DE2847840C2

DE2847840C2 - Verfahren zum Betreiben einer Hochdruck-Metalldampf-Entladungslampe und Hochdruck-Metalldampf-Entladungslampe zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2847840C2
Application number: DE2847840A
Authority: DE
Inventors: John Martin Lyndhurst Ohio Davenport
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1977-12-27
Filing date: 1978-11-03
Publication date: 1982-04-01
Also published as: AR218941A1; NL187552C; FR2413845B1; JPS5491971A; JPS6325480B2; BR7807913A; IT7831043A0; DE2847840A1; PL118219B1; US4170746A; NL187552B; HU182651B; AT374651B; BE873007A; FR2413845A1; ATA799378A; NL7811622A; GB2013394B; GB2013394A; CA1115766A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hochdruck-Metalldampf-Entladungslampe mit einer Wechselspannung einer Frequenz im Ultraschallbereich und eine Hochdruck-Metalldampf-Entladungslampe zur Durchführung des Verfahrens.

Es sind bereits zweckmäßige Hochdruck-Entladungslampen mit gutem Wirk'ingsgrad bekannt, die eine wesentlich geringere Größe aufweisen, als dies zuvor für praktisch durchführbar gehalten wurde, nämlich Entladungsvolumina von 1 cm³ oder weniger (DE-PS 30 454). 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 - 10⁵ Pa und noch höhere Drücke mit abnehmender Größe des Entladungsvolumens angehoben wird. Bei derartigen Ministurlampen wird die Konvektionsbogeninstabilität vermieden, die gewöhnlieh 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

ίο Lampen Charakteristika aufweisen, einschließlich Farbwerte, Wirkungsgrad, Wartung und Lebensdauer, die sie für allgemeine Beleuchtungszwecke geeignet machen. Eine weniger erwünschte Charakteristik dieser Miniatur-Hochdruck-Metalldampflampen ist die sehr schnelle Entionisierung, der sie unterliegen. Beim Betrieb mit Wechselstrom von 60 Hz ist die Entionisierung zwischen den Halbzyklen praktisch vollständig, so daß eine sehr hohe Spannung für das erneute Zünden erforderlich ist, die von dem Vorschaltgerät geliefert werden muß. Besonders bei Metallhalogenidlampen erreicht die für das Neuzünden erforderliche Spannung innerhalb der ersten Sekunden nach der Bogenzündung äußerst hohe Werte. Im Hinblick auf diese Einschränkungen aufgrund von Entionisierung, die beim Niederfrequenzbetrieb von Miniatur-Metallhalogenidlampen angetroffen werden, weist die Verwtndung von herkömmlichen Vorschaltgeräten für 60 Hz viele Nachteile auf.

Aus der DE-OS 27 04 311 ist bereits ein Verfahren zum Betreiben von Gasentladungslampen mit einer Wechselspannung einer Frequenz im Ultraschallbereich oberhalb der akustischen Resonanz der Lampen bekannt, bei dem die Betriebsfrequenz im Bereich zwischen 60 und 100 kHz gewählt wird. Diese Betriebsfrequenz ist zwar günstig im Hinblick auf die Vermeidung der oben erwähnten Schwierigkeiten, die beim Betrieb mit Netzfrequenz auftreten, jedoch entsteht beim Betrieb mit derart hohen Betriebsfrequenzen eine intensive elektromagnetische Störstrahlung mit Komponenten im Frequenzbereich der Funk- und Rundfunkübertragung.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben von Hochdruck-Metalldampf-Entladungslampen zu schaffen, bei dem eine geringere Störstrahlung entsteht und das die Konstruktion von einfachen, kompakten und leicht zu verwirklichenden Vorschaltgeräten ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art gelöst, das gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Entladungslampe verwendet wird, deren Entladungsvolumen nicht mehr als etwa 1 cm³ beträgt und die im Frequenzbereich von 20 bis 50 kHz akustische Resonanzen aufweist, und daß die Frequenz der Wechselspannung im Bereich von 20 bis 50 kHz außerhalb von Resonanzbändern der Entladungslampe liegt.

Eine Hochdruck-Metalldampf-Entladungslampe zur Durchführung des Verfahrens ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsvolumen ein Metallhalogenid und eine Quecksilbermenge enthält, die beim Betrieb einen Dichtewert ergibt, der 100 mg/cm³ nicht überschreitet.

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 im Frequenz-

bereich von etwa 20 bis 5OkHz aufweisen. In diesen Bereichen ist stabiler Betrieb möglich. Die Lampen weisen Resonanzbänder auf, in denen drei Niveaus von Resonanzeffekten definiert werden können:

1. Zerstörerische Instabilität, bei der der Bogen zur Wandung gedrängt wird und das Quarzglas schnell durchschmilzt;

2. Bogeninstabilität, 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 resonanzfreien 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 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-Vorschaltgeräten erzielt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen

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

F i g. 5 eine typische Spannung/Strom-Charakteristik einer Miniatur-Metallhalogenidlampe bei 60 Hz, wob«! die Spitzenspannung für die Wiederzündung gezeigt ist;

F i g. 6 eine Graphik zur Darstellung der Wiederzündungsspannung in Abhängigkeit von der Frequenz für zwei Kolbengrößen;

F i g. 7 eine Graphik zur Darstellung des Wiederzündspannungsverhältnisses während des Anwärmens in Abhängigkeit von der Frequenz;

F i g. 8 ein Diagramm zur Darstellung von akustischen Resonanzbändern und stabilen Frequenzbereichen 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 eines Hochfrequenz-Vorschaltgerätes unter Verwendung von Halbleiterkomponenten.

Es folgt zunächst eine Erläuterung der Ei.tionisierungscharakteristika.

Die dominierenden elektrischen Parameter, die den Niederfrequenzbetrieb von Miniatur-Hochdruok-Metalldampflampen und besonders von Metaühalogenidlampen 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 F i g. 5 gezeigt, wo das Oszilloskopbild der Spannung (durchgezogene Linie) gegenüber dem Strom (gestrichelte Linie) durch ein Entladungsrohr bei einem Betrieb von 60 Hz aus einer sinusförmigen Stromquelle aufgetragen ist. Das Wiederzündungsspannungsverhältnis Nr kann definiert werden als Nr = Vr/V_Ip, worin Rr die Spitzenwiederzündungsspannung und V/_p die Spannung an der Lampe im Moment der Stromspitze ist In F i g. 5 beträgt das Wiederzündungsspannungsverhältnis Nr 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 Ionendichter beherrscht und diese ändern sich exponentiell 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 F i g. 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 AuGendurchmesser und eine Kugel mit 7,0 mm Innendurchmesser. Eine derart bevorzugte Kolbengröße weist einen Innendurchmesser von etwa 6 mm auf, wofür das Wiederzündungsspannungsverhältnis Nr 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 Wiederzündungsspitze in ihrer Höhe ab. Während die Entladungsrohrtemperatur weiter ansteigt und der Dampfdruck zunimmt sinkt die Wiederzündspannung auf den endgültigen stabilen Wert, der in F i g. 6 gezeigt ist, für irgendeine gegebene Frequenz ab. Die Wiederzündungsspitzenspannung Vr während der Anwärmzeit ist in F i g. 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 Wiederzündungsspannung beim Anwärmen zurückzuführen ist auf eine schnelle Zunahme der Elektronenverlustrate durch Bindung an die Halogenatome oder -moleküle in der Gasphase, bevor die Gastemperatur auf diejenige angestiegen ist, die im Hochdruckbogen angetroffen wird. Diese Schwierigkeit tritt auch bei herkömmlichen Lampen auf und wurde in der Literatur diskutiert, beisDielsweise J. F. Waymouth, Electric Discharge Lamps, M.l.T. Press, 1971, Kapitel 10. Die in der

h5 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 Betriebsbedingungen 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 Wandungstemperaturen, 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 Halbleiterbauelemente, wie Transistoren, in Verbindung mit Ferritkernen verwendet werden. Unterhalb von 20 kHz steigt die Ferritkerngröße dermaßen an. daß die Realisierbarkeit einer kompakten Baliasteinrichtung 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 einer Begrenzung der praktisch durchführbaren Hochfrequenz-Baliastkonstruktion 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 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. In Lampen treten akustische Vibrationen mit der doppelten Frequenz der Stromquelle auf. Diese Vibrationen pflanzen sich als Gasdichte-Wellen aus und sind daher per definitionem akustische Störungen oder, wenn sie oberhalb 20 kHz 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.

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 Lampenumhüllung 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 8OW ein stabiler Betrieb bei 2OkHz 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 cm³ des Entladungskammervolumens. Die folgenden Lampen wurden kleiner und stärker kugelförmig bzw. sphärisch ausgebildet Bei Verwendung eines Sperrschwinger-Vorschaltgerätes, wie es 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.

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, fcs 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 Randbedingungen 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 der Gasmischung 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 im Gas-Dampf-Medhim 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 Kugelform, wie sie in den F i g. 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 und einer Serieninduktanz durchgeführt, um den durch die Lampen fließenden Strom zu begrenzen.

Es wird auf F i g. 1 Bezug genommen, in der ein Entladungsrohr einer Miniatur-Metallhalogenidlampe dargestellt ist. Es ist aus Quarz 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 man das Quarzrohr sich durch Oberflächenspannung zusammenziehen läßt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Wandstärke etwa 0,5 mm, so daß der Innendurchmesser etwa

6 mm und das Umhüllungsvolumen ungefähr 0,11 cm³ betragen. Stiftähniiche 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 sind mit blattförmigen Molybdän-Zuführungen 6, 7 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 Quarzglas eingebettet. Dadurch wird trotz der papierdünnen Teile der Molybdän-Zuführungen eine ausreichende Steifigkeit gewährleistet Bei dem Verfahren zum Einschmelzen der Elektroden werden die blattförmigen Teile mit dem geschmolzenen Quarzglas der Hälse 2, 3 benetzt, und dadurch werden hermetische Abdichtungen erzielt

Bei einem Ausführungsbeispiel enthält eine geeignete Füiiung für eine Lampe dieser Größe mit einer Leistung von etwa 30 W Argon bei einem Druck von 100—120 Torr, 43 mg Hg und 22 mg Halogenidsalz, das aus 85 Gew.-% NaI, 5 Gew.-% ScI₃ und 10 Gew.-% ThI₄ besteht Wenn eine solche Menge Hg unter Betriebsbedingungen vollständig verdampft ist so ergibt sie eine Dichte von 39,4 mg/cm³, was einem Druck von etwa 23 - 10⁶Pa 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 im 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 F i g. 1 mit der Bezugszahl 10 bezeichnet ist, wird zu der Wandung hin gedrückt, wie dies in F i g. 2 mit 21 bezeichnet ist. Er schmelzt sich durch das Quarzglas 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 F i g. 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.
3. Aureoleninstabilität: Die Aureole ist eine leuchtende Glimmerscheinung, die den Bogen umgibt und normalerweise um die obere Elektrode herum konzentriert ist wie in F i g. 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 wenigstens 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« 43 im Zentrum des Kolbens auftritt, ist in F i g. 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 Frequenzbereiche, in denen die Lampen während ihrer Lebensdauer stabil betrieben werden können. Das wichtigste Merkmal der in F i g. 8 gezeigten Spektren ist die Wiederholung des Musters mit der Kolbengröße. So wird beispielsweise das erste zerstörerische bzw. »katastrophale« Instabilitätsband A 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 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 F i g. 8 und anderen verwandten Messungen zusammengefaßten Daten wurde die Schlußfolgerung gezogen, daß die zweckmäßigsten Hochfrequenz-Arbeitsbereiche für Miniatur-Hochdruck-Metalldampflampen, also Lampen mit einem Entladungsvolumen kleiner als 1 cm³, die resonanzfreien Bereiche sind, die zwischen dem ersten und dem zweiten zerstörerischen Instabilitätsband Hegen. 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—5OkHz wird im allgemeinen das untere Ende des Bereiches bevorzugt, weil dort eine geringere elektromagnetische Störung und niedrigere Transistor-Schaltgeschwindigkeit vorliegen. Es kann also bei 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 F i g. 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 mm 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 bevorzugt cn Konstruktionsmittelpunkte bei 34 kHz für είπε Lampe mit 7 mm Innendurchmesser, wobei der ± 5%-Frequenztoleranzbereich mit 85 bezeichnet ist, wobei 40 kHz für eine Lampe mit 6 mm Innendurchmesser, wobei der Bereich mit 85 bezeichnet ist, bei 45 kHz für eine Lampe mit 5 mm Innendurchmesser, wobei der Bereich mit 87 bezeichnet 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 etwa 25,5 kHz gewählt werden, wobei das ±5%-Frequenztoleranzfeld mit 91 bezeichnet ist. Bei einer 5-mm-Lampe beträgt der Konstruktionsmittelpunkt unterhalb des ersten zerstörerischen Instabilitätsbandes ungefähr 17 kHz, und der ±5%-Bereich ist mit 92 bezeichnet. Die unterbrochenen Linien 93 umschließen den bevorzugten ±5°/o-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 ist vermutlich 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 Darstellung in Abhängigkeit von der Quecksilberdampfdichte geht aus F i g. 9 hervor. Fünf kugelförmige Lampen mit 6 mm Innendurchmesser und einem Elektrodenabstand von 3 mm erhielten Füllungen, die bei Verdampfung Quecksilberdichten von etwa 10, 20, 39, 79 und 118 mg/cm³ ergaben. Die Lampen wurden mit konstanter Wandungsbelastung betrieben. Die Hauptmerkmale der Spektren bleiben trotz der Veränderung der Quecksilberdichte bestehen. Die Lagen der zerstörerischen 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/cm³ übergegangen wird. Schmalere Störungen aller drei Arten gehen in 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 bei 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 beirieben werden, die resOiiänzircieii Bereiche im Spektrum von 20—50 kHz werden jedoch schmaler, wenn die Dichte gesteigert wird, so daß ein praktischer oberer Dichtewert für einen zufriedenstellenden Betrieb erreicht wird Es wurde ermittelt, daß zur Vermeidung von übermäßigen schmaleren Störungen die Quecksilberdichte für irgendeine Größe von Miniatur-Metallhalogenidlampen 100 mg/cm³ nicht überschreiten sollte, und für einen Kolben mit 6 mm Innendurchmesser sollte sie 80 mg/cm³ nicht überschreiten. Für Lampen mit 6—7 mm Innendurchmesser liegt unter dem Gesichtspunkt der Erzielung von breiten stabilen Arbeitsbändern bzw. »-fenstern« im Bereich von 20—50 kHz die bevorzugte Quecksilberdampf-Arbeitsdichte bei etwa 30—40 mg/cm³.

Es folgt nun eine Beschreibung von kompakten Hochfrequenzvorschaltgeräten.

Derartige Geräte enthalten im allgemeinen einen Hochfrequenzgenerator mit einer Strombegrenzungseinrichtung, die an eine Lampe angekoppelt sind. Bei typischen Schaltungen werden Halbleiter-Bauelemente und Ferritkerne verwendet. Sie können kompakt genug hergestellt werden, um an der Verwendungsstelle direkt an der Lampe befestigt zu werden, d. h. am 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 ,₀ Ausführungsbeispiel eines kompakten Hochfrequenz-Vorschaltgerätes mit einem Sperrschwinger gezeigt ist. Ein Vollweg-Brückengleichrichter BR, der an 120V₁ 60 Hz-Netzanschlüsse tu h angeschlossen ist, liefert eine gleichgerichtete Spannung für den Betrieb des Sperrschwingers. Ein über die Brückenausgangsanschlüsse angeschlossener Siebkondensator C2 bewirkt eine ausreichende Glättung, um Wiederzündungsschwierigkeiten zu vermeiden, die auf der Netzfrequenzmodulation des Hochfrequenz-Ausgangssignals beruhen. Ein Ferritkern-Transformator 7*weist eine Primärwicklung P, eine Sekundär-Hochspannungswicklung Su an die die Miniaturlampe L_p angeschlossen ist, und eine Rückkopplungswicklung 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 Q\ und die Rückkopplungswicklung S2 sind alle in Reihe geschaltet und bilden den Hauptprimärstromweg. In diesem Stromweg ist Rj ein Strombegrenzungswiderstand, und eine Diode Eh bildet einen Schutz für Transistor Q\ gegen Ströme in Sperrichtung. Widerstände R\ und /?2, eine Diode D\ und ein Kondensator C3 liefern den Basisstrom für diesen Transistor.

Die Arbeitsweise des Sperrschwingers kann zusammengefaßt folgendermaßen beschrieben werden: Immer wenn der Kollektorstrom niedriger ist als die Verstärkung multipliziert mit dem Basisstrom des Schalttransistors Qu so ist der Transistor gesättigt, ist also vollständig eingeschaltet und wirkt wie ein Schalter. Der Kollektorstrom wird dann durch die Induktanz der Transformatorwicklungen Tund £2 begrenzt. Wenn der Kollektorstrom ansteigt und einen Wert erreicht, der gleich der Verstärkung multipliziert mit dem Basisstrom ist, so beginnt der Transistor, aus der Sättigung heraus zu gelangen. Dies dient dazu, die Spannung an S₂ zu reduzieren, wodurch wiederum der Basisstrom herabgesetzt wird und über Rückkopplungswirkung der Transistor Qi abgeschaltet wird. Diese Rückkopplung 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 5i angeschlossene Lampe mit Hochfrequenz betrieben wird. Die Leck- oder Restreaktanz des Transformators T dient dazu, den Entladungsstrom durch die Lampe zu begrenzen.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betreiben einer Hochdruck-Metalldampf-Entladungslampe mit einer Wechselspannung einer Frequenz im Ultraschallbereich, dadurch gekennzeichnet, daß eine Entladungslampe verwendet wird, deren Entladungsvolumen nicht mehr als etwa 1 cm³ beträgt und die im Frequenzbereich von 20 bis 5OkHz akustische Resonanzen aufweist, und daß die Frequenz der Wechselspannung im Bereich von 20 bis 5OkHz außerhalb von Resonanzbändern der Entladungslampe liegt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsfrequenz zwischen dem ersten und dem zweiten Instabilitätsband, in welchem eine Zerstörung der Entladungslampe durch Resonanzen auftritt, gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungslampe kugelförmig mit einem Innendurchmesser von ungefähr 6 mm oder weniger ausgebildet ist und die Betriebsfrequenz unterhalb des ersten Instabilitätsbandes, in dem eine Zerstörung der Lampe durch Resonanzen auftritt, gewählt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsfrequenz in einem Bereich gewählt wird, der frei ist von Bogen- und Aureoleninstabilitäten.

5. Hochdruck-Metalldampf-Entladungslampe zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einem kugelförmigen Entladungsvolumen, das nicht mehr als etwa 1 cm³ beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsvolumen ein Metallhalogenid und eine Quecksilbermenge enthält, die beim Betrieb einen Dichtewert ergibt, der 100 mg/cm³ niciit überschreitet.

6. Hochdruck-Metalldampf-Entladungslampe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des Quecksilbers während des Betriebs einen Dichtewert ergibt, der 80 mg/cm³ nicht überschreitet.

7. Hochdruck-Metalldampf-Entladungslampe nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungslampe einen Innendurchmesser zwischen etwa 7 und 4 mm aufweist.