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Die Erfindung betrifft eine Niederdruckgasentladungslampe mit einem
Kolben, in dem sich erste und zweite Elektroden befinden, und dieser Kolben mit einem
ionisierbaren Gas gefüllt ist, das ein geladenes Plasma wird, wenn zwischen den ersten
und zweiten Elektroden ein Strom fließt, und mit einem leitenden Gitter in dem Kolben
zum Einfangen des Plasmas zwischen der Lampenelektrode, wobei die Lampe mit
Mitteln für die elektrische Verbindung mit dem Gitter versehen ist.
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Eine Lampe eingangs erwähnter Art ist aus CA-A-685386 bekannt.
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Fluoreszenzlampen werden wegen ihren verhältnismäßig hohen
Wirkungsgrad, ihre niedrigen Kosten und ihre lange Lebensdauer in vielen Bereichen verwendet.
Eine Fluoreszenzlampe ist eine Niederdruckquecksilberdampfentladungslampe. Wie bei
allen Gasentladungslampen haben Fluoreszenzlampen eine negative
Widerstandskennlinie und erfordern sie Vorschaltgeräte zum Verhindern von Stromverlusten. Viele Jahre
bestand das herkömmliche Vorschaltgerät aus einer Kupfer/Eisendrossel. Jedoch sind
zur Zeit elektronische Vorschaltgeräte für Gasentladungslampen in der
Beleuchtungsindustrie immer mehr gefragt. Abgesehen davon, daß sie wirksamer sind als die
herkömmliche Drossel, hat das elektronische Vorschaltgerät ein geringeres Gewicht und
bietet die Möglichkeit der Ergänzung zusätzlicher Steuereigenschaften für die Lampe,
wie z.B. Abblendung und Lampenenergiestabilisation. Ein Nachteil elektronischer
Vorschaltgeräte ist ihren hohen Preis teilweise durch die Bedingung für die Verwendung
verhältnismäßig teuerer Festkörper-Leistungsschalter in den Steuerschaltungen. Ein
Festkörper-Leistungsschalter ist verhältnismäßig teuer und erfordert große
Strommengen. Als solcher ist der wärmeerzeugte Festkörper-Leistungsschalter nicht unwichtig
und muß in den Entwurf der Vorschaltgeräteschaltungen hergestellt werden.
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Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter eine
Masche von 20 bis 72 Maschen/cm² enthält.
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Diese Erfindung schafft einen Lampenentwurf, in dem die Lampe selbst
als Teil ihrer eigenen Steuerschaltungen arbeitet. Die Lampe arbeitet selbst als ihren
eigenen aktiven Hochstrombauteil, wodurch der Bedarf an Hochstromeinrichtungen in
den elektronischen Vorschalt/Steuerschaltungen beseitigt wird.
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Ein Leiterdraht erstreckt sich vom Gitter nach der Außenseite des
Lampenkolbens. Wenn das Gitter mit einer Negativspannung in bezug auf das
umgebende Plasma gespeist wird, kann die Lampe abschalten. Die gittergesteuerte Lampe macht
einen Festkörper-Leistungsschalter im Vorschaltgerät überflüssig. Als solcher
durchfließt der Lampenstrom nur die Lampe, aber nicht die elektronischen
Vorschalt/Lampensteuerschaltungen. Wenn das Vorschaltgerät keinen Lampenstrom mehr führt,
sind Leistungsdissipationsprobleme in der Steuerschaltung beseitigt. Nur
Niederstromschalter in den Steuerschaltungen sind erforderlich, wenn der Lampenstrom nur die
Lampe und nicht das Gitter durchfließt. Der Entwurf der gittergesteuerten Lampe
erleichtert weitgehend den Schaltungsentwurf und die Integration der Lampe und ihrer
Schaltfunktion. Die Entladungslampe kann eine Fluoreszenzlampe sein.
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Für ein besseres Verständnis der Erfindung sei auf die Zeichnung
verwiesen, anhand derer Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert werden. Es
zeigen
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Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer
gittergesteuerten Gasentladungslampe,
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Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer gittergesteuerten
Entladungslampe,
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Fig. 3a ein schematisches Schaltbild zur Verwendung beim Prüfen der
Betriebsparameter gittergesteuerter Gasentladungslampen, Fig. 3b und 3c die
Lampenspannung und den Lampenstrom in Beantwortung der Steuerimpulse,
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Fig. 4 ein Diagramm der erforderlichen Mindestgitterspannung zum
Unterbrechen des Entladungslampenstroms der Lampe nach Fig. 1 gegen
Lampenströmen bei verschiedenen Maschenabmessungen,
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Fig. 5 ein Diagramm der erforderlichen Mindestgitterspannung zum
Unterbrechen des Stroms der Gasentladungslampe nach Fig. 2 gegen dem Lampenstrom
für eine Auswahl von Maschenabmessungen,
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Fig. 6 ein Diagramm des Gitterstroms abhängig vom Lampenstrom für
mehrere Maschenabmessungen, und
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Fig. 7 ein Schaltbild unter Verwendung eines Paares von Gitterlampen,
die in einer halbbrückenartigen Konfiguration montiert ist, wobei die Gitterlampen als
die Steuerbauteile in ihren eigenen Steuerschaltungen arbeiten.
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In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer gittergesteuerten
Gasentladungslampe nach der Erfindung dargestellt. Die Lampe enthält den üblichen
Glaskolben 10 und einen Metallsockel 12, der die üblichen Leiter (nicht dargestellt) zum
Anschließen der Quelle mit Lampenstrom enthält. Die Innenfläche des Kolbens 10 ist
mit Leuchtstoffen beschichtet, die in der Nähe eines Plasmas fluoreszieren. Leitende
Durchführungen 18 und 20 erstrecken sich durch einen Glasstengel 22 und werden mit
einer Kathode oder Elektrode 24 verbunden. Diese Struktur ist eine herkömmliche
Fluoreszenzlampe. Es sei ebenfalls bemerkt, daß die Erfindung sich ebenfalls für andere
Niederdruckentladungslampen eignet, wie z.B. für eine
Niederdrucknatriumdampfentladungslampe.
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Ein zylindrisches Trägerrohr 26 enthält eine Öffnung 28 in seinem unteren
Anteil, der zum Fuß 22 abgedichtet ist. Der obere Anteil des Trägerrohrs 26 enthält
einen Trägerring 30, der zum Tragen eines leitenden Gitters 32 verwendet wird, um die
obere Öffnung des Trägerrohrs 26 aufzunehmen. Eine Federklemme 34 umgibt den
oberen Anteil des Trägerrohrs 26 und gewährleistet, daß das Gitter 32 und der
Trägerring 30 in engem Kontakt mit dem Trägerrohr 26 gehalten wird. Die Federklemme 34
wird von einem Umfangseinengung 36 im Rohr 36 am Platz gehalten. Ein Leiterdraht
38 bietet die elektrische Verbindung durch den Lampenfuß 22 zum Gitter 32. Auf diese
Weise kann die Steuerspannung an das Gitter 32 gelegt werden.
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Wie nachstehend beschrieben, ist das Gitter 32 ein
Rechteckmaschenwolframgitter mit etwa 70% an offenen Gebiet, wobei die Feinheit der Masche von der
gewünschten Schaltung und von den Betriebsparametern kontrolliert wird. Der
Gesamtentwurf des Trägerrohrs 26 ist nicht kritisch. Die einzige wichtige Eigenschaft ist, daß
die Elektronen von der Elektrode 24 das Gitter 32 passieren müssen. Wenn es einen
Weg um das Gitter 32 herumgäbe, würde die Lampe nicht brennen, da das Gitter 32
den Elektronenstrom nicht unterbrechen könnte.
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In Fig. 2 ist eine Explosiv-Zeichnung eines zweiten Ausführungsbeispiels
einer gittergesteuerten Fluoreszenzlampe dargestellt. In dieser Zeichnung werden
dieselben Bezugsziffern zum Bezeichnen gleicher Strukturen wie in Fig. 1 verwendet.
Der Lampenkolben 10 enthält eine nach innen gerichtete Einengung 40, die als die
obere Begrenzung und Abdichtung für das Gitter 32 dient. Der untere Träger für das
Gitter 32 wird durch die Leiterdrähte 38 gebildet. Die Leiterdrähte 38 in Verbindung
mit dem Gitter 32 verlaufen in den Hohlglasrohren 42 und 44 zur elektrischen
Isolierung vom Plasma.
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Im Betrieb wird ein in einem ionisierten Glasplasma angeordnetes Gitter
durch seinen Beschuß mit geladenen Ionen und Elektronen auf eine Positivspannung in
bezug auf die Kathode gebracht, die 0 Volt führt. In dieser Anmeldung wird diese
Spannung am Gitter mit Schwebespannung bezeichnet (Vfl). Zum Unterbrechen des
Stroms muß die Schwebespannung überwunden werden, bevor das Gitter weiter negativ
gesteuert wird. In Fig. 3a ist die Schaltung dargestellt, die für
Niederfrequenzmessungen an der gittergesteuerten Lampe verwendet wurde. In Fig. 3b und 3c sind die
Spannungen und der Strom in der gittergesteuerten Lampe in Beantwortung der
Gittersteuerimpulse (GDRV) dargestellt. Die Lampe von einer Spannungsquelle VDC
mit einem vorgeschalteten Widerstand RDC betrieben. Durch den konstanten
Lampenstrom befindet sich das Plasma in einem gutdefinierten Zustand. Gleichspannungsbetrieb
ist vorteilhaft, aber nicht notwendig. S1 und S2 sind Hochspannungs-Niederenergie-
Festkörperschalter (MOSFET), die von einer Festkörperpegelschiebeeinrichtung LS
gesteuert werden. 'GDRV' ist das von einer geeigneten Impulserzeugungsschaltung
gelieferte Steuersignal. Wenn das Steuersignal (GDRV) hoch ist, leitet S2 und ist S1
gesperrt. In diesem Zustand ist die Lampe eingeschaltet (Ila > 0). Hierdurch führt das
Gitter das Schwebepotential Vfl und A beträgt +ΔVg. Die Spannung am
Gitterkondensator Cg beträgt (ΔVg-Vfl). Um Überschwingen zu vermeiden, wird das Einschalten
von S1 und S2 durch Einschalten eines 330 Ω-Widerstands in Reihe mit den Toren
etwas geschwächt.
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Wenn GDRV niedrig wird, schaltet S1 ein und S2 wird abgeschaltet, der
Knotenpunkt A wird mit Masse verbunden, und da die Spannung an Cg immer noch
(ΔVg-Vfl) ist, wird das Gitter auf -(ΔVg-Vfl) herabgezogen. Wenn dies negativ genug
ist, unterbricht der Lampenstrom (ILA=0). Während des negativen Impulses entlädt der
Gitterstrom Ig den Kondensator Cg. Daher muß Cg groß genug sein, um am Gitter eine
ausreichend negative Spannung aufrechtzuerhalten. Wenn GDRV wieder hoch wird,
wird A mit +ΔVg verbunden, und das Gitter führt eine etwas höhere Spannung als Vfl.
Hierdurch arbeitet das Gitter als Anode, fängt Elektronen ein, bis es wieder auf Vfl
liegt. Da dieser Strom ein Elektronenstrom ist, ist er viel größer als der Gitterstrom Ig,
der ein diffusionsbegrenzter Ionenstrom ist.
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In Fig. 4 ist Vg,min abhängig von Ila für Lampen mit 20, 32, 40 und 56
Maschen je cm Wolframgitter in der Konfiguration nach Fig. 1 dargestellt. In Fig. 5 ist
eine ähnliche graphische Darstellung für Lampen nach dem Aufbau wie in Fig. 2 mit
40, 56 und 72 Maschen/cm Wolframgitter dargestellt. Die Polarität der Lampe wurde
derart gewählt, daß das Gitter sich nahe bei der Kathode befindet. Die Kurven stellen
die Mittelwerte von 2 bis 5 Lampen dar. Erwartungsgemäß ist Vg,min negativer bei
höherem Strom Ila. Ebenfalls erleichtert ein feineres Gitter die Schaltvorgänge. Die
Unterschiede zwischen den Gittern von 40, 56 und 72 Maschen/cm sind verhältnismäßig
klein. Es gibt ebenfalls geringe Unterschiede in diesem Fall zwischen den Ergebnissen
der 40 und 56 Maschen/cm-Gitter von Lampen der beiden verschiedenen
Konfigurationen. Aus den Ergebnissen ist ableitbar, insbesondere in denen nach Fig. 4, daß für
einen Maschenwert unter 20 Maschen/cm der erforderliche Wert für Vg,min unpraktisch
groß wird. Also soll die Masche des Gitters wenigstens 20 Maschen/cm betragen. Die
in den Gittern benutzte Masche muß regelmäßig ausgeführt sein, (d.h. alle Drähte in der
Masche sind in regelmäßigen Abständen voneinander angeordnet), und wenn dies nicht
der Fall ist, kann die Schaltkapazität des Gitters stark beeinträchtigt werden (Vg wird zu
groß). In Fig. 6 ist der Gitterstrom (Ig) in Milliampere abhängig vom Lampenstrom
(Ila) für verschiedene Maschenabmessungen dargestellt. Es ist ersichtlich, daß der
Gitterstrom viel niedriger als der des Stroms durch die Lampe ist, wodurch die
Benutzung von Niederstromschaltern in den Gittersteuerschaltungen möglich wird.
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Wenn das Gitter sich nahe bei der Anode statt nahe bei der Kathode
befindet, bleibt Vg,min ungefähr gleich. ΔVg (der Unterschied zwischen Vfl und
Vg,min) ist jedoch viel höher wenn Vfl höher ist. Dies ist nicht unwichtig, da die Dicke
der Raumladungsschicht von dem Spannungsabfall an ihr (Vfl-Vg) abhängig ist. Jedoch
wenn der Strom unterbrochen wird, ändert sich das Potential des Plasmas um das Gitter
herum. Also muß das Gitter in bezug auf die Kathode negativ gemacht werden, um
einen Schaltvorgang auszulösen. Vg,min ändert sich nicht sehr viel mit der Position des
Gitters in der Lampe. Wenn das Gitter näher bei der Kathode liegt, kann ΔVg kleiner
gehalten werden, und dies ist wünschenswert. Jedoch soll das Gitter nicht zunahe sich
bei der Kathode befinden, da das Plasma in unmittelbarer Nähe anders ist und der
Schaltvorgang stark abweicht. Abstände von 6 mm bis 13 mm zwischen Gitter und
Kathode geben zufriedenstellende Ergebnisse. Die Gitter 32 wurden aus rundem Draht
von Viereckmaschen-Wolfram hergestellt, der normalerweise für chemische
Siebvorgänge benutzt wird. Die Gitter haben etwa einen 70%-offenen Bereich und Wolfram ist
verhältnismäßig zerstäubungswiderstandsfähig. Jedoch können auch andere Werkstoffe
verwendet werden (wie z.B. Nickel oder Molybdän).
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In Fig. 7 ist eine praktische Gitterlampenschaltung dargestellt. Es ist
ersichtlich, daß die Gitter von den Signalen GDRV&sub1; und GDRV&sub2; auf eine Weise gleich
der nach Fig. 3 gesteuert werden. Die zwei Gitterlampen sind in einer
halbbrückenartigen Konfiguration angeschlossen, wobei die Gitterlampen eine Seite der Brücke und
die andere Seite der Brücke durch die Kondensatoren C&sub1; und C&sub2; gebildet werden. Da
die Lampen L&sub1; und L&sub2; nicht gleichzeitig ein- und ausgeschaltet zu werden brauchen,
bieten die damit parallelgeschalteten Dioden D&sub1; und D&sub2; andere Wege für
Stromdurchfluß, wenn eine oder beide Lampen abgeschaltet werden. Überbrückung der Lampen
erfolgt mit Resonanzelementen Cs und Ls, die eine abgestimmte Schaltung bilden. Es ist
ersichtlich, daß jede der Lampen eine Festkörperleistungsanordnung ersetzt. Die
Gittersteuerelemente (S&sub1;, S&sub2;, S&sub3;, S&sub4;) bestehen nur aus
Hochspannungs-Niederleistungsanordnungen.
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Die Schaltung nach Fig. 7 kann in Abhängigkeit von der Betriebsfrequenz
und von den Werten der Resonanzelemente Cs und Ls in den sog. kapazitiven oder
induktiven Betriebsarten betrieben werden. In diesen Betriebsarten können die Lampen
L&sub1; und L&sub2; durch die Wirkung der Gitter oder durch die Wirkung der Resonanzschaltung
abgeschaltet werden. Betrieb in einer dieser Betriebsarten kann bei verschiedenen
Frequenzen löschende sog. Zusammenziehung verhindern. Zusammenziehung tritt auf,
wenn die Elektronen des Plasmas ihren Weg durch eine der Öffnungen des Gitters zu
zwingen versuchen. Wenn dies erfolgt, können die Drähte des Gitters an der Stelle, an
denen die Zusammenziehung auftritt, ausbrennen, wodurch Fehlbetrieb des Steuergitters
auftritt. Eine derartige Zusammenziehung kann durch Steuerung der Parameter der
Schaltungselemente der Schaltung nach Fig. 7 und durch Steuerung der
Änderungsgeschwindigkeit im Lampenstrom und in der Gitterspannung vermieden werden. Andere
mögliche Schaltungselemente entsprechend der Beschreibung in der gleichzeitig
eingereichten Anmeldung auf Seite 1 kann ebenfalls in Zusammenarbeit mit der
gittergesteuerten Lampe dieser Erfindung verwendet werden.
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In der schematischen Darstellung nach Fig. 7 werden die dargestellten
Lampen mit VDC gesteuert. Jedoch wie es dem Fachmann bekannt sein wird, kann
VDC jede Gleichspannungsquelle sein, wie eine gleichgerichtete
Leistungsleitungsspannung. Die Schaltung kann mit Frequenzen von wenigstens 20 KHz betrieben
werden, die die Standardbetriebsfrequenz für Festkörperlampensteuerschaltungen ist.
Dementsprechend ist in Fig. 7 veranschaulicht, daß die gittergesteuerten
Gasentladungslampen nach der Erfindung einen integralen Teil ihrer eigenen Steuerschaltung bildet,
ohne daß Schalteinrichtungen für hohen Strom erforderlich sind. Dies bedeutet
wesentliche Kosten und Wärmedissipationsersparungen.
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Obgleich die Erfindung in den bevorzugten Ausführungsbeispielen
beschrieben wurde, soll klar sein, daß Abwandlungen und Änderungen dabei möglich
sind, ohne aus dem Rahmen der Erfindung nach der Definition in den beigefügten
Ansprüchen möglich sind.