DE102010003381A1

DE102010003381A1 - Verfahren zum Bereitstellen einer Wechselstrom-Gasentladungslampe, Verfahren zum Bereitstellen von Licht mittels dieser Wechselstrom-Gasentladungslampe sowie Beleuchtungsvorrichtung mit dieser Wechselstrom-Gasentladungslampe

Info

Publication number: DE102010003381A1
Application number: DE201010003381
Authority: DE
Inventors: Matthias Morkel
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2010-03-29
Filing date: 2010-03-29
Publication date: 2011-09-29
Also published as: WO2011120747A1

Abstract

Verfahren zum Bereitstellen einer Wechselstrom-Gasentladungslampe, Verfahren zum Bereitstellen von Licht mittels dieser Wechselstrom-Gasentladungslampe sowie Beleuchtungsvorrichtung mit dieser Wechselstrom-Gasentladungslampe Es wird eine Wechselstrom-Gasentladungslampe (1) vorgeschlagen, bei der das Verhältnis von Spitzenwert IP der Stromstärke zum Elektrodenabstand dE in dem durch die Beziehungdefinierten Wertebereich liegt. Außerdem wird die Masse mE der Elektroden (3) vorzugsweise so gewählt, dass bezogen auf die Lampensoll-Leistung gilt:Dadurch kann im Betrieb das Auswandern des Entladungsbogens zumindest in akzeptablen Grenzen gehalten werden.

Description

Verfahren zum Bereitstellen einer Wechselstrom-Gasentladungslampe, Verfahren zum Bereitstellen von Licht mittels dieser Wechselstrom-Gasentladungslampe sowie Beleuchtungsvorrichtung mit dieser Wechselstrom-Gasentladungslampe
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen einer Wechselstrom-Gasentladungslampe sowie ein Verfahren zum Bereitstellen von Licht mittels der bereitgestellten Wechselstrom-Gasentladungslampe. Außerdem betrifft die Erfindung eine Beleuchtungsvorrichtung mit der bereitgestellten Wechselstrom-Gasentladungslampe.
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Wechselstrom-Gasentladungslampe mit einer Edelgasfüllung, beispielsweise Xenon-Füllung, oder einer Edelgasgemischfüllung, beispielsweise Xenon mit Zusätzen von Krypton, Argon oder anderen Edelgasen. Zur Aufrechterhaltung eines Wolfram-Halogen-Kreisprozesses für die Regeneration der Wolfram-Elektrodenspitzen enthält die Lampenfüllung Zusätze zumindest eines Halogens oder einer Halogenverbindung. Ansonsten enthält die Lampenfüllung aber keine weiteren Füllungsbestandteile, abgesehen von bei der Lampenfertigung unvermeidbaren und in der Regel unerwünschten geringen Verunreinigungen.
Diese Art von Lampen wir insbesondere auch in optischen Reflektoren eingesetzt. Dabei wird die Lampe in der Regel in einer horizontalen Lage betrieben. Für den Wechselstrombetrieb sind unterschiedliche Stromsignalformen denkbar und auch gebräuchlich, insbesondere auch Rechtecksignale mit überlagerten Impulsen.
Bei Edelgas-Entladungslampen, insbesondere auch bei Xenon-Entladungslampen gibt es eine konvektionsgetriebene Ablenkung des Bogens nach oben, die außerdem stärker als bei quecksilberhaltigen Entladungslampen ist. Bei wechselstrombetriebenen Edelgas-Entladungslampen sind die Elektrodenspitzen im Betrieb flüssig. Die Elektrodenspitzen regenerieren sich mithilfe eines Wolfram-Halogen-Kreisprozesses ständig neu. Dadurch und wegen der erwähnten konvektionsgetriebenen Ablenkung des Bogens kann die Ansatzstelle des Entladungsbogens bzw. die Spitze auf der jeweiligen Elektrode im Laufe längerer Zeiträume wandern. Insbesondere größere Elektrodenabstände begünstigen die konvektionsgetriebene Durchbiegung des Entladungsbogens. Es ergibt sich hierbei eine Vorzugsbewegung der Spitzen nach oben. Dies hat zur Folge, dass die beiden für Wechselstrom-Entladungslampen charakteristischen, unmittelbar vor den Elektrodenspitzen lokalisierten Leuchtflecken aus dem Fokus des Reflektors hinaus wandern und dadurch die optische Systemeffizienz sinkt. Bei Anwendungen, die eine Einkoppelung des Lichts in eine Lichtleitfaser erfordern, sinkt die Einkoppeleffizienz in die Faser. Dieser nachteilige Effekt wird mit größer werdender Reflektorexzentrizität bzw. kleiner werdender Eingangsapertur der Lichtleitfaser ausgeprägter.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die eingangs genannten Nachteile zu beseitigen und eine Wechselstrom-Gasentladungslampe mit stabilerem Betriebsverhalten bereit zu stellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Bereitstellen einer Wechselstrom-Gasentladungslampe, mit folgenden Verfahrensschritten,

– Festlegen einer Soll-Leistung der Wechselstrom-Gasentladungslampe,
– Festlegen des zu der Soll-Leistung korrespondierenden Spitzenwerts I_P der Stromstärke des Betriebswechselstroms der Gasentladungslampe, mit dem die Wechselstrom-Gasentladungslampe betrieben werden soll,
– Herstellen einer Wechselstrom-Gasentladungslampe, wobei in ein Entladungsgefäß ein Füllgas mit einem Raumtemperatur-Fülldruck in das Entladungsgefäß eingebracht wird, wobei das Füllgas aus einem Edelgas oder Edelgasgemisch sowie optional zusätzlich einem Halogen oder einer Halogenverbindung besteht, wobei innerhalb des Entladungsgefäßes zwei Elektroden zum Erzeugen einer Bogenentladung im gegenseitigen Abstand d_E angeordnet sind, und wobei der Wert für den Elektrodenabstand d_E so gewählt wird, dass gilt:

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Außerdem wird gemäß Anspruch 5 Schutz für ein Verfahren zum Bereitstellen von Licht mittels der bereitgestellten Wechselstrom-Gasentladungslampe beansprucht sowie gemäß Anspruch 6 für eine Beleuchtungsvorrichtung mit der bereitgestellten Wechselstrom-Gasentladungslampe.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis des Erfinders, dass der eingangs beschriebene unerwünschte Effekt, insbesondere das Auswandern des Entladungsbogens in akzeptablen Grenzen gehalten werden kann, solange das Verhältnis von Spitzenwert (= Scheitelwert bei rein sinusförmigem Betriebsstrom) I_P der Stromstärke zum Elektrodenabstand d_E in dem durch die Beziehung
definierten Wertebereich liegt. Wenn man statt des Spitzenwerts I_P den Effektiv-Wert (RMS) I_RMS der Stromstärke zugrunde legt, soll das entsprechende Verhältnis erfindungsgemäß in dem durch die Beziehung
definierten Wertebereich liegen.
Außerdem hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die jeweilige Masse m_E der beiden Elektroden, die bei Wechselstrom-Entladungslampen gleich ausgebildet sind, bezogen auf die elektrische Soll-Leistung P der Wechselstrom-Gasentiadungslampe so gewählt wird, dass sie im Bereich
liegt. Hierdurch wird im Betrieb einerseits erreicht, dass sich noch – wie – gewünscht flüssige Elektrodenspitzen ausbilden (obere Grenze), andererseits aber ein schneller Elektrodenrückbrand verhindert wird (untere Grenze). Der Elektrodenrückbrand ist in diesem Zusammenhang besonders kritisch, da er zu einem selbstverstärkenden Effekt führen kann, da der Elektrodenabstand immer weiter steigt und damit auch die Bogendurchbiegung.
Die vorteilhaften Wirkungen der vorgenannten Parameterbeziehungen und Wertebereiche gelten insbesondere für Wechselstrom-Gasentladungslampen mit Soll-Leistungen P im Bereich zwischen ca. 40 und 300 Watt. Besonders geeignete Raumtemperatur-Fülldrücke für das Edelgas oder Edelgasgemisch liegen zwischen ca. 20 und 30 bar.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die einzige Figur zeigt:
Fig. den Aufbau einer Wechselstrom-Entladungslampe.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Eine Wechselstrom-Entladungslampe 1 weist ein dicht abgeschlossenes Entladungsgefäß 2 auf, in dem sich ein Entladungsgas, vorliegend Xenon, bei Raumtemperatur (21°C) unter einem Druck p_Xe befindet. In dem Entladungsgefäß 2 befinden sich zwei gleichartige Elektroden 3. Der gegenseitige Abstand der Elektrodenspitzen 4 beträgt d_E.
Die Wechselstrom-Entladungslampe 1 ist für eine vorbestimmte Soll-Leistung P ausgelegt. Zu dieser Soll-Leistung P ist eine Spitzenwert-Stromstärke I_P festgelegt. Der Wert für den Abstand d_E der Elektrodenspitzen 4 ist aus dem Wertebereich gewählt, der sich aus der folgenden Parameterbeziehung ergibt:
Außerdem ist der Wert für die Masse m_E der beiden Elektroden 3 aus dem Wertebereich gewählt, der sich aus der folgenden Parameterbeziehung ergibt:
In einer ersten Lampe sind die folgenden Werte gewählt:
Soll-Leistung der Lampe P: 75 W,
Elektrodenmasse m_E: 110 mg
Spitzenwert-Stromstärke I = 9 A,
Effektivwert-Stromstärke I_RMS = 5 A,
Elektrodenabstand d_E = 0,8 mm,
Frequenz des Wechselstromes (Rechtecksignal mit überlagerten Impulsen) f = 150 Hz,
Xenon-Druck P_Xe = 25 bar,
sowie 200 ppm Br₂.
Mit den vorstehend gewählten Werten für die Lampen- bzw. Lampenbetriebsparameter resultiert für das Verhältnis aus Spitzenwert-Stromstärke I_P (das ist hier bei dem mit Pulsen überlagerten Rechteckstrom die Stromstärke während der Pulsphasen, d. h. der Pulsstrom) und Elektrodenabstand d_E ein Wert von 11,25 A/mm und für das Verhältnis aus Effektivwert-Stromstärke I_RMS und Elektrodenabstand d_E ein Wert von 6,25 A/mm. Für das Verhältnis aus Elektrodenmasse m_E und Soll-Leistung der Lampe P resultiert ein Wert von ca. 1,5 mg/W. Dadurch wird über ca. 1000 Stunden ein nahezu stabiler Betrieb ohne Auswanderung des Entladungsbogens erzielt.
Bei einer nichterfindungsgemäßen 100 W Vergleichslampe wurde bei einem Pulsstrom von 9 A ein Elektrodenabstand d_E von 1,3 mm verwendet, woraus ein Verhältnis I_P/d_E von 6,9 A/mm, d. h. unterhalb der unteren Grenze von 8 A/mm resultiert. Zwar beträgt die zugehörige Effektivwert-Stromstärke 5,4 A, woraus ein Verhältnis I_RMS/d_E von 4,15 A/mm folgt, d. h. innerhalb des beanspruchten Wertebereichs. Allerdings waren bei dieser Lampe die Elektroden mit ca. 80 mg relativ leicht. Dadurch resultiert ein Verhältnis m_E/P von 0,8 mg/W, d. h. ein Wert außerhalb des beanspruchten Bereichs. Bei dieser Lampe war bereits innerhalb der ersten 100 Stunden ein Elektrodenrückbrand mit zunehmender Bogendurchbiegung zu beobachten. Sobald sich der Elektrodenabstand aus dem stabilen Bereich hinaus vergrößert hat, erfolgt eine sich selbstverstärkende Auswanderung des Entladungsbogens mit Verschiebung der Elektrodenspitzen. Damit ist diese Lampe praktisch unbrauchbar.
In einer typischen Anwendung ist die Wechselstrom-Entladungslampe 1 in einem elliptischen Reflektor (Exzentrizität: 0,756) eingebaut (nicht dargestellt). In einem Arbeitsabstand (Reflektorkante bis zweiter Fokus) von 34,5 mm wird das Licht der Wechselstrom-Entladungslampe 1 in eine Lichtleitfaser mit einem Durchmesser von 4,8 mm eingekoppelt. Möglich ist auch die Einkoppelung in Lichtleitfasern mit Durchmessern von 3 oder gar 2 mm. Bei einer derartigen Beleuchtungsvorrichtung ist ein stabiler Entladungsbogen ganz besonders wichtig, da sonst die Einkoppeleffizienz in die Lichtleitfaser drastisch abnimmt.

Claims

Verfahren zum Bereitstellen einer Wechselstrom-Gasentladungslampe (1), mit folgenden Verfahrensschritten, – Festlegen einer Soll-Leistung der Wechselstrom-Gasentladungslampe, – Festlegen des zu der Soll-Leistung korrespondierenden Spitzenwerts I_P der Stromstärke des Betriebswechselstroms der Gasentladungslampe, mit dem die Wechselstrom-Gasentladungslampe betrieben werden soll, – Herstellen einer Wechselstrom-Gasentladungslampe (1), wobei in ein Entladungsgefäß (2) ein Füllgas mit einem Raumtemperatur-Fülldruck eingebracht wird, wobei das Füllgas aus einem Edelgas oder Edelgasgemisch sowie zusätzlich einem Halogen oder einer Halogenverbindung besteht, wobei innerhalb des Entladungsgefäßes (2) zwei Elektroden (3) zum Erzeugen einer Bogenentladung im gegenseitigen Abstand d_E angeordnet sind, und wobei der Wert für den Elektrodenabstand d_E so gewählt wird, dass gilt:
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Masse jeder Elektrode (3) m_E so gewählt wird, dass sie bezogen auf die elektrische Soll-Leistung P der Wechselstrom-Gasentladungslampe (1) im Bereich
liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die elektrische Soll-Leistung so gewählt wird, dass ihr Wert größer oder gleich 40 W und kleiner oder gleich 300 W beträgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Raumtemperatur-Fülldruck des Edelgases oder Edelgasgemisches so gewählt wird, dass der Wert größer oder gleich 18 bar und kleiner oder gleich 45 bar beträgt, bevorzugt größer oder gleich 20 bar und kleiner oder gleich 30 bar.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei als Edelgas Xenon verwendet wird.
Verfahren zum Bereitstellen von Licht mittels einer Wechselstrom-Gasentladungslampe (1), mit den folgenden Verfahrensschritten: – Durchführen des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, – Beaufschlagen der Wechselstrom-Gasentladungslampe (1) mit einem Wechselstrom für dessen Spitzenwert I_P der Stromstärke gilt:
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Wechselstrom die Form eines Rechtecksignals hat.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei dem Rechteck-Wechselstrom ein Impulssignal überlagert ist.
Beleuchtungsvorrichtung mit einer nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 bereitgestellten Wechselstrom-Gasentladungslampe und mit einem optischen Reflektor, wobei die Wechselstrom-Gasentladungslampe innerhalb des Reflektors angeordnet ist.