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Verfahren und Anordnung zur Erzeugung von Licht aus elektrischer
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Energie Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung
zur Erzeugung von Licht aus elektrischer Energie mittels einer gasgefüllten elektrischen
Entladungsröhre, durch das bzw. durch die bei Zufuhr einer vorgegebenen Energiemenge
gegenüber den bisterigen Verfahren oder Anordnungen eine höhere Lichtausbeute erzielt
wird.
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Gasgefüllte Röhren, etwa Fluoreszenzröhren, Blitzröhren u.ä., die
ein Paar im Abstand voneinander liegender, in einer transparenten oder fluoreszenzbeschichteten,
gasgefüllten Umhüllung eingeschlossene Elektroden aufweisen, sind im allgemeinen
schlechte Umwandler von elektrischer Energie in Licht. Werden derartige Röhren mit
einem Gas, etwa Argon, Krypton oder Neon unter geringem Druck gefüllt und mit einer
60 Hz-Spannung bei ihrer Zünd-(Ionisations-)spannung betrieben, so wird im allgemeinen
bis zu 90 % der zugeführten elektrischen Energie als nutzlose Wärme verbraucht.
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Es ist auch bereits bekannt, den Wirkungsgrad der gasgefüllten Röhren
für die Umwandlung in Licht dadurch zu erhöhen, daß eine hochfrequente Spannung,
etwa eine Wechselspannung von 400 Hz bis 20 000 Hz angelegt wird. Dadurch wurde
jedoch bisher der Wirkungsgrad lediglich um etwa 10 % erhöht.
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Demgegenüber betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von
Licht mit einer gasgefüllten Röhre, deren Elektroden elektrische Energie mit einer
Spannung oberhalb der Ionisationsspannung zugeführt wird, wobei zwischen den Elektroden
der Röhre pulsierende elektrische Energie verbraucht wird. Die Impulse haben eine
Spannung, die höher ist als die Ionisationsspannung sowie eine Impulslänge, die
geringer ist als die Gasionenübergangszeit zwischen den Elektroden, jedoch größer
als die Elektronenübergangszeit, und die Gasionen werden zwischen den Elektroden
entfernt.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung zur Erzeugung von Licht
aus elektrischer Energie mittels einer Entladungselektroden aufweisenden gasgefüllten
Röhre. Zwischen den Elektroden ist elektrische Energie in Form von Impulsen zuführbar,
die eine Spannung oberhalb der Ionisationsspannung der Röhre haben und deren Impulsbreite
kleiner ist als die Gasionenübergangszeit zwischen den Elektroden der Röhre, jedoch
größer als die Elektronenübergangszeit der Röhre. Die Gasionen können zwischen den
Elektroden entfernt werden.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der ein Ausführungsbeispiel
zeigenden Figuren näher erläutert.
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Figur 1 zeigt schematisch eine typische gasgefüllte elektrische Entladungsröhre,
wie sie in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren einsetzbar ist.
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Figur 2 zeigt in einem Spannungs-Zeit-Diagramm bevorzugte Spannungsverläufe.
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Figur 3 zeigt eine Spannungsversorgungsschaltung, mit der die in Figur
2 dargestellten Spannungsverläufe erzeugt werden können.
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Die in Figur 1 dargestellte typische gasgefüllte elektrische Entladungsröhre
hat eine transparente Glasumhüllung 1, in der Entladungselektroden 2 und 3 hermetisch
abgedichtet eingeschlossen sind. Diese Elektroden können über Anschlüsse 4 und 5
mit einer Spannungsquelle verbunden werden, und die Durchführungen der Anschlüsse
4 und 5 durch die Umhüllung 1 sind hermetisch abgedichtet.
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Typischerweise wird die Umhüllung 1 bei der Herstellung evakuiert
und dann eine geringe Gasmenge, etwa Argon und Krypton, in ihren Innenraum eingebracht.
Die Gasmenge wird so gewählt, daß der Druck des zugeführten Gases in der Umhüllung
in Bereichen von etwa 10'6 bis 10-1 Atmosphären liegt.
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Wie Figur 1 zu entnehmen ist, ist der Abstand zwischen den einander
gegenüberliegenden Elektroden 2 und 3 mit t bezeichnet, und g dieser Abstand kann
üblicherweise in einem Bereich von etwa 1 cm bis 10 000 cm liegen.
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Figur 2 zeigt eine bevorzugte Wellenform der zwischen den Elektroden
2 und 3 der Röhre 1 zu verbrauchenden elektrischen Energie. Die drei Kurven stellen
Spannungen dar, die während typischen zyklischen Betriebes der Schaltungsanordnung
an verschiedenen Stellen in der Röhrenschaltung auftreten.
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Die ausgezogen dargestellte Kurve E1 bezeichnet elektrische Impulse
in Form einer schmalen Rechteckwelle, die von einer Hochspannungsquelle erzeugt
werden, in der beispielsweise eine Schaltanordnung mit gasgefüllter Röhre verwendet
wird.
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Die durch eine Folge von Kreuzen gebildete Kurve E2 ist die nach Durchlauf
durch eine entsprechende Induktivität an die Röhre 1 angelegte Spannung.
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Die gestrichelt gezeichnete Kurve vg bezeichnet die Spannung über
dem Elektrodenspalt t aus Figur 1. Wie Figur 2 zeigt, wird der über dem Spalt t
auftretende Impuls mit Tw bezeichnet.
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g Die Pulsfolgeperiode ist in Figur 2 mit Tr bezeichnet. Auf der
senkrechten Achse sind zwei Punkte V5 und Vb angegeben, von denen Vs die Zünd- oder
Ionisationsspannung über den Elektroden
2 und 3 und Vb die Vorspannung
über den Elektroden 2 und 3 zwischen den Impulsen bezeichnet.
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In Figur 3 ist eine typische Spannungsversorgungsschaltung gezeigt,
mit der der bevorzugte Spannungsverlauf gemäß Figur 2 erzeugt werden kann. Diese
Schaltungsanordnung enthält einen Impulsgenerator 24, der über eine Leitung 26 mit
einer Gleichspannungsquelle 25 verbunden ist. Der positive Anschluß der Gleichspannungsquelle
25 ist geerdet.
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Die Schaltungsanordnung enthält außerdem einen gasgefüllten Schalter
27 in Form einer Tetrode mit einem Kathodenanschluß 28 sowie Kathodenheizungsanschlüssen
29 und 30, die mit einer nicht dargestellten Spannungsquelle verbunden sind. Die
Tetrode 27 weist ferner einen Anodenanschluß 32 sowie Gitteranschlüsse 33 und 34
auf. Der Anschluß 34 des Steuergitters ist mit dem Impulsgenerator 24 verbunden,
während am Anschluß 33 des Sekundärgitters eine Vorspannungsquelle 35 liegt, die
eine in Reihe mit der Sekundärwicklung eines Transformators 37 geschaltete Diode
36 enthält. Die Primärwicklung dieses Transformators 37 liegt in Reihe mit einem
veränderbaren Widerstand 38, der seinerseits über Anschlitsse 39 und 34 mit einer
Wechselspannungsquelle verbunden ist. In Reihe mit der Diode 36 ist außerdem ein
Kondensator 41 geschaltet. Der Ausgang der Vorspannungsquelle 35 liegt einerseits,
wie vorstehend erwähnt, am Anschluß 33 des Sekundärgitters, und ist andererseits
geerdet.
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Mit dem Anodenanschluß 32 ist über eine Leitung 46, in der in Reilie
eine Induktivität 47 und ein Widerstand 48 liegt, eine weitere Gleichspannungsquelle
45 verbunden, deren negativer Pol geerdet ist.
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Die Schaltungsanordnung enthält außerdem die gasgefüllte Röhre 1 aus
Figur 1, deren Elektrode 3 über eine Leitung 5 direkt mit dem Anodenanschluß 32
verbunden ist, während die Elektrode 2 Über eine Leitung 4 und eine Induxtivität
53 am Verbindungspunkt eines Kondensators 54 und einer Induktivität 57 liegt, die
in den Verlauf einer Leitung 55 geschaltet sind, die am positiven Pol der Gleichspannungsquelle
45 liegt Die Induktivität 57 ist außerdem über eine Leitung 58 mit dem positiven
Pol einer Gleichspannungsquelle 56 verbunden.
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Im Betrieb sind die anschlüsse 4 und 5 der Röhre 1 in der in Figur
3 gazeigten Waise geschaltet. Um die erforderliche Wellenfor für den gewünschten
Betrieb der Röhre zu bestimmen, wird die Zündspannng und die Abmessung des Entladungsspaltes
durch Mcssung ermittelt. Um die SchalLungsanoranung gemäß Figur 3 so zu betreiben,
daß man die in Figur 2 gezeigten Spannungsverläufe erhält, werden die Bedingungen
fur Tw, Tr, V5 und Vb angegeben.
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Die Zünd- oder lonisationsspannung V der Röhre wird einfach 5 durch
Messung bestimmt oder, wic nachfolgend gezeigt werden wird, errechnet.
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Die Bedingungen für die erforderliche Impulsbreite Tw fordern, daß
die Impulsbreite kleiner ist als die Gasionenübergangszeit Tion, jedoch größer als
die Elektronenübergangszeit Te. Um Tion zu bestimmen, können die Verfahren und Rechenvorschriften
angewendet werden, wie sie sich in "Gaseous Conductors", J.D. Cobine, Dover Publications,
New York, 1958, finden. Der Wert von Te wird aus T. durch Vergleich der Masse des
Elektrons mit der Masse ion des in Frage stehenden Gasions bestimmt, und zwar durch
Die Gasionübergangszeit ergibt sich nach Cobine wie folgt:
mit p = Gasdruck (mmHg) t = Abstand zwischen den Elektroden (cm) g kp = Konstante
für das jeweilige Gas Gas kp He 3868 N2 962 °2 996 Die Pulsfolgeperiode Tr, die
der reziproke Wert der Pulsfolgefrequenz ist, wird so gewählt, daß sich der gewünschte
Grad der
Leuchtintensität sowie ein annehmbarer Flackerpegel für
den vorgesehenen Anwendungszweck ergibt. Die Intensität (Lumen) ändert sich direkt
mit der Frequenz, d.h. mit der Anzahl der Impulse pro Sekunde. Ferner sei darauf
hingewiesen, daß beim Absinken der Frequenz unter einen bestimmten Wert nicht nur
die Intensität abfällt, sondern auch das Licht flackert. Die minimale Frequenz für
übliche Beleuchtungszwecke liegt bei etwa 60 Hz.
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Um eine Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades der Entladungsröhre für
die Lichtausbeute zu erhalten, ist es erforderlich, eine Vorspannung Vb anzulegen,
die ausreicht, um zwischen den elektrischen Impulsen einen wesentlichen Anteil der
aufgeladenen Gasmoleküle, d.h. der Ionen, die im Spalt t erzeugt wurden, zu g entfernen.
Die Berechnung des gewünschten Wertes dieser Vorspannung Vb wird wie folgt vorgenommen:
T Vb = Tw x vs V = 40 p.tg + 1350 mit Vb = Vorspannung (V) Tw = Impulsbreite (/usek.)
Tr = Pulsfolgeperiode (/usek.) V = Betriebsspannung (V) oP p = Gasdruck (mmHg) tg
= Elektrodenabstand (cm)
Es hat sich ganz allgemein gezeigt, daß
bei Röhren mit einem Elektrodenabstand t von etwa 1 cm bis 300 cm und Ionisationsg
spannungen V5 in der Größenordnung von 50 V bis 5000 V zur Erzeugung von sichtbarem
Licht in der Größenordnung von 60 Hz bis 20 000 Hz die Impulsbreite Tw im allgemeinen
im Bereich von etwa 0,1 bis 10 % der Pulsfolgeperiode Tr liegt. Weiterhin hat es
sich gezeigt, daß diese typischen Röhren normalerweise eine Vorspannung Vb in der
Größenordnung von 1 V bis 1000 V benötigen, wenn diese Vorspannung eine im wesentlichen
konstante Gleichspannung ist. Es ist jedoch möglich, daß die Vorspannung etwas schwankt
und in gewissen Fällen eine pulsierende Spannung darstellt. Dann wird die Vorspannung
so errechnet, daß sich eine Ionenentfernungsenergie ergibt, die der vorstehend erwähnten
Vorspannung bei konstanter Gleichspannung Vb entspricht.
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Für den Betrieb der Spannungsversorgungsschaltung gemäß Figur 3 wird
der Impulsgenerator 24 auf die gewünschte Frequenz eingestellt, mit der von der
Röhre 1 akzeptables sichtbares Licht erzeugt wird. Wie vorstehend bereits erwähnt,
liegt diese Frequenz normalerweise im Bereich von etwa 60 Hz bis 20 000 Hz.
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Zur Erzielung der gewünschten Vorspannung wird die Gleichspannungsquelle
35 und/oder die Gleichspannungsquelle 56 entsprechend eingestellt.
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Um eine wirksame hochfrequente, schmalimpulsige Leistung zu liefern,
ist es sehr erwünscht, einen gasgefüllten Schalter
wie etwa die
Tetrode 27 zu benutzen, so daß zu Beginn Rechteckimpulse erzeugt werden, wie sie
durch die Kurve E1 in Figur 2 bezeichnet sind. Um jedoch die Widerstandsverluste,
die zwangsläufig durch plötzliche Ladungen einer kapazitiven Last, etwa der Röhre
1 auftreten, auf minimale Werte zu verringern, wird der Wert der Induktivität 53
so gewählt, daß die abgerundete Kurve E2 entsteht. Normalerweise liegt der Wert
der Induktivität 53 in der Größenordnung von 10 7 H bis 1 H.
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Die Bauelemente der Schaltungsanordnung gemäß Figur 3 sind im allgemeinen
von üblicher Art. So erzeugt der Impulsgenerator 24 Triggerimpulse in der Größenordnung
von 1 V bis 2000 V Gleichspannung bei Frequenzen im Bereich von 60 Hz bis 20 000
Hz.
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Die mit dem Impulsgenerator 24 verbundene Gleichspannung 25 erzeugt
Spannungen von 0 V bis f 1000 V, während die Gleichspannungsquelle 45 Spannungen
von 0 V bis 10 000 bei einer Ausgangsleistung von 1000 W erzeugt. Entsprechend liefert
die von den gestrichelt umrandeten Elementen gebildete Gleichspannungsquelle 56
eine veränderbare Gleichspannung. Der in der Schaltungsanordnung gemäß Figur 3 dargestellte
Schalter 27 besteht aus einer Tetrode. Selbstverständlich können zu diesem Zweck
jedoch auch Pentoden oder Trioden benutzt werden, und die zugehörige Anpassung der
Schaltungsanordnung stellt für den Fachmann keinerlei Probleme dar.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Zusammenhang mit einem Beispiel
beschrieben.
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Beispiel Es wurde eine gasgefüllte Entladungsröhre mit einem Elektrodenabstand
t von 100 cm, einem Durchmesser von etwa 3 cm und eig nem Xenon-Innendruck von 25
mmHg benutzt, die eine Ionisationsspannung V von 6000 V hatte. Diese Röhre wurde
an eine Span-5 nungsversorgungsschaltung entsprechend Figur 3 angeschlossen und
deren Impulsgenerator 24 auf eine Frequenz von 60 Hz eingestellt. Die Schaltung
wurde ferner so eingestellt, daß an ihrem Ausgang eine maximale Spannung E1 (Figur
2) von 10 000 V entsprechend einer maximalen Spannung E2 von 4000 V sowie eine maximale
Spannung von V von 6000 V entsprechend der Ionisationsg spannung der Röhre auftrat.
Die Schaltung wurtle mit veränderbarer Impulsbreite Tw in einem Bereich von 0,1
/usek. bis 10 /usek.
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betrieben, und die Vorspannung Vb wurde unter Verwendung entsprechender
Spannungsquellen auf eine konstante positive Gleichspannung von 800 V eingestellt.
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Es zeigte sich, daß Impulsbreiten Tw von weniger als etwa S/usek.
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zur Erzeugung von diffusem "kaltem" Licht mit kaum feststellbarer
Erwärmung der Außenfläche der Röhre führten. Bei Erhöhung der Impulsbreite bis zu
etwa 10/usek. ergab sich ein intensives "heißes" Licht sowie ein erhebliches Blitzen
und eine erhebliche Wärmeentwicklung, die zu einer Erwärmung der Röhrenoberfläche
führte. Daraus folgt, daß die Entladungsröhre mehr Licht und weniger Wärme erzeugte,
wenn die bevorzugten schmalen Impulse verwendet wurden, und somit ermöglicht die
Erfindung eine Erhöhung des elektrischen Wirkungsgrades von lichterzeugenden, gasgefüllten
Entladungsröhren.