DE3330266A1

DE3330266A1 - Hochdruck-metalldampf-entladungslampe

Info

Publication number: DE3330266A1
Application number: DE19833330266
Authority: DE
Inventors: Takenobu Urawa Saitama Iida; Shunichi Tokyo Sasaki; Jyojiro Gyoda Saitama Shiina
Original assignee: Iwasaki Denki KK
Current assignee: Iwasaki Denki KK
Priority date: 1982-08-23
Filing date: 1983-08-22
Publication date: 1984-02-23
Also published as: GB2127633B; FR2532113A1; GB2127633A; NL8302923A; DE3330266C2; FR2532113B1; GB8322506D0

Description

Beschreibung

Hochdruck-Metalldampfentladungslampe

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung einer Hochdruck-Metalldampfentladungslampe, wie z.B. einer Metall-Halogenid-Lampe oder einer Hochdruck-Natrium-Lampe, und bezieht sich insbesondere auf eine Verbesserung einer Hochdruck-Metalldampf entladungslampe, die eine Starterschaltung aufweist, um den Start zu erleichtern.

Im allgemeinen hat eine Hochdruck-Metalldampfentladungslampe , wie z.B. eine Metall-Halogenid-Lampe oder eine Hochdruck-Natrium-Lampe _t eine hohe Startspannung, so daß es schwierig ist, derartige Entladungslampen mit einer üblichen, im Handel er-

hältlichen Leistungsquelle zu starten. In letzter Zeit wurde vorgeschlagen, in der Lampe eine Starterschaltung einzusetzen, um einen Hochspannungspuls zu erzeugen, der daraufhin an eine lichtaussendende

Röhre zusammen mit einer Leistungsversorgungsspannung 25

angelegt wird, um den Start zu erleichtern. Eine derartige Entladungslampe benötigt keinen getrennten Stabilisator mit großen Abmessungen, der eine hohe nicht-Last-Spannung hat, enthält keinen Starter in

einem Stabilisator und verwendet keinen getrennten 30

Starter außerhalb des Stabilisators, und kann verwendet werden, indem sie lediglich an einen vorhandenen Hochdruck-Quecksilberlampen-Stabilisator angeschlossen wird.

Demgemäß ist eine derartige Entladungslampe äußerst vorteilhaft , so daß die Nachfrage nach dieser Entladungslampe schnell angestiegen ist. 5

Eine sehr bekannte Hochdruck-Metalldampfentladungs-Lampe, die selbst eine Starterschaltung enthält, ist in Fig. 1 dargestellt. Eine Starterschaltung 4 hat eine. Serienschaltung aus einem temperaturempfindlichen Schalter 2, der bei Raumtemperatur oder normaler Temperatur geschlossen ist (wenn die Lampe ausgeschaltet ist), und bei hoher Temperatur (wenn die Lampe eingeschaltet ist) geöffnet ist, und einem

^g Widerstand 3, wobei diese Serienschaltung parallel zu einer lichtaussendenden Röhre 1 liegt, in einem äußeren Kolben 5 untergebracht ist und über einen induktiven Stabilisator 6 an eine Wechselstrom-Leistungsversorgung 7 angeschlossen ist. Wie nachfolgend

2Q erörtert wird, schaltet der temperaturempfindliche Schalter 2 einen Strom, der in der Starterschaltung 4 fließt, ein und aus, um Hochspannungspulse zum Starten der Entladungslampe zu erzeugen, wobei dieser Schalter die Starterschaltung 4 von der Wechselstrom-Leistungsversorgung 7 nach dem Starten der Entladungslampe abkoppelt. Üblicherweise ist dieser Schalter ein Bimetall-Schalter. Der Widerstand 3, der in Reihe mit dem temperaturempfindlichen Schalter 2 liegt, begrenzt den Stromfluß in der Starterschaltung 4 auf eine geeignete Höhe, und verhindert ein Erlöschen der Entladung nach Auftreten der Entladung über die Hauptelektroden der lichtaussendenden Röhre 1 durch die Wirkung der Starterschaltung 4 selbst dann, wenn der temperaturempfindliche Schalter 2 wiederum geschlossen wird. Üblicherweise ist der Widerstand ein Wärmeerzeugungselement, wie z.B. ein

nichtglühender Draht.

Bei dieser Entladungslampe erzeugt der Strom, der bei Einschalten der Wechselspannungs-Leistungsversorgung 7 in die Starterschaltung 4 und in den Widerstand 3 fließt, Wärme. Als Ergebnis hiervon wird der temperaturempfindliche Schalter 2 geöffnet. Wiederum als Ergebnis hiervon wird der in die Starterschaltung 4 fließende Strom unterbrochen, so daß der Widerstand 3 nicht länger Wärme erzeugt. Daher wird der temperaturempfindliche Schalter 2 geschlossen, so daß der Strom wiederum durch die Starterschaltung

■,,- 4 fließt, so daß der temperaturempfindliche Schalter 2 erneut geöffnet wird. Auf diese Weise wiederholt der temperaturempfindliche Schalter 2 die Ein- Aus-Betriebsweise, so daß der Strom in der Starterschaltung 4 ein- und ausgeschaltet wird. Als Ergebnis hiervon

on werden Hochspannungspulse über den Stabilisator 6 erzeugt. Da die Hochspannungspulse an die Hauptelektroden der lichtaussendenden Röhre 1 zusammen mit der Leistungsversorgungsspannung angelegt werden, wird die lichtaussendende Röhre 1 gezündet. Nach dem Starten der Entladungslampe bleibt der temperaturempfindiüche Schalter 2 aufgrund der Wärme geöffnet, die durch die lichtaussendende Röhre 1 erzeugt wird, so daß die Erzeugung von Hochspannungspulsen beendet wird.

Die Starterschaltung, die in dieser Entladungslampe verwendet wird, ist eine einfache Schaltung mit einer Reihenschaltung eines temperaturempfindlichen Schalters, wie beispielsweise eines Bimetallschalters, urd eines Widerstandes, wie z.B. eines nichtglühenden Drahtes. Da diese Schaltung wirtschaftlich ist und auch in einer Umgebung mit hoher Temperatur unbedenklich eingesetzt werden kann, wurde sie weitverbreitet

als Starterschaltung verwendet, die in Hochdruck-Metalldampf-Entladungslampen enthalten ist.

Allerdings hat die obige Starterschaltung folgende Nachteile:

Erstens ist ein gewisser Grad an Ungleichförmigkeit und Veränderlichkeit in der schaltenden Betriebsweise unvermeidbar, da der temperaturempfindliche Schalter (2)üblicherweise ein mechanischer Bimetallschalter ist. Als Ergebnis hiervon sind der Zeitablauf und die Höhe der Hochspannungspulse nicht konstant, so daß die Startcharakteristik zwangsweise unstabil wird.

Zweitens werden aufgrund der Tatsache, daß das Zeitverhalten und die Größe der Hochspannungspulse nicht konstant sind, unnötig hohe Spannungspulse 2Q erzeugt, die die Entladungslampe und die Starterschaltung negativ beeinflussen. Daher muß eine Schaltung vorgesehen werden, die anormale Pulse beseitigt.

Fig- 2 zeigt die Signalform der Hochspannungspulse, die durch die Starterschaltung gemäß Fig. 1 erzeugt werden. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, sind das Zeitintervall der Erzeugung von Hochspannungspulsen und die Größe der Hochspannungspulse nicht stabil. Bezugnehmend auf die Größe der Pulse werden Hochspannungspulse mit 5 KV erzeugt, die demnach höher sind als die benötigten 3 bis 3,5 KV zum Starten der Entladungslampe.

Da der Widerstand der Starterschaltung üblicherweise ein nichtglühender Draht bzw. eine nichtglühende Wicklung ist, liegt ein dritter Nachteil darin, daß

der Einbau dieses Drahtes bzw. der Wicklung in eine Entladungslampe und die Vibrationsdämpfungs-

_ mittel hierfür eine spezielle Technik erforderlich 5

machen.

Um die obigen Nachteile zu beseitigen, wurde bereits vorgeschlagen, die Komponente der Starterschaltung, wie z.B. den temperaturempfindlichen Schalter, durch ein spannungsempfindliches Halbleiterschaltgerät zu ersetzen, das kein mechanisch schaltendes Element enthält, so daß die Komponenten der Starterschaltung durch Halbleitergeräte oder elektronische Geräte soweit wie möglich gebildet werden.

Wenn allerdings derartige Halbleitergeräte oder elektronische Geräte in Hochdruck-Metalldampfent-

2Q ladungslampen eingesetzt werden, entstehen äußerst schwierige technische Probleme. Da die Hochdruck-Metalldampf entladungslampe eine sehr hohe Temperatur während der Entladung im Vergleich zu derjenigen einer Niederdruck-Metalldampfentladungslampe, wie z.B. einer Fluoreszenzlampe erreicht (z.B. ist die Temperatur in einer äußeren Röhre einer 400 W-Hochdruck-Natriumlampe, die in einem Lampengehäuse befestigt ist, ungefähr 400 C während der Entladung ), können die in der Entladungslampe vorgesehenen Komponenten nicht ihre beabsichtigte Funktion beibehalten, werden in ihrer Funktion negativ beeinträchtigt und werden nach einar kurzen Zeitdauer unbrauchbar.

Um Hochdruck-Metalldampfentladungslampen zu starten, benötigt man einen Hochspannungspuls, der eine größere Amplitude und höhere Energie als derjenige aufweist, den man zum Starten einer Fluoreszenz -

Lampe braucht. Wenn Komponenten verwendet werden müssen, die derartig hohe Spannungspulse unter normalen Betriebsbedingungen erzeugen können und die die obenbeschriebenen Temperaturanforderungen erfüllen, so steigt die Größe der Komponenten notwendigerweise an, so daß der Einbau dieser Elemente in eine Entladungslampe nur auf schwierige Art zu erreichen ist.

Aus den obengenannten Gründen haben sich Hochdruck-Metalidampf entladungslampen, die die Starterschaltung enthalten, welche aus Halbleitergeräten oder elektrode nischen Geräten aufgebaut sind, nicht in der Praxis durchgesetzt, obwohl dies vom theoretischen Standpunkt her wünschenswert wäre.

Die vorliegende Erfindung behebt die obenbeschriebenen Schwierigkeiten. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Hauptteil der Starterschaltung mit Halbleitergeräten oder elektronischen Geräten aufgebaut, um die Startcharakteristika zu stabilisieren, um eine Schaltung zum Absorbieren von anormalen Pulsen zu beseitigen, um den Zusammenbau zu erleichtern und um die Schwingungsdämpfungseigenschaften zu verbessern, wobei die Bauweise der Komponenten der Starterschaltung und eine Verfahren zum Einbauen dieser Schaltung verbessert sind, um eine praktisch einsetzbare Hochdruck-Metalldampfentladungslampe zu schaffen, die die Starterschaltung enthält, welche auch hohen Umgebungstemperaturen während der Verwendung standhält, und die insgesamt kompakt aufgebaut ist .

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele nach dem Stand der Technik sowie bevorzugte Ausführungsbei-

■η-

spiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltungsdiagramm einer Hochdruck-Met al !dampfentladungslampe nach dem Stand der Technik, die eine Starterschaltung selbst enthält,

Fig. 2 eine Signaldarstellung eines Hochspannungspulses, der durch die Starterschaltung der Entladungslampe gemäß Fig. 1 erzeugt wird,

Fig. 3 eine Schaltungsdiagramm eines Ausführungsbeispieles einer Hochdruck-Metalldampfentladungslampe gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 4 eine Spannungs-Ladungs-Charakteristik eines nichtlinearen Kondensators, der in einer Starterschaltung der Entladungslampe gemäß der vorliegenden

Erfindung verwendet wird.

Fig. 5 u-

Signaldarstellungen zum Startzeitpunkt der Entladungslampe gemäß der vorliegen

den Erfindung,

Fig. 7 bis

sowie
Fig. 13 Schaltungsdiagramme anderer Ausführungs-

formen der Entladungslampe gemäß der vorliegenden Erfindung, und

Fig. 12 eine spezielle, äußere Ansicht der

in Fig. 11 gezeigten Entladungslampe.

Fig. 3 zeigt eine grundsätzliche Schaltungsanordnung einer Hochdruck-Metalldampfentladungslampe gemäß der vorliegenden Erfindung. Bezugszeichen 1 bezeichnet _ eine lichtaussendende Röhre mit wenigstens einem Paar von Hauptelektroden 2a und 2b. Die lichtaussendende Röhre besteht aus Quarzglas oder lichtdurchlässiger Keramik, wobei Quecksilber, ein Startgas und verschiedene, geeignete, lichtaussendende Metalle in die Röhre eingefüllt sind.

Parallel zu der lichtaussendenden Röhre 1 liegt eine Starterschaltung 6, die aus einer Reihenschaltung von wenigstens einem temperaturempfindlichen Schalter 3 ,der bei normaler Temperatur (wenn die Lampe ausgeschaltet ist) geschlossen ist, und bei hoher Temperatur (wenn die Lampe eingeschaltet ist) geöffnet ist, einem spannungsempfindlichen Halbleiterschaltgerät 4, wie z.B. ein symmetrischer Siliciumschalter (SSS), der in Glasmaterial eingefaßt ist, und einem Kondensator, (der nachfolgend als nichtlinearer oder keramischer Kodensator bezeichnet wird ) mit einer nichtlinearen Strom-Ladungs-Charakteristik (Hysterese), der aus die elektrischen dielektrischem (keramischen) Material hergestellt ist, und mit Glasmaterial umgeben ist, besteht.Bezugszeichen 7 bezeichnet eine Diode, die mit Glasmaterial eingefaßt ist, und in Parallelschaltung zu dem Halbleiterschaltgerät 4 liegt. Die Diode 7 betätigt das Halbleiterschaltgerät 4 mit einer doppelten Spannung bezüglich der Wechselstrom-Leistungsversorgungs-Spannung. Dies ist nicht absolut notwendig, wie nachfolgend beschrieben wird. Die Starterschaltung 6 und die lichtaussendende

Röhre 1 sind in einem äußeren Kolben 8 untergebracht, in dem eine geeignete Menge Edelgas eingefüllt ist, oder in dem ein fast vollständiges Vakuum herrscht. Bezugszeichen 9 bezeichnet einen Sockel, der an einem Ende des äußeren Kolbens 8 befestigt ist. Die lichtaussendende Röhre 1 und die Starterschaltung 6 sind an eine Wechselstrom-Leistungsversorgung 11 über den Sockel 9 und einen induktiven Stabilisator 10 angeschlossen.

Der keramische Kondensator 5 der Starterschaltung 6 besteht im wesentlichen aus Barium-Titanat (BuTiO-).

Dieser Kondensator hat eine nichtlineare Spannungs (E)- Ladungs (Q) - Charakteristik (Hysterese), wie es in Fig. 4 dargestellt ist. Um bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel den Curier-Punkt (einen zweiten Durchgangspunkt) derart zu verschieben, daß eine spezielle Dielektrizitätskonstante (e_s) ^des Kondensators 5.ooo bis 20.ooo in einem Temperaturbereich von - 30⁰C bis +60⁰C beträgt, welcher eine Umgebungstemperatur ist, bei der die Entladungslampe üblicherweise gestartet wird, wird Barium-Zirconat (BaZrO-) mit Strontium-Titanat (SrTiO₃) beigefügt,

um die Sintereigenschaften zu verbessern, oder ohne den Zusatz von Strontium-Titanat wird es zum Barium-Titanat in einer Menge von 10 bis 30 Mol pro Prozent beigefügt.

Vorzugsweise wird Kalzium-Titanat (CaTiO-.) in einer Menge von einigen Mol pro Prozent beigefügt , um eine abrupte Veränderung der speziellen Dielektrizitätskonstante in der Nähe des Curier-Punktes zu verhindern. Das Gemisch wird daraufhin zu einer dünnen Platte mittels eines üblichen Pulverpreßverfahrens geformt und in Luft bei einer Temperatur

- 10 -

zwischen I.300⁰ C und max. 1.4oo°C ungefähr zwei Stunden lang gebrannt. Daraufhin werden Silberfilmelektroden auf die gebrannte, dünne Platte durch Backen mit 700⁰C bis 800°C aufgebracht und hieran Anschlußdrähte mittels Silberlöten befestigt. Letztlich wird die gesamte Außenfläche mit Glasmaterial umhüllt, wobei das Glasmaterial aus einem Glas mit niedrigem Schmelzpunkt oder aus einem Glas mit hoher Dielektrizität bestehen kann» Die Umhüllung verhindert eine Verschlechterung der Durchbruchsspannungscharakteristik aufgrund der Tatsache, daß Sauerstoff in dem Barium-Titanat aufgrund einer hohen Temperatur während des Betriebes der Entladungslampe abgespalten wird und daß das Barium-Titanat in einen halbleitenden Zustand gebracht wird, da der äußere Kolben der Entladungslampe üblicherweise evakuiert ist oder mit einem Edelgas gefüllt ist, und dient ebenso da-

2Q zu, eine Ablösung der Silberfilmelektroden zu verhindern. Dies ist von Bedeutung, wenn der Kondensator in dem äußeren Kolben eingebaut ist, wie dies bei der vorliegenden Erfindung der Fall ist.

Das Halbleiterschaltgerät 4 der Starterschaltung 6 hat einen Silizium-PNPN-oder PNPN-Übergang, wobei ein Element mit Glas passiviert ist und dessen äußere Fläche in Glas eingebettet ist. Ein derartiger Siliziumübergang kann der Verwendung bei einer Temperatur von UOO⁰C bis 500⁰C über eine erheblich lange Zeitdauer standhalten, solange er nicht oxydiert wird. Demzufolge kann das Halbleiterschaltgerät 4 in eine Entladungslampe problemlos eingebaut werden.

Die Diode 7, die in Parallelschaltung zu dem Halbleiterschaltgerät 4 liegt, wie dies nötig ist, ist

- 11 -

-*Ί 1 —

an einem ihrer Elemente mit Glas passiviert und in Glas eingeformt. Eine derartige Diode ist unter der Typenbezeichnung VO6G im Handel erhältlich. Da allerdings eine derartige, im Handel erhältliche Diode Kupferanschlußdrähte aufweist, die mit Zinn-Blei-Lötmittel verlötet sind, sollte das Zinn-Blei-Lötmittel entfernt werden, da es bei hohen Temperaturen verdampft.

Da das Halbleiterschaltgerät 4 und die Diode 7 in dem äußeren Kolben 8 untergebracht sind, der üblicherweise evakuiert ist oder mit einem Edelgas gefüllt ist, können deren Elemente nicht oxydieren, wenn deren Glas-Passivierung während der Betriebsweise des Halbleitergerätes durch einen thermischen Stoß oder aus anderen Gründen gebrochen sein sollte.

Wie oben beschrieben wurde, sind bei der vorliegenden Erfindung die äußeren Flächen des keramischen Kondensators 5 der Starterschaltung 6 mit Glasmaterial umgeben, um die Hitzebeständigkeit des Kondensators zu verbessern und um eine Verminderung der Funktion des Kondensators aufgrund der Tatsache, daß Sauerstoff in dem hoch-dielektrischem, keramischen Material des Ködensators, wie z.B. in dem Barium-Titanat bei hoher Temperatur ausgeschieden wird, zu verhindern.

Die äußere Fläche des Halbleiterschaltgerätes 4 und der Diode 7 sind ebenfalls mit Glasmaterialien umgeben, um die Hitzebeständigkeit zu verbessern und ³^ um eine Oxydation der Elemente in dem Fall zu verhindern, indem ein Leck auftritt.

- 12 -

Allerdings kann eine praktische Startschaltung, die in einer Entladungslampe untergebracht werden

soll, nicht nur mit derartigen Einrichtungen ver-5

sehen sein. Wenn beispielsweise die Serienschaltung des keramischen Kodensators 5 und des Halbleiterschaltgerätes 4 parallel zu der lichtaussendenden Röhre 1 angeschlossen wird und diese Teile in dem äußeren Kolben 8 untergebracht werden, und wenn das Halbleiterschaltgerät 4 in einer Umgebung mit hoher Temperatur während des Betriebes der Entladungslampe untergebracht ist, fällt die Durchbruchsspannung des Halbleiterschaltgerätes 4 ab, so daß das -₅ Halbleiterschaltgerät 4 nicht als Schaltgerät arbeiten kann. Wenn ein Strom ununterbrochen in die Startschaltung fließt, wird das Element des Halbleiterschaltgerätes 4 zerstört.

2Q . Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein temperaturempfindlicher Schalter 3, der bei Raumtemperatur geschlossen ist ( wenn die Lampe ausgeschaltet ist ) und bei hoher Temperatur geöffnet ist ( wenn die Lampe eingeschaltet ist ) in Reihe mit dem Halbleiterschaltgerät 4 geschaltet. Es sei angemerkt, daß der temperaturempfindliche Schalter 3 sich erheblich von demjenigen der Entladungslampe nach dem Stand der Technik , die in Fig. 1 gezeigt ist, unterscheidet, da er nicht direkt dazu dient, Hochspannungspulse zu erzeugen.

Nachfolgend wird die Betriebsweise der Entladungslampe beschrieben. Eine übliche Wechselstrom-Leistungsversorgung 11 mit 200V bis 240V und 50Hz/60Hz wird über einen Stabilisator 10 angeschlossen. Die Spannung wird an die Serienschaltung ,bestehend aus

- 13 -

^ Al·

der Parallelschaltung des Halbleiterschaltgerätes

4 und der Diode 7 , und dem keramischen Kondensator

5 über den temperaturempfindlichen Schalter 3 angelegt, der bei Raumtemperatur geschlossen bzw. eingeschaltet ist. Der keramische Kondensator 5 wird durch diese Spannung während eines halben Zyklus der Wechselstrom-Leistungversorgungs-Spannung geladen. Während des nächsten halben Zyklus überlagert sich die Ladung des keramischen Kondensators 5 mit der Leistungsversorgungsspannung, so daß sich die in Fig. 5 gezeigte Spannung über die Klemmen a und b der Parallelschaltung des Halbleiterschaltgerätes

4 und der Diode 7 ertwickelt. Ein Spitzenwert der Spannung bezüglich des Punktes a ist \2 Em^ wobei

Em die Leistungsversorgungsspannung ist, und 564VoIt beträgt, wenn Em 200VoIt ist. Wenn die Durchbruchsspannung des Halbleiterschaltgerätes 4 auf ungefähr 480 Volt eingestellt ist, wird das Halbleitersehaltgerät 4 eingeschaltet, wenn die Leistungsversorgungsspannung die Durchbruchsspannung übersteigt, so daß die Ladung des keramischen Kodensators 5 entladen wird. Ein Hochspannungspuls mit ungefährt 3 bis 3,5 KV, welcher höher ist als derjenige, der bei Verwendung eines üblichen Kondensators erzeugt wird, wird in dem Stabilisator 10 durch die Spannungs-Ladungs-Charakteristik des keramischen Kodensators

5 erzeugt. Diese Hochspannungspulse werden der Leistungsversorgungsspannung überlagert, wie es

in Fig. 6 gezeigt ist, woraufhin die kombinierte Spannung an die Hauptelektroden 2a und 2b der lichtaussendenden Röhre 1 angelegt werden. Als Ergebnis hiervon wird die Entladungslampe gestartet. Wenn die Entladungslampe gestartet ist, steigt die

Wärmestrahlung der lichtaussendenden Röhre 1 an, so daß der temperaturempfindliche Schalter 3 geöffnet

- 14 -

wird bzw. ausgeschaltet wird, um die Startschaltung von der Leistungsversorgung 11 zu isolieren.

Fig. 7 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem ein Widerstand

12 in Reihe mit der Reihenschaltung liegt, die aus dem temperaturempfindlichen Schalter 3, der Parallelschaltung des Halbleiterschaltgerätes 4 und der Diode 7 und mit dem keramischen Kondensator 5 liegt, wobei eine zusätzliche Elektrode 13 in der Nähe der Hauptelektrode 2b der lichtaussendenden Röhre 1 vorgesehen ist, wobei die Serienschaltung der Parallelschaltung des Halbleiterschaltgerätes

4 und der Diode 7 und des keramischen Kondensators

5 über die Hauptelektrode 2b und die Hilfselektrode

13 angeschlossen ist. Der Widerstand 12 kann ein üblicher Festkörperwiderstand sein, dessen Widerstandswert in geeigneter Weise derartig ausgewählt

wird, daß ein ausreichender Strom zum Anschalten

des Halbleiterschaltgerätes 4 durch dieses fließt und daß ein erzeugter Hochspannungspuls groß genug ist, um eine Bogenentladung zwischen den Hauptelektroden 2a und 2b zu erzeugen, um aber nicht eine 25

Bogenentladung zwischen der Hauptelektrode 2b und der danebenliegenden Hilfselektrode 13 zu verursachen.

Die Reihenschaltung des Widerstandes 12 mit der Startschaltung kann ebenso auf die Schaltung gemäß Fig. 3 angewendet werden, bei der keine Hilfselektrode in der lichtaussendenden Röhre vorgesehen ist.

Fig. 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß „ρ- der vorliegenden Erfindung, bei dem die Serienschaltung bestehend aus der Parallelschaltung des Halbleiter-

- 15 -

schaltgerätes 4 und der Diode 7 und dem keramischen Kondensator 5 zwischen der Hauptelektrode 2b der

lichtaussendenden Röhre 1 und der danebenliegenden 5

Hilfselektrode 13 über einen Startwiderstand 14 angeschlossen ist. Die Schaltung gemäß Fig. 8 arbeitet in einer ähnlichen Weise wie diejenige gemäß Fig. 7-

Die Entladungslampen , die in den Fig. 7 und 8 gezeigt sind, sind geeignet für eine Verwendung mit einer Metall-Halogenit-Lampe, wobei Quecksilber, Startgas und verschiedene, geeignete, lichtaussendende Metalle, wie z.B. Natrium, Scandium und Thorium, und Halogene, wie z.B. Jod, Brom oder Chlor), sowie Verbindungen dieser Stoffe in die lichtaussendende Röhre eingefüllt sind, die aus Quarzglas besteht.

Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel gemäß der 2Q vorliegenden Erfindung, das auf eine Hochdruck-Natriumlampe angewendet wird. Die lichtaussendende Röhre 1 besteht aus einer lichtdurchlässigen Keramik, wobei ein Alkali-Metall wie beispielsweise Natrium, ein Startgas wie beispielsweise Xenon und eine Puffergasquelle , wie beispielsweise Quecksilber in die lichtaussendende Röhre 1 eingefüllt sind. Ein Nachbarschafts-Leiter 15 zum Unterstützen des Startens ist an einer äußeren Wand der lichtaussendenden

Röhre 1 befestigt. Der Nachbarschafts-Leiter 15 ist ^O derart angeschlossen, daß er das gleiche Potential hat wie eine der Elektroden 2b.

Das entgegengesetzte Elektrodenpotential ist an die andere Elektrode 2a angelegt. Ein Widerstand 16 liegt in Reihenschaltung mit der Diode 7, um das Laden des Kondensators 5 zu verzögern, so daß ein Hochspannungspuls zu jedem 2. bis 4. Zyklus der Wechselstrom-

•if·

Leistungsversorgungs-Spannung erzeugt wird. Als Ergebnis hiervon wird ein Hochspannungspuls mit

_ hohem Spitzenwert erzeugt, der dazu geeignet ist, ο

die Hochdruck-Natrium-Lampe zu starten. Der Widerstandswert des Widerstandes 16 ist in geeigneter Weise ausgewählt, um eine derartige , geeignete Zeitkonstante zu erreichen.

Fig. 10 zeigt eine Abwandlung der Entladungslampe gemäß Fig. 9- Wenn in Fig. 9 eine Spannung an den Nachbarschafts-Leiter 15 nach dem Einschalten der lichtaussendenden Röhre 1 angelegt bleibt, werden

•j^g Natrium-Ionen in der lichtaussendenden Röhre 1 durch das Potential angezogen und fließen in geringen Mengen aus der lichtaussendenden Röhre 1 heraus. Als Ergebnis hiervon wird eine Charakteristik der Entladungslampe zerstört. Daher ist es ratsam, den

2Q Nachbarschafts-Leiter von der äußeren Wand der lichtaussendenden Röhre durch eine temperaturempfindliche Einrichtung nach dem Beginn der Entladung der Lampe fortzubewegen, oder bei einem um die lichtaussendende Röhre 1 herumgewickelten Nachbarschafts-Leiter, wie es in Fig. 10 dargestellt ist, die Versorgungsschaltung für das Potential des Nachbarschafts-Leiters durch einen temperaturempfindlichen Schalter 17 zu unterbrechen.

Fig. 11 zeigt eine Abwandlung der Entladungslampe gemäß Fig. 10 . Bei der Entladungslampe , die in Fig. 10 dargestellt ist, ist der temperaturempfindliche Schalter 17 für den Nachbarschafts-Leiter getrennt von dem temperaturempfindlichen Schalter für die Startschaltung 6 vorgesehen, so daß bei erneutem Starten der Lampe, d.h. wenn die Leistungsversorgung der Lampe ausgeschaltet und unmittelbar

- 17 -

3330268

danach eingeschaltet wird, der temperaturempfindliche Schalter 3 geschlossen sein kann, bevor der teraperaturempfindliche Schalter 17 geschlossen ist, um das Potential dem Nachbarschafts-Leiter zuzuführen. In einem derartigen Fall erzeugt die Starterschaltung 6 Hochspannungspulse , jedoch kann die Lampe nicht gestartet werden, da in der licht_n aussendenden Röhre ein hoher Dampfdruck vorliegt. Wenn bei derartigen Bedingungen die Hochspannungspulse ständig erzeugt werden, sinkt die Durchbruchsspannung des Stabilisators ab, elektromagnetische Störwellen werden aufgrund von Hochfrequenzrauschen erzeugt, oder der keramische Kondensator der Startschaltung wird durch Vibration zerstört. Bei der Abwandlung gemäß Fig. 11 wird die Einrichtung zum Anlegen und Entfernen des Potentials an oder von dem Nachbarschafts-Leiter 15 mit dem temperaturempfindlichen Schalter 3 für die Starterschaltung

6 geteilt oder verbunden, um zu verhindern, daß die Starterschaltung betätigt wird, solange das Potential am Nachbarschafts-Leiter 15 anliegt. Dies ist in der Fig. durch Bezugszeichen 18 gezeigt.

Fig. 12 zeigt eine spezielle äußere Darstellung der Entladungslampe gemäß Fig. 11. Ähnliche Elemente zu denen in Fig. 11 sind mit den selben Bezugszeichen bezeichnet.

Fig. 13 zeigt eine weitere Abwandlung der Entladungslampe gemäß Fig. 3, bei der die Diode 7 in Parallelschaltung zum Halbleiterschaltgerät 4 gemäß Fig. fortgelassen ist. Da bei der vorliegenden Abwandlung der Kondensator nicht durch die doppelte Spannung

der Leistungsversorgungsspannung geladen wird, werden nicht die in Fig. 3 gezeigten Hochspannungspulse erzeugt, jedoch kann diese Abwandlung als Starter-

- 18 -

■I O^mmm

schaltung für eine Entladungslampe mit relativ niedriger Startspannung verwendet werden.

Nachfolgend wird ein spezielles Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher beschrieben. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die in Fig.11 gezeigte Schaltung an eine Hochdruck-Natrium-Lampe mit einer Nennleistung von 36OW angelegt. Die lichtaussendende Röhre hat einen Innendurchmesser von 8mm und einen Abstand von Elektrode zu Elektrode von 81 mm , wobei eine geeignete Menge an Natrium-Amalgam oder eine geeignete Menge von Xenongas bei

_ι;- 150 Torr in die Röhre eingefüllt sind. Der Widerstand 16 ist ein 3OK Kohlenwiderstand. Das HaIbleitersc^altgerät 4 ist ein symmetrischer Siliziumschalter mit einem PNPNP-Übergang der durch Glas passiviert ist und dessen Oberfläche in Glas einge-

2Q bettet ist. Die Durchbruchsspannung dieses Gerätes liegt bei 480V, wobei der Betriebsstrom einen Effektivwert von 1 Ampere hat. Die Diode 7 hat einen Silicium-PN-Übergang, der durch Glas passiviert ist, wobei die äußere Fläche mit Glas umhüllt ist. Die Diode hat eine Rückwärts- Durchbruchsspannung von 600 Volt und einen Vorwärtsstrom von 1,1 Amper. Der keramische Kondensator wird auf nachfolgend beschriebene Art hergestellt:

Eine Pulvermischung aus Barium-Titanat (BaTiO ), Strontium-Titanat (SrTiO ) und Barium-Zirconat (BaZrO₃) wird zu einer Scheibe mit einem Durchmesser von 30mm und einer Dicke von 0,5mm gepreßt und zwei Stunden lang bei 1.400°C gebrannt. Der Durchmesser beträgt nach dem Brennen 25,5mm. Silberfilmelektroden mit einem Durchmesser von 23mm werden durch Backen bei 750° auf die Scheibe aufgebracht , woraufhin An-

- 19 -

schlußdrähte durch Silberlöten an dem Elektroden

_ angebracht werden. Die Anordnung wird mit einem b

Glaspulver überzogen, das einen thermischen Dehnungskoeffizienten von 90 χ 10" /⁰C aufweist, und wird daraufhin gebrannt. Die statische Kapazität des Kondensators , der verwendet wurde, beträgt 0,1μΡ. _n Die obigen Schaltungskomponenten werden in der in Fig. 11 gezeigten Weise verdrahtet und in einem äußeren Kolben 8 untergebracht, der im wesentlichen evakuiert ist. Die Entladungslampe wird mit einem Hochleistungsfaktor-Stabilisator mit einer Drosselspule für eine 400W-Hochdruck-Quecksilberlampe und mit einem Kondensator zum Verbessern des Leistungsfaktors verwendet. Die Entladungslampe wird anfänglich mit einer Leistungsversorgungsspannung von 18OV gestartet, und der temperaturempfindliche

2Q Schalter wird innerhalb von 3 Minuten nach dem Starten betätigt, um die Starterschaltung zu isolieren. Bei einem Lebensdauertest war die Entladungslampe in einem Projektor befestigt und wurde dort 10.000 Stunden lang bei einem 11-stündigen Einschaltzyklus und einem 1-stündigen Ausschaltzyklus betrieben. Keine anormalen Zustände konnten beobachtet werden.

Die Hochdruck-Metalldampfentladungslampe gemäß der vorliegenden Erfindung bietet folgende Vorteile:

^OVJ Erstens verwendet sie nicht einen mechanischen Schalter wie z.B. einen temperaturempfindlichen Schalter, um Hochspannungspulse zu erzeugen, sondern verwendet die Ladung und Entladung eines keramischen Kondensators. Daher ist die Größe der Hochspannungspulse und deren Zeitdauer sehr stabil, so daß stabile Startcharakteristika erreicht werden.

- 20 -

333028" ■IS-

Zweitens braucht keine Schaltung zum Absorbieren anormaler Pulse eingebaut werden, da unerwünscht

hohe Spannungspulse nicht erzeugt werden. Daher 5

entfällt ein komplizierter Zusammenbau, so daß eine wirtschaftliche Entladungslampe geschaffen ist.

Drittens ist der Einbau der Schaltung in die Entladungslampe einfach, und die Schaltung hat hervorragende Anti-Vibrations-Eigenschaften, da der Widerstand der Starterschältung keine Wolfram-Wicklung verwendet.

Viertens können ausreichend hohe Spannungspulse

zum Starten der Entladungslampe durch Gebrauchmachen von der Spannungs-Ladungs-Charakteristik des keramischen Kondensators erzeugt werden, da 2Q der Kondensator der Startschaltung ein keramischer Kondensator ist.

Fünftens ist die Anordnung kompakt und einfach in der Handhabung, da die Komponenten der Starterschaltung in dem äußeren Kolben untergebracht sind. Um alle Komponenten der Starterschaltung in die Entladungslampe einzubauen, muß wenigstens der keramische Kondensator in Reihe mit dem Halbleiterschaltgerät geschaltet werden. Wenn der Kondensator direkt in Parallelschaltung zur lichtaussendenden Röhre geschaltet wird, werden nicht die zum Starten der Entladungslampe nötigen Hochspannungspulse erzeugt, und ferner müßte der Durchmesser des Kondensators sehr groß sein, um einen hohen Kopplungsgrad bei üblichen Leistungsversorgungsfrequenzen zu erreichen. Als Ergebnis hiervon würde die Abmessung sehr groß, was einen Einbau in die Ent-

- 21 -

ladungslampe verhindern würde.

Sechstens ist die jeweilige Hitzebeständigkeit

der jeweiligen Komponenten ausreichend hoch und die Funktionen dieser Komponenten werden in der Hochtemperaturumgebung nicht beeinflußt oder gehen verloren, da die äußere Fläche des keramischen Kondensators und des Halbleiterschaltgerätes der Starterschaltung mit Glasmaterial bedeckt sind und da die Schaltung in Vakuum oder in einer Edelgasumgebung in dem äußeren Kolben über den _1{- temperaturempfindlichen Schalter angeordnet ist.

Die vorliegende Erfindung schafft daher eine praktische Hochdruck-Metalldampf-Entladungslampe, die die Starterschaltung selbst enthält und die zu einem 2Q erheblichen industriellen Fortschritt führt.

Claims

JRÜNECKER, KINKELDEY, STOCKVfMR & PARTNER

Iwasaki Electric Co. LTD 12-4, Shiba 3-chome Minato-ku Tokyo Japan

PATENTANWÄLTE

M ΡΑΓΕΝΤ ΑΓΤΟΜΜ6Υ3

A. GRUNECKEH. ο«.·»«

OR H. KINKELDEY. o«.i~Q

DR W. STOCKMAlR. OPL-iN(i.*eeic**.TeCM»

D" K SCHUMANN, opi pm»s

P H JAKOB, cm. ims

DR Q SEZOLD. r··*- chem

W MEISTER, ait ing

H. HILGERS. OPi. "Λ

DR H MEYER-PLATH. o«.m

80OO MÜNCHEN 22 MAX.M1UANSTRASSE 5β

22.8.1983

PH 18 074-205/win

Hochdruck-Metalldampf-Entladungslampe

Patentansprüche

/T> Hochdruck-Metalldampf-Entladungslampe, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

eine Starterschaltung (6), die parallel zu einer lichtaussendenden Röhre (1) mit wenigstens einem Paar von Hauptelektroden (2a,2b) geschaltet ist;

wobei die Starterschaltung (6) eine Reihenschaltung mit wenigstens folgenden Elementen aufweist:

(i)einem temperaturempfindlichen Schalter (3), der bei Raumtemperatur geschlossen ist und bei einer hohen Temperatur geöffnet ist,

(ü)einem spannungsempfindlichen Halbleiter-Schalt-

333Ü2ÖÖ

gerät (4), das mit Glasmaterial umgeben ist,

(iii)einem keramischer Kondensator (5) der mit

Glasmaterial umgeben ist und eine nichtlineare Spannungs-Ladungs-Charakteristik aufweist,

wobei die Starterschaltung (6) und die lichtaussendende Röhre (1) in einem äußeren Kolben (8) untergebracht sind, der mit einer geeigneten Menge an Edelgas gefüllt ist oder im wesentlichen eva-

,p- kuiert ist; und

wobei die Starterschaltung (6) an eine Wechselstrom-Leistungsversorgung über einen induktiven Stabilisator (10) angeschlossen ist.
2. Hochdruck-Metalldampf-Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Diode (7), die mit Glasmaterial umgeben ist, in Parallelschaltung zu dem Halbleiter-Schaltgerät (4) der Starterschaltung (6) liegt.
3- Hochdruck-Metalldampf-Entladungslampe nach Anspruch oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Kondensator (5) der Starterschaltung (6) im wesentlichen aus Barium-Titanat (BaTiOO besteht, und daß eine geeignete Menge von Barium-Zirconat (BaZrO-) hierzu beigefügt ist, um einen Curier-Punkt und damit einen zweiten Übergangspunkt derart zu verschieben, daß eine spezielle Dielektrizitätkonstan· te von 5-000-20.000 erreicht wird.
4. Hochdruck-Metalldampf-Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzei ch-

n e t. daß ein Widerstand (12) in Reihe mit der ο

aus dem temperaturempfindlichen Schalter (3)/dem Halbleiterschaltgerät (4) und dem keramischen Kondensator (5) bestehenden Reihenschaltung liegt.
5. Hochdruck-Metalldampf-Entladungslampe nach einem

der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand (12) in Reihe geschaltet ist mit der Reihenschaltung des temperaturempfindlichen Schalters (3), der Parallelschaltung des HaIb- ^g leiterschaltgerätes (4) und der Diode (7) , und dem keramischen Kondensator (5).
6. Hochdruck-Metalldampf-Entladungslampe nach einem

der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hilfselektrode (15) in der Nähe von einer Elektrode (2b) des Paares von Hauptelektroden (2a,2b) der lichtaussendenden Röhre (1) vorgesehen ist, und daß eine Reihenschaltung des Halbleiter-Schaltgerätes (4) und des keramischen Kondensators (5) zwischen dieser Hauptelektrode (2b) und der Hilfselektrode (15) direkt oder über einen Startwiderstand (14) geschaltet ist.
7- Hochdruck-Metalldampf-Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hilfselektrode (15) in der Nähe

einer Elektrode (2b) des Paares von Hauptelektroden (2a,2b) der lichtaussendenden Röhre (1) vorgesehen ist, und daß eine Reihenschaltung der Parallelschaltung bestehend aus dem Halbleiterschaltgerät (4) und der Diode (7), und des keramischen Kondensators (5) zwischen dieser Hauptelektrode (2b )und der Hilfs-

elektrode (15) angeschlossen ist.
8. Hochdruck-Metalldampf-Entladungslampe nach einem 5

der Ansrüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtaussendende Röhre (1) aus Quarzglas besteht und mit Quecksilber, Startgas, einigen geeigneten lichtaussendenden Metallen und sowie Halogen oder mit einer Mischung dieser Elemente gefüllt ist.
9. Hochdruck-Metalldampf-Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzei chnet, daß ein Widerstand (16) zum Einstellen eines Pulsintervalles in Reihe mit der Diode (7) der Startschaltung (6) liegt, um eine Reihenschaltung zu bilden, und daß diese Reihenschaltung (7,16) in Parallelschaltung mit dem Halbleiterschaltgerät (4) liegt.
10. Hochdruck-Metalldampf-Entladungslampe nach einem

der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Nachbarschafts-Leiter (15) zum Unterstützen des Starters der Entladungslampe an einer äußeren Wand der lichtaussendenden Röhre (1) befestigt ist, und daß der Nachbarschafts-Leiter (15) beim Starten der Entladungslampe auf der gleichen Spannung wie eine Elektrode (2b) des Paares der Hauptelektroden (2a,2b) gehalten wird, und daß die andere Hauptelektrode (2a) mit einer Gegenelektrodenspannung beaufschlagt wird.
11. Hochdruck-Metalldampf-Entladungslampe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die an die andere Hauptelektrode (2a) der lichtaussendenden Röhre (1) beim Start der Entladungslampe

-5-

angelegte Gegenelektrodenspannung durch Fortbewegen des Nachbarschafts-Leiters (15)von der äußeren Wand der lichtaussendenden Röhre (1) oder durch Unterbrechen einer Schaltung (17) zum Anliegen der Spannung an den Nachbarschafts-Leiter (15) nach dem Starten der Entladungslampe entfernt wird.
12. Hochdruck-Metalldampf-Entladungslampe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Anlegen oder Entfernen der Gegen-

,,- elektrodenspannung an oder von der anderen Hauptelektrode (2a) der lichtaussendenden Röhre (1) Anteil hat an oder verbunden ist mit dem temperaturempfindlichen Sdalter (3) der Startschaltung (6), um zu verhindern, daß die Startschaltung (6) be-

2Q tätigt wird, bis die Gegenelektrodenspannung an die andere Hauptelektrode (2a) angelegt wird.

13- Hochdruck-Metalldampf-Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtaussendende Röhre (1) aus lichtdurchlässiger Keramik besteht, und mit Alkali-Metall und / oder anderen lichtaussendenden Metallen, mit Startgas und mit einer Puffergasquelle gefüllt ist.