DE69103942T2

DE69103942T2 - Hochdruck-Metalldampfentladungslampe.

Info

Publication number: DE69103942T2
Application number: DE69103942T
Authority: DE
Inventors: Takenobu Iida; Shunichi Sasaki
Original assignee: Iwasaki Denki KK
Current assignee: Iwasaki Denki KK
Priority date: 1990-04-02
Filing date: 1991-03-28
Publication date: 1995-04-27
Anticipated expiration: 2011-03-29
Also published as: EP0450523B1; AU7402991A; DE69103942D1; US5138231A; EP0450523A1; AU633414B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochdruckmetalldampfentladungslampe.
Zur Zündung einer Hochdruckmetalldampfentladungslampe, wie beispielsweise einer Hochdrucknatriumlampe, muß eine hohe Entladungszündspannung an die Lampe angelegt werden. Zu diesem Zweck wurden auf diesem Gebiet der Technik eine Vielzahl von Einheiten zur Zündung von Entladungslampen vorgeschlagen.
Ein Beispiel einer herkömmlichen Einheit zur Zündung einer Entladungslampe wird mit Bezug auf Figur 1 beschrieben.
Wie in Figur 1 gezeigt, ist eine Strom- und/oder Spannungsquelle 10 mit einer Röhre 12 in Reihe geschaltet, welche durch eine Reihenschaltung aus einem Thermoschalter 14 und einem nichtlinearen keramischen Kondensator oder einem ferroelektrischen Kondensator 16 (in der Folge als "ein FEC 16" bezeichnet) nebengeschlossen ist. Die Röhre 12, der Thermoschalter 14 und der FEC 16 sind in einen Kolben 20 eingebaut. Der Thermoschalter 14 bleibt bei Zimmertemperatur geschlossen; das heißt, er wird bei Ansteigen der Umgebungstemperatur auf einen vorbestimmten Wert geöffnet.
Bei Einschalten der Lampe wird durch den bei Zimmertemperatur geschlossenen Thermoschalter 14 auf den FEC 16 Energie übertragen und somit der FEC 16 geladen; das heißt, der FEC 16 erzeugt eine Pulsspannung, die Entladungen in der Röhre 12 bewirkt.
Als Folge davon wird die Röhre 12 eingeschaltet und somit die Umgebungstemperatur erhöht. Dadurch wird der Thermoschalter geöffnet (oder ausgeschaltet) und folglich die Erzeugung der Pulsspannung durch den FEC 16 gestoppt, um eine an den FEC 16 angelegte Last auszuschalten.
Ein zweites Beispiel der herkömmlichen Einheit zur Zündung der Entladungslampe ist in Figur 2 gezeigt. Wie aus dem Vergleich der Figur 1 mit Figur 2 hervorgeht, kann die in Figur 2 gezeigte Einheit zur Zündung der Entladungslampe dadurch erhalten werden, daß ein Halbleiterschalter 18 mit der Reihenschaltung aus dem Thermoschalter 14 und dem FEC 16 des ersten Beispiels der herkömmlichen, in Figur 1 gezeigten Einheit zur Zündung der Entladungslampe in Reihe geschaltet wird. Durch den Anschluß des Halbleiterschalters 18 an die Reihenschaltung kann die durch den FEC 16 erzeugte Pulsspannung wirkungsvoller zur Zündung der Entladungslampe 12 eingesetzt werden.
Ein drittes Beispiel der herkömmlichen Einheit zur Zündung der Entladungslampe ist in Figur 3 gezeigt. Bei dem dritten Beispiel ist eine Strom- und/oder Spannungsquelle 10 durch ein Vorschaltgerät 19 an eine Röhre 12 (mit einer polykristallinen Aluminiumoxidröhre) angeschlossen, welche durch eine Reihenschaltung aus einem Thermoschalter 14, wie beispielsweise einem Bimetallschalter, und einem FEC 16 nebengeschlossen ist. Der Thermoschalter bleibt bei Zimmertemperatur geschlossen; das heißt, er wird bei Ansteigen der Umgebungstemperatur auf einen vorbestimmten Wert geöffnet.
Die Einheit zur Zündung der Entladungslampe umfaßt des weiteren einen zur Unterstützung der Zündung vorgesehenen Leiter 48, welcher sich von dem Verbindungspunkt des Thermoschalters 14 und des FECs 16 aus im wesentlichen über die gesamte Länge der Röhre 12 hinweg erstreckt und mit der Außenoberfläche der Röhre 12 in Kontakt steht. Das heißt, der Leiter 48 weist ein Ende 48a auf, welches ein freies Ende ist, sowie das andere Ende 48b, welches mit dem Verbindungspunkt des Thermoschalters 14 und des FECs 16 verbunden ist. Diese Elemente 12, 14, 16 und 48 sind in einen Außenkolben 20 eingebaut.
Zum Einschalten der Lampe läßt man Strom von der Stromund/oder Spannungsquelle 10 durch den Thermoschalter 14, welcher bei Zimmertemperatur geschlossen ist, zu dem FEC 16 fließen, um diesen zu laden. Als Folge davon erzeugt der FEC 16 eine hohe Pulsspannung. Die hohe Pulsspannung wird zusammen mit der Netzspannung an die Röhre 12 angelegt, um in dieser Röhre 12 Entladungen zu bewirken.
Folglich wird die Röhre 12 eingeschaltet, und die Umgebungstemperatur steigt, so daß der Thermoschalter 14 ausgeschaltet und somit die Oszillation des FECs 16 beendet wird. Die Lampe bleibt daher auf die übliche Art und Weise eingeschaltet.
Der über der Röhre 12 liegende, zur Unterstützung der Zündung vorgesehene Leiter 48 wird zum Anlegen eines elektrischen Feldes im Inneren der Röhre verwendet, um die Zündspannung zu verringern, wodurch die Erzeugung von Entladungen in der Röhre 12 bei der Zündung der Lampe verbessert wird.
Figur 4 zeigt ein viertes Beispiel der herkömmlichen Einheit zur Zündung der Entladungslampe. Das vierte Beispiel der herkömmlichen Einheit zur Zündung der Entladungslampe kann durch folgende Modifikation des oben beschriebenen dritten Beispiels (Figur 3) erhalten werden: Der Thermoschalter 14 wird aus dem dritten Beispiel (Figur 3) weggelassen, und stattdessen werden Thermoschalter 14a und 14b an beide Enden des zur Unterstützung der Zündung vorgesehenen Leiters 48 wie in Figur 4 gezeigt angeschlossen. Der zur Unterstützung der Zündung vorgesehene Leiter 48 wird nach der Zündung der Lampe elektrisch aus der Schaltung ausgeschaltet. Der an einem Ende des zur Unterstützung der Zündung vorgesehenen Leiters 48 angeschlossene Thermoschalter 14a ist mit der Strom- und/oder Spannungsquelle 10 durch das Vorschaltgerät 19 in Reihe geschaltet. Der an dem anderen Ende des zur Unterstützung der Zündung vorgesehenen Leiters 48 angeschlossene Thermoschalter 14b ist an den FEC 16 angeschlossen und ist bei Zimmertemperatur geschlossen. Daher steigt die Umgebungstemperatur, wenn die Lampe eingeschaltet bleibt, wodurch die Thermoschalter 14a und 14b ausgeschaltet werden. Als Folge davon wird der zur Unterstützung der Zündung vorgesehene Leiter 48 elektrisch aus der Schaltung ausgeschaltet. Das vierte Beispiel der herkömmlichen Einheit zur Zündung der Entladungslampe umfaßt einen Halbleiterschalter 18, welcher mit dem FEC 16 in Reihe geschaltet ist, welcher wie oben beschrieben an den Thermoschalter 14b angeschlossen ist; und einen Widerstand 24, welcher zu dem Halbleiterschalter 18 parallel geschaltet ist. Der Widerstand 24 dient zur Stabilisierung der Schaltphase.
Die oben genannten, in den Figuren 1 bis 4 gezeigten Beispiele der herkömmlichen Einheit zur Zündung der Entladungslampe weisen bezüglich folgender Punkte Nachteile auf:
Der FEC 16 ist ein ferroelektrischer keramischer Kondensator, welcher bei Temperaturen unter der Curie-Temperatur Ferroelektrizität aufweist, und bei höheren Temperaturen Paraelektrizität.
Beim Zünden der Lampe liegt die Temperatur des FECs 16 bei Zimmertemperatur unter der Curie-Temperatur. Daher weist der FEC 16 Ferroelektrizität auf und ist somit in der Lage, die Pulsspannung zu erzeugen; es sollte jedoch darauf hingewiesen werden, daß der FEC 16 mit der Spannung gepolt wird.
Figur 5 zeigt die Dielektrizitätskonstantencharakteristik des FECs. Wie aus Figur 5 ersichtlich ist, ist der FEC bei Temperaturen unter der Curie-Temperatur (etwa 90ºC) ein ferroelektrisches Element; der FEC wird als ferroelektrisches Element mit der Erzeugung der Pulsspannung gepolt, wenn die Lampe gezündet wird.
Andererseits wird, während der Betrieb der Lampe kontinuierlich fortgesetzt wird, der FEC 16 durch die Wärme der Röhre 12 auf einer Temperatur über der Curie-Temperatur gehalten, wodurch er zum paraelektrischen Element wird.
Sobald aus dem ferroelektrischen Element, das gepolt wurde, ein paraelektrisches Element entstanden ist (in diesem Fall durch den Temperaturanstieg), findet eine Entladung statt. Der fließende Strom wird in diesem Fall als "pyroelektrischer Strom" bezeichnet. Der pyroelektrische Strom erreicht bei einer Temperatur knapp unter der Curie-Temperatur ein Maximum, und der FEC wird somit entladen (vergleiche "Ceramic Engineering for Dielectrics, Seite 13, von Kiyoshi Okazaki, herausgegeben von Gakkensha).
Wenn bei jeder der in den Figuren 1 bis 4 gezeigten Schaltungen die Lampe kontinuierlich betrieben wird und der Thermoschalter 14 bei einer Temperatur unter der Curie- Temperatur des FECs 16 (welche, wie aus Figur 5 ersichtlich, 90ºC beträgt) ausgeschaltet wird, findet durch die keramischen Korngrenzen des FECs 16 oder mittels der Oberflächenentladung (Koronaentladung) zwischen den beiden Elektroden des FECs 16 die Entladung statt.
Somit findet der Polungs- und Entladungsprozeß bei jedem Einund Ausschalten der Lampe statt. Bei einer Hochdruckmetalldampfentladungslampe ist der Außenkolben stark evakuiert, und deshalb ist die Entladung durch die Korngrenze beträchlich, der Widerstand der Korngrenzen ist verringert, und tan δ erhöht. Daher wird in Figur 6 der Endabschnitt Q, welcher die P (Polung) - E (elektrisches Feld)- Hysteresecharakteristikkurve abschließt, allmählich weiter; das heißt, der Hystereseübergang wird undeutlich. Folglich wird die Schalteigenschaft des FECs 16 herabgesetzt und die Pulsspannung verringert. Unter diesen Umständen ist schließlich das Zünden der Lampe unmöglich und die Standzeit der Lampe eventuell verkürzt.
Des weiteren bleibt bei jeder der in den Figuren 3 und 4 gezeigten herkömmlichen Einheiten zur Zündung einer Entladungslampe der zur Unterstützung der Zündung vorgesehene Leiter 48 während des Betriebs der Röhre 12 in Kontakt mit der Röhre 12, wodurch sich die Temperatur der Wand der Röhre 12 teilweise erhöht; das heißt, die Temperaturverteilung der Wand der Röhre 12 wird ungleichmäßig, was zu einer Bildung von Rissen in der Wand der Röhre 12 führen kann. Des weiteren kann das Natrium in der Röhre 12 durch die Wand der Röhre auslaufen, da an den zur Unterstützung der Zündung vorgesehenen Leiter 48 oberflächenabgeleitete Spannung angelegt wird.
Bei der in Figur 3 gezeigten herkömmlichen Einheit zur Zündung einer Entladungslampe wird während des Betriebs der Lampe durch den FEC 16 an die Röhre 12 Spannung angelegt. Daher ist bei einer Entladungslampe mit hoher Betriebstemperatur der Natriumverlust höher. Folglich ist die Einheit zur Zündung von Entladungslampen für Hochleistungsentladungslampen nicht einsetzbar, weil sie bei einer höheren Temperatur der Röhre arbeitet. Wenn die Temperatur der Wand der Röhre 12 steigt, so verringert sich der Isolationswiderstand der Wand, so daß die Bogenentladungssäule in der Röhre 12 derart mit dem FEC 16 elektrisch verbunden ist, als wäre ein Widerstand dazwischen. Folglich wird an den FEC 16 eine Hochspannung angelegt, so daß mit der dünnen Scheibe der Metallfilmelektrode eine Migration stattfindet, wodurch die Pulsspannung sinkt und der FEC 16 selbst eventuell verschlechtert wird.
Bei der in Figur 4 gezeigten herkömmlichen Einheit zur Zündung einer Entladungslampe wird das Lichtbogenpotential in der Röhre 12 durch die Röhrenwand an den zur Unterstützung der Zündung vorgesehenen Leiter 48 angelegt, obwohl der zur Unterstützung der Zündung vorgesehene Leiter 48 aus der Schaltung ausgeschaltet ist. Daher verursacht die Einheit zur Zündung der Entladungslampe auch den Natriumverlust. Außerdem sind die an beide Enden des zur Unterstützung der Zündung vorgesehenen Leiters 48 angeschlossenen Thermoschalter 14a und 14b bezüglich ihrer Verwendung nicht praktisch. Das heißt, bei jedem der Thermoschalter bereitet die Einstellung des Kontaktdrucks Schwierigkeiten. Und bei einer Entladungslampe mit einem kleinen Außenkolben ist es aufgrund des unzureichend großen Raumes des Außenkolbens ziemlich schwierig, den Thermoschalter darin einzubauen.
Zur Beseitigung dieser Schwierigkeiten wurde die folgende Einheit zur Zündung von Entladungslampen vorgeschlagen: Das heißt, in der Einheit zur Zündung von Entladungslampen, wie sie in Figur 3 oder 4 gezeigt ist, ist ein auf Wärme ansprechendes Teil wie beispielsweise ein Bimetallelement an mindestens ein Ende des zur Unterstützung der Zündung vorgesehenen Leiters angeschlossen, und das freie Ende des auf Wärme ansprechenden Teils ist fest an eine Stütze geschweißt. Der Kontaktdruck des auf Wärme ansprechenden Teils wird so eingestellt, daß während des Betriebs der Lampe der zur Unterstützung der Zündung vorgesehene Leiter durch die dadurch erzeugte Wärme von der Wand der Röhre wegbewegt wird (vergleiche veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. JP-A-63-1754465).
Der oben beschriebene zur Unterstützung der Zündung vorgesehene Leiter weist den Vorteil auf, daß das Auslaufen des Natriums in der Röhre verhindert wird und an der Wand des Außenkolbens kaum Risse entstehen. Die Einheit weist jedoch bezüglich der folgenden Punkte nach wie vor Nachteile auf: Der zur Unterstützung der Zündung vorgesehene Leiter wird zwar während des Betriebs der Lampe durch das auf Wärme ansprechende Teil von der Röhre weggehalten, doch bei erneuter Zündung der Lampe wird nach einer Energieunterbrechung über einige Sekunden hinweg sowie dem Ausschalten der Lampe, was als "Restart" bezeichnet wird, der zur Unterstützung der Zündung vorgesehene Leiter manchmal mit der Außenwand der Röhre in Kontakt gebracht, nachdem der FEC die Pulsspannung erzeugt hat. In diesem Fall bedeutet dies, daß der FEC die Pulsspannung unter der Bedingung erzeugt, daß der zur Unterstützung der Zündung vorgesehene Leiter nicht im Einsatz ist und die Lampe nicht aufleuchtet. Somit ist eine vorzeitige Verschlechterung des FECs unvermeidbar. Des weiteren sollte vielleicht auch der Fall Berücksichtigung finden, bei dem der zur Unterstützung der Zündung vorgesehene Leiter mit der Außenwand der Röhre in Kontakt gebracht wird, bevor der FEC die Pulsspannung erzeugt. In diesem Fall muß die Temperatur des FECs geringer als dessen Curie-Punkt sein, um die Pulsspannung zu erhalten, welche die Entladungslampe zündet oder erneut zündet.
Ebenso wird auf das Dokument US-A-3 872 340 verwiesen, das eine Hochdrucknatriumdampflampe offenbart, welche eine aus einem Paar thermisch verformbarer Bimetallarme bestehende Zündhilfe umfaßt.
Hinsichtlich der oben erwähnten Punkte liegt eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Beseitigung der oben beschriebenen Schwierigkeiten, welche bei einer herkömmlichen Hochdruckmetalldampfentladungslampe auftreten.
Diese Aufgabe wird durch die Hochdruckmetalldampfentladungslampe gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Weitere Merkmale, Aspekte und Einzelheiten der erfindungsgemäßen Entladungslampe und/oder deren Zündschaltung gehen aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen hervor. Die Ansprüche sollen als erster, nicht einschränkender Versuch einer allgemeinen Definition der Erfindung verstanden werden.
Die Erfindung schafft eine Hochdruckmetalldampfentladungslampe mit ausreichend langer Standzeit ohne dem Problem der vorzeitigen Verschlechterung des FECs durch den pyroelektrischen Strom, welcher nach der Polung während der Entladung fließen kann.
Ferner schafft die Erfindung eine Hochdruckmetalldampfentladungslampe, bei welcher während des kontinuierlichen Betriebs der Lampe deren zur Unterstützung der Zündung vorgesehener Leiter von der Röhre wegbewegt wird, wodurch bei der Röhre das Auslaufen von Natrium sowie die Bildung von Rissen verhindert wird, und wobei der zur Unterstützung der Zündung vorgesehene Leiter bei erneuter Zündung die Wand der Röhre sicher berührt, bevor die FEC- Zündeinheit erregt wird und die von der Einheit erzeugten Zündpulse die Lampe wirkungsvoller zünden, wobei der FEC bei einer Temperatur unter dessen Curie-Punkt arbeiten kann, wodurch die Lampe gezündet und erneut gezündet werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt stellt die Erfindung eine Hochdruckmetalldampfentladungslampe zur Verfügung, welche folgendes umfaßt: eine an eine Strom- und/oder Spannungsquelle angeschlossene Röhre; eine Lampenzündschaltung mit einer Reihenschaltung aus einem Thermoschalter und einem nichtlinearen keramischen Kondensator, wobei die Reihenschaltung zu der Röhre parallel geschaltet ist; und einen zu dem nichtlinearen keramischen Kondensator parallel geschalteten Widerstand zur Überbrückung von pyroelektrischem Strom; und einen Lampenaußenkolben, in dem sich die Röhre und die Lampenzündschaltung befinden. Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung eine Hochdruckmetalldampfentladungslampe zur Verfügung, bei welcher eine Röhre zu einer Reihenschaltung aus einem Zünder mit einem nichtlinearen keramischen Kondensator und einem Thermoschalter, durch welchen der Zünder an eine Stromund/oder Spannungsquelle angeschlossen ist, parallel geschaltet ist, und wobei ein zur Unterstützung der Zündung vorgesehener Leiter derart zur Verfügung gestellt ist, daß der zur Unterstützung der Zündung vorgesehene Leiter durch ein auf Wärme ansprechendes Teil mit der Röhrenwand der Röhre in engen Kontakt gebracht wird und von ihr wegbewegt wird; wobei der Thermoschalter bei Temperaturen unter dem Curie- Punkt des nichtlinearen keramischen Kondensators geschaltet wird und das auf Wärme ansprechende Teil schaltet, um den zur Unterstützung der Zündung vorgesehenen Leiter vor dem Einschalten des Thermoschalters bei erneuter Zündung in engen Kontakt mit der Röhre zu bringen.
Bei der ersten so konstruierten Entladungslampe dient der zu dem nichtlinearen keramischen Kondensator parallel geschaltete Widerstand zur Überbrückung von pyroelektrischem Strom dazu, den pyroelektrischen Strom zu überbrücken, welcher fließen kann, indem eine Entladung stattfindet, nachdem der nichtlineare keramische Kondensator gepolt ist, was bei dem Ein- und Ausschalten der Lampe verursacht wird, so daß die Schalteigenschaft des nichtlinearen keramischen Kondensators auf zufriedenstellende Art und Weise aufrechterhalten und somit die Standzeit der Entladungslampe verlängert wird.
Bei der zweiten Entladungslampe bewegt das auf Wärme ansprechende Teil, während die letztgenannte Lampe gezündet wird, den zur Unterstützung der Zündung vorgesehenen Leiter weg von der Röhre, wodurch bei der Röhre das Problem des Auslaufens von Natrium oder der Bildung von Rissen in der Wand der Röhre beseitigt wird. Der einen Zünder ausbildende nichtlineare keramische Kondensator arbeitet bei einer Temperatur unter dem Curie-punkt, und bei erneuter Zündung wird der zur Unterstützung der Zündung vorgesehene Leiter durch das auf Wärme ansprechende Teil in engen Kontakt mit der Röhre gebracht, bevor der Thermoschalter, welcher zum Anschluß des Zünders an der Strom- und/oder Spannungsquelle ausgeführt ist, eingeschaltet wird, wodurch der nichtlineare keramische Kondensator die Pulsspannung mit hohem Wirkungsgrad erzeugen kann und somit die Lampe erneut gezündet wird.
Die Art, das Prinzip und die Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung werden durch die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen verdeutlicht, bei welchen gleiche Teile durch gleiche Bezugszeichen bzw. Ziffern bezeichnet sind.
Figuren 1 bis 4 zeigen Schaltbilder, welche jeweils eines der Beispiele eins bis vier einer herkömmlichen Hochdruckmetalldampfentladungslampe zeigen;
Figur 5 zeigt eine grafische Darstellung, welche die Veränderung der Dielektrizitätskonstante eines FECs in Abhängigkeit von der Temperatur auf zeigt;
Figur 6 zeigt eine grafische Darstellung, welche eine gewöhnliche Polung/elektrisches Feld-Hysteresecharakteristik des FECs zeigt.
Figur 7 zeigt ein Schaltbild, welches ein erstes Beispiel einer erfindungsgemäßen Hochdruckmetalldampfentladungslampe darstellt;
Figur 8 zeigt eine grafische Darstellung, welche die bei Veränderung des Widerstandswertes eines Widerstands zur Überbrückung von pyroelektrischem Strom von einem FEC erzeugten Pulsspannungen aufzeigt;
Figur 9 zeigt ebenfalls eine grafische Darstellung, welche erzeugte Pulsspannungen mit Ein-/Ausschaltperioden im Falle einer Veränderung des Widerstandswertes des Widerstands zur Überbrückung von pyroelektrischem Strom auf zeigt.
Figur 10 zeigt ein Diagramm, welches eine zum Erhalt der in Figur 9 aufgezeigten Daten verwendete Versuchsschaltung darstellt;
Figuren 11 und 12 zeigen Schaltbilder, welche ein zweites bzw. drittes Beispiel der erfindungsgemäßen Hochdruckmetalldampfentladungslampe darstellen;
Figuren 13 und 14 zeigen Schaltbilder, welche Modifikationen des ersten bzw. zweiten Beispiels der erfindungsgemäßen Hochdruckmetalldampfentladungslampe darstellen;
Figuren 15 und 16 zeigen Schaltbilder, welche ein viertes bzw. fünftes Beispiel der erfindungsgemäßen Hochdruckmetalldampfentladungslampe darstellen;
Figur 17 zeigt eine graphische Darstellung, welche erzeugte Pulsspannungen in Abhängigkeit der Temperatur des FECs aufzeigt, falls die Lampe mit einem 125W- Quecksilberlampenvorschaltgerät betrieben wird; UND
Figur 18 zeigt eine graphische Darstellung, welche die Hystereseeigenschaft des FECs bei bestimmter Leitung auf zeigt.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Es werden bevorzugte Ausführungs formen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, bei welchen Teile, welche zweckmäßig den mit Bezug auf Figuren 1 bis 4 beschriebenen Teilen entsprechen, daher durch dieselben Bezugszeichen bzw. Ziffern bezeichnet sind.
Figur 7 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Hochdruckmetalldampfentladungslampe, welche eine erste Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Die Hochdruckmetalldampfentladungslampe umfaßt:
eine durch eine Reihenschaltung aus einem Thermoschalter 14 und einem FEC 16 nebengeschaltete Röhre 12; einen zu dem FEC 16 parallel geschalteten Widerstand 22 zur Überbrückung von pyroelektrischem Strom. Diese Elemente 12, 14, 16 und 22 sind in einen Außenkolben 20 eingebaut.
Bei dieser Ausführungsform wird zur Bildung des FECs 16 ein Substrat, welches bevorzugt einen Durchmesser von 15,5 mm und eine Dicke von 0,65 mm aufweist sowie im wesentlichen Bariumtitanat enthält, wie folgt gebildet: Von dem Bariumtitanat (BaTiO&sub3;) wird das Barium (Ba) durch Strontium (Sr), das Titanium (Ti) teilweise durch Zirkon (Zr) und Hafnium (Hf) ersetzt. Dem somit erhaltenen Pulver werden Mineralisatoren aus Mangan (Mn) und Chrom (Cr) zugegeben. Das dadurch entstandene Pulver wird zur Bildung des oben genannten Substrats gepreßt und gesintert. Durch Metallisierung wird an beiden Seiten des Substrats eine dünne Schicht mit einem Durchmesser von vorzugsweise 14,5 mm gebildet. Die dünnen Schichten werden mit Glas beschichtet, um somit als Elektroden mit Leitungsklemmen (lead terminals) zu dienen (vgl. US-Patent Serial No. 4,807,085).
Bei der Röhre 12 kann es sich beispielsweise um eine 110W- Hochdrucknatriumlampe handeln.
Der Thermoschalter 14 ist so ausgeführt, daß er bei 60ºC schaltet. Dies beruht auf folgender Tatsache: Wenn während des Betriebs der Lampe mit Überschreiten der Curie-Temperatur ein elektrisches Feld an dem FEC 16 erzeugt wird, ist dessen Verlust größer (tan δ), was eine Verschlechterung des FECs 16 und eine Verminderung des erzeugten Pulses zur Folge hat, so daß die Entladungslampe eventuell nicht auf zufriedenstellende Weise gezündet werden kann.
Beim Zünden der Entladungslampe steht der Thermoschalter 14 auf "ein", und deshalb wird die Spannung an den FEC 16 angelegt, so daß der FEC 16 eine Pulsspannung erzeugt und gepolt wird. Und nach dem Polen des FECs 16 erreicht die Umgebungstemperatur etwa 60ºC und der Thermoschalter 14 wird ausgeschaltet, wie oben bereits beschrieben wurde. Bei weiterer Temperaturerhöhung fließt der pyroelektrische Strom durch den Widerstand 22 zur Überbrückung von pyroelektrischem Strom, so daß der FEC 16 vollständig entladen wird. Das heißt, die in dem FEC 16 unmittelbar vor dem Ausschalten des Thermoschalters 14 geladene Energie wird durch den Widerstand 22 entladen.
Nun wird der Widerstandswert des Widerstands 22 zur Überbrückung von pyroelektrischem Strom beschrieben.
Figur 8 zeigt die Pulsspannungen, die ein FEC (mit einem Durchmesser des metallisierten Bereichs von 14,5 mm und einer Dicke von 0,65 mm) in Abhängigkeit von der Veränderung des Widerstandswertes des Widerstands 22 zur Überbrückung von pyroelektrischem Strom erzeugt. Bei dieser Messung wurde ein Vorschaltgerät von 125W, 50Hz für Quecksilberlampen gemäß der IEC-Norm und eine Netzspannung von 220V verwendet. Unter diesen Umständen muß für einen kontinuierlichen Betrieb der Lampe die somit erzeugte Pulsspannung mindestens 550V betragen. Das heißt, wie aus Figur 8 ersichtlich ist, daß der Widerstandswert des Überbrückungswiderstands 22 mindestens 50KΩ betragen sollte.
Figur 9 zeigt erzeugte Pulsspannungen mit Ein- /Ausschaltperioden im Falle einer Veränderung des Widerstandswertes des Widerstands 22 zur Überbrückung von pyroelektrischem Strom. Bei dieser Messung handelte es sich bei der verwendeten Lampe um eine 110W-Hochdrucknatriumlampe für ein 125W-Quecksilberlampenvorschaltgerät. Die Lampe wurde entsprechend der in Figur 8 gezeigten Messung zusammen mit dem Vorschaltgerät verwendet. Und zur Verhinderung der Beeinflussung der Daten durch Rauschen wurde die Messung der Pulsspannungen bei nicht gezündeter Lampe durchgeführt. Genauer gesagt wurde eine wie in Figur 10 gezeigte Schaltung zur Messung der pulsspannungen mit einer Netzspannung von 100V verwendet. In der Schaltung ist eine Wechselstromquelle (100V, 50 Hz) durch eine Drosselspule (MVL 125W) an eine Parallelschaltung aus einem FEC und einem Widerstand (Rc) zur Überbrückung von pyroelektrischem Strom angeschlossen, so daß über den Zwischenwiderstand (Rc) eine Pulsspannung Vp gemessen wird.
In diesem Fall muß zum kontinuierlichen Betrieb der Lampe die erzeugte Pulsspannung Vp mindestens 550 Volt betragen. Daher sollte, wie aus Figur 10 ersichtlich ist, der Widerstand im Bereich von 50 kΩ bis 10 MΩ liegen.
Andererseits ist es wünschenswert, daß der Widerstandswert des Widerstands 22 zur Überbrückung von pyroelektrischem Strom weniger als 1/1000 des spezifischen Widerstands des FECs 16 beträgt. Falls der Widerstand über diesem Wert liegt, wird der Grad der Entladung durch die Korngrenzen erhöht, so daß eine erhebliche Verschlechterung des FECs 16 verursacht wird. Bei einer Verringerung des Widerstandswertes des Widerstands 22 kann der pyroelektrische Strom ohne Schwierigkeiten durch ihn hindurchfließen, und daher wird die Verschlechterung des FECs 16 ebenso verringert. Da jedoch der Widerstand als Abschaltwiderstand für die erzeugte Pulsspannung dient, wird diese verringert.
Deswegen sollte der Widerstandswert des Widerstands 22 zur Überbrückung von pyroelektrischem Strom hinsichtlich der in den Figuren 8 und 9 gezeigten Merkmale sowie der Lampenzündspannung im Bereich von 50 kΩ bis 10 MΩ liegen.
Wenn er gepolt und anschließend entladen wird, wird der FEC 16 durch den Widerstand 22 entladen, welcher einen viel niedrigeren Widerstand als die keramischen Korngrenzen des FECs aufweist, wodurch die Verschlechterung des FECs verhindert wird.
Es wurde ein Test an der oben beschriebenen Entladungslampenzündschaltung durchgeführt, welche in diesem Fall einen Widerstand zur Überbrückung von pyroelektrischem Strom von 1 MΩ und ein 125W-Quecksilberlampenvorschaltgerät umfaßte, durchgeführt. Mit der somit gebildeten Schaltung wurde die Lampe 10000mal für eine Stunde ein- und für eine Stunde ausgeschaltet; es trat jedoch überhaupt keine Verschlechterung des FECs 16 auf.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform kann ein Halbleiterschalter mit dem FEC 16 in Reihe geschaltet sein. Bei dieser Modifikation ist eine wirkungsvollere Ausnutzung der durch den FEC 16 erzeugten Pulsspannung möglich.
Figur 11 zeigt ein weiteres Beispiel der Hochdruckmetalldampfentladungslampe, welche eine zweite Ausführungsform der Erfindung darstellt. Die Schaltung umfaßt eine Reihenschaltung aus einem Thermoschalter 14 und einem FEC 16; einen mit der Reihenschaltung in Reihe geschalteten Halbleiterschalter 18; einen zu dem FEC 16 parallel geschalteten Widerstand 22 zur Überbrückung von pyroelektrischem Strom; und einen zu dem Halbleiterschalter 18 parallel geschalteten Widerstand 24.
Der Widerstand 22 zur Überbrückung von pyroelektrischem Strom hat dieselbe Funktion wie jener der ersten Ausführungsform. Der Widerstand 24 dient zur Stabilisierung der Phase beim Kippen des Halbleiterschalters 18.
Die in Figur 11 gezeigte Schaltung entstand für Versuchszwecke. Bei dieser Schaltung handelte es sich bei der Lampe um eine 360W-Hochdrucknatriumlampe, beim Widerstand 22 zur Überbrückung von pyroelektrischem Strom um 1 MΩ, und beim Widerstand 24 um 100 kΩ, der FEC 16 entsprach jenem der ersten Ausführungsform (Fig. 7), und beim Halbleiterschalter 18 handelte es sich um eine Kippspannung von 220V. Diese Elemente 12, 14, 16, 18, 22 und 24 waren in einen Außenkolben 20 eingebaut, und der Halbleiterschalter 18 war innerhalb des Sockels des Kolbens 20 angeordnet. Des weiteren wurde ein 400W-Quecksilberlampenvorschaltgerät verwendet. Mit der somit gebildeten Schaltung wurde die Lampe 10000mal für eine Stunde ein- und für eine Stunde ausgeschaltet, mit dem Ergebnis, daß überhaupt keine Verschlechterung des FECs 16 auftrat.
Figur 12 zeigt ein weiteres Beispiel der Hochdruckmetalldampfentladungslampe, welche eine dritte Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Die wie in Figur 12 gezeigte Schaltung umfaßt: einen Widerstand 30, der auf dieselbe Art und Weise wie der Widerstand zur Überbrückung von pyroelektrischem Strom der ersten Ausführungsform (Figur 7) arbeitet und als Entladungswiderstand für einen Kondensator 28 dient, welcher mit einem Phasenschieber-Vorschaltgerät 26 in Reihe geschaltet ist. Der Widerstand 30 ist zu einer Reihenschaltung aus einem FEC 16 und einem Halbleiterschalter 18 parallel geschaltet.
Im allgemeinen muß der Widerstandswert des Widerstands 30 niedriger als die Summe des Widerstandswertes des Widerstands 22 und des Widerstands 24 der zweiten Ausführungsform (Figur 11) sein. Dies dient der raschen Entladung des phasenschieberkondensators 28, um die Wiederherstellung des Zünders innerhalb kurzer Zeit zu erlangen, somit möglichst viele Pulsspannungen zu liefern und somit die Lampe ohne Schwierigkeiten zu zünden (wenn der Kondensator 28 geladen wird, wird die die Sättigungsspannung Es des FECs 16 übersteigende Ladespannung zu einer Vorspannung für den FEC 16 und beendet somit die Schaltung des FECs 16).
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wird die Hochdrucknatriumlampe verwendet; die Erfindung ist jedoch nicht darauf oder dadurch beschränkt. Das heißt, es können auch Metallhalogenlampen, Niedertemperaturquecksilberlampen und andere HID-Lampen zum Einsatz kommen.
Die oben beschriebene erste und zweite Ausführungsform (Figur 7 und Figur 11) können wie in Figur 13 bzw. Figur 14 gezeigt abgeändert werden. Das heißt, bei jeder der Modifikationen ist ein äußerer, zur Unterstützung der Zündung vorgesehener Leiter 32 zwischen dem Thermoschalter 14 und dem FEC 16 angeschlossen, um die Entladung in der Röhre 12 zu beschleunigen und somit die Entladungslampe zu zünden.
Figur 15 zeigt ein weiteres Beispiel der Hochdruckmetalldampfentladungslampe, welche eine vierte Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Wie in Figur 15 gezeigt, sind auf Wärme ansprechende Teile 50a und 50b mit beiden Enden eines zur Unterstützung der Zündung vorgesehenen Leiters 48 verbunden. Die anderen Enden der auf Wärme ansprechenden Teile 50a und 50b sind fest an einen Träger (nicht gezeigt) geschweißt. Bei dieser Ausführungsform ist der Zünder ein FEC 16, welcher durch einen Thermoschalter 14 mit einer Strom- und/oder Spannungsquelle 10 verbunden ist.
In Figur 16 bezeichnet das Bezugszeichen 54 eine Wolframspule, welche als Sicherung zur Verhinderung von Überstrom dient; 56 einen isolierenden Träger, auf welchem ein Thermoschalter 14 etc. angebracht sind; und 58a und 58b Leitungsdrähte, welche durch einen Lampensockel an die Stromund/oder Spannungsquelle angeschlossen sind. Des weiteren kann bei dieser Ausführungsform eine Röhre 12 eine 110W- Hochdrucknatriumlampe sein.
Zum Zünden der Lampe in der Schaltung muß der FEC 16 unbedingt eine geeignete Pulsspannung erzeugen. Wie aus Figur 17 ersichtlich ist, welche erzeugte Pulsspannungen in Abhängigkeit der Temperatur des FECs auf zeigt, falls die Lampe mit einem 125W-Quecksilberlampenvorschaltgerät betrieben wird, sind die von dem FEC 16 erzeugten Pulsspannungen akzeptabel, falls die TemPeratur etwa 65ºC oder weniger beträgt.
Zum Zünden der Lampe sollte der FEC 16 eine hervorragende nichtlineare Kennlinie aufweisen. Gemäß Figur 5, welche die Veränderung der Dielektrizitätskonstantencharakteristik des FECs in Abhängigkeit von der Temperatur auf zeigt, liegt der ferroelektrische Bereich unter dem Curie-Punkt (Tcp = 90ºC), wodurch die nichtlineare Kennlinie geschaffen ist. Insbesondere unter dem dritten Übergang (T3rd = 55ºC), wie in Figur 18 gezeigt, ist die P (Polung) - E (elektrisches Feld)- Hysteresecharakteristik hervorragend; daß heißt, der Strom ändert sich mit der Spannung in bedeutendem Maße. Somit kann eine hohe Pulsspannung gemäß der folgenden Gleichung erhalten werden:
Vp = -L di/dt
wobei L für Induktivität, i für Strom und t für Zeit steht.
Unter Berücksichtigung dieser Tatsache zusammen mit Figur 17, welche Pulsspannungen in Abhängigkeit von der Temperatur zeigt, kann man behaupten, daß ein Betrieb des FECs bei 65ºC oder weniger praktisch ist. Falls jedoch die Erzeugung einer derart hohen Pulsspannung für das Zünden der Lampe nicht erforderlich ist, kann der FEC bei einer Temperatur knapp unter dem Curie-Punkt des FECs betrieben werden. In der Praxis ist die oben beschriebene Schaltung so konstruiert, daß der Thermoschalter 14 eingeschaltet wird, wenn die Temperatur des FECs 16 unter etwa 65ºC liegt.
Es folgt eine Beschreibung der Funktionsweise der so konstruierten Hochdruckmetalldampfentladungslampe.
Beim Zünden der Lampe steht der Thermoschalter 14 auf "ein", so daß an den FEC 16 Hochspannung angelegt wird und somit der FEC 16 eine Pulsspannung erzeugt, um die Lampe aufleuchten zu lassen.
Wenn die Lampe auf diese Weise betrieben wird, dann wird der Thermoschalter 14 ausgeschaltet, wodurch der den Zünder ausbildende FEC 16 elektrisch von der Strom- und/oder Spannungsquelle 10 getrennt wird. Des weiteren werden die auf Wärme ansprechenden Teile 50a und 50b ebenfalls betätigt, um den zur Unterstützung der Zündung vorgesehenen Leiter 48 von der Wand der Röhre 12 wegzubewegen, wie durch die strichpunktierte Linie in Figur 15 gezeigt.
Nach dem Ausschalten der Lampe, das heißt, bei erneutem Zünden der Lampe, wird der Thermoschalter eingeschaltet, wenn die Temperatur der Röhre 12 sinkt, so daß der FEC 16 eine Pulsspannung erzeugt.
Es ist wünschenswert, daß nach Aufleuchten der Lampe der Thermoschalter 14 bei einer Temperatur unter der Curie- Temperatur des FECs 16 ausgeschaltet wird. Das heißt, falls das elektrische Feld bei einer Temperatur über dem Curie- Punkt an den FEC 16 angelegt wird, so erhöht sich der oben beschriebene Verlust (tan δ) des FECs; das heißt, dieser wird verschlechtert, womit sich die erzeugte Pulsspannung verringert. Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist, führt das Ausschalten des Thermoschalters 14 bei einer Temperatur unter dem Curie-Punkt des FECs 16 dazu, daß bei der erneuten Zündung der Thermoschalter 14 bei einer Temperatur unter dem Curie-Punkt eingeschaltet wird.
Beim erneuten Zünden der Lampe muß der zur Unterstützung der Zündung vorgesehene Leiter 48 in engen Kontakt mit der Röhre 12 gebracht werden, bevor die Erzeugung einer Pulsspannung durch den FEC 16 beginnt (oder vor dem Einschalten des Thermoschalters 14).
Zu diesem Zweck sind bei dieser Ausführungsform die mit dem zur Unterstützung der Zündung vorgesehenen Leiter 48 verbundenen auf Wärme ansprechenden Teile 50a und 50b so ausgeführt, daß diese den zur Unterstützung der Zündung vorgesehenen Leiter 48 mit der Röhre 12 in Kontakt bringen, wenn der FEC 16 bis zum Curie-Punkt abkühlt.
Die so konstruierte Entladungslampe wurde mit einem 125W- Quecksilberlampenvorschaltgerät betrieben. Etwa zwei Minuten nach dem Zündvorgang wurde der Thermoschalter 14 ausgeschaltet und der zur Unterstützung der Zündung vorgesehene Leiter 48 von der Röhre 12 wegbewegt.
Nachdem die Lampe über eine ausreichende Zeit hinweg betrieben worden war, wurde die Strom- und/oder Spannungsquelle ausgeschaltet und anschließend sofort wieder eingeschaltet. In etwa fünf Minuten wurde der zur Unterstützung der Zündung vorgesehene Leiter 48 in engen Kontakt mit der Röhre 12 gebracht. Und in etwa zwölf Minuten wurde der Thermoschalter 14 eingeschaltet. Bei diesem Betrieb lag die Temperatur des FECs 16 65ºC unter dem Curie-Punkt, und deshalb erzeugt der FEC 16 eine geeignete Puls Spannung, wodurch die Lampe erneut gezündet wird.
Figur 16 zeigt eine fünfte Ausführungsform der Hochdruckmetalldampfentladungslampe gemäß der Erfindung. Die Entladungslampe, wie sie in Figur 15 gezeigt ist, umfaßt: eine Reihenschaltung aus einem Thermoschalter 14, einem FEC 16 und einem in den Lampensockel eingebauten Halbleiterschalter 18; einen parallel zu dem Halbleiterschalter 18 geschalteten Widerstand 24; und eine Röhre 12, welche eine 400W-Hochdrucknatriumlampe ist. Der Widerstand 24 dient zur Stabilisierung der Schaltphase des Halbleiterschalters.
Die Wirkung der so konstruierten fünften Ausführungsform entspricht in etwa der der vierten Ausführungsform (Figur 15).
In der Hochdruckmetalldampfentladungslampe mit einem zur Unterstützung der Zündung vorgesehenen Leiter gemäß der vierten und fünften Ausführungsform der Erfindung ist ein Widerstand 22 zur Überbrückung von pyroelektrischem Strom zur Verfügung gestellt.
Wie oben beschrieben ist bei der erfindungsgemäßen Hochdruckmetalldampfentladungslampe der Widerstand zur Überbrückung von pyroelektrischem Strom zu dem FEC parallel geschaltet, um den pyroelektrischen Strom zu überbrücken, welcher durch Entladung des FECs nach Einschalten der Lampe und Polung des FECs fließen kann. Dadurch wird die Verschlechterung der P - E-Hysteresecharakteristik des FECs verhindert, und der FEC kann kontinuierlich eine hohe Pulsspannung liefern, wodurch sich die Standzeit der Entladungslampe verlängert.
Des weiteren wird bei der erfindungsgemäßen Hochdruckmetalldampfentladungslampe das äußere zur Unterstützung der Zündung vorgesehene Teil durch das auf Wärme ansprechende Teil während des Betriebs der Lampe von der Röhre wegbewegt, was das Problem der Rißbildung in der Wand der Röhre oder des Auslaufens von Natrium aus der Röhre beseitigt.
Zusätzlich arbeitet der FEC bei einer Temperatur unter dem Curie-Punkt, und bei erneuter Zündung wird der zur Unterstützung der Zündung vorgesehene Leiter durch das auf Wärme ansprechende Teil in engen Kontakt mit der Röhre gebracht, bevor der Thermoschalter eingeschaltet wird. Daher kann die Lampe entweder bei ausreichender Abkühlung gezündet oder nach dem Ausschalten über ein paar Sekunden hinweg erneut gezündet werden.

Claims

1. Hochdruckmetalldampfentladungslampe mit:

einer an einer Strom- und/oder Spannungsquelle (10) angeschlossenen Röhre (12);

Lampenzündmittel mit einer Reihenschaltung aus einem ersten Thermoschalter (14) und einem nichtlinearen keramischen Kondensator (16), wobei die Reihenschaltung zu der Röhre (12) parallel geschaltet ist; und

einem Lampenaußenkolben (20), in dem sich die Röhre und das Zündmittel befinden;

dadurch gekennzeichnet, daß das Zündmittel weiterhin einen zu dem nichtlinearen keramischen Kondensator (16) parallel geschalteten Widerstand (22) zur Überbrückung von pyroelektrischem Strom umfaßt.

2. Hochdruckmetalldampfentladungslampe gemäß Anspruch 1, die des weiteren einen zur Unterstützung der Zündung vorgesehenen Leiter (48) zur Erzeugung eines elektrischen Feldes im Innern der Röhre (12) sowie wenigstens einen zweiten Thermoschalter (50, 50a, 50b) aufweist, welcher ermöglicht, daß der zur Unterstützung der Zündung vorgesehene Leiter (48) in engen Kontakt mit der Röhre (12) gebracht und von ihr wegbewegt wird.

3. Hochdruckmetalldampfentladungslampe gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Thermoschalter (14) bei Zimmertemperatur geschlossen bleibt und bei Ansteigen einer Umgebungstemperatur auf einen vorbestimmten Wert geöffnet wird.

4. Hochdruckmetalldampfentladungslampe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Thermoschalter (14) bei einer Temperatur unter dem Curie-Punkt des nichtlinearen keramischen Kondensators (16) schaltet.

5. Hochdruckmetalldampfentladungslampe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Widerstand (22) zur Überbrückung des pyroelektrischen Stroms Energie entlädt, welche in dem nichtlinearen keramischen Kondensator (16) unmittelbar vor dem öffnen des ersten Thermoschalters geladen ist.

6. Hochdruckmetalldampfentladungslampe gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der zweite Thermoschalter (50, 50a, 50b) schaltet, um den zur Unterstützung der Zündung vorgesehenen Leiter (48) vor dem Einschalten des ersten Thermoschalters (14) beim erneuten Zünden der Lampe in engen Kontakt mit der Röhre (12) zu bringen.

7. Hochdruckmetalldampfentladungslampe gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei der zweite Thermoschalter (50, 50a, 50b) schaltet, um den zur Unterstützung der Zündung vorgesehenen Leiter (48) nach dem Ausschalten des ersten Thermoschalters (14) beim Zünden der Lampe von der Röhre (12) wegzubewegen.