DE2535031C3 - Zündelektrode für Hochdruck-Entladungslampen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündelektrode für Hochdruck-Entladungslampen, die neben einer der Hauptelektroden auf einem Einführungsleiter angebracht ist, der Seite an Seite dicht neben der benachbarten Hauptelektrode an dem einen Ende des Entladungsgefäß^ durch die Dichtung hindurchgeführt ist.

Während des Betriebes vcn Metallhalogenidlampen, die Alkali- oder Erdalkalizusätze e?-halten, kann eine Elektrolyse innerhalb der Preßdichtung zwischen den Einführungsleitern der Zündelektrode und der benachbarten Hauptelektrode auftreten, wenn dazwischen ein elektrisches Potential besteht Die Elektrolyse tritt vorwiegend als Alkaliionenverschiebung durch das Siliziumdioxid auf und kann unabhängig von der Lampenfüllung immer auftreten, da Siliziumdioxidglas oder Quarzglas stets geringe Mengen von Alkalimetallen als Verunreinigungen enthält. Die Elektrolyse ist jedoch viel stärker, wenn ein Alkalimetall, wie beispielsweise Natrium in der Form eines Jodides, als Teil der Lampenfüllung vorgesehen ist, und sie wird noch stark erhöht, wenn eine Potentialdifferenz zwischen der Zündelektrode und der benachbarten Hauptelektrode besteht. Die Elektrolyse bewirkt, daß das Siliziumdioxid entglast wird und die Leiter die hermetische Dichtung aufbrechen, oder alternativ verschlechtert sie das Molybdänband des Einführungsleiters bis zu einem Punkt, wo ein Fehler auftritt, und in jedem Fall ist die Lebensdauer der Lampe beendet.

Es sind bereits mehrere Vorschläge gemacht worden, um das Elektrolyseproblem in Metallhalogenidlampen zu überwinden, die Alkalimetall in der Füllung enthalten. Gemäß der US-PS 32 26 597 ist ein thermischer Schalter in der Form eines Bimetallelementes vorgesehen, um die Zündelektrode mit der benachbarten Hauptelektrode elektrisch kurzzuschließen, wenn die Lampe die normale Betriebstemperatur erreicht. Eine andere Lösung ist in der US-PS 36 19 711 beschrieben, derzufolge eine Halbleiterdiode zwischen die Zündelektrode und die benachbarte Hauptelektrode mit einer solchen Polarität geschaltet ist, daß die Zündelektrode kein negatives Potential entwickeln kann. Diese Vorschläge erfordern alle zusätzliche aktive Komponenten, die die Kosten vergrößern und die Betriebssicherheit verschlechtern, Bimetall-Schalter sind schwierig so zu bauen, daß sie unter allen Betriebsbedingungen der Lampe zufriedenstellend arbeiten. Wenn der Schalter für eine längere Zeit der aus der Bogenentladungsröhre austretenden Wärme ausgesetzt ist, kann das Bimetall eine »Verformung« in der belasteten

ίο Position erfahren, die zunehmend längere Zeitintervalle zum Schließen zur Folge hat Während der Schalter geöffnet ist, kann eine Elektrolyse auftreten, und im Extremfall kann es passieren, daß der Schalter überhaupt nicht schließt und die Lampe nach einigen

is hundert Betriebsstunden versagt Die Halbleitervorrichiungen besitzen eine hohe Fehlerquote, da die hohe T emperatur der Lampenumgebung sowohl während der Fertigung als auch während des anschließenden Betriebes höchst nachteilig für einen Halbleiter ist

In der DE-AS 14 64 181 sowie in der FR-PS 22 09 214 sind Zündelektroden der vorstehend genannten Art abgebildet Diese Druckschriften befassen sich jedoch nicht mit dem Problem der Vermeidung der Elektrolyse.

Der US-PS 26 60 692 liegt dagegen die Aufgabe zugrunde, die Elektrolyse zwischen der Zündelektrode und der danebenliegenden Hauptelektrode beträchtlich zu verringern.

Zur Lösung diesei; Aufgabe sind «ι der US-PS 26 60 692 zwei konkrete Vorschläge beschrieben, um die allgemein angestrebte Elektronenemission der Zündelektrode zu verstärken. Die eine besteht im Überziehen der Zündelektrode mit einem Elektronen emittierenden Material. Diese Art wird als zu teuer bezeichnet Die andere Art besteht in der Erhöhung der Temperatur der Zündelektrode während des normalen Betriebes der Lampe. Diese Erhöhung der Temperatur erfolgt dadurch, daß man die Zündelektrode mit einer relativ geringen thermischen Masse ausbildet und einen Teil davon in oder nahe dem Hauptentladungsstrom bringt.

Dies führt gemäß einer Ausführungsform zu einer Zündelektrode mit einer die Hauptelektrode überragenden Spirale. Es ist klar, daß diese Ausführungsform zum einen aufwendig ist und zum andern dürfte die Lebensdauer der Zündelektrode bei ihrer Anordnung in oder nahe dem Hauptentladungsstrom relativ gering sein.

Schließlich befaßt sich auch das japanische Gbm 48/1973-10 680 mit dem Problem der Vermeidung der Elektrolyse bei einer Hochdruck-Entladungslampe mit einer Zündelektrode der eingangs genannten Art. Nach diesem japanischen Gbm soll dieses Problem dadurch gelöst werden, daß die Länge /der Zündelektrode V₂ bis V₅ der Länge L der Hauptelektrode beträgt und der Abstand D zwischen beiden Elektroden im Bereich von 1 bis 3^ mm für eine Eingangsleistung von weniger als 400 Watt und von 2 bis 6 mm für eine Eingangsleistung von mehr als 400 Watt liegt Es wurde jedoch festgestellt, daß der im japanischen Gbm 48/1973-10 680 angegebene Längenbereich für die Zündelektrode nicht geeignet ist, die Elektrolyse zuverlässig zu vermeiden.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine Zündelektrode der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß während des Betriebes kein Gleichstrompotential zwischen den Elektrodenspitzen

·>"' auftritt, das sich über mehr als eine volle Wechselstromwelle erstreckt, um so die Elektrolyse zwischen den beiden Elektroden im wesentlichen zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

daß die Zündelektrode nicht mehr als 10% vom Innendurchmesser des Entladungsgefäßes in das Entladungsgefäß hineinragt und ihre Spitze so weit von derjenigen der benachbarten Hauptelektrode entfernt ist, daß während des Betriebes kein Gleichstrompotential zwischen den Elektrodenspitzen auftritt, das sich über mehr als eine volle Wechselstromwelle erstreckt.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß, solange keine Entladung zwischen der Zündelektrode und der benachbarten Hauptelektrode in irgend- to einer Halbwelle während des normalen Lampenbetriebes auftritt, keine resultierende Potentialdifferenz zwischen diesen Elektroden besteht, d. h. es tritt kein Durchschnitts- oder Gleichstrompotential auf, das sich über mehr als eine volle Wechselstromwelle erstreckt Unter diesen Umständen ist die Elektrolyse im wesentlichen eliminiert, und es sind keine äußeren Schaltungsvorrichtungen erforderlich, um einen elektrolytischen Fehler zu verhindern. Dieser Zustand wird gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform dadurch erreicht, daß ein kurzer Zapfen bzw. Stummel verwendet wird. Es wurde gefunden, daß die Zündelektrode kaum aus dem Siliziumdioxid der Einklemmstelle heraus und in den Kolben der Entladungslampe hineinragen muß, solange ein Pfad gebildet ist, über den die Entladung die Spitze der Zündelektrode erreichen kann.

Neben der Vermeidung der Kosten für den Bimetallschalter wird durch die Erfindung die Betriebssicherheit der Lampe wesentlich verbessert Die erfindungsgemäße Zündelektrodenkonfiguration arbeitet auch gut, wenn das Zündelektrodenende nach unten gerichtet ist, und sie ist nicht auf die Anordnung der Zündelektrode am oberen Ende beschränkt, wie es normalerweise der Fall bei Lampen ist, die einen J5 thermischen Schalter verwenden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Metallhalogenid-Ent- ίο ladungslampe, die mit einer als Stummel ausgebildeten Zündelektrode versehen ist,

F i g. 2 eine vergrößerte Detaildarstellung des oberen Endes der Entladungslampe mit der stummeiförmigen Zündelektrode,

F i g. 3 eine typische schematische Schaltungsanordnung für eine Metallhalogenid-Entladungslampe mit den Elektrodenanschlüssen und

Fig.4 Spannungswellenformen, die in der Entladungslampe bei verschiedenen Betriebsbedingungen auftreten.

In F i g. 1 ist eine Metallhalogenid-Entladungslampe 1 dargestellt, die einen äußeren gläsernen Kolben 2 mit einem Halsende 3 aufweist, das durch einen eingestülpten Preßfuß 4 verschlossen ist. Steife Einführungsdrähte 5, 6, die durch den Preßfuß 4 hindurchführen, sind an ihren äußeren Enden mit den Kontakten eines Schraubsockels 7 verbunden und haben Verbindungen von ihren Innenenden mit dem inneren Entladungsrohr 8. Das Entladungsrohr besteht aus Quarzglas, und darin »o sind an gegenüberliegenden Enden Hauptelektroden 9, 10 und zusätzlich eine Zündelektrode U abgedichtet eingeführt. Das Entladungsrohr ist innerhalb des äußeren Kolbens 2 durch eine geteilte oder zweiteilige Befestigung 12 bzw. 13 am Basis- bzw. am Domende <>> gehaltert. Jedes Befestigungsteil weist ein Paar longitudinal verlaufender Halterungsstäbe auf, die durch Metallbänder 14 überbrückt sind, die über die zugequetschten Enden des Entladungsrohres geklemmt sind. Das Befestigungsteil am Basisende ist am Einführungsleiter 5 angeschweißt und dient als ein Leiter zur Hauptelektrode 9. Die Hauptelektrode 10 ist als ein Leiter zur Hauptelektrode 9, Die Hauptelektrode

10 ist mit dem Einführungsleiter 6 durch einen gekrümmten Draht 15 verbunden. Die Zündelektrode

11 ist mit dem Einführungsleiter 6 durch einen Strombegrenzungswiderstand 16 verbunden. Das Entladungsrohr enthält Argon mit einem Druck von etwa 25 Torr, eine Quecksilbermenge, die während des Betriebes im wesentlichen verdampft und ejnen Partialdruck von 1 bis 15 Atmosphären ausübt, und Natriumiodid, Scandiumjodid und Thoriumjodid im Überschuß zu der Menge, die bei der Betriebstemperatur verdampft Der äußere Kolben 2 ist mit einem inerten Gas gefüllt, vorteilhafterweise mit Stickstoff bei einem Druck von einer halben Atmosphäre.

Die Zündelektrode 11 am oberen Ende des Entladungsrohres und ihre räumliche Beziehung zur Hauptelektrode 9 sind beide im vergrößerten Maßstab in Fig.2 gezeigt Die Hauptelektrot'' 9 weist einen Kemabschniit auf, der eine Verlängerung des Drahtes 18 sein kann, welcher aus einem geeigneten Elektrodenmetall besteht, wie Wolfram oder Molybdän. Der Kernabschnitt ist von einer schraubenförmigen Drahtwicklung 19 aus Wolfram oder Molybdän umgeben. Die Spitze der Elektrode 9 ist nahe der Mitte des abgerundeten Endes des Entladungsrohres angeordnet. Die Zündelektrode 11 weist ein nach innen vorstehendes Ende oder einen Stummel oder Zapfen aus Draht 20 auf, der in ähnlicher Weise aus Wolfram oder Molybdän bestehen kann. Die Außenenden der Drähte 18 und 20 sind an Molybdänband oder Folienverbindungsstücken 21, 22 angeschweißt, die in der Quetschstelle oder dem Verbindungsende des Entladungsrohres 8 vollständig eingebettet sind. Relativ kurze Molybdändrähte 24, 25 sind an den Enden der aus Molybdänband bestehenden Verbindungsstücke angeschweißt und dienen dazu. Strom zu den Elektroden 9 bzw. 11 zu leiten.

Fig.3 stellt eine typische Schaltungsanordnung für den Betrieb einer Hochdruck-Metalldampf-Entladungslampe dar. Die Netzspannung E_n, ist eine sinusförmige Wechselspannung bei einer Frequenz von 50 oder 60 Hz und bei einer Spannung von 100 bis 600 Volt effektiv. Üblicherweise ist ZX eine lineare Drossel mit einer Impedanz von 20 bis 100 Ohm und dient zur Begrenzung des Lampenstromes. Z 2 ist typischerweise ein Widerstand mit 10 000 bis 100 000 Ohm, der zur Begrenzung des Zündelektrodenstromes dient und der dem Widerstand 16 in F i g. 1 entspricht Das Zünden wird durch den Überschlag der Strecke zwischen der Zündelektrode und der benachbarten Hauptelektrode in eine Glimmentladung herbeigeführt. Die örtliche ionisiprung vermindert stark die Spannung, die zum Überschlag der Strecke zwischen den Hauptelektroden erforderlich ist.

Bisher ist es übliche Praxis gewesen, die Spitze der Zündelektrode so nahe wie möglich an der Spitze der Hauptelektrode anzuordnen, wobei lediglich Fe^r*igungstoleranzen gdstattet und der Kontakt zwi... ..i diesen Elektroden vermieden wurde. Wenn eine derartige Lampe in einer Schaltungsanordnung betrieben wird, wie sie in Fig.3 dargestellt 1st, tritt eine Entladung zwischen der Hauptelektrode und der Zündelektrode während des normalen Lampenbetrie bes auf. Ein Überschlag tritt normalerweise in der positiven Halbwelle der Lampenspannung auf, wenn dⁱⁿ

Zündelektrode als Anode wirkt. Die benachbarte Hauptelektrode arbeitet bereits als Kathode und sorgt für eine thermoionische Elektronenemission, um die Hauptentladung zu unterstützen. Während der negativen Halbwelle, wenn die Zündelektrode als Kathode arbeiten muß, ist sie gewöhnlich zu kalt, um für eine thermoionische Emission zu sorgen. Somit wird in der negativen Halbwelle im allgemeinen keine Entladung gezündet, und in solchen Fällen, wo eine Zündung tatsächlich auftritt, bleibt der Strom klein und die Brennspannung ist recht hoch.

In Fig.4 ist die angelegte sinusförmige Netzspannung durch die ausgezogene Kurve E_m dargestellt. Nach der Zündung und während des normalen Betriebes verläuft die Spannung über den Hauptelektroden der Lampe gemäß der ausgezogenen Kurve E^. Die Spannung zwischen der Zündelektrode und der benachbarten Hauptelektrode ist durch die gestrichelte Linie c₅ uiugeMcüi. Wenn die bekannten Zündclckircden verwendet werden, die in die Umhüllung hinein und bis nahe zur Spitze der Hauptelektrode ragen, tritt auf der positiven Halbwelle der Zündelektrode ein Durchbruch nach der ersten, bei 30 angegebenen Spitze auf, und der Stromfluß durch die Impedanz Z2 hält die Spannung der Zündelektrode für den Rest der Halbwelle auf einem niedrigen Wert, wie es bei 31 anpegeben ist. Bei der negativen Halbwelle besteht keine Leitung zur Zündelektrode, und es besteht pine hohe Spannung, wie es bei 32 gezeigt ist. Das Endergebnis ist also, daß eine resultierende oder mittlere Potentialdifferenz zwischen der Haupt- und Zündelektrode über einem vollen Zyklus bzw. einer vollen Welle besteht.

Ein negatives resultierendes Potential an der Zündelektrode begünstigt die Verschiebung von positiven Natriumionen durch das Siliziumdioxid hindurch von dem Bereich des Hauptelektroden-Einführungsleiters zu demjenigen des Zündelektroden-Einführungsleiters. Die hermetischen Abdichtungen der Einführungslciter treten an den Molybdänfolien auf, und Natriumjodiddampf kann in die Ritzen entlang den Drähten 18,19 eintreten, die zu den Folien führen. Der Natriumangriff auf die Einführungsleiter ist im allgemeinen am stärksten an der vorderen Ecke der Zündelektroden-Folie 22 nahe der Hauptelektroden-Folie 21, wie es durch den Pfeil 33 angegeben ist. Bei den gewöhnlichen Betriebstemperaturen von Metallhalogenidlampen hat die Elektrolyse innerhalb des Dichtungsbereiches, die zu einer Rißbildung in der Dichtung führt, ein Versagen der Lampe innerhalb weniger 100 Betriebsstunden zur Folge.

Das Wirkungsprinzip des thermischen Schalters, der bisher verwendet worden ist, um eine Elektrolyse zu verhindern, bestand in der Eliminierung irgendeines Potentials zwischen der Zünd- und benachbarten Hauptelektrode. Der der Erfindung zugrunde liegende allgemeine Gedanke ist unterschiedlich, da die Spannung zwischen der Zünd- und der Hauptelektrode in aufeinanderfolgenden Halbwellen gleich und entgegengesetzt gemacht wird. Dieser Zustand ist realisiert, wenn keine Entladung zwischen der Zünd- und Hauptelektrode in einer der beiden Halbwellen auftritt. Dies eliminiert irgendein mittleres Gleichpotential und vermeidet im wesentlichen eine Elektrolyse, ohne daß externe Schaltungseinrichtungen erforderlich sind. Um sicherzustellen, daß in jeder der beiden Halbwellen keine Entladung auftritt, wird eine kurze Zündelektrode verwendet, und die Zündelektrode wird möglicht weit entfernt von der Spitze der Hauptelektrode innerhalb der praktischen Grenzen für die Verlängerung von Einführungsleitern für beide Elektroden durch die gleiche Klemmstelle oder Preßdichtung angeordnet. Die Spannung £, der Zündelektrode folgt dann in der positiven Halbwelle der gepunkteten Kurve 34 und ist symmetrisch in positiven und negativen Halbwellen.

ίο In Fig.2 ist der Zuführungsdraht 20 für die Zündelektrode zu einem kurzen Zapfen oder Stummel 11 abgeschnitten, der kaum in die Lichtbogenkammer hineinragt. Es wurde gefunden, daß die Zündelektrode kaum aus dem Siliziumdioxid der Klemmstelle herauszuragen braucht und selbst innerhalb der Siliziumdioxid-Klemmstelle versenkt sein kann, solange ein Pfad gebildet ist, über den die Entladung die Spitze der Zündelektrode erreichen kann. Um kongruente Zündsparifi'jngsformen in den positiven und negativen Halbwellen zu erhalten, darf die Zündelektrode in das im allgemeinen abgerundete Ende des Kolbens bzw. der Umhüllung fur eine Strecke von nicht mehr als 10% des Durchmessers der Entladungsröhre hineinragen, um den notwendigen minimalen Abstand zwischen ihrer Spitze und der Spitze der Zündelektrode sicherzustellen. Ein weiteres Hineinragen kann zu einem Durchbruch während der negativen Halbwelle führen.

Solange keine Entladung zwischen der Zünd- und der benachbarten Hauptelektrode während des normalen Lampenbetriebes auftritt, besteht keine resultierende Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden, und es sind keine äußeren Schaltungsvorrichtungen erforderlich, um einen durch Elektrolyse bedingten Fehler zu verhindern. Mit der vorliegenden Erfindung werden nicht nur die Kosten für den Bimetallschalter vermieden, sondern sie verbessert auch wesentlich die Betriebssicherheit der Lampe. Weiterhin arbeitet die Zündelektrodenkonfiguration gut, wenn sich das Zundelektrodenende der Lampe unten befindet, und die

■»ο Zündelektrode braucht sich daher nicht am oberen Ende zu befinden, wie es normalerweise bei Lampen mit einem thermischen Schalter der Fall ist Insbesondere wenn ein Entladungsrohr mit an den Enden geformten Kammern verwendet wird, arbeitet die Zündelektrode gut an jedem Ende der Lampe. Der Grund, warum blasgeformte Lampen besser mit einer Stummel-Zündelektrode arbeiten, kann darin liegen, daß die Gleichförmigkeit der Endkammern einen Betrieb bei einer etwas höheren Temperatur gestattet, als dies vorher möglich war. Somit gestattet eine blasgeformte Lampe bei Verwendung der Stummel- bzw. Zapfen-Zündelekr -»de eine Lampengestaltung mit universeller Brennposition die zwei bisher verwendete Lampentypen ersetzer kann, nämlich die zwei Versionen, in denen sich dei Sockel entweder oben oder unten befindet

Es wurde weiterhin gefunden, daß die Stummel-Zünd elektrodenkonfiguration hinsichtlich der Senkung dei Zündspannung nicht nur bei Raumtemperatur genausc wirksam war wie die bekannte Konfiguration, sonden sie war auch bei niedrigen Temperaturen bis zu minu: 30° C wirksam. Somit werden eine Eliminierung de Elektrolyse, größere Betriebssicherheit universell· Brennposition der Lampen und eine erheblichi Kostensenkung durch Vermeidung der äußeren Schal tungsvorrichtungen erreicht

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Zündelektrode für Hochdruck-Entladungslampen, die neben einer der Hauptelektroden auf einem Einführungsleiter angebracht ist, der Seite an Seite dicht neben der benachbarten Hauptelektrode an dem einen Ende des Entladungsgefäßes durch die Dichtung hindurchgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündelektrode (11) nicht mehr als 10% vom Innendurchmesser des Entladungsgefäßes (8) in das Entladungsgefäß (8) hineinragt und ihre Spitze so weit von derjenigen der benachbarten Hauptelektrode entfernt ist, daß während des Betriebes kein Gleichstrompotential zwischen den Elektrodenspitzen auftritt, das sich über mehr als eine volle Wechselstromwelle erstreckt

2. Zündelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Draht (20) ausgebildet ist

3. Zündelektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein kurzer Zapfen bzw. Stummel ist