DE2657824C2

DE2657824C2 - Verfahren zum Betreiben einer Hochdruck-Metalldampflampe und Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens

Info

Publication number: DE2657824C2
Application number: DE2657824A
Authority: DE
Inventors: Mitchell Monroe Zirconia N.C. Osteen
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1976-01-16
Filing date: 1976-12-21
Publication date: 1983-08-04
Also published as: MX143878A; ES455092A1; FR2338620A1; NL7700200A; ES455091A1; BR7700316A; BE850386A; US4137484A; JPH0211998B2; FR2338620B1; AU2053276A; JPS62295396A; DE2657824A1; JPS6137760B2; JPS5298370A; SU679173A3; GB1575831A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hochdruck-Metalldampflampe, die eine Metallfüllung in einem Kolben und zwei beabstandete Elektroden enthält, wobei die Lampe von elektrischen Impulsen gespeist wird, die ungefähr die vorgegebene Eingangsleistung erzeugen.

Ein Verfahren dieser Art ist in der FR-PS 8 24 740 beschrieben. Dieses Betriebsverfahren hat gegenüber dem Betrieb mit Gleich- oder Wechselspannung den Vorteil, daß sich die Farbe des emittierten Lichtes in &o Richtung auf weißes Licht ändert. Bei der dort konkret betriebenen Lampe handelt es sich jedoch um eine Quecksilberdampflampe. Die besonderen Verhältnisse bei einer solchen Quecksilberdampflampe lassen sich nicht ohne weiteres auf andere Metalldampflampen &5 übertragen.

In der US-PS 37 07 649 ist zwar auch ein Verfahren zum Betreiben einer Lampe mit Impulsen beschrieben, doch handelt es sich bei dieser Lampe um eine Xenon-Hochdrucklampe, bei der sich die Verhältnisse noch stärker als bei .einer Quecksilberdampflampe von anderen Metalldampflampen unterscheiden.

Eine solche andere Metalldampflampe ist eine Hochdruck-Natriumdampflampe, die weit verbreitet ist für^^ die Straßen-, Autobahn- und andere Flächenbeleuchtragei "Derartige Lampen weisen einen Kolben aus Aluminiumoxid auf; der eine Natrium- oder tine Natrium- und Quecksüberladung enthält und der im allgemeinen innerhalb eines äußeren Glaskolbens eingeschlossen ist Diese Lampen werden üblicherweise bei 50 oder 60 Hz Wechselspannung betrieben, wobei eine-Last vorzusehen ist, die den Strom begrenzt und eine Eingangsleistung zuläßt, die die Grenzleistung der Lampe nicht überschreitet.

Das aufgrund der Natrium- oder der Natrium- und Quecksflberdämpfentladung erzeugte Licht rührt fast ausschließlich von der Erregung des Natriumatoms aufgrund einer Selbstumkehr und der Verbreiterung der Natrium-D-Unie bei 589 mn her. in auch Quecksilber enthaltenden Lampen dient das Quecksilber als Puffergas, das den Spannungsgradienten und damit den Wirkungsgrad erhöht, doch wird das Quecksilber nicht zu einer merklichen Emission angeregt Als Ergebnis erhält man eine Lampe, die bezüglich der abgegebenen Lumen/Watt sehr leistungsfähig ist und je nach Größe der Lampe einen Wert zwischen 75 bis 130 Lumen/Watt erreicht, wobei der Wirkungsgrad mit der Größe von 70 Watt bis 1000 Watt zunimmt Eine derartige Lampe hat jedoch eine geringe Farbtemperatur von 2000 bis 2100" Kelvin, sie weist außerdem einen geringen Farbwidergabeindex von 10 bis 20 auf. Obwohl im Spektrum alle Teile der Objektfarben erkennbar sind, sind die Farben am »kalten« Ende, wie violett, blau und in gewissem Maße auch grün, verändert oder in Grauwerte umgewandelt. Eine derartige Lampe eignet sich zwar für die meisten Außenanwendungen, sie ist jedoch im allgemeinen nicht für Innenrauaanwt;idungen geeignet, insbesondere dann nicht, wenn eine genaue Farbunterscheidung erforderlich ist.

In der US-PS 32 48 590 ist ausgeführt, daß ein verbesserter Farbwiedergabeindex bei Hochdruck-Natriumdampflampen dann erzielbar ist, wenn ein höherer Natriumdampdruck eingesetzt wird, wobei sich aber der Wirkungsgrad verringert.

Ein Teil der Versuche zur Verbesserung der Farbtemperatur und des Farbwiedergabeindex der Lampe folgt dem in der US-PS 32 48 590 vorgeschlagenen Weg, d.h. es wird eine Erhöhung des Natriumdampfdrucks auf die eine oder andere Art vorgeschlagen. So wird z. B. in der US-PS 37 16 743 eine Erhöhung des Natriumdampfdruckes unter Verwendung von Hitzeschilden um die Lampenenden vorgeschlagen. Eine Erhöhung des Natriumdampfdruckes ist gleichbedeutend mit einem Betrieb der Lampe oberhalb des Leistungswertes, für den die Lampe ausgelegt ist. Auf diese Weise läßt sich die Farbtemperatur auf Kosten einer Wirkungsgradverringerung von etwa 10 Lumen/ Watt für jeden IQQ" K-Gewinn der Farbtemperatur oberhalb 2100⁰K erhöhen. Ein Betrieb oberhalb der normalen Betriebsleistung kann außerdem die Natriumverluste stark beschleunigen. Dies führt zu einer kurzzeitigen Spannungserhöhung und einer Verdunkelung des äußeren Kolbens und damit zu einer kurzen Lebensdauer.

Andere Versuche zur Erhöhung der Farbtemperatur und des Farbwiedergabeindex gehen dahin, andere

Elemente der Lampeniüllung zuzusetzen. So wurde z. B. in der US-PS 3521 108 ein Zusatz von. Kadmium'und wahlweise Thallium zu dem Natrium und dem Quecksilber vorgeschlagen. Keiner dieser Versuche führte jedoch zu einer kommerziell verwertbaren Lampe, da die Verbesserungen entweder gering waren oder durch die mit der Verbesserung einhergehenden Nachteile überwogen wurden.

Aufgabe der Erfindung ist es'daher, das eingangs genannte Verfahren dahingehend auszubilden, daß es zum Betreiben einer Hochdruck-Natriumdampflampe brauchbar ist, wobei eine höhere Farbtemperatür und ein verbesserter i*arbwiedergabeindex mit nur geringem Verlust an Wirkungsgrad und im wesentlichen ohne Verringeruflg der Lebensdauer erzielt werden. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung xum Durchführen des Verfahrens zu schaffen.

Dies* Aufgabe vWrd erfindungsgemäß dadurch gelöst daß das Natrium iiiit einem Dampfdruck vorhanden ist, der eine Selbstuf^ehr und eine Verbreiterung der Natriuniresonanz-Ö-Linien bewirkt, daß die Impulse eine Folgefrequeite von mehr als 500 üs weniger als 2000 Hz haben und d_as Tastverhältnis zwischen 10 und 30% beträgt so d$& eine wesentliche Uchtmenge auf der blaugrünen Seite des Spektrums erzeugt wird, wodurch die Farbtenjperatur auf mindestens 2300⁰K erhöht und kein merklicher Anstieg im roten Flügel der Natrium-D-Unien erzeugt wird

Die Metallfüllung konventioneller Hochdruck-Natriumdampflampen enthalt Natrium und üblicherweise ^w Quecksilber, wobei jedoch die durch die Entladung erzielte Quecksilberstrahlung unbedeutend gering ist Das Verfahren nach der Erfindung bewirkt nun, daß im Zeitintervall während und unmittelbar nach dem Anlegen eines Impulses mit steiler Front an die Lampe ^ri die höheren Elektronenzustände des Natrium bis zu einer wesentlichen Emission erregt werden, und daß außerdem bei Quecksilber enthaltenden Lampen eine merkliche Strahlung vom Quecksilber erzeugt wird. Beim Pulsbetrieb einer derartigen Lampe wird als Ergebnis der Emission von mehreren Natriumlinien und von Quecksilberlinien eine Erhöhung der Farbtemperatur und eine Verbesserung des Farbwiedergabeindex erzielt, wobei sich im sichtbaren Bereich im wesentlichen ein Kontinuum, insbesondere im Blau-Grünbereich des Spektrums ergibt Dieses Licht addiert sich zur normalen Lichtemission hinzu, die durch eine selbstumkehr und eine Verbreiterung der NatriuiE-D-Linien erzeugt wird.

Zwischen den einzelnen Impulsen ist lediglich eine > <> geringe oder gar keine Eingangsleistung erforderlich, da ein »Rüst«-Strom die Plasmaionisierung aufrechterhält und die dem Pulsbetrieb eigene Charakteristik eliminiert Bei dem erfindungsgemäßen Betrieb mit Pulsen mit einer Folgefrequenz von 500 bis etwa 2000 Hz und « einem Tastverhältnis zwischen 10 und 30% läßt sich die Farbtemperatur von etwa 2050° K bis etwa 2300° K mit einer geringen Verbesserung des Wirkungsgrades und bis etwa 260O⁰K mit einer kleinen oder überhaupt keiner Verringerung des Wirkungsgrades, verglichen mit dem konventionellen Wechselstrombetrieb, erhöhen, ohne daß eine merkliche Verringerung der Lebensdauer der Lampe eintritt. Die Farbtemperatur läßt sich wesentlich über den Wert 2700°K erhöhen, sofern ein geringerer Wirkungsgrad hinnehmbar ist.

Bei Lampen, deren Wirkungsgrad oder spektrale Qualität sich mit dd' Einspeisung erhöht, bei denen jedoch das Kolbenmaterial oder andere Konstruktion-

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4} merkmale die durchschnittliche Belastung begrenzen, für die die Lampe ausgelegt ist, wird bekanntlich .oftmals ein Pulsbetrieb vorgenommen. Mittels einer getasteten Wellenform läßt sich ein großer Augenblickswect der Einspeisung erzielen, obgleich die durchschnittliche Energieeinspeisung in die Lampe innerhalb eines begrenzten Pegels bleibt

Ein frühes Beispiel für eine Schaltungsanordnung zum Pulsbetrieb einer Lampe ist in der US-PS 29 38 149, ein neueres Beispiel in der US-PS 36 24 447 beschrieben.

Bei derartigen Schaltungsanordnungen wird der Pulsbetrieb lediglich als Mittel eingesetzt, um einen hohen Augenblickswert der Einspeisung bei geringer Durchschnittseinspeisung zu erzielen. Die Zeitdauer der Impulse ist dann keine kritische Größe, wenn die Impulse so kurz sind, daß sich die Gesamttemperatur der Lampe während eines Einzelimpulses nicht merklich erhöht Der Pulsbetrieb findet deshalb bei geringen Frequenzen, im allgemeinen bei 50 oder 60 Hz, die der allgemeinen Netzfrequenz en^prechen, oder bei 100 bzw. 120Hz statt, bei denen für jede Haibwelie der Netzfrequenz ein Impuls erzeugt wird. Bei Verkürzung des Tastverhältnisses, d. h. des Verhältnisses zwischen Einschalt- und Ausschaltzeit innerhalb einer Periode, wird der Augenblickswert der Einspeisung im umgekehrten Verhältnis erhöht Typische Parameterwerte einer derartigen Schaltung liegen z.B. bei einer Wiederholfrequenz von 120 Hz, deren Periodendauer dann 8333 MikroSekunden beträgt und bei einem Tastverhältnis von 20%, das einer Einschaltzeit von 1667 Mikrosekunden entspricht, wobei eine ausreichende Leistung gegeben ist, um die Ionisierung des Plasmas zwischen Impulsen sicherzustellen. Derartige Parameterwerte sind zur Realisierung der Betriebsart der vorliegenden Erfindung nicht geeignet

Bei der vorliegenden Erfindung wird der Pulsbetrieb eingesetzt um den aus der FR-PS 8 24 740 bekannten Effekt der Änderung der Farbe des emittierten Lichtes bei Hochdruck-Natriumdampflampen zu realisieren. Hier sind wesentlich kürzere Impulsperioden oder Sinschaltzeiten erforderlich als bei Betrieb mit Netzfrequenz erreichbar sind. Die Natriumlinien und das Kontinuum von den stark erregten Natriumzuständen wachsen während der ersten 200 Mikrosekunden, nachdem der Impuls eingespeist wurde, bis zu einer hohen Intensität an. Bei einer Pulsdauer von mehr als 500 Mikrosekunden beginnt diese Strahlung abzunehmen. Bei Quecksilber enthaltenden Lampen nehmen die sichtbaren Quecksilberlinien während der ersten hundert Mikrosekunden zu. Diese Linien nehmen dagegen noch stärker ab als die obere Grenze der Natriumstrahlung. Die verbreiterte und umgekehrte Natrium-D-Linfeßstrahlung baut sich dagegen während der gesamten Impulsdauer auf und beginnt mit dem Abbau erst nach dem Ende des impulses. Die Zunahme dir Farbtemperatur und die Verbesserung des Farbwiedergabeindex wird mit den neu und besonders stark erregten Natriumliniea und der Kontinuumstrahlung und der erregten Quedksilberlinie erzielt, wobei die Impuls-Einschaltzeit 500 Mikrosekunden nicht überschreiten darf. Längere Impulsdauern gestatten es dem Plasma, in den stationären Zustand zu relaxieren, wodurch ein Verlust der Farbverbesserung bewirkt wird.

Im Stand der Technik ist außerdem ein Reststrom bekannt, der zwischen den Impulsen durch die Lampe fließt und üblicherweise 15% des durchschnittlichen Stromes beträgt. Bei der vorliegenden Erfindung würde jedoch ein Reststrom die stark aneereete Natrium- und

Quecksilberstrahlung, von der die Farbverbesserung abhängt, zerstören und ist daher zu vermeiden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer üblichen 150-W-Hochdruck-Natriumdampfentladungslampe zusammen mit einem Blockschaltbild eines geeigneten Schaltkreises für den Impulsbetrieb der Lampe, iu

Fig.2 ein Spektrum der Lampe bei normalem Wechselstrombetrieb,

F i g. 3 ein typisches Spektrum einer Lampe, die auch F i g. 2 zugrunde liegt, wenn diese Lampe mit erhöhter Leistung betrieben wird und der Natriumdruck erhöht is wird,

Fig.4 ein Spektrum der Lampe, die auch dem Spektrum nach Fig. 2 zugrunde liegt, im Impulsbetrieb nach der Erfindung,

Fig.5 eine Darstellung der C.I.E.-Farbkoordinaten der Lampe für verschiedene Impulsfrequenzen und Tastverhältnisse bei konstanter Eingangsleistung,

F i g. 6 die Abhängigkeit der Farbtemperatur von dem Spitzenwert des Stromes und dem Ausschaltintervall bei konstanter Eingangsleistung, v>

Fig.7 das qualitative Verhalten der Intensität der Natrium-D-Linie und der kontinuierlichen Strahlung als Funktion der Impuls-Wiederholungsfrequenz,

Fig.8 das qualitative Verhalten der Intensität der Natrium-D-Linie und der kontinuierlichen Strahlung als )<> Funktion des Tastverhältnisses, und

Fig.9 eine Darstellung der Abhängigkeit der Farbtemperatur von dem Wirkungsgrad der Lampe für verschiedene Impulsfrequenzen und Tastverhältnisse.

Die in F i g. 1 dargestellte Hochdruck-Natriumdampf- )5 lampe 1 stellt eine typische Ausbildungsform einer Lampe dar, die zur Erzielung einer Farbverbesserang vorteilhaft im Impulsbetrieb betreibbar ist. Dargestellt ist eine Lampe von etwa 150 W. ähnliche Lampen werden in verschiedenen Größen zwischen 70 bis w 1000 W produziert. Die Lampe enthält einen äußeren Glaskolben 2, an dessen Hals ein standardisierter Schraubsockel 3 angebracht ist Der äußere Kolben enthält einen eingestülpten Quetschfuß 4, durch den sich in konventioneller Weise ein Paar relativ schwerer Zuleitungen 5 und 6 erstreckt, deren äußere Enden mit der Sockelhülse 7 und dem Zentralkontakt 8 des Sockels verbunden sind.

Das Bogenrohr 9 ist zentral innerhalb des äußeren Kolbens angeordnet und besteht aus keramischem 5« Aluminiumoxid. Verwendbar ist entweder polykristallines Keramikmaterial, das durchscheinend ist oder ein einkristallines Aluminiumoxid oder synthetischer Saphir, die klar und durchsichtig sind. Zwei Endkappen 10 und 11 aus Niob, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient demjenigen des Aluminiumoxids entspricht dichten die Enden der Röhre mittels einer glasigen Dichtungsmasse ab. Die Endkappe 10 weist ein durchgehendes abgedichtetes Metallrohr 12 auf, das während der Herstellung der Lampe als Evakuierungs- w> und Füllstutzen dient Der Evakuierungsstutzen wird dann an seinem äußeren Ende abgedichtet und dient als Reservoir, indem sich überschüssiges Natriummetall oder Natrium-Amalgam während des Betriebs der Lampe kondensiert, wobei die dargestellte Lampe für &5 einen Betrieb mit nach unten weisendem Sockel ausgelegt ist Eine Elektrode 13 ist innerhalb der Lampe an dem nach innen zeigenden Ansatz des Evakuierungsstutzens 12 angebracht, und eine Attrappe 14 eines Evakuierungsstutzens erstreckt sich durch die andere Endkappe U und hält die andere Elektrode 15. Das Bogenrohr enthält z. B. als Startgas eine Füllung aus Xenon mit einem Druck von etwa 30 Torr sowie eine Ladung von etwa 25 Milligramm eines Amalgams aus 20 Gew.-°/o Natrium und 75 Gew.-% Quecksilber.

Der Evakuierungsstutzen 12 ist über den Leiter 16 und einen kurzen Haltestab 17 mit der Zuleitung 6 verbunden, die an den Zentralkontakt 8 des Sockels angeschlossen ist. Die Attrappe 14 erstreckt sich durch einen Ringhalter 18, der an dem Seitenstab 19 befestigt ist, der eine laterale Steifigkeit bewirkt und gleichzeitig eine axiale Ausdehnung des Bogenrohrs zuläßt. Ein flexibler Metallstreifen 20 verbindet die Attrappe 14 mit dem Seitenstab 19, der seinerseits mit der Zuleitung 5 verbunden ist und dabei eine Verbindung zur Sockelhülse 7 herstellt. Das obere Ende des Seitenstabes 19 ist in den umgekehrten Nippel 2i am Domende des äußeren Kolbens mittels eines Klemmelements 22 eingeklemmt.

Diese Lampe wird normalerweise mit einem herkömmlichen Vorschaltgerät betrieben, das eine Wicklung auf einem Eisenkern aufweist und an einer 50 Hz (bzw. 60 Hz)-Wechselspannungsquelle liegt. Das Vorschaltgerät enthält eine spezielle Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines Hochspannungsimpulses geringer Energie, um die Lampe zu zünden. So wird z. B. bei einer 400-W-Lampe mit den z. Z. üblichen Eigenschaften ein 1 μ5 langer Impuls von mindestens 2250 V Amplitude mindestens 50 mal eine Sekunde lang angelegt. 1st die Lampe einmal gezündet, so wird der Zündkreis automatisch abgeschaltet, und die Zündimpulse treten beim stationären Betrieb der Lampe nicht mehr auf.

Einige Hochdruck-Natriumdampflampen werden mittels eines sich innerhalb des äußeren Kolbens befindenden Schnappschalters gestartet, wobei diese Aüsführungsform insbesondere von europäischen Herstellern bevorzugt wird. Dieser Schalter schließt die Lampe im Ruhezustand kurz. Wenn die Lampe eingeschaltet wird, sorgt ein Heizelement dafür, daß sich der Schalter öffnet, wobei ein induktiver Zündfunken die Entladestrecke zündet Andere Lampen verwenden Neon oder eine Penning-Mischung aus Neon mit einer sehr geringen Menge Argon anstelle von Xenon als Zündgas. Dadurch wird die Zündspannung insbesondere dann verringert, wenn gleichzeitig Heizelemente oder außerhalb des Bogenrohrs liegende kapazitive Elektroden verwendet werden.

Beim Einschalten einer Lampe, die herkömmlich mit Wechselstrom betrieben wird, erzeugen das Xenon und das Quecksilber ein blau-weißes Glimmen in dem Bogenrohr. Sobald das Natrium durch die erzeugte Wärme verdampft wird, wandelt sich das Licht zuerst in monochromatisches Gelb und dann allmählich in Weiß mit einer goldfarbenen oder Orange-Tönung, wobei die vollständige Anwärmung der Lampe etwa 1 Minute erfordert Lampen mit einer Penning-Mischung emittieren aufgrund des Neon-Zündgases zuerst rotes Licht das sich während des Anwärmens in die übliche Farbtönung umwandelt

Ein für eine angewärmte Lampe typisches Spektrum ist in Fig.2 dargestellt Die Farbtemperatur beträgt 2030⁰K und der Farbwiedergabeindex 16,4. Der Wirkungsgrad ist mit 73,5 Lumen/Watt für eine Hoehdruck-Natriuiriiarnpe relativ gering. Dies hat seine Ursache in der kurzen Entladestrecke dieser Lampe geringer Leistung, aufgrund dessen die Elektrodenverluste bezüglich der gesamten Leistungseinspeisung

relativ hoch sind. Das Licht wird primär aufgrund der verbreiterten Flanken an beiden Seiten der gelben, durch Selbstumkehr erzeugten Natrium-D-Linien bei 589 nm und erst in zweiter Linie aufgrund der Natriumlinien bei 569,498 und 617 nm erzeugt. Obwohl 5 die Metallfüllung der Lampe mehr Quecksilber als Natrium enthalten kann, ist die Quecksilberstrahlung !^bedeutend gering. Das erste Anregungspotential des Nafriumatoms bei 2,1 V ist wesentlich geringer als das Anregungspotential des Quecksilberatoms bei 4,9 V oder als die höher angeregten Zustände des Natriums bei 4 bis 5,1 V. Unter diesen Umständen ist der geringe Beitrag der Natriumstrahlung außerhalb der D-Linien und die Abwesenheit von Quecksilberstrahlung aufgrund eines Plasmas im lokalen thermodynamischen Gleichgewicht erklärbar, wobei die Plasmatemperatur zu gering ist, um Zustände oberhalb 2,1 V wesentlich anzuregen. Die Funktion des Quecksilbers in den Quecksilber enthaltenden Lampen beschränkt sich auf die eines Puffergases, das den Spannungsgradienten der Entladung erhöht. Dadurch läßt sich die Lampe wirkungsvoller bei einem größeren Spannungsabfall und bei kleinerem Strom betreiben.

Der Wirkungsgrad konventioneller Hochdruck-Natriumlampen nimmt im allgemeinen mit der Lampengröße oder Nennleistung zu. Bei einer 150-W-Lampe beträgt der Wirkungsgrad z.B. 105 Lumen/Watt, bei einer 400- W-Lampe 125 Lumen/Watt und bei einer 1000-W-Lampe 140 Lumen/Watt. Es gibt jedoch nur eine relativ geringe Änderung der Farbtemperatur, die i/ .1 allgemeinen zwischen 2000 und 2100" K liegt und des Farbwiedergabeindex, der allgemein zwischen 10 bis 20 liegt.

Die Überlastung der Lampe, d. h. der Betrieb der Lampe beträchtlich oberhalb derjenigen Leistung, für ss die die Lampe ausgelegt ist, hat einen höheren Dampfdruck zur Folge. Die Auswirkungen eines derartigen Betriebs lassen sich an dem in Fig.3 dargestellten typischen Spektrum zeigen. Bis auf eine größere Bohrung ist die verwendete Lampe derjenigen Lampe ähnlich, die dem Spektrum von F i g. 2 zugrunde liegt, jedoch wird die Lampe nun mit einer Eingangsleistung von 220 W bei 50 bzw. 60 Hz Wechselspannung betrieben, während im vorstehenden Fall lediglich eine Eingangsleistung von 100 W benutzt wurde. Der Partialdampfdruck des Natriums steigt bis auf 235 Torr, wodurch die Flanken der durch Selbstumkehr erzeugten Natrium-D-Linien verbreitert werden. Die Farbtemperatur wird bis auf 2400" K erhöht, der Wirkungsgrad nimmt dabei jedoch auf 59,4 Lumen/Watt ab. Die Verringerung des Wirkungsgrades wird zum großen Teil durch die Verbreiterung der Flanke auf der Langwellenseite der D-Linie, der sogenannten roten Flanke, bewirkt Strahlungsenergie in diesem Bereich besitzt für das Licht einen abnehmenden Wert, und die gesamte Energie über 700 nm liegt im Infrarotbereich und trägt daher zur Beleuchtung nicht bei. Da die Überlastung der Lampe neben der Verringerung des Wirkungsgrades eine Beschleunigung der Natriumverluste bewirkt und damit eine Spannungserhöhung, ein ω Verdunkeln des äußeren Kolbens und eine Verkürzung der Lebensdauer nach sich zieht, ist diese Betriebsart nicht geeignet, die Farbtemperatur zu erhöhen.

Der Inipulsbetrieb der Lampe gemäß der Erfindung zeitigt das unerwartete Ergebnis, daß höhere Energiezustände des Natriums, die normalerweise bei konventioneller Entladung nicht von Bedeutung sind und außerdem das Quecksilber in Quecksilber enthaltenden Lampen angeregt werden.

Diese Wirkung läßt sich unter Verwendung der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung zeigen. Die Stromquelle besteht aus einem Vollweg-Gleichrichter und einem Filier 25, der aus einer 220-V-Wechselspannungsquelle mit 50 Hz (bzw. 240 V und 60 Hz) über einen veränderlichen Transformator 26 gespeist wird. Die Lampe 1 liegt in Serie mit einer ohmschen Last 27 und einem elektronischen Schalter 28, wobei diese Serienschaltung mit der angegebenen Polarität parallel zur Gleichspannungsquelle liegt. Aus Bequemlichkeitsgründen wurden 2000-W-Glühlampen parallel zueinander gelegt und als Last 27 verwendet. Der elektronische Schalter 28 enthält einen Transistor, dessen Emitter-Kollektorpfad in Serie mit der Lampe liegt, und dessen Basis mit Steuersignalen versorgt wird, wobei jedoch jede beliebige elektronische Einrichtung zur steuerbaren Ein- und Ausschaltung von Strom aus der Quelle 25 verwendbar ist. Ein Fünkiionsgericräiüf 29 cnccügi eine sägezahnförmige Spannung 30 und triggert einen Impulsgenerator 31, der rechteckige Impulse 32 zur Einschaltung des Transistors 28 liefert. Während des Zeitintervalls, in dem der Transistor eingeschaltet ist, liegt die Spannung der Quelle 25 an der Lampe 1 und der Last 27, wobei die Größe der Spannung mittels des veränderlichen Transformators 26 steuerbar ist. Die dargestellte Schaltungsanordnung erlaubt es, die Impulsfolgefrequenz, die Impulsdauer und die Impulsamplitude beliebig zu steuern. Geeignete Instrumente (nicht dargestellt) sind zur Messung und Anzeige der tatsächlichen Spannungen, Ströme und Kurvenformen, zur Messung der Eingangsleistung und zur Messung und Analyse der Lumenabgabe vorgesehen.

Es zeigte sich zuerst, daß beim Impulsbetrieb bei Hörfrequenzen, wie z. B. 1000 Hz₁ eine Verbesserung der Farbeigenschaften ohne Verringerung des Wirkungsgrades erzeugt wurde. Der Impulsbetrieb bei Netzfrequenzen, wie z. B. 50 bzw. 60 Hz, erbrachte nicht dieses Ergebnis. Ein für den Betrieb mit 1000 Hz typisches Spektrum ist in Fig.4 dargestellt. Die rnte Flanke des Spektrums des Natriums ist gegenüber dem Spektrum beim konventionellen 60-Hz 3etrieb (vgl. Fig.2) kaum verändert. Äußerst überraschend ist jedoch das starke Anwachsen der Natriumlinien auf der blauen Seite des Spektrums, so z. B. der Linien 449,467, 498 und 569 nm und die Tatsache, daß das zuvor unbedeutende Kontinuum am blauen Ende des sichtbaren Spektrums beginnt und sich bis etwa 450 nm erstreckt In Quecksilber enthaltenden Lampen tragen ebenfalls die Quecksilberlinien bei 404,436 und 546 nm zur Verbesserung der Farbeigenschaften bei. Eine derartige Verstärkung der Linien im Blau- und Grünbereich und des Kontinuums am blauen Ende des Spektrums ohne das Vorhandensein der vorherrschenden roten Flanke stellt bei einer Natriumentladung ein neues Phänomen dar, das bisher nicht beobachtet wurde. Diese Beobachtung ermöglicht eine höhere Farbtemperatur ohne Verringerung des Wirkungsgrades.

Untersucht wurden ferner die Auswirkungen der Änderung der Impulsfolgefrequenz zwischen 667 und 2000 Hz und des Tastverhältnisses zwischen 15% und 30%. Die durchschnittliche Leistungseinspeisung in das Bogenrohr wurde bei 150W gehalten, wodurch der Partialdruck des Natriums bei etwa 60 Torr lag, was für einen Leuchtwirkungsgrad etwa optimal ist Der entsprechende Partialdruck des Quecksilbers für eine Mischung aus 25 Gew.-% Natrium und 75 Gew.-%

ίο

Quecksilber beträgt etwa 200 Torr. Die sich ergebenden C.I.E. (Commission Intrnationale d' Eclairage)-Farbpunkte für die einzelnen experimentellen Bedingungen sind in F i g. 5 als Punkte eingetragen. Die Punkte der gepulsten Lampe liegen alle in der Nachbarschaft der ausgezogenen Kurve, die den Farbort eines Hohlraumstrahlers über denselben Temperaturbereich angibt, die gemessenen Punkte erstrecken sich weit über die 2500° K-Farbtemperatur hinaus. Als Bezugsgröße ist ferner der Farbpunkt derselben Lampe angegeben, die ι ο konventionell mit 50 bzw. 60 Hz Wechselstrom betrieben ist.

Die beobachteten Werte der korrelierten Farbtemperatur als lineare Funktion dreier Variablen, nämlich der Stromspitze, der Impuls-Einschaltzeit und der Impuls- r> Ausschaltzeit lassen sich mittels eines mehrfachen Regressionprogrammes beschreiben. Wird einer Lampe eine Serie von rechteckförmigen Impulsen zugeführt und wird der Spitzenwert des Stromes mit I₁ die Impulsbreite mit fi und die Ausschalt-Zett zwischen zwei Impulsen mit /₂ bezeichnet, und wird eine konstante Lampenspannung V während der Impulse angenommen, so wird während jedes einzelnen Impulses der Lampe die Energie / · V · (1 zugeführt. Die durchschnittliche Lampenleistung Pbeträgt daher

(D

Die Durchschnittsleistung hält man konstant, während die Einschaltzeit und die Ausschaltzeit des Impulses verändert werden, um eine Änderung der Wandbeaufschlagung des Bogenrohrs und der Amalgam-Kaltpunkttemperatur zu vermeiden. Unter dieser Bedingung sind /, fi und fe durch die vorstehende r> Gleichung miteinander so verknüpft, daß jeweils ein beliebiges Paar dieser drei Variablen zur Beschreibung der beobachteten Farbtemperaturänderungen genügt. Werden der Spitzenwert des Stromes und die Ausschaltzeit zwischen zwei Impulsen als Variable gewählt, so ergibt sich:

Γ-2513 = 0,378 (f₂ - 868) + 34,5 (/- 10,8), (2)

wobei Tdie zugehörige Farbtemperatur in Kelvin, fe die 4-, Ausschaltzeit zwischen zwei Impulsen in Mikrosekunden und /der Spitzenwert des Impulsstromes in Ampere darstellen.

Die durch Gleichung (2) ausgedrückte Beziehung ist graphisch in F i g. 6 dargestellt und gibt an, daß bei einer konstanten Durchschnittseingangsleistung die Farbtemperatur mit dem Spitzenwert des Stromes und ebenso mit der Ausschaltzeit zwischen zwei Impulsen zunimmt

Die Gleichung (2) und die Kurve in F i g. 6 machen deutlich, daß die höchste Farbtemperatur bei kleinster Impulsbreite und maximaler Ausschaltzeit zwischen zwei Impulsen erzielt wird. Bei konstanter Eingangsleistung ist diese Bedingung gleichbedeutend mit einem maximalen Stromspitzenwert, wobei jedoch ein maximaler Stromspitzenwert nicht zu den insgesamt günstigsten Betriebsbedingungen der Lampe führt Werden fi und t₂ so erhöht, daß <i/(fi + f2) konstant bleibt so wird dadurch ein konstantes Tastverhältnis realisiert, wobei der Stromspitzenwert / dann konstant bleibt b5

In den Fig.7a und 7b ist die Intensität der verbreiterten und durch Selbstumkehr erzeugten Natrium-D-Linie und die Intensität der blau-grünen Kontinuumstrahlung für konstante Eingangsleistung und ein festes Tastvi^rhältnis qualitativ in Abhängigkeit der Impulsfrequenz dargestellt, um einen Überblick zu erhalten. Diesen Darstellungen läßt sich entnehmen, daß die Intensität des Kontinuums in Richtung abnehmender Frequenzen zunimmt, während die Intensität der Natrium-D-Linie in Richtung abnehmender Frequenzen abnimmt.

Wird andererseits die Impulsfolgefrequenz konstant gehalten, so ändert sich der Stromspitzenwert umgekehrt mit der Impulsbreite oder dem Tastverhältnis. Diese Abhängigkeit ist in den F i g. 8a und 8b dargestellt, in denen die Intensität der verbreiterten Natrium-D-Linie und die Intensität des blau-grünen Kontinuums für konstante Eingangsleistung und feste Frequenz qualitativ gegen die Impulsbreite und den in entgegengesetzter Skala aufgetragenen Stromspitzenwert aufgetragen sind. Die Intensität der Natrium-D-Linie ist hierbei konstanter, während die Intensität des Kontinuums mit wachsendem Stromspitzenwert zunimmt.

Die aus den F i g. 7 und 8 erhaltene Information muß kombiniert werden, um eine maximale Farbtemperatur bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad zu erzielen. Dies wird in F i g. 9 dargestellt, in der der Wirkungsgrad der Lampe gegen die Farbtemperatur für verschiedene Impulsfrequenzen und Tastverhältnisse und für eine gegebene Lampe mit 25/75 Gew.-% Na/Hg-Amalgam aufgetragen ist, wobei die Lampe bei einer konstanten Eingangsleistung von 150 W betrieben wird. Die Kurven sind durch Punkte konstanter Impulsfolgefrequenz gelegt. Die Abnahme des Wirkungsgrades von 1000 Hz auf 833 Hz und 667 Hz wird durch das Abfallen der Natriumstrahlung gemäß F i g. 7a bewirkt. Die langsamere Abnahme des Wirkungsgrades mit abnehmendem Tastverhältnis längs jeder einzelnen Kurve ergibt sich gemäß der Natrium-Strahlungskurven nach Fig.8a. Dieselbe Lampe zeigte bei herkömmlichem Betrieb mit 60 Hz (bzw. 50 Hz) Wechselstrom einen optimalen Wirkungsgrad von 103 Lumen/Watt.

Der Darstellung nach F i g. 9 läßt sich entnehmen, daß beim Verringern der Impulsfolgefrequenz unter 650 Hz die Lampe nicht so wirksam arbeitet wie beim herkömmlichen 60-Hz-Wechselstrombetrieb. Wird ein Wirkungsgrad gefordert, der beim herkömmlichen Betrieb vorhanden ist, dann ergibt sich die höchste Farbtemperatur bei etwa 670 Hz und 20% Tastverhältnis oder bei 833 Hz und 15% Tastverhältnis. Da eine geringere Impulsfolgefrequenz gleichbedeutend mit einem geringeren Stromspitzenwert ist, wird die geringere Impulsfolgefrequenz vorgezogen, um die Kosten für die Last der Lampe und Hochfrequenz-Interferenzen zu vermeiden. Aus diesen Gründen wird die gepulste Lampe bei etwa 670 Hz und 20% Tastverhältnis optimiert, wobei die Lampe dann eine Farbtemperatur von 2670⁰K und einen Farbwiedergabeindex von 37 bei einem Wirkungsgrad von 1023 Lumen/Watt aufweist

In F i g. 9 liegen alle Daten links von der gestrichelt eingetragenen Geraden, deren Steigung einem Verlust von etwa 5 Lumen/Watt für jeweils einen Zuwachs von 120⁰K in der Farbtemperatur entspricht Eine weitere Zunahme der Farbtemperatur auf Kosten des Wirkungsgrades, wobei Farbtemperatur quasi gegen Wirkungsgrad getauscht wird, ist möglich, ist jedoch jenseits von 2700° K ungünstig.

Ein weiterer Weg zur weiteren Erhöhung der Farbtemperatur besteht darin, den Natriumdampfdruck zu erhöhen, z. B. durch überhöhte Leistung. Dies erfolgt

jedoch ebenfalls auf Kosten des Lampenwirkungsgrades.

Bei Verwendung eines Bogenrohres aus einem einkristallinen Aluminiumoxid, das transparenter ist als polykristallines Aluminiumoxid, läßt sich ein Teil der Wirkungsgradverluste, die von einem nicht optimalen Natriumdampfdruck herrühren, ausgleichen. Eine der in F i g. 1 dargestellten Lampe entsprechende Lampe aus einkristallinem Aluminiumoxid wurde bei 175 W und bei 667 Hz und einem Tastverhältnis von 20% betrieben, wobei der Partialdampfdruck des Natriums 105 Torr betrug. Als Ergebnis wurden 103 Lumen/Watt, 2700° K Farbtemperatur und ein Farbwiedergabeindex von 47 erhalten. Die maximale Temperatur des Bogenrohrs dieser Lampen blieb unterhalb 1150°C. Dieser Wert steht mit einer langen Lebensdauer in Einklang. Die Farbtemperatur dieser Lampe liegt nahe derjenigen einer Glühlampe derselben Leistung, die eine Farbtemperatur von etwa 2800⁰K hätte. Die Glühlampe hat jedoch einen Wirkungsgrad von weniger als 14 Lumen/ v^att, so daß die impulsbetriebene erfindungsgemäße Lampe mehr als das 7fache an Licht bei vergleichbaren Farbtemperaturen liefert.

Die vorstehenden Daten wurden mit Impulsen erzielt, die alle nur eine Polarität haben, da primär die Leistungsversorgung oder die Impulserzeugungseinrichtungen hierfür einfacher sind als bei Verwendung von Impulsen mit beiden Polaritäten. Bei Verwendung von Impulsen lediglich einer Polarität ist es vorteilhaft, daß die Anode am unteren Ende der Lampe liegt, wenn die Lampe vertikal betrieben wird, wobei in der Anordnung nach F i g. 1 die Elektrode 13 als Anode geschaltet wird. Der Evakuierungsstutzen 12 dient als Kaltpunktreservoir für Natrium-Amalgam und befindet sich ebenfalls unten. Dies ist vorteilhaft, um eine Farbtrennung zu vermeiden, bei der ein Ende des Bogenrohrs aufgrund einer Natriumve.rarmung blauer als das andere Ende ist. Die Kathode 15 ist für eine genügende Elektronenemission aktiviert, die Anode 13 braucht dagegen kein Elektronen emittierendes Material aufzuweisen. Tatsächlich ist es vorteilhaft, daß die Anode beim einpoligen Impulsbetrieb nicht aktiviert ist, da eine Aktivierung lediglich eine Wandverdunkelung bewirkt.

Beim Impulsbetrieb mit Impulsen verschiedener Polarität sind die Spektralergebnisse im wesentlichen dieselben wie beim einpolaren Impulsbetrieb. Selbstverständlich muß dann die Lampe Kathoden aufweisen, d. h. die Elektroden an beiden Enden müssen aktiviert sein.

Wie schon erwähnt, zerstört ein Reststrom während der Impulse die verbesserte Emission im Blau-Grünbereich, von der die Erhöhung der Farbtempcratur abhängt. Ein Reststrom sollte daher bevorzugt vollständig vermieden werden. Sofern jedoch ein Reststrom aufgrund wirtschaftlicher Erfordernisse bei der Auslegung der Impuls-Leistungsversorgung nicht vermeidbar ist, sollte der Reststrom so klein wie möglich gehalten werden.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betreiben einer Hochdruck-Metalldampflampe, die eine Metallfüllung in einem Kolben und zwei beabstandete Elektroden enthält, wobei die Lampe von elektrischen Impulsen gespeist wird, die ungefähr die vorgegebene Eingangsleistung erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfüllung Natrium mit einem Dampfdruck ist, der eine Selbstumkehr und eine Verbreiterung der Natnümresonanz-D-Linien bewirkt, daß die Impulse eine Folgefrequenz von mehr als 500 bis weniger als 2000Ήζ haben und das Tastverhältnis zwischen 10 und 30% beträgt, so daß eine wesentliche Lichtmenge auf der blaugrünen Seide des Spektrums erzeugt wird, wodurch die Farbtemperatur auf mindestens 2300°K erhöht und kein merklicher Anstieg im roten Flügel der Natrium-D-Linien erzeug^vird.

2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromamplitude der Impulse genügend groß ist, um eine merkliche Emission von Linien der hochangeregten Natriumatome und ein Kontinuum im blau-grünen Bereich zu erzeugen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 b$im Betrieb einer Lampe, die neben Natrium einen Zusatz an Quecksilber enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromamplitude der Impulse genügend groß ist, um eine merkliche Emission der Linien der hochangeregten katriumatome und der Quecksilberatome und ein Kontinuuip. im blsn-grünen Bereich zu erzeugen.

4. Vorrichtung zur Durchführung ttes Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet -15 durch eine Hochdruck-Natriumdampflampe mit einem Kolben mit zwei beabstandeten Elektroden und mit Anschlußeinrichtungen, über die die Lampe gespeist wird, wobei die Anschlußeinrichtungen einen elektrischen Impulsgenerator (31) parallel zu ■»<> den Elektroden (13,15) der Lampe enthalten und der Impulsgenerator (31) der Lampe im wesentlichen die vorgegebene Eingangsleistung in Form von Impulsen mit einer Folgefrequenz von mehr als 500 bis weniger als 2000 Hz und mit einem Tastverhältnis *s zwischen 10 und 30% zuführt.