DE2847840A1

DE2847840A1 - Hochfrequenzbetrieb von miniatur- metalldampf-entladungslampen

Info

Publication number: DE2847840A1
Application number: DE19782847840
Authority: DE
Inventors: John Martin Davenport
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1977-12-27
Filing date: 1978-11-03
Publication date: 1979-06-28
Also published as: GB2013394B; NL7811622A; AR218941A1; JPS5491971A; NL187552B; CA1115766A; PL118219B1; BE873007A; IT7831043A0; FR2413845A1; NL187552C; DE2847840C2; US4170746A; FR2413845B1; JPS6325480B2; HU182651B; BR7807913A; AT374651B; GB2013394A; PL212190A1

Description

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Patentanwälte

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E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiseg g Λ 7 Q Λ Q

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2. November 1978

GENERAL ELECTRIC COMPANY

570 Lexington Avenue

New York, New York 10022 /V.St.A.

Unser Zeichen: G 1440

Hochfrequenzbetrieb von Miniatur-Metalldampf-Entladungslampeη

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Miniatur-Hochdruck-Metalldampf-Entladungslampe mit einem Elektrodenpaar und einem Entladungsvolumen, das etwa 1 cnr nicht überschreitet, sowie eine Miniatur-Hochdruck-Metalldampflampe mit einer Hülle, die ein Entladungsvolumen begrenzt, das etwa 1 cm nicht überschreitet, mit einem darin dicht abgeschlossenen Elektrodenpaar und einer Einrichtung zur Erregung der Lampe mit einer an die Elektroden angeschlossenen Wechselstromquelle. Allgemein befaßt sich die Erfindung mit dem Hochfrequenzbetrieb von Hochdruck-Metalldampf-Entladungslampen, die ein sehr kleines Entladungsvolumen aufweisen, und zwar ausgehend von etwa 1 cm bis

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herunter zu einem Bruchteil eines Kubikzentimeters, vorzugsweise mit einem Metallhalogenid.

Es wurden bereits zweckmäßige Hochdruck-Entladungslampen mit guten Wirkungsgrad vorgeschlagen, die eine wesentlich geringere Größe aufweisen, als dies zuvor für praktisch durchführbar gehalten wurde, nämlich Entladungsvolumina von 1 cm oder weniger. Bei einer bevorzugten Ausführungsform zur Erzielung eines maximalen Wirkungsgrads wird im allgemeinen für diese Hochintensitätslampen eine kugelförmige, dünnwandige Bogenkammer verwendet, deren Form von etwas abgeflacht bis im wesentlichen gestreckt variieren kann. Es wird ein bemerkenswert hoher Wirkungsgrad erzielt, wenn der Metalldampfdruck auf über 5 Atmosphären und progressiv noch höheren Drücken mit abnehmender Größe angehoben wird. Bei derartigen Miniaturlampen wird die Konvektionsbogeninstabilität vermieden, die gewöhnlich bei hohen Drücken angetroffen wird, und es entsteht keine beachtenswerte Explosionsgefahr. Für praktische Ausführungen liegt der Leistungsbereich bzw. die Lampengröße bei einem Anfangswert von etwa 100 W bis herab zu weniger als 10 W, wobei diese Lampen Charakteristika aufweisen, einschließlich Farbwerte, Wirkungsgrad, Wartung und Lebensdauer, die sie für allgemeine Beleuchtungszwecke geeignet machen.

Eine weniger erwünschte Charakteristik dieser Miniatur-Hochdruck-Metalldampf lampen ist die sehr schnelle Entionisierung, der sie unterliegen. Beim Betrieb mit Wechselstrom von 60 Hz ist die Entionisierung zwischen den HaIbzyklen praktisch vollständig, so daß eine sehr hohe Spannung für das erneute Zünden erforderlich ist, die von der Ballasteinrichtung geliefert werden muß. Besonders bei Metallhalogenidlampen erreicht die für das Neuzünden erforderliche Spannung innerhalb der ersten Sekunden nach der Bogenzündung

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äußerst hohe Werte. Im Hinblick auf diese Einschränkungen aufgrund von Entionisierung, die beim Niederfrequenzbetrieb von Miniatur-Metallhalogenidlampen angetroffen werden,· weist die Verwendung von herkömmlichen Ballasteinrichtungen für 60 Hz viele Nachteile auf.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren für den Betrieb von Miniatur-Metallhalogenidlampen sowie eine Miniatur-Hochdruck-Metall dampf lampe zu schaffen, durch welche die Einschränkungen überwunden werden, die durch schnelle Entionisierung bei niedrigen Betriebsfrequenzen auferlegt werden und durch welche die Konstruktion von kompakten und praktisch realisierbaren Ballasteinrichtungen mit hohem Wirkungsgrad ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art gelöst, das gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Wechselspannung an den Elektroden mit einer Frequenz in einem resonanzfreien Bereich oberhalb des hörbaren Bereichs und unterhalb des Bereichs übermäßiger elektromagnetischer Störung angelegt wird.

Die Miniatur-Hochdruck-Metalldampflampe der eingangs beschriebenen Art ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Wechselstromquelle in einem resonanzfreien Bereich liegt, der oberhalb des hörbaren Bereichs und unterhalb des Bereichs übermäßiger elektromagnetischer Störung liegt.

Wenn die im Handel verfügbaren Metallhalogenidlampen bei Frequenzen im Bereich von 20 bis 50 kHz betrieben werden, so wirken im allgemeinen auf sie destruktive akustische Resonanzen ein. Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß Miniaturlampen der vorliegenden Art resonanzfreie Bereiche aufweisen, die auftreten, wenn der Lampenstrom im Frequenz-

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bereich von etwa 20 - 50 MIz liegt. In diesen Bereichen ist stabiler Betrieb möglich. Die Lampen weisen Resonanzbänder auf, in denen drei Iliveaus von Resonanzeffekten definiert werden können:

1. Zerstörerische Instabilität, bei der der Bogen zur Wandung gedrängt wird und schnell durch das Quarz hindurchschmilzt;

2. BogeninsLabilität, bei der das abgegebene Licht schwankt und der Bogen wandert; und

3. Aureoleninstabilität, bei der die den Bogen umgebende leuchtende Aureole instabil ist.

Die zweckmäßigsten resonanzfreieη Bereiche liegen zwischen dem ersten und dem zweiten zerstörerischen Instabilitätsband und ferner bei Lampen mit weniger als 6 mm Innendurchmesser unmittelbar unterhalb des ersten zerstörerischen Bandes. Ferner sollten relativ schmale Bogen- und Aureoleninstabilitätsbänder innerhalb dieser Bereiche vermieden werden. Indem also die Arbeits- oder Betriebsfrequenzen innerhalb dieser Bereiche gewählt werden, und zwar vorzugsweise innerhalb ausgewählter konstruktionsbedingter Ausschnitte bzw. Fenster, kann eine stabile Lampenleistung mit gutem Wirkungsgrad unter Verwendung von praktischen und wirtschaftlichen Hochfrequenz-Ballasteinrichtungen erzielt werden.

Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 bis 4 Entladungsrohre von Miniatur-Metallhalogenid-Entladungslampen, von denen die erste mit einem stabilen Bogen und die anderen mit verschiedenen Formen von akustischen Instabilitäten betrieben werden;

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Fig. 5 eine typische Spannung/Strom-Charakteristik einer Miniatur-Metallhalogenidlampe bei 60 Hz, wobei die Spitzenspannung für die Neuzündung gezeigt ist;

Fig. 6 eine Graphik zur Darstellung der Neuzündungsspannung in Abhängigkeit von der Frequenz für zwei Kolbengrößen;

Fig. 7 eine Graphik zur Darstellung des WiederZündspannungsverhältnisses während des Anwärmens in Abhängigkeit von der Frequenz;

Fig. 8 ein Diagramm zur Darstellung von akustischen Resonanzbändern und stabilen Ausschnitten oder Fenstern für verschiedene Durchmesser von kugelförmigen Miniatur-Entladungslampen;

Fig. 9 ein Diagramm der Resonanzspektren in Abhängigkeit von der Quecksilberdichte bei einer Lampengröße; und

Fig. 10 ein schematisches Schaltbild einer Hochfrequenz-Ballasteinrichtung unter Verwendung von Ilalbleiterkomponenten.

Es folgt zunächst eine Erläuterung der Entionisierungscharakteristika.

Die dominierenden elektrischen Parameter, die den Niederfrequenzbetrieb von Miniatur-Hochdruck-Metalldampflampen und besonders von Metallhalogenidlampen beeinflussen, sind das Vorhandensein einer beträchtlichen Wiederzündungsspannung beim Anwärmen und im Betrieb. Der Spannungsanstieg tritt nach dem Nulldurchgang des Stroms am Ende jedes Halbzyklus auf. Ein typischer Verlauf ist in Fig. 5 gezeigt, wo das Oszilloskopbild der Spannung (durchgezogene Linie) gegenüber dem

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Strom (gestrichelte Linie) durch ein Entladungsrohr bei einem Betrieb von 60 Hz aus einer sinusförmigen Stromquelle aufgetragen ist. Das Wiederzündungsspannungsverhältnis N_R kann definiert werden als N_R = Vp/Vj , worin V_R die Spitzenwiederzündungsspannung und Vj die Spannung an der Lampe im Moment der Stromspitze ist. In Fig. 5 beträgt das Wiederzündungsspannungs verhältnis KL etwa 3,3.

Der Spannungsanstieg beim Wiederzünden ergibt sich als Ergebnis einer Erhöhung der Plasmaimpedanz während der Zeit, wo der Strom nahezu Null ist. Bei einer Hochdruckentladung wird die Impedanz des Bogens durch die Elektronen- und Ionendichten beherrscht, und diese ändern sich exponential mit der Gastemperatur im Kern des Bogens, Die Abkühlung des Bogens durch Leitung zu den Wänden hin ist von größter Bedeutung, wobei sich das Ausmaß der Abkühlung umgekehrt mit dem Entladungsrohrdurchmesser verändert. Dies ist in Fig. 6 dargestellt, wo das Wiederzündungsspannungsverhältnis in Abhängigkeit von der Frequenz für zwei Kolbengrößen gezeigt ist, nämlich eine Kugel mit 3,2 mm Innendurchmesser und 4,2 mm Außendurchmesser und eine Kugel mit 7,0 mm Innendurchmesser. Eine derzeit bevor- gte Kolbengröße weist einen Innendurchmesser von etwa 6 mm auf, wofür das Wiederzündungsspannungsverhältnis N_R etwa 2,0 bei 60 Hz beträgt. Dieses Verhältnis ist zwar groß, ,jedoch bei einer Ballasteinrichtung für 60 Hz nicht unüberwindbar.

Es folgt nun eine Erläuterung zur Wiederzündung beim Anwärmen.

Die wirklich schwerwiegende Schwierigkeit beim Betrieb von Miniatur-Metallhalogenidlampen mit 60 Hz tritt während des Anwärmens des Entladungsrohrs auf. Eine drastische Erhöhung der Wiederzündungsspannung tritt wenige Sekunden nach der Bogenzündung auf. Danach sinkt die Wjslerzündungsspitze in ihrer Höhe ab, während die Entladungsröhrtemperatur weiter

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ansteigt und der Dampfdruck zunimmt und auf den endgültigen bzw. stabilen Wert für irgendeine gegebene Frequenz absinkt, wie in Fig. 6 gezeigt ist. Die Wiederzündungsspitzenspannung Vj, während der Anwärmzeit ist in Fig. 7 als Funktion der Frequenz für zwei Entladungsrohre derselben Größe und Form, d.h. 6 mm Innendurchmesser und sphärisch, gezeigt. Wie erwähnt, enthält davon das eine Rohr eine Füllung aus Quecksilber und Natrium-, Scandium- und Thoriumjodid entsprechend den Füllungen, wie sie bei kommerziellen Metallhalogenidlampen verwendet werden, und das andere Rohr enthält eine Füllung aus Quecksilber und Quecksilberjodid. Besonders für den Fall von Quecksilberjodidlampen sind hohe Wiederzündungsspannungen selbst bei zehnfacher Netzfrequenz festzustellen. Die Wiederzündungsspannung für diese Lampe überschreitet 800 V bei 600 Hz, während bei der anderen Lampe, die Na-Sc-Th enthält, die 800-V-Spitze zwischen 60 und 100 Hz überschritten wird.

Es wird angenommen, daß die hohe Wiederzündungsapannung beim Anwärmen zurückzuführen ist auf eine schnelle Zunahme der EIektronenverlusträte durch Bindung an die Halogenatome oder -moleküle in der Gasphase, bevor die Gastemperatur auf diejenige angestiegen ist, die im Ilochdruckbogen angetroffen wird. Diese Schwierigkeit tritt auch bei herkömmlichen Larapen auf und wurde in der Literatur diskutiert, beispielsweise J.F. Waymouth, Electric Lamps, M.I.T. Press, 1971, Kapitel 10. Die in der Gasphase befindlichen Halogene sollen von kondensiertem Quecksilberjodid herrühren, das einen wesentlich höheren Dampfdruck als andere Halogenide aufweist, der vergleichbar .demjenigen von Quecksilber als solchem ist. Die Elektronenabnahmerate ist also proportional der Anzahl von Jodatomen oder -molekülen, die in dem Gas (oder Dampf) vorhanden sind. Die Wiederzündungsspannung hängt ab von der Anzahl der nach einer gegebenen Zeit übriggebliebenen Elektronen und ist umgekehrt proportional der Frequenz. Der Bindungs- oder Anlagerungsprozeß hört unter normalen Be-

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triebsbedingungen auf, von primärer Bedeutung zu sein, da der Elektronenerzeugungs- und -Verlustmechanismus nur von der Temperatur im Bogen- oder Entladungskern abhängt, die relativ unabhängig von dem Jodgehalt ist. Ferner sättigt sich der Gehalt an freiem Jod, das aus Quecksilberjodiddampf gewonnen wird, bei Wandungstemperatüren, die wesentlich unter den Betriebsbedingungen liegen. Diese Annahmen wurden experimentell durch die Beobachtung bestätigt, daß eine hohe Wiederzündungsspannung, die der Anwärmphase entspricht, unbegrenzt aufrechterhalten werden kann, indem eine Kühlluftströmung gegen ein im Betrieb befindliches Entladungsrohr geblasen wird. Dadurch wird eine vollständige Verdampfung des Quecksilbers verhindert, so daß der Entladungszustand einer hohen Gastemperatur niemals erreicht wird.

Es folgt nun eine Erläuterung der für die Ballasteinrichtung geltenden Grenzen.

Das Vorliegen der beträchtlichen Wiederzündungsspitze beim Anwärmen von kleinen Metallhalogenidlampen, die bei niedrigen Frequenzen betrieben werden, ist nicht leicht zu überwinden, weil unvermeidlich ist, daß Verunreinigungen wie Wasserdampf vorhanden sind, die Halogenatome innerhalb der Lampe durch Halogenid-Reaktionsmechanismen freisetzen. Bei praktisch realisierbaren Hochfrequenz-Ballasteinrichtungen, mit denen das Wiederzündungsproblem überwunden wird, müssen Halbleiter-Steuervorrichtungen wie Transistoren in Verbindung mit Ferritkernen verwendet werden. Unterhalb von 20 kHz steigt die Ferritkerngröße dermaßen an, daß die Realisierbarkeit einer kompakten Ballasteinrichtung fraglich erscheint. Ferner werden Störgeräusch oder der Schallpegel zu einem Problem, weil die von den Flußänderungen in dem Ferritmaterial herrührenden magnetostriktiven Vibrationen entweder innerhalb des hörbaren Bereichs oder an dessen Schwelle liegen. Wenn diese Umstände zusammentreffen, so führt dies im Ergebnis zu

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einer Begrenzung der praktisch durchführbaren Hochfrequenz-Ballastkonstruktion auf einen Betrieb oberhalb des hörbaren Bereichs. Oberhalb 50 kHz erfolgt bereits eine Annäherung an die Grenzen für eine praktisch erreichbare Transistor-Schaltgeschwindigkeit für Betrieb mit hohem Wirkungsgrad bzw. hoher Effizienz, und die Ballastverluste beginnen, außerordentlich anzusteigen. Auch eine elektromagnetische Störung bzw. Störstrahlung, d.h. Radio- und Fernsehstörungen aus der Lampe und den zugeordneten Schaltungsanordnungen, beginnen, zu einem schwerwiegenden Problem zu werden.

Es folgt nun eine Diskussion der akustischen Resonanz.

Das Auftreten von destruktiven akustischen Resonanzen in anderen Hochintensitätslampen wie Natrium- und Quecksilberlampen ist wohlbekannt. Der Stand der bisherigen Erkenntnisse auf diesem Gebiet kann folgendermaßen zusammengefaßt werden:

1. Akustische Vibrationen treten in Lampen mit der Leistungsfrequenz, der Stromquelle auf, wobei es sich um die doppelte Netz- oder Stromfrequenz handelt. Diese Vibrationen pflanzen sich als Gasdichte-Wellen aus und sind daher per definitionem akustische Störungen oder, wenn sie oberhalb 20 WIz liegen, Ultraschallstörungen.

2. Gewöhnliche im Handel erhältliche Metallhalogenidlampen können in Anbetracht der Resonanzeffekte nicht zwischen 20 kHz und 50 kHz betrieben werden.

3. Bereits 10% Hochfrequenzmodulation in der Einhüllenden oder Wellenform irgendeines Stroms können ausreichen, um eine akustische Resonanz herbeizuführen.

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Es folgt nun eine Erläuterung des resonanzfreien Bereichs bei Miniaturlampen.

Ein einfaches theoretisches Modell, bei dem die für Temperatur und Gassorte gemittelten Schallgeschwindigkeit herangezogen wird, um den Resonanzmode bzw. Resonanzschwingungstyp des in der LampenumhüTlung enthaltenen Gases zu berechnen, kann nicht angewandt werden, um die auftretende Frequenz oder die Frequenzbreiten der akustischen Resonanzen vorauszusagen, die bei Messungen an im Handel erhältlichen Metallhalogenidlampen beobachtet werden. Während der Untersuchung eines kugelförmigen Bogen- bzw. Entladungsrohrs mit einem Außendurchmesser von 9 mm und einer wirklichen Länge von 10 mm hat sich jedoch herausgestellt, daß bei einer Eingangsleistung von 80 ¥ ein stabiler Betrieb bei 20 kHz mit einer Bandbreite des resonanzfreien Bereichs von etwa 100 Hz auftritt. Dann wurde die Überlegung angestellt, daß eine kleinere Lampengröße und eine stärker kugelförmige bzw. sphärische Form der Hülle die Frequenz des resonanzfreien Bandes anheben und auch verbreitern würde. Dadurch ergab sich die Möglichkeit, einen resonanzfreien stabilen Bereich zwischen 20 und 50 kHz für alle Größen von Miniatur-Metallhalogenidlampen herauszufinden, d.h. Lampen mit weniger als 1 cm des Entladungskammervolumens. Die folgenden Lampen wurden kleiner und stärker kugelförmig bzw. sphärisch ausgebildet. Bei Verwendung einer Sperrschwinger-Ballastvorrichtung, wie sie anschließend beschrieben wird, stellte sich ein stabiler Betrieb für eine kugelförmige Lampe mit 6 mm Außendurchmesser und etwa 5 mm Innendurchmesser heraus. Für diese Lampe war der resonanzfreie Bereich zentriert um etwa 33 kHz und betrug etwa 10 kHz in der Breite.

Es folgen nun Ausführungen zu dem Fehlen eines Vorhersagemodells.

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Einige der wesentlichen Größen, die für ein Modell erforderlich wären, um das Auftreten und die Frequenzbreite von akustischer Resonanz in Miniatur-Metallhalogenidlampen vorherzusagen, können angeführt werden. Es muß die Geometrie der Bogen- bzw. Entladungskammer in Rechnung gestellt werden, und zwar sowohl im Hinblick auf die treibende Kraft, bei der es sich um die Bogenentladung handelt, als auch auf die Begrenzungsbedingungen an der Wandung. Bei einer ebenen Welle kann die Geschwindigkeit sich um einen Faktor größer als 2 je nach den in der Lampe angetroffenen Temperaturgradienten ändern. Daher müssen diese gemeinsam mit der Möglichkeit des Auftretens einer Nichtlinearität aufgrund von GasVermischung berücksichtigt werden. Die absolute Gasdichte ist auch ein Faktor, da die Amplitude einer Wellenreflexion, die durch eine Dichteänderung an einer Grenzfläche verursacht wird, abhängt vom Verhältnis der akustischen Impedanz über das Gas-Dampf-Medium und derjenigen des Grenzflächenmaterials. Schließlich müssen auch die Effekte der "Steifigkeit" des Bogens und ebenso die Effekte von Turbulenz und Konvektion Beachtung finden. Wegen der Kompliziertheit eines zufriedenstellenden theoretischen Modells wurde das Problem experimentell untersucht.

Es folgt nun eine Erläuterung zu den Instabilitätsbändern.

Die akustischen Resonanzspektren von Miniatur-Metallhalogenidlampen wurden in Abhängigkeit vom Kolbendurchmesser, von der Quecksilberdichte und vom Elektrodenabstand untersucht, wobei die Untersuchung auf Kolben mit sphäroidischer bzw. Kugelform konzentriert wurde, also auf Kolben mit Kugplform, wie sie in den Fig. 1 bis 4 gezeigt sind, oder annähernd mit Kugelform. Es erfolgten Messungen über einen Frequenzbereich, der mit Gleichstrom anfängt und aufwärts bis 250 kHz geht, mit einer Betonung auf dem Bereich von 20 - 50 kHz. Die Wechselstrommessungen wurden unter Verwendung einer sinusförmigen Quelle

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und einer Serieninduktanz durchgeführt, um den durch die Lampen fließenden Strom zu begrenzen.

Es wird auf Fig. 1 Bezug genommen. Das Lichtbogen- bzw. Entladungsrohr ist typisch für eine Hülle für die innere Entladung einer Miniatur-Metallhalogenidlampe. Es ist aus Quarz oder geschmolsnem Siliziumdioxyd hergestellt, zweckmäßigerweise durch Aufweitung und Stauchung eines Quarzrohres, während dies bis in den plastischen Zustand erhitzt; wird. Die Halsteile 2, 3 können dadurch gebildet werden, daß das Quarzrohr durch Oberflächenspannung halsförmig herunterhängt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Wandstärke etwa 0,5 mm, so daß der Innendurchmesser etwa 6 mm und das Umhüllungsvolumen ungefähr 0,11 cnr betragen. Stiftähnliche Elektroden 4, 5 aus Wolfram sind auf der Achse der Umhüllung angeordnet, wobei ihre beabstandeten Enden bei diesem Ausführungsbeispiel eine Zwischenelektroden-Bogenlücke von 3 mm begrenzen. Die Elektroden bzw. Stifte sind mit blattförmigen bzw. lamellaren Molybdän-Zuführungen 6, verbunden, vorzugsweise durch eine Laserschweißung mit stumpfer Verbindung. Die Stiftelektroden-Zuführungen und das Verfahren zu deren Herstellung sind im einzelnen beschrieben in der deutschen Patentanmeldung P 28 35 904-Das Anschlußende der Wolframelektroden und die Laserverschweißung mit den Molybdän-Zuführungen sind in das geschmolzene Siliziumdioxyd eingebettet, und dadurch wird trotz der papierdünnen Teile der Molybdän-Zuführungen eine geeignete Steifigkeit gewährleistet. Bei dem Verfahren zur Abdichtung bzw. Verriegelung der Elektroden werden die lamellaren Teile mit dem geschmolzenen Siliziumdioxyd der Hälse 2, 3 benetzt, und dadurch werden hermetische Abdichtungen erzielt.

Bei einem Ausführungsbeispiel enthält eine geeignete Füllung für eine Lampe dieser Größe mit einer Leistung von etwa 30 W Argon bei einem Druck von 100 - 120 Torr, 4,3 mg Hg und

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2,2 mg Halogenidsalz, das aus 85 Gew.-% NaI, 5 Gew.-% ScI, und 10 Gevr.-% ThI^ besteht. Wenn eine solche Menge Hg unter Betriebsbedingungen vollständig verdampft ist, so ergibt sie eine Dichte von 39,4 mg/cm , was einem Druck von etwa Atmosphären entspricht.

Fig. 8 zeigt ein Balkendiagramm bzw. eine graphische Darstellung der Resonanzspektren von vier Lampen ähnlich der Darstellung in Fig. 1, jedoch jeweils mit Kolbeninnendurchmessern von 4, 5, 6 und 7 nun. Der Elektrodenabstand wurde auf 3 mm konstant gehalten, während die Füllung auf das Umhüllungsvolumen so abgestimmt wurde, daß dieselbe Quecksilberdichte in jeder Lampe erreicht wurde. Es können drei Niveaus für das Resonanzverhalten definiert werden:

1. Zerstörerische bzw. "katastrophale" Instabilität: Der Bogen bzw. Lichtbogen, der sich normalerweise direkt zwischen den Elektrodenspitzen erstreckt, wie dies in Fig. 1 mit der Bezugszahl 10 bezeichnet ist, wird zu der Wandung hin gedrückt, wie dies in Fig. 2 mit 21 bezeichnet ist. Er schmelzt sich durch das Quarz hindurch, wenn er länger als einige Sekunden so weiterbrennen kann. Die Lichtbogenspannung steigt aufgrund des verlängerten Bogenweges an und kann mehr als das Doppelte betragen. Dieser Zustand ist in den Fig. 8 und 9 durch einen Balken mit voller Höhe kenntlich gemacht, der sich über den Frequenzbereich erstreckt, in dem er auftritt.

2. Bogeninstabilität: Der Bogen kann wandern und sich vorwärts und rückwärts bewegen, manchmal schlangenförmig, wie dies in Fig. 3 mit 31 bezeichnet ist. Die Lichtbogenspannung schwankt, und ebenso schwankt das abgegebene Licht beträchtlich. Dieser Zustand ist durch einen Balken mit halber Höhe kenntlich gemacht.

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3. Aureoleninstabilität: Die Aureole ist eine leuchtende Glimmerscheinung, die den Bogen umgibt und normalerweise um die obere Elektrode herum konzentriert ist, wie in Fig. 1 mit der Bezugszahl 11 angedeutet ist. Bei einer natriumhaltigen Lampe ist es eine rötliche Glimmerscheinung, die durch Natriumanregung verursacht wird. Bei einer Aureoleninstabilität bleibt der intensive Lichtbogen, der sich direkt zwischen den Elektroden erstreckt, stabil, die Aureole bewegt sich jedoch. Die Lichtschwankung ist geringfügig, und es besteht keine spürbare Auswirkung auf die Spannung. Es handelt sich hier um die am wenigsten destruktive Form der Instabilität; sie ist in den Diagrammen durch einen Balken mit einem Viertel der Höhe kenntlich gemacht. Eine ungewöhnliche Form der Aureoleninstabilität, die als "Äquatorialband'¹ 43 im Zentrum des Kolbens auftritt, ist in Fig. 4 gezeigt. Sie beruht wahrscheinlich auf einem doppelten Konvektionsmuster, das durch obere und untere gekrümmte Pfeile 41, 42 bezeichnet ist. Dieses Muster ist durch einen Balken mit einem Viertel der Höhe und dem Buchstaben "e" darüber kenntlich gemacht.

In den Resonanzspektrum-Diagrammen der Fig. 8 und 9 sind der zentrale Bogen und die Aureole in den unmarkierten Frequenzbereichen zwischen den angezeigten Instabilitäten stabil. Diese unmarkierten Bereiche enthalten die resonanzfreien Betriebsbänder, in denen die Lampen während ihrer Lebensdauer stabil betrieben werden können. Das wichtigste Merkmal der in Fig. 8 gezeigten Spektren ist die Wiederholung des Musters mit der Kolbengröße. So wird beispielsweise das erste zerstörerische bzw. "katastrophale" Instabilitätsband komprimiert und zu niedrigeren Frequenzen verschoben, während die Kolbengröße gesteigert wird. Dasselbe sich wiederholende Muster wird bei dem zerstörerischen Instabilitätsband mit nächsthöherer Frequenz, das mit B bezeichnet ist, beobachtet,

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und ebenso mit dem darauffolgenden, das mit C bezeichnet ist. Die gesamten Spektren einschließlich der Bogeninstabilitäts- und Aureoleninstabilitätsbänder werden in gleicher Weise bei allen Kolbengrößen komprimiert und verschoben. Die Daten wurden unter Verwendung einer Stromversorgung mit im wesentlichen sinusförmiger Wellenform aufgenommen. Wenn eine nicht sinusförmige Welle verwendet wird, so können zusätzliche Instabilitäten auftreten, durch welche die resonanzfreien Bereiche geschmälert oder gestört werden können.

Es folgt nun eine Erläuterung zu den Arbeitsbereichen und dem Konstruktionsspielraum.

Auf der Grundlage der in Fig. 8 und anderen verwandten Messungen zusammengefaßten Daten wurde die Schlußfolgerung gezogen, daß die zweckmäßigsten Hochfrequenz-Arbeitsberöiche für Miniatur-Hochdruck-Metalldampflampen, also Lampen mit einem Entladungsvolumen kleiner als 1 cm , die resonanzfreien Bereiche sind, die zwischen dem ersten und dem zweiten zerstörerischen Instabilitätsband liegen. Für eine Lampe mit 7 mm Innendurchmesser wird also beispielsweise oberhalb des Α-Bandes und unterhalb des B-Bandes gearbeitet, also im Bereich von etwa 20 - 40 kHz. Es muß jedoch das Bogeninstabilitätsband vermieden werden, das sich von etwa 29 - 31 kHz erstreckt. Ferner ist es erwünscht, die schmalen Aureolen-Instabilitätsbänder bei 21 kHz, bei 28 - 29 kHz und das breitere Band bei 39 - 41 kHz zu vermeiden. Um Herstellungstoleranzen zu berücksichtigen, sollte die Betriebsfrequenz so weit wie möglich entfernt von Instabilitätsbereichen gewählt werden. Es zeigt sich also, daß die optimalen Frequenzen für eine kugelförmige Lampe mit 7 mm Innendurchmesser etwa 24 kHz und 35 kHz betragen. Für die Konstruktion einer Ballastschaltung zum Betrieb innerhalb des Bereiches von 20 - 50 kHz wird im allgemeinen das untere Ende des Bereiches bevorzugt, weil dort eine geringere elektromagnetische Störung und niedrigere Transistor-Schaltgeschwindigkeit vorliegen. Es kann also bei

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der Konstruktion bzw. Planung die Frequenz 24 kHz gewählt werden, wodurch eine Herstellungstoleranz von etwa ±5% bezüglich der Frequenz ermöglicht wird, also von etwa 23 - 25 kHz, ohne jegliche Gefahr des Eintretens in die Instabilitätsbänder. Der bevorzugte KonstruktionsZentrumspunkt bzw. -bereich ist durch die mit starkem Strich eingezeichnete Linie 81 in Fig. 8 bezeichnet.

In gleicher Weise liegt für eine kugelförmige Lampe mit 6 mm Innendurchmesser der bevorzugte Konstruktionsmittelpunkt bei 26,5 kHz, und der +5%-Frequenztoleranzbereich ist mit 82 bezeichnet; für 5 nun Innendurchmesser liegt der Zentrumspunkt bei 31 kHz, und der Bereich ist mit 83 bezeichnet. Für 4 mm Innendurchmesser liegt der Konstruktionsmittelpunkt bei 45 kHz, während der Bereich mit 84 bezeichnet ist. Wenn das obere Ende des Bereiches gewählt wird, so liegen die bevorzugten Konstruktionsmittelpunkte bei 34 kHz für eine Lampe mit 7 mm Innendurchmesser, wobei der ±5?6-Frequenztoleranzbereich mit 85 bezeichnet ist, bei 40 IcIIz für eine Lampe mit 6 mm Innendurchmesser, wobei der Bereich mit 86 bezeichnet ist, bei 45 kHz für eine Lampe mit 5 mm Innendurchmesser, wobei der Bereich mit 87 bezeicfmet ist, und bei 65 kHz für eine Lampe mit 4 mm Innendurchmesser, wobei der Bereich mit 88 bezeichnet ist. Die unterbrochenen Linien 89 für das untere Band und 90 für das obere Band, welche die Enden der Konstruktionsbereiche für die verschiedenen Größen verbinden, umschließen ungefähr die bevorzugten ±5%-Frequenztoleranz-Konstruktionsspielräume bzw. -fenster (schraffiert eingezeichnet) für kugelförmige Lampen mit dazwischen liegenden Durchmessern.

Bei Lampen mit weniger als 6 mm Innendurchmesser können Arbeitsfrequenzen bzw. Betriebsfrequenzen unterhalb des ersten zerstörerischen Instabilitätsbandes gewählt werden. Für eine Lampe mit 4 mm Innendurchmesser kann beispielsweise eine Arbeitsfrequenz mit einem Konstruktionsmittelpunkt von

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etwa 25,5 kHz gewählt werden, wobei das ±5%-Frequenztoleranzfeld mit 9Λ bezeichnet ist. Bei einer 5-mm-Lampe beträgt der Konstruktionsmittelpunkt unterhalb des ersten zerstörerischen Instabilitätsbandes unge^r'^;iir 17 kHz, und der i5%-Bereich ist mit 92 bezeichnet. Die unterbrochenen Linien 93 umschließen den bevorzugten i5%-Konstruktionsfrequenzausschnitt für kugelförmige Lampen mit Durchmessern zwischen 4 und 5 mm.

Eine Kompression oder Verengung der resonanzfreien Bereiche, also eine Reduzierung des Frequenzbandes zwischen den Bändern A und B tritt mit zunehmendem Durchmesser der Umhüllung auf. Diese Tatsache deutet auch an, warum bisher resonanzfreie Bereiche in dem Bereich von 20 - 50 kHz nicht beobachtet wurden. Der Grund wäre darin zu sehen, daß die Entladungsrohrdurchmesser von im Handel verfügbaren Metallhalogenidlampen (im allgemeinen nicht weniger als 14 mm Innendurchmesser) groß genug sind, damit sich die zerstörerischen Bereiche erweitern und sich über den gesamten Bereich von 20 - 50 kHz ausdehnen, ohne sichere stabile Bereiche oder "Fenster" zu belassen, in denen gearbeitet werden kann.

Die Veränderung der graphischen Dars bellung in Abhängigkeit von der Quecksilberdampfdichte geht aus Fig. 9 hervor. Fünf kugelförmige Lampen mit 6 mm Innendurchmesser und einem Elektrodenspalt von 3 mm erhielten Füllungen, die bei Verdampfung Quecksilberdichten von etwa 10, 20, 39, 79 und mg/cm ergaben. Die Lampen wurden mit konstanter Wandungsbelastung betrieben. Die Hauptmerkmale der Spektren bleiben trotz der Veränderung der Quecksilberdichte bestehen. Die Lagen der zerstöretischen Instabilitätsbänder verschieben sich leicht zu niedrigeren Frequenzen hin, wenn der Dampfdruck gesteigert wird. So fällt der obere Rand des A-Bandes von 25 auf 23 kHz ab, während der untere Rand des B-Bandes von 50 auf 43 kHz abfällt, wenn von 10 auf 118 mg/cnr⁵ übergegangen wird. Schmalere Störungen aller drei Arten gehen in

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die Spektren ein, während die Dichte gesteigert wird, wahrscheinlich aufgrund einer verstärkten Kopplung an akustische Störungen und von stärkerer Konvektion und Turbulenz bei höheren Dampfdichten. Anscheinend liegen h^i niedrigeren Dampfdichten schmalere Störungen vor, jedoch bei so niedrigen Amplitudenpegeln, daß die Bogenentladung nicht gestört wird. Bei Steigerung der Dichte werden die Störungen verstärkt. Zwar können also Miniaturlampen bei hohen Dichten betrieben werden, die resonanzfreien Bereiche im Spektrum von 20 - 50 kHz v/erden jedoch schmaler, wenn die Dichte gesteigert wird, so daß ein praktischer oberer Dichtewert für einen zufriedenstellenden Betrieb erreicht wird. Es wurde gemäß der Erfindung ermittelt, daß zur Vermeidung von übermäßigen schmaleren Störungen die Quecksilberdichte für irgendeine Größe von Miniatur-Metallhalogenidlampen 100 mg/cnr nicht überschreiten sollte, und für einen Kolben mit 6 mm Innendurchmesser sollte sie 80 mg/cm nicht überschreiten. Für Lampen mit 6 - 7 mm Innendurchmesser liegt unter dem Gesichtspunkt der Erzielung von breiten stabilen Arbeitsbändern bzw. "-fenstern" die bevorzugte Quecksilberdampf-Arbeitsdichte im Bereich von 20 - 50 kHz bei etwa 30 - 40 mg/cm .

Es folgt nun eine Beschreibung von kompakten Hochfrequenz-Ballastvorrichtungen.

Durch die erfindungsgemäße Erkenntnis von resonanzfreieη Bändern können Miniatur-Metalldampflampen mit kompakten, wirtschaftlichen und hinsichtlich Wirkungsgrad günstigen Hochfrequenz-Ballastschaltungen in dem erwünschten Frequenzbereich von 20 - 50 kHz betrieben werden. Derartige Schaltungen enthalten im allgemeinen einen Leistungsoszillator mit einer Strombegrenzungseinrichtung, die an eine Lampe angekoppelt sind. Bei typischen Schaltungen werden Halbleiter-Steuervorrichtungen und Ferritkerne verwendet. Sie können kompakt genug hergestellt werden, um an der Verwendungsstelle direkt an der Lampe befestigt zu werden, d.h.

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am elektrischen Ausgang bzw. Sockel, oder sie können in die Lampe integriert werden, um eine sog. Einschraubeinheit zu bilden.

Es wird auf Fig. 10 Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel einer kompakten Hochfrequenz-Ballastschaltung in Form eines Sperrschwingers gezeigt ist. Ein Vollweg-Brückengleichrichter BR, der an 120-V-, 60-Hz-Netzanschlüsse t₁, t₂ angeschlossen ist, liefert eine gleichgerichtete Gleichstromleistung für den Betrieb eines Inverters. Ein über die Brückenausgangsanschlüsse angeschlossener Siebkondensator C₂ bewirkt eine ausreichende Glättung, um WiederzUndungsSchwierigkeiten zu vermeiden, die auf der Netzfrequenzmodulation des Hochfrequenz-Ausgangssignals beruhen. Ein Ferritkern-Transformator T weist eine Primärwindung P, eine Sekundär-Hochspannungswindung S₁, an die die Miniaturlampe L angeschlossen ist, und eine Rückkopplungswindung auf, wobei der Wicklungssinn zweckmäßig durch einen kleinen Kreis am zutreffenden Ende der Wicklungen angedeutet ist. Die Primärwicklung P, die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors Q₁ und die Rückkopplungswicklung S₂ sind alle in Reihe geschaltet und bilden den Hauptprimärstromweg. In diesem Stromweg ist R, ein Strombegrenzungswiderstand, und eine Diode D₂ bildet einen Schutz für Transistor Q₁ gegen Ströme in Sperrichtung. Widerstände R₁ und R₂, eine Diode D₁ und ein Kondensator C, liefern den Basis-Treiberstrom für diesen Transistor.

Die Arbeitsweise des Sperrschwingers kann zusammengefaßt folgendermaßen beschrieben werden: Immer wenn der Kollektorstrom niedriger ist als die Verstärkung multipliziert mit dem Treiberstrom des Schalttransistors Q₁, so ist der Transistor gesättigt, ist also vollständig eingeschaltet und wirkt wie ein Schalter. Der Kollektorstrom wird dann durch die Induktanz der Transformatorwicklungen T und S₂ begrenzt. Wenn der Kollektorstrom ansteigt und einen Wert erreicht, der gleich

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der Verstärkung multipliziert mit dem Basis-Treiberstrom ist, so beginnt der Transistor, aus der Sättigung heraus zu gelangen. Dies dient dazu, die Spannung an S^ zu reduzieren, wodurch wiederum der Basis-Treiberstrom herabgesetzt wird und über Rückkopplungswirkung der Transistor Q₁ abgeschaltet wird. Diese Rückkopplung bzw. Regeneration tritt auf, nachdem das Feld in der Primärwicklung P zusammengebrochen ist. Dadurch wird die Schaltung in ihren Anfangszustand zurückgeführt, so daß der Zyklus sich wiederholen kann, wodurch die an die Sekundärwicklung S₁ angeschlossene Lampe mit Hochfrequenz angesteuert wird. Die Leck- oder Restreaktanz des Transformators T dient dazu, den Entladungsstrom durch die Lampe zu begrenzen.

Vorstehend wurde nur ein Beispiel für kompakte Hochfrequenz-Ballastschaltungen beschrieben, die leicht so ausgelegt werden können, daß sie oberhalb des hörbaren Frequenzbereichs und unterhalb des Frequenzbereichs übermäßiger elektromagnetischer Störung bzw. Störstrahlung arbeiten. Viele andere Ausführungsformen sind jedoch möglich oder können ausgehend von bekannten Schaltungen konstruiert werden.

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Claims

Patentanwälte

Dipl -Ing Dipl -Chpm Dipl -Inrj

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

fin'.liBtgpislriissp 1fl /, Q 4 / O H U

8 München 60
2. November 1978

GENERAL ELECTRIC COMPANY

Lexington Avenue

New York, New York 10022 /V.St.A.

Unser Zeichen: G 1440

PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zum Betreiben einer Miniatur-Hochdruck-Metalldampf-Entladungslampe mit einem Elektrodenpaar und einem

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Entladungsvolumen, das etwa 1 cm nicht überschreitet, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wechselspannung mit einer Frequenz in einem resonanzfreien Bereich, der oberhalb des hörbaren Bereichs und unterhalb des Bereichs übermäßiger elektromagnetischer Störung liegt, an den Elektroden angelegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsfrequenz oberhalb 20 und unterhalb 50 kHz liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der resonanzfreie Bereich, in dem die Betriebsfrequenz

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liegt, zwischen dem ersten und dem zweiten Band zerstörerischer Instabilität liegt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsfrequenz zwischen dem ersten und dem zweiten Band zerstörerischer Instabilität in einem Bereich liegt, der frei ist von Bogen- und Aureolenins tabilitäten.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampe der genannten Art kugelförmig mit einem Innendurchmesser von ungefähr 6 mm oder weniger ausgebildet ist und die Betriebsfrequenz oberhalb des hörbaren Bereichs, ,jedoch unterhalb des ersten Bands zerstörerischer Instabilität liegt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsfrequenz in einem Bereich liegt, der frei ist von Bogen- und Aureoleninstabilitäten.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampe der genannten Art Quecksilber und Metallhalogenid enthält und kugelförmig mit einem Innendurchmesser zwischen etwa 7 und 4 mm ausgebildet ist, wobei die Betriebsfrequenz in einem der stabilen Bereiche bzw. Fenster (89, 90 und 93 in Fig. 8) liegt.
8. Miniatur-Hochdruck-Metalldampflampe mit einer Hülle, die ein Entladungsvolumen begrenzt, das etwa 1 cm nicht überschreitet, mit einem darin dicht eingeschlossenen Elektrodenpaar und einer Einrichtung zum Erregen der Lampe mit einer an die Elektroden angeschlossenen Wechselstromquelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Wechselstromquelle in einem resonanzfreien Bereich liegt, der sich

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oberhalb des hörbaren Bereichs und unterhalb des Bereichs übermäßiger elektromagnetischer Störung befindet.
9. Miniatur-Hochdruck-Metalldampflampe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Wechselstromquelle oberhalb 20 IcHz und unterhalb 50 kHz liegt.
10. Miniatur-Hochdruck-Metalldampflampe nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Wechselstromquelle zwischen dem ersten und dem zweiten Band zerstörerischer Instabilität liegt.
11. Miniatur-Hochdruck-Metalldampflampe nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Wechselstromquelle zwischen dem ersten und dem zweiten Band zerstörerischer Instabilität in Bereichen liegt, die frei sind von Bogen- und Aureoleninstabilitäten.
12. Miniatur-Hochdruck-Metalldampflampe nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lami ' kugelförmig mit einem Innendurchmesser von ungefähr 6 mm oder weniger ist und die Frequenz der Wechselstromquelle oberhalb des hörbaren Bereichs, jedoch unterhalb des ersten zerstörerischen Instabilitätsbandes liegt.
13. Miniatur-Hochdruck-Metalldampflampe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz in einem Bereich liegt, der frei ist von Bogen- und Aureoleninstabilitäten.
14. Miniatur-Hochdruck-Metalldampflampe mit Metallhalogenid und einer Quecksilbermenge, die beim Betrieb einen Dichtewert ergibt, der 100 mg/cnr nicht überschreitet, sowie mit einer Einrichtung zur Erregung der Lampe, die eine

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an die Elektroden angeschlossene Wechselstromquelle enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Wechse!stromquelle in einem resonanzfreien Bereich der Lampe liegt, der oberhalb 20 und unterhalb 50 kHz liegt.
15. Miniatur-Hochdruck-Metalldampflampe nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Wechselstromquelle zwischen dem ersten und dem zweiten Band zerstörerischer Instabilität in einem Bereich liegt, der frei ist von Bogen- und Aureoleninstabilitäten.
16. Miniatur-Hochdruck-Metalldampflampe nach Anspruch 14 oder 15» dadurch gekennzeichnet, daß die Lampe einen Innendurchmesser von etwa 6 mm oder weniger aufweist und die Frequenz der Wechselstromquelle oberhalb des hörbaren Bereichs, jedoch unterhalb des ersten Bandes zerstörerischer Instabilität in einem Bereich liegt, der frei ist von Bogen- und Aureoleninstabilitäten.
17. Miniatur-Hochdruck-Metalldampflampe nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des Quecksilbers in der Lampe während des Betriebs einen Dichtewert ergibt, der 80 mg/cm nicht überschreitet.

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