jetzt gleichzeitig drei metallische Schichten,
die parallel zueinander laufen. Der erste Spiralgenerator SG1 wird
jeweils von einer ersten breiten Schicht 33 (typische Brei te
b ist 3 bis 20 mm) der beiden Folien gebildet. Der zweite Spiralgenerator
SG2 wird von einer zweiten gleichartigen Schicht 34 mit ähnlicher
Breite d gebildet. Um den Abstand zwischen beiden Schichten gering
halten zu können wird ggf. eine Abschirmung in Gestalt
eines schmalen metallischen Bandes 35 (typische Breite
c ist 1 bis 5 mm) zwischen den beiden Schichten 33 und 34 als
Option aufgebracht.
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Diese
doppelte keramische Folie 31, 32 wird bis zu 100-fach
aufgewickelt, wobei der Innendurchmesser ID des entstehenden Hohlzylinders
typisch 10 bis 50 mm beträgt.
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Durch
Verwendung der LTCC-Technik in doppellagiger Ausführung
werden sowohl eine Temperaturfestigkeit bis 600°C als auch
ein hinreichend kleiner Außendurchmesser erzielt, da jeder
einzelne Generator nur die halbe geforderte Hochspannung, z. B.
10 kV, erzeugen muss.
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Die
Kenngrößen verändern sich dadurch in
Richtung Kompaktifizierung. Mögliche Dimensionierungen für
einen einfachen und verdoppelten Spiral-Puls-Generator in LTCC-Bauweise
sind:
Merkmal | Einfacher
Spiral-Puls-Generator | Verdoppelter
Spiral-Puls-Generator |
Windungen | 95 | 48 |
Innendurchmesser | 30
mm | 15
mm |
Außendurchmesser | 68
mm | 34
mm |
Epsilon εr | 66 | 66 |
Streifenbreite | 20
mm | 20
mm |
Maximale
Spannung | 20
kV | 2 × 10
kV = 20 kV |
Durchmesser
innen | 100
mm | 15
mm |
Ladespannung | 400
V | 300
V |
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In
beiden Fällen wird jeweils eine Foliendicke von 50 μm
und eine Leiterdicke von ebenfalls 50 μm verwendet.
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Dabei
werden Windungszahlen von n bis 500 verwendet, so dass die Ausgangsspannung
bis in die Größenordnung von 100 kV erreicht.
Denn die Ausgangsspannung UA ist als Funktion
der Ladespannung UL gegeben durch UA = 2 × n × UL × η,
wobei die Effizienz η durch η = (AD – ID)/AD
gegeben ist.
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Die
Erfindung entfaltet ganz besondere Vorteile im Zusammenwirken mit
Entladungsgefäßen, die kein Quecksilber enthalten.
Derartige Lampen sind aus Umweltschutzgründen besonders
erstrebenswert. Sie enthalten eine geeignete Metallhalogenid-Füllung
und insbesondere ein Edelgas wie Xenon unter hohem Druck. Wegen
des fehlenden Quecksilbers ist die Zündspannung besonders
hoch. Sie beträgt mehr als 20 kV. Derzeit wird versucht,
die Komponenten der Zündeinheit im Sockel unterzubringen.
Ein Spiral-Puls-Generator mit integriertem Ladewiderstand kann entweder
in den Sockel der Quecksilberfreien Lampe oder in einen Außenkolben
der Lampe untergebracht sein.
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4 zeigt
das Prinzip der neuartigen Mischlichtlampe. In einem voluminösen
Außenkolben 30 ist gleichzeitig eine Glühlampe 31,
insbesondere eine Halogenglühlampe, oder auch lediglich
eine Wendel untergebracht. Sie ist mit einem ersten Socklelkontakt 29 verbunden.
In Serie dazu ist als Zündgerät 32 eine
Baueinheit untergebracht, bestehend aus einem Spiralpulsgenerator,
bevorzugt einem Doppelpuls-Spiralpulsgenerator, der mit einer Funkenstrecke 33 oder
einem ähnlichen Kurzschlussschalter und einem Ladewiderstand 34 kombiniert
ist. Beide Teile können in den Spiralpulsgenerator integriert
sein, so dass eine besonders kompakte Baueinheit entsteht. Das andere
Ende des Spiralpulsgenerators ist mit einer Elektrode des Entladungsgefäßes,
insbesondere einer Metallhalogenidlampe, verbunden.
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Konkret
eignet sich eine 150 Halogenglühlampe in Kombination mit
einer keramischen Metallhalogenidlampe 35 W.
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Von
der anderen Elektrode der Entladungslampe bzw. des Entladungsgefäßes
wird eine Leitung zum zweiten Sockelkontakt 38 zurückgeführt.
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5 zeigt
den Prinzipaufbau einer gleichgerichteten Mischlichtlampe. Im Unterschied
zu 4 ist dabei noch im Außenkolben der Lampe
ein Gleichrichter 45 und ein Ladekondensator 46 zwischen
den Lampenkontakten 28, 38, die zum Netzeingang
führen, und der Glühlampe 31 eingebracht.
Der Vollbrückengleichrichter 45 liegt zwischen
Netzeingang und Zwischenkreisspannung. Sein positiver Eingang liegt
an der Versorgungsspannung, sein negativer Eingang an Masse. Der
Ladekondensator erzeugt eine Zwischenkreisspannung zwischen Masse
und Versorgungsspannung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2005027588 [0002, 0003, 0004]
- - US 4316124 [0002, 0003, 0004]
- - US 3289015 A [0005]
- - US 4325004 A [0005]
- - US 4353012 A [0005]
- - US 4608521 A [0006, 0015, 0038]
- - WO 2005/027588 [0011, 0011]
- - DE 102005061832 [0013]
- - DE 102005061831 [0013]
- - DE 102006026750 [0014]
- - DE 102006026749 [0015]
- - US 2003/0001519 [0016]
- - US 6853151 B [0016]