DE69132793T2

DE69132793T2 - Entladungslampe und Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE69132793T2
Application number: DE69132793T
Authority: DE
Inventors: Gary Robert Allen; Joseph Michael Allison; John Martin Davenport; Richard Lowell Hansler; Kenneth Steven King
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1991-03-07
Filing date: 1991-07-29
Publication date: 2002-05-29
Anticipated expiration: 2011-07-30
Also published as: EP0502273A3; US5198727A; KR920018820A; JPH079835B2; DE69132793D1; KR940009326B1; EP0502273A2; EP0502273B1; JPH04312793A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf den Betrieb von Hochdruck-Miniatur-Entladungslampen oder -Bogenröhren, die eine Füllung von einem Strahlung emittierenden Gas enthält, wie beispielsweise Xenon, Quecksilber und Metallhalogeniddampf, mit unidirektionalem Strom, der Welligkeits-moduliert ist bei hohen Frequenzen entsprechend akustisch aktiven Frequenzbereichen, um nachteilige Konvektionseffekte und cataphoretische Effekte zu verringern und den Bogen zu begradigen. Sie ist am brauchbarsten in Verbindung mit solchen Bogenröhren, die Xenon enthalten und horizontal in Automobil-Frontlampen angebracht sind.

Hintergrund der Erfindung

Die erwarteten Vorteile von Bogenentladungs-Automobil- Frontlampen sind ein verbessertes Straßenbeleuchtungsmuster im Vergleich zu üblichen Glühfaden-Frontlampen; kleinere und kürzere Frontlampen-Reflektoren, die Verbesserungen in dem aerodynamischen Wirkungsgrad und größere Freiheit im Automobil- Styling gestatten, z. B. Absenkung der Haubenlinie; längerlebige Lampen, die für das Leben des Fahrzeugs halten; und geringerer Energieverbrauch, der Kraftstoff spart und auch die thermischen Belastungen auf die Kunststoffkomponenten von den Frontlampengehäuse senkt.
Ein wesentliches Erfordernis von einer Automobil- Frontlampe ist die Fähigkeit, Licht sofort zu liefern, wenn es notwendig ist, einschließlich einem augenblicklichen Wiederaufleuchten nach einer momentanen Abschaltung. GB-A-2,216,334 beschreibt eine Xenon-Metallhalogenid-Entladungslampe, die den hohen Wirkungsgrad und die lange Lebensdauer der Metallhalogenidlampe mit der Fähigkeit, sofort Licht zu liefern, von einer Xenon-Bogenröhre kombiniert.
Aber das Vorhandensein von hohen Xenon-Drucken in einer Xenon-Metallhalogenidlampe verstärkt durch Schwerkraft hervorgerufene Konvektion, und dies hat die Tendenz, die erzielten Vorteile zu begrenzen. Konvektion in der Füllung bewirkt unerwünschte Resultate: (1) Aufwärts-Wölbung von einem horizontalen Bogen, während Lampen-Optiken eine gerade Linie bevorzugen; (2) höhere Temperatur des Hitzepunktes an der Kolbenwand über dem Bogen, ein Zustand, der in der Tendenz die Lampenlebensdauer verkürzt; und (3) eine tiefere Temperatur des Kaltpunktes an der Wand unter dem Bogen, ein Zustand, der den Metallhalogenid- Dampfdruck senkt und einen kleineren Lampenwirkungsgrad zur Folge hat.
EP-A-0386990, die ein Arbeitsverfahren und eine Schaltungsanordnung für eine Hochdruck-Hg-Metallhalogenidlampe beschreibt, die für Automobilanwendungen mit Hochfrequenz- Akustikbetrieb beschreibt, um Bogenwölbung, heiße und kalte Punkte zu steuern, wobei Frequenzmodulation verwendet wird, um das gewünschte Betriebs-Frequenzband der Schaltungsanordnung zu verbreitern, die Lampe mit Gleichstrom betrieben wird bei einer horizontalen Orientierung, das Volumen bis zu etwa lcm³ beträgt, der Abstand zwischen den Elektroden etwa 1,5-4 mm beträgt und der Bogen magnetisch ausgelenkt wird, gibt die Lehre, dass eine durch Schwerkraft hervorgerufene Bogenwölbung reduziert oder eliminiert werden kann durch Betreiben der Lampe mit einem Strom, der Wechselspannungs(AC)-Komponenten bei Frequenzen in bevorzugten Bändern innerhalb des Bereiches hat, der sich von etwa SkHz bis I MHz erstreckt, um gewünschte akustische Moden innerhalb der Lampenfüllung anzuregen. Bevorzugte Bänder sind solche, in denen akustische Schwankungen Gas- oder Dampfbewegungsmuster in der Füllung erzwingen, die durch Schwerkraft induzierter Konvektion entgegenwirken. Die Begradigung eines Bogens in dieser Weise durch Anregung von gewählten akustischen Moden wird akustische Begradigung und diese Betriebsart wird akustischer Resonanzbetrieb genannt.
Im akustischen Resonanzbetrieb sind Frequenzbänder, die den Bogen asymmetrisch in Richtung auf die Wand treiben oder eine instabile Bewegung des Bogens oder der Rauchfahne oder des leuchtenden Strahlenkranzes, der den Bogen umgibt, zu vermeiden. Die Bänder oder Fenster, in denen eine Bogen-Begradigung auftritt, sind relativ schmal, beispielsweise eine maximale Bandbreite von 10% einer Vorschalt-Ausgangsfrequenz von 40 kHz. Die Formung einer geeigneten Frequenzmodulation auf der Vorschalt-Frequenz kann die Breite der Fenster für einen Bogenbegradigten stabilen Betrieb stark verbreitern, beispielsweise bis zu 30% der Mittenfrequenz.
In dem vorgenannten EP-A-0386990 ist eine Vorschaltanordnung beschrieben, die aus der üblichen 12 Volt Automobil-Batterieversorgung gespeist wird. Sie weist eine Eingangsstufe in der Form von einem DC/DC Leistungs(Boost)- Umrichter, der durch Rückführung von der Lampe gesteuert wird, und einen DC/AC Wechselrichter für die Ausgangsstufe auf. Lampenspannung und -strom werden zu dem Eingangsumrichter zurückgeführt, um die Lampenleistung zu regeln, und die Ausgangsstufe kann frequenzmoduliert sein, um das Frequenzfenster für einen stabilen Bogen-begradigenden Betrieb zu verbreitern.
Die akustisch begradigte Bogenentladungs-Frontlampe, wie sie in dem vorgenannten EP-A-0386990 vorgeschlagen ist, ist weit überlegen gegenüber üblichen Glüh-Frontlampen in bezug auf Lebensdauer, Lichtabgabe, Packungsgröße und Styling-Freiheit für Automobil-Anwendungen. Aber sie hat den Nachteil höherer Kosten, primär aufgrund der Vorschalt- und Starterschaltungen, die für ein augenblickliches Starten und Betreiben der Entladungs-Frontlampe erforderlich sind.
Eine Verringerung in Größe und Kosten könnte erreicht werden durch Verbinden der Vorschaltanordnung direkt mit der Gleichstrom-Batterieversorgung des Automobils und Eliminieren des DC/AC Wechselrichters. Wie aber in der Anmeldung 157,360, eingereicht am 18. Februar, 1988 von Richard L. Hansler u. a., mit der Bezeichnung Metal Metal Halide Lamp Having Vacuum Shroud for Reducing Cataphoretic Effects, die auf die gleiche Rechtsnachfolgerin übertragen ist wie die vorliegende Erfindung und durch diese Bezugnahme hier eingeschlossen wird, nun US- Patent 4,935,668, diskutiert ist, haben Metallhalogenid enthaltende Lampen, die mit DC betrieben werden, die Tendenz zur Cataphorese, wobei das Metallion, z. B. Natrium, von dem dissoziewrten Metallhalogenid sich in dem Katoden-Endbereich der Lampe sammelt. Der Natriumbeitrag zur Lichterzeugung wird dadurch vermindert, und der Effekt ist am stärksten bemerkbar in Lampen, die horizontal betrieben werden, wie in Auto- Frontlampen. Ein Vorschlag zum Verbessern dieser Situation ist in EP-A-0443795 beschrieben, die eine Anmeldung gemäss Artikel 54 (3) EPÜ ist.

Aufgaben der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Betreiben von Xenon- Metallhalogenid-Bogenentladungs-Frontlampen zu schaffen, die geringere Kosten und ein kleineres Volumen von Komponenten zur Folge haben, die für Automobil-Anwendungen wünschenswert sind, die aber die Vorteile der akustischen Bogenbegradigung beibehalten und die nachteiligen Effekte der Kataphorese vermeiden, die üblicherweise im DC Lampenbetrieb auftreten.
Insbesondere soll die Erfindung eine derartige Einrichtung schaffen, die kompakt genug gemacht werden kann, damit sie bequem in dem ungenutzten Raum angebracht werden kann, der unmittelbar hinter dem Frontlampen-Reflektor liegt, der gegenwärtig in Automobilen benutzt wird.
Es wird auch versucht, das Beleuchtungsmuster der Metallhalogenid enthaltenden Frontlampe zu verbessern, indem Kataphorese verringert und die Natriumfahne relativ zu dem Bogenkern innerhalb des Bogenröhrenmantels zentriert wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer Miniatur-Hochdruck-Metalldampf- Entladungslampe von einer Art geschaffen enthaltend einen gläsernen Mantel, der einen Entladungsraum mit einem Volumen bildet, der nicht größer als etwa 1 Kubikzentimeter ist, eine Kathode und eine Anode, die in dem Mantel gekapselt sind und einen Bogenspalt bilden, und eine Füllung, die Quecksilber, Metallhalogenide und ein Strahlung emittierendes Gas in einer Menge aufweist, die einen Partialdruck von wenigstens 25 Prozent des gesamten Dampfdruckes während des kontinuierlichen Betriebs ausübt, wobei das Verfahren enthält: Einleiten einer Ionisation über dem Spalt durch Spannungspulse, Drücken eines unidirektionalen Stroms über den Spalt während einer Startphase zum Aufwärmen der Lampe und zum Senken des Stroms während der Betriebsphase, Aufdrücken einer hochfrequenten Welligkeit auf den Strom bei einer Modulationstiefe, die ein kleinerer Prozentsatz während der Startphase als während der Betriebsphase ist, wodurch augenblickliche Änderungen in der Eingangsleistung über dem Bogenspalt bewirkt werden, wobei die Welligkeit eine Frequenz hat, bei der akustische Resonanz Bogen-begradigende Moden anregt, Wählen der Frequenz in einem Bereich von 90 kHz bis 120 kHz und Bereitstellen eines horizontalen Magnetfeldes an dem Bogenspalt quer zu dem unidirektionalen Strom.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Kombination von einer Stromquelle und einer Miniatur-Hochdruck- Metalldampf-Entladungslampe geschaffen, wobei die Lampe einen gläsernen Mantel, der einen Entladungsraum mit einem Volumen bildet, der nicht größer als 1 Kubikzentimeter ist, eine Kathode und eine Anode, die in dem Mantel gekapselt sind und einen horizontalen Bogenspalt bilden, und eine Füllung enthält, die Quecksilber, Metallhalogenide einschließlich Natrium und Xenon-Gas in einer Menge aufweist, die einen Partialdruck von wenigstens 25 Prozent des gesamten Dampfdruckes während des kontinuierlichen Betriebs ausübt; wobei die Stromquelle eine solche ist, die einen unidirektionalen Strom mit einer aufgedrückten hochfrequenten Welligkeit liefert, um die Lampe zu betreiben, wobei die Welligkeit für eine Modulation der Energiezufuhr zur Lampe sorgt und eine Frequenz hat, bei der akustische Resonanz Bogen-begradigende Moden anregt, dadurch gekennzeichnet, dass die Welligkeit in dem Frequenzband von 90 bis 120 kHz liegt und dass Mittel vorgesehen sind, die ein horizontales Magnetfeld an dem Bogenspalt quer zu dem Stromfluss bilden, die Lampe in einer Frontlampen-Reflektoreinrichtung angebracht ist, das Magnetfeld durch an der Einrichtung befestigte Permanentmagnetmittel gebildet ist, der Welligkeits-modulierte Strom, der an die Lampe geliefert wird, während der Startphase zum Aufwärmen mehrere Male größer ist als während der folgenden Betriebsphase, und eine elektromagnetische Einrichtung vorgesehen ist, um dem permanenten Magnetfeld am Bogenspalt entgegen zu wirken, wobei die elektromagnetische Einrichtung durch den Lampenstrom gespeist wird, um dadurch das permanente Magnetfeld wenigstens teilweise zu neutralisieren und zu verhindern, dass der Bogen während der Startphase nach unten gegen die untere Wand der Lampe gedrückt wird.
Wir haben gefunden, dass bei einem Gleichspannungsbetrieb die Kosten der Vorschaltanordnung zum Betreiben der Lampe signifikant gesenkt werden können relativ zu einem Wechselspannungsbetrieb. Die Einfachheit der Gleichspannungsschaltung gestattet auch ein kleineres Volumen der Schaltungskomponenten, die in zweckmäßiger Weise auf gedruckten Schaltkarten in dem unbenutzten Raum hinter den parabolischen Frontlampenreflektoren in Automobilen angebracht werden können.
Eine akustische Begradigung des Lichtbogens wird erzielt durch Modulieren eines unidirektionalen Lampenstroms durch hohe Frequenzen in bevorzugten Bändern, um ähnliche akustische Bogen-begradigende Moden wie in einem Wechselspannungsbetrieb anzuregen. Die Kataphorese, die normalerweise im Gleichspannungsbetrieb auftritt, wird verkleinert. Auch die bevorzugten Fenster oder Bänder, in denen eine stabile Bogen- Begradigung gefunden wird, können in einer ähnlichen Weise wie im Wechselspannungsbetrieb verbreitert werden, indem die Welligkeitsfrequenz moduliert wird. In einem derartigen Arbeitsverfahren ist der Lampenstrom unidirektional mit einer überlagerten frequenzmodulierten Wechselspannungs-Welligkeit.
Die Betriebsschaltung weist Mittel zum Entwickeln eines Startsignals oder Pulses mit einer hohen Amplitude und kurzen Dauer, Mittel zum Fortsetzen des Anlegens des Startsignals, bis eine anfängliche Ionisation in der Lichtquelle erzielt ist, und Mittel auf zum Entwickeln und Anlegen eines unidirektionalen Betriebsstroms mit einem überlagerten Welligkeitssignal an die Lichtquelle, wobei die Modulationstiefe und -frequenz gewählt sind, um akustische Bogen-begradigende Moden anzuregen.
Ein unidirektionaler Lampenstrom gestattet die Verwendung von einem konstanten Magnetfeld, um den Bogen zu bewegen oder ihn zu begradigen oder um ihn nach unten zu wölben. Wir haben gefunden, dass Permanentmagnete, die an das Frontlampengehäuse zementiert sind, auf wirksame Weise akustische Resonanz unterstützen können, um den Lichtbogen zu begradigen und um ihn auch von der oberen Wand des Lampenmantels weg zu bewegen, um eine Überhitzung und ein mögliches Verbeulen zu verhindern. Zusätzlich hat das Magnetfeld seine am stärksten betonte Wirkung auf die Natriumfahne, die man normalerweise über dem Kern der Entladung schwimmend findet. Wenn ein konstantes Magnetfeld angelegt wird, wird die Natriumemission symmetrisch um den Kern mit einer daraus resultierenden Verkleinerung in der Farbseparation.

Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nun mit weiteren Einzelheiten anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 ein Balkenbild oder -darstellung des Frequenzbereiches ist, in dem hochfrequente Welligkeit dem unidirektionalen Strom zur Bogenbegradigung überlagert wird;
Fig. 2 eine Kurve ist, die die Größe des unidirektionalen Lampenstroms und der Welligkeit darauf während aufeinanderfolgender Betriebsphasen zeigt;
Fig. 3 ein schematisches Schaltbild von dem Betriebs- Gleichrichter gemäß der Erfindung ist;
Fig. 4 ein schematisches Schaltbild von den Fernlicht- und Abblendlicht-Aufwärm-Zeitsteuerungen gemäß der Erfindung ist;
Fig. 5 ein schematisches Schaltbild von den Fernlicht- und Abblendlicht-Startschaltungen gemäß der Erfindung ist;
Fig. 6 bildhaft eine Fern/Abblendlicht-Entladungs- Frontlampeneinrichtung mit allen Schaltungen gemäß der Erfindung darstellt;
Fig. 7a und 7b einen Größenvergleich in Seitenansicht von einer üblichen Fern/Abblendlicht-Frontlampeneinrichtung mit einer die Erfindung verkörpernden Einrichtung liefern;
Fig. 8a und 8b liefern einen ähnlichen Vergleich von Vorder- oder Linsenendenansichten für die gleichen Einrichtungen;
Fig. 9 eine bildhafte, teilweise aufgeschnittene Ansicht von einer Einstrahl-Entladungs-Frontlampe ist, die die Erfindung verwendet und Permanentmagnete zur Bogenverschiebung verwendet;
Fig. 10 eine bildhafte, schematische Darstellung der räumlichen Relation von Bogenröhre, Stromfluss und Magnetlinien lSt;
Fig. 11a, 11b und 11c eine typische Lage und Form von dem Bogenkern und der Natriumfahne in einer Bogenröhre ohne jede Bogen-Begradigung darstellen, nur mit akustischer Begradigung und sowohl mit akustischer als auch magnetischer Begradigung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Eine Xenon-Metallhalogenidlampe, die zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet ist, ist in der zuvor erwähnten GB-A-2,216, 334 beschrieben. Sie enthält einen Mantel aus gebrannten Siliziumdioxid mit einem kolbenförmigen Abschnitt mit einem Volumen zwischen etwa 0,05 und 1,0 cm³. Stiftähnliche Elektroden aus Wolfram sind in gegenüberliegenden Enden abgedichtet, und ihre entfernten Enden bilden einen Spalt zwischen den Elektroden von etwa 1,5 bis 5 mm, wobei 2 bis 4 mm bevorzugt sind. Die Füllung enthält Xenongas mit einem kalten Druck in dem Bereich von etwa 200 kPa bis 1519 kPa (2 bis 15 Atmosphären), Quecksilber in einer Menge, die für einen Druck von 200 kPa bis 2026 kPa (2 bis 20 Atmosphären) unter Betriebsbedingungen sorgt, und etwas Metallhalogenidsalz, vorzugsweise Natriumjodid mit wenigen Prozent Skandiumjodid, als Überschuss zu der im Betrieb verdampften Menge, beispielsweise 2 mg für eine 0,2 cm³ Bogenröhre.
Wie in der EP-A-0386990 beschrieben ist, erfordert eine akustische Begradigung von einem Lichtbogen mit Wechselspannung, dass eine günstige Frequenz gewählt wird, um katastrophale Bogeninstabilitäten bei ungünstigen Frequenzen zu vermeiden, wobei die zugeführte Energie in Frequenzbändern konzentriert wird, wo ein stabiler Betrieb von akustisch begradigten Lichtbögen beobachtet wird. Die Modulation der Frequenz mit einer bevorzugten FM Vorschrift erzeugt komfortabel breite Bänder für einen stabilen Bogenbegradigten Lampenbetrieb.
Arbeitsverfahren für unidirektionalen Strom Das vorliegende Arbeitsverfahren unterscheidet sich von demjenigen gemäß dem eingangs genannten EP-A-0386990 darin, dass die der Lampe zugeführte Stromkurve nicht das Vorzeichen ändert, so dass es keine natürliche Modulation der Lampenenergie gibt, wie in dem Wechselspannungs(AC)-Fall. Jedoch kann der unidirektionale Strom absichtlich moduliert werden bis zu jeder gewünschten Tiefe, von null Welligkeit bis volle 100% Modulation. Wenn Lampenstrom und Leistung voll moduliert werden, ist die akustische Wirkung auf den Lampenbetrieb im wesentlichen die gleiche, als wenn ein hochfrequenter AC Betrieb verwendet werden würde, außer dass die Frequenz der Welligkeit in dem unidirektionalen Fall das Doppelte der Frequenz des zugeführten Stroms in dem AC Fall sein muss, um die Lampenleistung bei der gleichen Frequenz zu modulieren.
Kurz gesägt, wird der Begriff DC nachfolgend mit der gleichen Bedeutung verwendet wie unidirektional, wenn nicht etwas anderes gesagt ist. Das gleiche Bogen-begradigende Verhalten wird über dem gleichen Band von Frequenzen mit der gleichen Frequenzmodulation für DC mit Welligkeit wie für AC Betrieb beobachtet, wobei zu berücksichtigen ist, dass alle Welligkeits- Frequenzen verdoppelt werden müssen, um an die doppelte Leistungsfrequenz angepasst zu sein, die einer gegebenen AC Strom- oder Spannungsfrequenz entspricht. Jedoch ist bei DC Betrieb mit Welligkeit die Tiefe der Welligkeit eine zusätzliche Variable, die bei AC Betrieb nicht existiert, und sie ist als vorteilhaft befunden worden, insbesondere während der Sofort- Start-Aufwärmphase der Lampe.
In einem die Erfindung verwendenden Arbeitsverfahren wird die Lampe durch ionisierende Pulse gestartet, die eine Amplitude von etwa 10 bis 20 Kilovolt und eine Dauer von etwa 0,1 Mikrosekunde haben und die diskontinuierlich sind, wenn der Lampenstrom startet. Der Lampenstrom verläuft durch Betriebsphasen, wie sie in Fig. 2 gezeigt sind und eine Startphase und eine Betriebsphase aufweisen. Während der Startphase wird die Lampe aufgewärmt und vorzugsweise wird sie mit einem Aufwärmstrom 12 in dem Bereich des 2 bis 20-fachen des Arbeits- oder Betriebsstroms 16 betrieben. Wie gezeigt ist, kann die Startphase von 1 bis 2 Sekunden dauern, und der Strom verjüngt sich auf den Betriebswert in 3 bis 5 Sekunden. Der Lampenstrom hat ein überlagertes Welligkeitssignal oder Modulation 16, die während der Start- und Betriebsphasen im absoluten Wert grob konstant ist. Jedoch nimmt der Welligkeitswert oder die Modulationstiefe (maximaler minus minimaler Strom, dividiert durch das Doppelte des mittleren Stroms) vom Start oder Aufwärmen zum Betrieb zu. Es sei bemerkt, dass verschiedene unterschiedliche Welligkeitswerte in den unterschiedlichen Phasen überlagert werden können.
Bezug nehmend auf Fig. 1, stellt das Frequenzfenster 10, das sich von etwa 90 bis 120 kHz erstreckt, den Bereich dar, in dem ein stabiler Bogen-Begradigungsbetrieb erhalten wird, indem dem Betriebsstrom eine frequenzmodulierte Welligkeit überlagert wird. Beispielsweise kann die mittlere Welligkeitsfrequenz 105 kHz betragen, und die Frequenzschwingung der Modulation könnte sich bis zu 15% auf beiden Seiten erstrecken. Wir haben gefunden, dass Welligkeitswerte von wenigstens 30% erforderlich sind, um breite Frequenzbänder für einen akustisch begradigten Betrieb zu liefern, nachdem die Lampe aufgewärmt ist. Üblicherweise gilt, je stärker die Welligkeit, desto breiter das Band stabiler Frequenzen, wobei 50% bis 60% Welligkeit bevorzugt sind.
In dem hochfrequenten akustischen AC Betrieb gemäß dem eingangs genannten EP-A-0386990 ist es im allgemeinen nicht möglich, einen stabilen Betrieb während der ersten wenigen Sekunden des Betriebs zu erhalten, wenn von einem Kaltstart ausgegangen wird, wenn nicht die Frequenz verändert wird, wenn sich die Lampe erwärmt. Dies ist der Fall, weil die charakteristischen akustischen Frequenzen eine Funktion der Gastemperatur innerhalb der Bogenröhre sind, und diese Temperatur steigt mehrfach während des Aufwärmens an. Aber unter DC mit Welligkeitsbetrieb gemäß unserer vorliegenden Erfindung kann der Welligkeitswert auf einfache Weise kleiner (als ein Prozentsatz) am Start gewählt und in der Betriebsphase vergrößert werden, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Dies minimiert den destabilisierenden Einfluss der akustischen Leistung bei der falschen Frequenz. Während dieser Aufwärmperiode wird der Lampenstrom auf das mehrfache seines Normalwertes vergrößert, um die gewünschte augenblickliche Lichtabgabe aus dem Xenongas zu liefern. Dieser hohe Strom ist in der Lage, den Bogen unabhängig von der akustischen Wirkung während der wenige Sekunden dauernden Aufwärmperiode zu begradigen, während die akustische Welligkeit gering ist. Mit dieser Technik wird das Ausmaß des Flackerns in dem Frontlampenstrahl während und auch nach dem Aufwärmen auf insignifikante Werte herabgesetzt.
Normalerweise besteht im DC Betrieb von Metallhalogenidlampen die Wirkung von Kataphorese darin, die positiven Ionen (z. B. Natrium und Skandium) in der Entladung zu dem Kathodenende zu treiben. Das Ergebnis ist Farbseparation, verringerter Wirkungsgrad und starke axiale Asymmetrie für den Lichtbogen, wobei die Kathodenseite wie eine Metallhalogenid(weiß oder pink)-Entladung erscheint, während die Kathodenseite wie eine Quecksilber(blau)-Entladung ist. Wir haben jedoch gefunden, dass durch Verwendung von DC mit Welligkeit in Kombination mit einem kurzen Bogenspalt (etwa 2 mm) ein akustischer Betrieb eine starke Farbseparation verhindert. Selbst wenn es eine gewisse Asymmetrie in der axialen Verteilung von Metallen aus Halogeniden gibt, ist der Wirkungsgrad und die Farbe der Metallhalogenidlampe weitgehend beibehalten. Weiterhin werden in Frontlampen-Anwendungen, wo der Strahl durch Superposition von Bildern des Lichtbogens hervorgerufen wird, von denen die Hälfte umgekehrte Bilder sind, die schwachen axialen Asymmetrien, die in dem Bogen verbleiben, in dem trahlmuster aufgehoben.
Eine schwache Kataphorese, die mit der vorliegenden Erfindung in Beziehung steht, hat einen potentiell vorteilhaften Effekt in Frontlampen-Anwendungen, wo das pinkfarbene Licht, das von der kalten Fahne oberhalb des Lichtbogens emittiert wird, sich in der Farbe von dem weißen Licht des Kerns des Lichtbogens unterscheidet. Wenn ein derartiger Farb-getrennter Lichtbogen als ein Frontstrahlmuster auf die Straße projiziert wird, erscheint die gefärbte Fahne als eine farbige Beleuchtung in dem mittleren Vordergrund der Straße vor dem Wagen. Wir haben gefunden, dass bei DC mit Welligkeitsbetrieb, wo nur eine schwache Kataphorese manifestiert wird, das gefärbte Licht weniger intensiv ist und nach außen zu den Seiten der Straße erscheint, wo es weniger bemerkbar ist, anstatt konzentriert in der Mitte von der Straße.

Vorschalt-Ausführungsbeispiele

Bevorzugte Steuer- und Vorschaltschaltungen, die die Erfindung verkörpern, sind schematisch in den Fig. 3, 4 und 5 gezeigt. Sie betreiben Fern- und Abblendlicht-Frontlampen mit unidirektionalem Strom, dem frequenzmodulierte, hochfrequente Welligkeit überlagert ist, wie es vorstehend ausgeführt ist.
Für die Bequemlichkeit von denjenigen, die unsere Erfindung studieren möchten, listet die beigefügte Tabelle I die Hauptschaltungskompönenten mit der gleichen Bezeichnung wie in den Zeichnungen zusammen mit einer kurzen Beschreibung und der Quelle oder dem Lieferanten, wo es zweckmäßig ist.
Die gesamte Vorschaltanordnung weist drei getrennte DC/DC Umrichter auf, einen einzelnen zum Betreiben beider Lampen und jeweils einen zum Starten der Fern- und der Abblendtichtlampe. Alle sind von der bekannten Verstärker(Boost)- Umrichterkonfiguration, so dass nur Abweichungen, die für die Erfindung wesentlich sind, im einzelnen erläutert werden müssen. Die Verwendung von getrennten Startern eliminiert die Notwendigkeit für Hochspannungsumschaltung, während sie die Verwendung eines einzigen Betriebsumrichters für beide Frontlampen ermöglicht. Der Start-Umrichter liefert einen 20 Kilovolt-Puls, der der Ausgangsgröße des Betriebs-Umrichters überlagert ist. Der Betriebs-Umrichter ist aktiv zu allen Zeiten nach der Zufuhr von Batterieenergie an entweder die "FERN"- oder "ABBLEND"-Eingangsanschlüsse. Die Energiezufuhr zu einem dieser Anschlüsse aktiviert auch den zugeordneten Starter durch das Relay K1, seinen Kontakt KIC und eine Drossel L1. Wie hier später erläutert wird, wird der zugeordnete Starter abgeschaltet, sobald sich ein Lampenstrom ausgebildet hat.
Bezug nehmend auf Fig. 3, ist der Betriebs-Umrichter ein eine angezapfte Drossel aufweisender Boost-Umrichter, der einen Leistungs-Schalttransistor Q1, eine Drossel L2, eine Diode D21, Kondensatoren C9 und C10 und eine Pulsbreitenmodulator(PWM)-Steuerung U7 aufweist. Der Betriebsstrom, der primär durch Q1 gesteuert wird, dessen Vorspannung durch die PWM Steuerung U7 gesteuert wird, wird den Lampen (Fern- und Abblendlicht) über den Pfad zugeführt, der durch D21 und Transformatorwicklungen TIB und T2B gebildet ist. Die Induktivität dieser Wicklungen ist klein genug, um einen raschen Stromaufbau in den Lampen zu gestatten, aber groß genug, um den Startpuls effektiv in die Lampen zu koppeln: wir haben gefunden, dass eine Induktivität in dem Bereich von 30 bis 100 Mikrohenry geeignet ist. Die Wahl eines relativ kleinen Ausgangskondensators C10 für die Betriebsschaltung hat eine Überlagerung einer hohen Ausgangswelligkeit auf den Betriebsstrom zur Folge.
Der Betriebs-Umrichter wird zum Teil durch Lampenstrom gesteuert, der durch einen Shunt-Widerstand R23 abgetastet und zu der PWM Steuerung U7 (Pin 2) zurückgeführt wird, nachdem er durch das Tiefpassfilter R38, R39 und C25 geglättet worden ist.
Der durchschnittliche Strom, der der Lampe zugeführt wird, wird in einer geschlossenen Schleife mit hoher Verstärkung geregelt. Die Referenz für diese Schleife wird durch die Lampenspannung so modifiziert, dass der Lampenstrom mit zunehmender Lampenspannung linear abfällt, vorausgesetzt die Lampenspannung bleibt innerhalb eines im voraus definierten Betriebsbandes oder -fensters. Auf diese Weise bleibt die Lampenleistung (Spannung mal Strom) bei normalen Lampenspannungsänderungen im wesentlichen konstant, und auch bei normalen Eingangsspannungs-(Batterie-)Änderungen. Wenn die Lampenspannung außerhalb des Fensters ist, ändert sich die Referenz für die eine hohe Verstärkung aufweisende Schleife, um einen konstanten Lampenstrom zu erzeugen. Normalerweise bleibt die Referenz konstant, abgesehen von einer noch zu beschreibenden vordefinierten Aufwärmzeit.
Bezug nehmend auf Fig. 4 weist die Schaltungsanordnung, die das Fenster bestimmt, zwei Präzisions-Spannungsklemmen, die aus Dioden D13 und D14 bestehen, und die zugeordneten Operationsverstärker U8A und U8B auf, die beide Teil des Quad-Verstärkers U8 sind. Eine Spannung über entweder der Fern- oder Abblendlichtlampe, die an den oberen der Reihenwiderstandskette R40, R41, R42 und R43 über R23 und C11 angelegt wird, hat einen Strom durch die Kette zur Folge, die Teil der Referenz der eine hohe Verstärkung aufweisenden Steuerschleife ist, die der PWM Steuerung U7 (Pin 2) in Fig. 3 zugeführt wird. Dieser Strom ist proportional zu der Lampenspannung, vorausgesetzt, dass keine der zwei Präzisionsklemmen aktiv ist. Die Klemmen sind so ausgelegt, dass sie bei den oberen und unteren Grenzen der Lampenbetriebsspannung aktiviert werden, beispielsweise bei 40 und bei 50 Volt. Wenn die Lampenspannung außerhalb der Grenzen ist, die durch die Klemmen festgelegt sind, ist die Referenz unabhängig von der Lampenspannung, und der Lampenstrom wird als eine Folge konstant gehalten, vorausgesetzt, dass die Aufwärm-Zeitsteuerung abgelaufen ist.
Die Funktion der Aufwärm-Zeitsteuerungen besteht darin, eine viel höhere als normale Leistung zuzuführen, um die Lampe schnell aufzuwärmen, und dann fällt sie ab auf die Betriebsleistung, die für einen dauerhaften Betrieb gewünscht wird. Es gibt zwei ähnliche Aufwärm-Zeitsteuerungen, die eine weist Transistoren Q5 und Q6 und einen Operationsverstärker U8C für die Fernlichtlampe auf, und die andere weist Transistoren Q7 und Q8 und einen Operationsverstärker U8D für die Abblendlichtlampe auf. Die Zeitsteuerungen enthalten ein wichtiges Speichermerkmal. Wenn Leistung in der Form des Betriebssignals entfernt und erneut an eine der Lampen zugeführt wird, erinnert sich die Zeitsteuerung, wie lange ihre zugeordnete Lichtquelle ausgeschaltet war und stellt die nachfolgende Aufwärmzeit dementsprechend ein. Wenn bei Fehlen dieses Merkmales ein unveränderliches Aufwärmprogramm der Leistungssteuerung vorgesehen sein würde, könnten häufige kurze Einschaltungen und Ausschaltungen der Frontlampen eine Überhitzung zur Folge haben und diese beschädigen.
Da die zwei Aufwärmsteuerungen ähnlich sind und in ähnlicher Weise arbeiten, wird nur der Betrieb der Fernlicht- Zeitsteuerung beschrieben. In Fig. 4 schaltet die Anlegung von Batteriespannung an den "FERN " Eingangsanschluss (in Fig. 3 eingesetzt) die Transistoren Q5 und Q6 durch und sättigt diese. Der Zeitsteuer-Kondensator C27 lädt sich über R50 und Q5 von der stabilisierten ±5 Volt Quelle auf, die mit Q5 verbunden ist. Die Kondensatorspannung ist durch den Operationsverstärker U8C gepuffert und erscheint am oberen Ende des Widerstands R56. Der Strom in R56 ist Teil der Regelschleifen-Referenz. Die Referenz ändert sich deshalb, um einen abnehmenden Lampenstrom zu erzeugen, bis der Zeitsteuer-Kondensator voll aufgeladen ist.
Das Timer-Design erteilt am Beginn des Zeitzyklus des der Lampe zugeführten Stroms eine gewisse erwünschte Verweilzeit, und die Lampenleistung wird während dieser Verweilzeit auf ihrem Maximum gehalten. Die Verweilzeit wird durch die Anfangsspannung am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers U8C bewirkt. Diese Anfangsspannung hält den Operationsverstärker in Sättigung und seine Ausgangsgröße wird tief gehalten, bis der Zeitsteuer-Kondensator C27 aufgeladen ist, um der Anfangsspannung angepasst zu sein. Wenn die Leistung entfernt wird, entlädt sich der Zeitsteuer-Kondensator über R50 und R51. Wenn der Lampe wieder Leistung zugeführt wird, bevor der Kondensator vollständig entladen ist, lädt sich der Kondensator in einer kürzeren Zeit wieder auf, und die Schaltung läuft schneller ab, als sie es getan hätte, wenn sich der Kondensator hätte vollständig entladen können. Die Zeit, während der durch die Schaltung eine hohe Leistung an die Lampe angelegt ist, hängt von der Länge der Zeit ab, während der die Leistungszufuhr ausgeschaltet war. Kürzere Ausschaltzeiten haben kürzere Intervalle mit hoher Leistung zur Folge. Das Design der Zeitsteuerschaltung enthält diese Merkmale, so dass Zeitkonstanten der Schaltungsanordnung an die thermischen Zeitkonstanten der Lampe grob angepasst sind. Das Ergebnis ist im wesentlichen konstantes Licht von dem Moment an, zu dem der Schalter umgelegt wird. Es gibt zwei Starter, einen für die Fernlichtlampe und einen für die Abblendlampe. Gemäß Fig. 5 enthält der Fernlichtstarter eine integrierte Schaltung US, einen Transistor Q3, eine angezapfte Drossel L4, eine Diode D23, Kondensatoren C15 und C16 und einen Transformator T2 plus zugeordnete Vorspannkomponenten. Der Starter für das Abblendlicht hat identische Komponenten, die um die integrierte Schaltung U4 herum angeordnet sind. Es wird die Arbeitsweise von nur dem Fernlicht- Starter beschrieben. Der Starter ist ein unabhängiger Boost- Umrichter, der nur mit einer Stromrückführung arbeitet. Wenn der Starter angesteuert wird, injiziert die Drossel L4 Strompulse in die Kondensatoren C15 und C16. Die Kondensatoren sammeln Ladung, bis ihre Spannung auf das Durchbruchpotential der Funkenstrecke SG2 ansteigt. Ein Funke über der Strecke entlädt die Kondensatoren über die Primärwicklung T2A des Transformators T2, wobei ein Hochspannungspuls in der Sekundärwicklung T2B erzeugt wird, der an die Lampe angelegt wird. Der Starter für das Abblendlicht arbeitet in der gleichen Weise mit Funkenentladungen über der Strecke SG1 und Pulsen, die in TIB erzeugt werden. Diese Wirkungsweise der Schaltungsanordnung setzt sich fort, bis der Starter automatisch abgeschaltet wird, nachdem die Lampe gestartet hat, wie es nachfolgend beschrieben wird.
Der Komparator U6B in Fig. 3 liefert das Ansteuer/Ausschalt-Eingangssignal an die Starter in Fig. 5. Er tastet die mittlere Lampenspannung über seine +ve Eingangsseite ab. Wenn diese Spannung unter einen gewissen Wert abfällt, beispielsweise unter 184 V, wird der Starter für die Fernlichtlampe über den Diodenpfad D8 in die integrierte Schaltung US abgeschaltet, oder der für die Abblendlichtlampe wird über den Diodenpfad D7 in die integrierte Schaltung U4 abgeschaltet.
Der Komparator U6C in Fig. 3 liefert eine Spannungsbegrenzungsfunktion für den Betriebs-Umrichter. Dieser Komparator überwacht die Ausgangsspannung für den Betriebs-Umrichter über seine +ve Eingangsseite und R29, und wenn die Spannung einen gewissen Wert, beispielsweise 200 Volt, überschreitet, gibt er ein Sperrsignal an den Betriebs-Umrichter über Pin 3 der integrierten Schaltung U7 ab.
Der Komparator U6D liefert ein Anti-Ausfallmerkmal. Dieser Komparator tastet Änderungen in der Lampenspannung ab. Im Falle eines plötzlichen Anstiegs in der Lampenspannung, gibt der Komparator ein Signal an U7 über Pin 2 aus, wobei dieses Signal seinerseits an Pin 1 von U7 über R36 und C21 angelegt wird, um so den Lampenstrom für eine kurze Zeit zu erhöhen. Ein plötzlicher Anstieg in der Lampenspannung kann aufgrund eines mechanischen Stoßes erfolgen und könnte die Lampe löschen, aber dieses Design-Merkmal hält die Lampe am Leuchten.
Der Komparator U6A sorgt für ein automatisches Ausschalten der Vorschaltanordnung im Falle einer fehlerhaften Lampe. Zeitsteuerkomponenten C17 und R24 bestimmen die maximale Zeit, beispielsweise 1/2 Sekunden, dass einer der Starter seine zugeordnete Lampe erfolgreich starten kann. Wenn danach kein Start erfolgt, tritt ein Abschalten der Vorschaltanordnung auf. Die Starter werden über den Pfad inaktiviert, der durch D10, R24 in Fig. 3 und D7 und D8 in Fig. 5 gebildet ist. Die Betriebs-Schaltung wird über den Pfad inaktiviert, der durch D11 gebildet ist und nach Pin 3 von U7 in Fig. 3 führt. Dieses Merkmal verhindert Radiostörung durch kontinuierliches versuchtes Starten einer fehlerhaften Lampe.
Ein Timer-IC U3 in Fig. 3 sorgt für ein Zünd- Durchlass-Merkmal. Diese integrierte Schaltung ist als ein freilaufender Oszillator mit einer Periode von 0,5 Sekunden aufgebaut. Wenn sowohl HIGH- als auch LOW-Eingangssignale zusammen an der Eingangsstufe von U2 vorhanden sind, wird der Oszillator angesteuert. Der Oszillator bewirkt, dass der Lampenstrom jede halbe Sekunde über dem Pfad D6, C20, U6D, R36, C21 und Pin 1 von U7 auf einen höheren Wert pulst.
Ein Minimum-Ausschaltzeit-Merkmal wird durch eine integrierte Schaltung UIA (eine als ein Univibrator aufgebaute Zeitsteuerung) gebildet. Immer wenn Leistung, über Anschlüsse FERN, ABBLEND in Fig. 3 entfernt und dann schnell wieder angelegt wird, hält UlA für 20 Millisekunden den Betrieb des Betriebs-Umrichters über den Pfad ab, der durch D3, R5 und Pin 3 von U7 gebildet ist. Ohne dieses Merkmal könnte eine rasche Umschaltung zwischen dem Fern- und Abblendlichtlampen zur Folge haben, dass die ursprüngliche Lampe eingeschaltet bleibt.
Die integrierte Schaltung UIB in Fig. 3 ist als ein astabiler Multivibrator aufgebaut und sorgt für eine Frequenzmodulation des Lampenstroms. Das sägezahnförmige Ausgangssignal aus dieser Schaltungsanordnung, das durch das Signal 18 in Fig. 3 dargestellt ist, wird in dem die Frequenz bestimmenden Eingang (Pin 4) der PWM Steuerung U7 des Betriebs-Umrichters über dem Pfad eingespeist, der durch R4 und C3 gebildet ist. Die Modulationsfrequenz, die die Ausgangsfrequenz aus UIB ist, beträgt etwa 500 Hz.
Für die Ausführungsbeispiele der Vorschaltanordnung, die in den Fig. 3, 4 und 5 gezeigt sind, hat der unidirektionale Betriebsstrom eine überlagerte Welligkeit bei einer Frequenz von etwa 100 kHz mit einer Amplitude von etwa 50%, und die Welligkeits-Frequenz wird frequenzmoduliert bei etwa 500 Hz. Diese Größen können verändert werden durch (1) Verkleinern des Wertes von C1, um die Welligkeits-Frequenz zu erhöhen, (2) Verkleinern des Wertes von C9, um die Amplitude der Welligkeit zu vergrößern, und (3) Einstellen von UIB, um die Frequenzmodulation der Welligkeitsmodulation zu verändern.

Kompakte Frontlampeneinrichtungen

In Fig. 6 ist eine erfindungsgemäße Einrichtung 30 mit einer unidirektionalen akustischen Vorschaltanordnung und einer Doppelfrontlampe dargestellt. Sie weist einen ersten Reflektor 32 und eine Lampe 34 für das Fernlicht und einen zweiten Reflektor 36 und eine Lampe 38 für das Abblendlicht auf. Die Vorschaltkomponenten, die zuvor in Verbindung mit den Fig. 3, 4 und 5 beschrieben wurden, sind bei 20 angegeben und sind an der Rückseite von den Reflektoren auf einer Schaltkarte 40 in dem Raum hinter den Frontlampen angebracht. Die Pulstransformatoren T2 und T1 zum Starten der Fern- und Abblendlichtlampen 34 und 38 können gesehen werden.
Die bestimmte integrierte Doppelfrontlampeneinrichtung 30, die als Beispiel in Fig. 6 dargestellt ist, hat eine Höhe 42 von etwa 50 mm, eine Breite 44 von etwa 250 mm und eine Tiefe 46 von etwa 100 mm. Dies stellt eine gewaltige Verkleinerung in der Größe dar relativ zu üblichen Frontlampen, wie es durch den Gegensatz zwischen der Einrichtung 30, die in Seitenansicht in Fig. 7B gezeigt ist, und der üblichen Glüh-Doppelfrontlampe 50 deutlich wird, wie in Fig. 7A gezeigt ist. Dieser Gegensatz ist wieder zu sehen zwischen Fig. 8B, die eine Einrichtung 30 in einer Vorder- oder Linsenendansicht zeigt, und Fig. 8A, die eine entsprechende Ansicht von einer üblichen Frontlampe 50 zeigt. Die vorliegende Erfindung hat eine Gesamtvolumenverkleinerung von etwa 75% in bezug auf übliche Halogen-Frontlampen gestattet.

Magnetfeldunterstützung

Seit den frühen Tagen des Dynamos und der Kohlenstoff- Bogenlampe ist es bekannt gewesen, dass ein Magnetfeld benutzt werden könnte, um einen elektrischen Lichtbogen aus seiner Normalstellung zu verschieben oder um seine Wölbung zu verringern, um ihn zu begradigen.
Wir haben gefunden, dass unsere Verwendung von Gleichstrom (DC) oder, genauer gesagt, von unidirektionalem Strom, zu dem eine hochfrequente Wechselspannungs(AC)-Komponente hinzugefügt wird durch Welligkeits-Modulation zum akustischen Begradigen des Lichtbogens, sich durch ein Magnetfeld auf einfache Weise für eine zusätzliche Lichtbogensteuerung eignet. Durch die Kombination und Kooperation von akustischen mit magnetischen Mitteln haben wir eine unerwartete Effektivität im Steuern des Lichtbogens erzielt.
Xenon-Metallhalogenid-Miniaturlampen für Automobil- Frontlampenanwendungen können einwandig sein, wie es beispielsweise in Fig. 6 gezeigt ist, dort bei 34 und 38, oder ummantel, das heißt doppelwandig, wie es in der Frontlampe 90 in Fig. 9 gezeigt ist. Der Mantel ist vorteilhaft in der Aufrechterhaltung einer gleichmäßigeren Temperatur und einer gleichförmigeren Verteilung des Metallhalogenids in dem inneren Kolben. Bei beiden Lampenarten, aber mehr bei den ummantelten, wenn diese mit einer Eingangsleistung von 30 Watt betrieben werden, kann eine Wölbung des Lichtbogens und seine Nähe zu der oberen Wand das Quarz erweichen, wodurch es sich wölbt und schließlich fehlerhaft wird. Es ist erwünscht, ein Mittel zum Senken der Temperatur der oberen Wand zu finden, um ein Wölben und eine kurze Lebensdauer zu vermeiden. Wenn möglich, sollte die Temperatur der unteren Wand erhöht werden, um den Dampfdruck der Metallhalogenide zu erhöhen und dadurch den Wirkungsgrad zu vergrößern.
Das eingangs erwähnte GB-A-2,216,334 und das US-Patent 4,935,668 von Richard L. Hansler u. a. beschreiben auf entsprechende Weise einfache und ummantelte Xenon-Metallhalogenid- Lampenbogenröhren, die für eine Verwendung in dieser Erfindung geeignet sind.
Wir haben gefunden, dass ein konstantes Magnetfeld, wie es durch Permanentmagnete oder durch Spulen, die einen Gleichstrom führen, erzeugt wird, als eine Unterstützung für eine Begradigung des Lichtbogens durch akustische Resonanz verwendet werden kann. Es kann verwendet werden, um den Lichtbogen nach unten zu drücken, um so die Temperatur der oberen Wand zu senken und diejenige der unteren Wand zu erhöhen. Alternativ kann es verwendet werden, um den Bogenspalt zu verlängern, den akustische Begradigung begradigen kann. Der am stärksten betonte Effekt scheint derjenige auf die Natriumfahne zu sein, die normalerweise primär über dem Kern gefunden wird. Wenn ein konstantes Magnetfeld angelegt wird, wird die Natriumemission nahezu symmetrisch um den Kern herum. Ein Feld von 10 bis 15 Gauss ist alles, was bei der Bogenröhre erforderlich ist, die mit DC bei 100 kHz Welligkeit bei einer Modulationstiefe von etwa 60% betrieben wird. Dies hat einen Abfall von 100 bis 180 Grad Celsius in der maximalen Temperatur der oberen Wand zur Folge.
Bezug nehmend auf Fig. 9, weist eine Automobil- Frontlampe 90 einen aus einem geeigneten Kunststoff hergestellten Reflektor 91 auf, dessen Front normalerweise durch eine klare, mit Facetten versehenen Linse verschlossen ist, die hier nicht gezeigt ist. Die Lichtquelle ist eine Xenon-Metallhalogenid-Bogenröhre, die einen inneren, gläsernen Siliziumdioxid- Mantel 92 und einen äußeren Kolben oder Mantel 93 aufweist, der sie umgibt. Wie gezeigt ist, ist die Röhre horizontal angebracht auf einer Achse von vorne nach hinten, wobei die größere Anode 94 hinten und die kleinere Kathode 95 an der Vorderseite angeordnet sind. Sie wird innerhalb der Frontlampe durch Einführungsleiter gehaltert, die aus der Rückseite des Reflektors durch Durchführungsanschlüsse 96 heraus führen für eine Verbindung mit einer Vorschaltanordnung 97, vorzugsweise einer akustischen gemäß der vorliegenden Erfindung.
Gemäß der Erfindung sind magnetische Mittel 98, 99 relativ zu der Bogenröhre angeordnet, um an dem Lichtbogen ein horizontales, quer verlaufendes Magnetfeld zu erzeugen, geeigneter Weise in dem Bereich von 0,5-1,5 mT (fünf bis 15 Gauss). Wir haben gefunden, dass kleine Ferrit-Magnete mit einer Größe von etwa 25,4 mal 19 mm mal 6,35 mm (1 mal ³/&sub4; mal ¹/&sub4; Zoll) und quer magnetisiert geeignet sind. Sie können in den Kunststoff-Reflektor zementiert sein, vorzugsweise an der Unterseite des Bodens, wo sie weniger der Wärme aus der Lampe ausgesetzt sind. In einer derartigen Anordnung ist einer der Magnete 98, 99 N-Pol nach oben und der andere ist S-Pol nach oben; sie sind in einem Abstand von etwa 44,5 mm (1 ³/&sub4; Zoll) angeordnet und etwa 25,4 mm (1 Zoll) unter der Bogenröhre angeordnet.
Die räumliche Wechselbeziehung des Stromflusses durch die Bogenröhre entlang seiner Achse, die magnetischen Kraftlinien und die resultierende Kraft auf den Lichtbogen sind in Fig. 10 dargestellt. Die repräsentativen Magnetlinien 100, 101 des durch die ebenen Magnete 98, 99 erzeugten Feldes sind horizontal und quer zu dem Lichtbogen und können durch einen Vektor B dargestellt werden. Die Kraft auf sowohl die Elektronen und die Ionen, die sich in der Entladung bewegen, ist die Folge des Vektorproduktes von ihrer Geschwindigkeit und dem Magnetfeld, und bei dem die Vorzeichen entgegengesetzt sind aufgrund der Vorzeichen der Ladungen. Da sowohl die Ladungen als auch die Richtungen entgegengesetzt sind, ist die Kraft in der gleichen Richtung in bezug auf sowohl Elektronen als auch Ionen. Der Strom I ist axial und der Vektor B ist quer, deshalb ist die resultierende Kraft f auf die geladenen Teilchen orthogonal zu beiden und deshalb nach unten, wie es gezeigt ist. Da das Natrium stark ionisiert ist im Vergleich zu dem Quecksilber und Skandium und da Natrium vergleichsweise leicht ist, erfährt es die größte Wirkung.
Die Abwärtskraft f addiert sich zu der akustischen Begradigungswirkung und kann sie unterstützen, den Lichtbogen nach unten und von der oberen Wand der Bogenröhre weg zu drücken. Es ist unwesentlich, wie das gewünschte Magnetfeld hervorgerufen wird, ob durch Permanentmagnete oder durch gleichstromführende Spulen, solange es die gewünschte Richtung und Intensität am Lichtbogen hat.
Einige der Vorteile der Magnetfeldunterstützung können in den Fig. 11a, b und c gesehen werden, die alle in vereinfachter Form das Innere von der inneren Bogenröhre 92 und die Entladung zwischen der Anode 94 und der Kathode 95 darstellen. Die Entladung weist einen weißen Kernabschnitt 102 und einen pinkfarbenen Natrium-Fahnenabschnitt 103 auf. In Fig. 11a ist der Betrieb ohne jede Art von Stabilisierung: Der Kern des Lichtbogens wölbt sich nach oben und die Natriumfahne schwimmt über ihm. In Fig. 11b ist nur akustische Begradigung vorgesehen: Der Kern ist nahezu begradigt, aber die Natriumfahne ist noch über ihm. In Fig. 11c sind sowohl akustische Begradigung als auch magnetische Verschiebung verwendet: Der Kern 102 ist nun vollständig begradigt und die Natriumfahne 103 ist symmetrisch über und unter dem Kern.
In Prüfungen wurde beobachtet, dass bei einer Bogenröhre 92 (mantellos), die eine hohe Temperatur von 1140ºC an ihrer oberen Wand über der Anode hatte, wenn sie mit einer akustischen Vorschaltanordnung 97 betrieben wurde, die Temperatur auf 960ºC abfiel, wenn zwei Magnete an der unteren Seite des Reflektors angeordnet waren, wie es in Fig. 9 gezeigt ist. Die geprüften Lampen hatten üblicherweise einen Spalt von 2,5 mm zwischen den Elektroden.
In weiteren Untersuchungen wurden Lampen mit einem Spalt von 4,0 mm zwischen den Elektroden benutzt. Diese Länge ist bevorzugt, weil sie derjenigen des Wolfram-Glühfadens entspricht, der in Auto-Frontlampen verwendet worden ist und die Verwendung von üblichen Optiken in Reflektor und Linse gestattet. Wenn die Lampen mit der akustischen Vorschaltanordnung betrieben wurden, wanderte der Lichtbogen nahe an die obere Wand. Dann wurde ein geeignetes Magnetfeld vorgesehen, und dies bewirkte, dass der Lichtbogen in die Mitte der Lampe gezogen wurde, wo sie sehr stabil arbeitete. In diesem Zustand wurde die Lichtquelle ausgeschaltet und dann wieder eingeschaltet. Nach einem kurzen Zögern während des Vorhandenseins des zuvor erläuterten großen Starkstroms, während dem der Lichtbogen nahe an der unteren Wand war, schnappte der Lichtbogen in die Mitte, wobei die Natriumfahne 103 symmetrisch um den Kern herum ist, wie es in Fig. 11c gezeigt ist.
Bezüglich des momentanen Anfangsbetriebs des Lichtbogens nahe an der unteren Wand der einen Spalt von 4,0 mm aufweisenden Bogenlampe scheint dieses Auftreten die Lampe nicht zu beschädigen. Wenn jedoch dieser Anfangszustand unerwünscht ist, kann er durch die Verwendung der Spule 104 in Fig. 9 vermieden werden. Die Spule ist innerhalb des Reflektors unter der Bogenröhre angeordnet, wo ihre Gegenwart das zu den parabolischen Wänden gehende Licht nicht stört. Sie ist mit der Lampe in Reihe geschaltet, um den gleichen unidirektionalen, Welligkeits-modulierten Strom zu empfangen, der durch die Vorschaltanordnung 97 erzeugt wird. Der Bogenstrom durch die Spule entwickelt ein Magnetfeld am Bogen, das zu denjenigen der Magnete 98 und 99 entgegengesetzt ist. Während des hohen Starkstroms, der zum Aufwärmen der Lampe geliefert wird, neutralisiert das Feld der Spule das permanente Feld, so dass der Bogen nicht nach unten gegen die untere Wand getrieben wird. Dann ist der Strom während des normalen Arbeitsbetriebs viel kleiner, und das permanente Feld ist vorherrschend. Der Wirkung des Spulenfeldes wird während des Betriebs dadurch entgegengewirkt, dass leicht stärkere Permanentmagnete 98 und 99 für das permanente Feld gewählt werden.
Die vorstehenden Beispiele von Betriebsbedingungen in der Praxis des erfindungsgemäßen Verfahrens, von speziellen Vorschaltanordnung, von Bogenröhren und Frontlampeneinrichtungen und magnetischen Einrichtungen sind zu Darstellungsazwecken gedacht. TABELLE 1 WIDERSTÄNDE
Bemerkung: Alle Widerstände sind in Ohm angegeben und haben 1/4 Watt, wenn nicht etwas anderes angegeben ist, KONDENSATOREN
Bemerkung: Alle Kondensatoren sind in Mikrofarad angegeben, wenn nicht etwas anderes angegeben ist, (pF = Pikofarad)

POTENTIOMETER

P1 20 k2 1/2 W
P2 10 k2 1/2 W
P3 10 k2 1/2 W DIODEN

INTEGRTERTE SCHALTUNGEN

U1 556 Signetics
U2 TL331 Texas Instruments
U3 555 Signetics
U4 UC3843 Unitrode
US UC3843 Unitrode
U6 LN339 National
U7 UC3843 Unitrode
U8 LM324 National
U9 UCMLOBACZ Motorola

TRANSISTOREN

Q1 IRF 640
Q2 IRF 630
Q3 IRF 630
Q4 2N2822
Q5 2N2222
Qb 2N2222
D7 2N2222
Q8 2N2222

DROSSELN

L1 50
LE 50, 25% Anzapfung
L3 50
L4 50
Bemerkung: L1, L3 und L4 sind in Mikrohenty angegeben, wogegen L2 in Millihenry angegeben ist.
"Signetic", "Texas Instruments", "Unitrode", "National" und "Motorola" sind eingetragene Marken.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben einer Miniatur-Hochdruck- Metalldampf-Entladungslampe von einer Art, die enthält:

einen gläsernen Mantel (92), der einen Entladungsraum mit einem Volumen bildet, das nicht grösser als etwa 1 Kubikzentimeter ist;

eine Kathode (95) und eine Anode (94), die in dem Mantel gekapselt sind und einen Bogenspalt bilden;

und eine Füllung, die Quecksilber, Metallhalogenide und

ein Strahlung emittierendes Gas in einer Menge aufweist, die einen Partialdruck von wenigstens 25% des gesamten Dampfdruckes während des kontinuierlichen Betriebs ausübt;

wobei das Verfahren enthält:

Einleiten einer Ionisation über dem Spalt durch Spannungspulse;

Leiten eines unidirektionalen Stroms während einer Startphase zum Aufwärmen der Lampe und zum Senken des Stroms während der Betriebsphase;

Aufdrücken einer hochfrequenten Welligkeit auf den Strom bei einer Modulationstiefe, die ein kleinerer Prozentsatz während der Startphase als während der Betriebsphase ist, wodurch augenblickliche Änderungen in der Eingangsleistung über dem Bogenspalt bewirkt werden;

wobei die Welligkeit eine Frequenz hat, bei der akustische Resonanz Bogen-begradigende Moden anregt;

Wählen der Frequenz in einem Bereich von 90 kHz bis 120 kHz und

Bereitstellen eines horizontalen Magnetfeldes an dem Bogenspalt quer zu dem unidirektionalen Strom.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die hochfrequente Welligkeit, die dem Strom durch die Lampe bei der gewählten Frequenz aufgedrückt wird, frequenzmoduliert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Bogenspalt horizontal ist, Xenon in der Füllung für das Strahlung emittierende Gas enthalten ist und wobei Natrium als ein Halogenid enthalten ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Strom während der Startphase in dem Bereich des 2 bis 20 fachen des Betriebsstroms ist und wobei die Welligkeit grob konstant im absoluten Wert während der Start- und Betriebsphasen ist und eine Modulationstiefe von wenigstens 30% während der Betriebsphase hat, um ein breites Frequenzband mit stabilem Betrieb zu gewährleisten.

5. Einrichtung mit einer Stromquelle und einer Miniatur- Hochdruck-Metalldampf-Entladungslampe, wobei die Lampe enthält:

eine Kathode (95) und eine Anode (94), die in dem Mantel gekapselt sind und einen horizontalen Bogenspalt bilden; und

eine Füllung, die Quecksilber, Metallhalogenide einschließlich Natrium und Xenon-Gas in einer Menge aufweist, die einen Partialdruck von wenigstens 25% des gesamten Dampfdruckes während des kontinuierlichen Betriebs ausübt;

wobei die Stromquelle eine solche ist, die einen unidirektionalen Strom mit einer aufgedrUckten hochfrequenten Welligkeit ist, um die Lampe zu betreiben, wobei die Welligkeit für eine Modulation der Energiezufuhr zur Lampe sorgt und eine Frequenz hat, bei der akustische Resonanz Bogen-begradigende Moden anregt, dadurch gekennzeichnet, daß die Welligkeit in dem Frequenzband von 90 bis 120 kHz liegt und daß Mittel (98, 99) vorgesehen sind, die ein horizontales Magnetfeld an dem Bogenspalt quer zu dem Stromfluss bilden, die Lampe in einer Frontlampen- Reflektoreinrichtung (91) angebracht ist, das Magnetfeld durch an der Einrichtung befestigte Permantmagnetmittel (98, 99) gebildet ist, der Welligkeits-modulierte Strom, der an die Lampe geliefert wird, während der Startphase zum Aufwärmen mehrere Male größer ist als während der folgenden Betriebsphase, und eine elektromagnetische Einrichtung (104) vorgesehen ist, um dem permanenten Magnetfeld an dem Spalt entgegenzuwirken, wobei die elektromagnetische Einrichtung durch den Lampenstrom gespeist wird, um dadurch das permanente Magnetfeld wenigstens teilweise zu neutralisieren und zu verhindern, daß der Bogen während der Startphase nach unten gegen die untere Wand der Lampe gedrückt wird.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, wobei der Bogenspalt 2 bis 5 mm beträgt und die elektromagnetische Einrichtung eine Drahtspule (104) ist, die in der Reflektoreinrichtung unterhalb der Lampe angeordnet und mit dieser in Reihe geschaltet ist.

7. Integrierte und kompakte Frontlampen- und Vorschaltanordnung, die eine Einrichtung nach Anspruch 5 enthält,

ein Frontlampen-Reflektor (91) in dem Mantel ist auf einer vorderen und hinteren Achse horizontal angebracht, wobei der Bogenspalt an oder benachbart zum Brennpunkt angeordnet ist,

eine Starteinrichtung (U5, U4; Q3, Q2; L4, L3; D22; C15; C16; C7, C8; T2, T1) liefert Spannungspulse, um den Bogenspalt zu ionisieren und einen Stromfluß in der Lampe zu initiieren, und eine Timing- und Steuereinrichtung liefert während einer Start-Aufwärmphase einen grösseren Strom durch die Lampe als während der Betriebsphase und vergrössert die Modulationstiefe der Welligkeit, wenn der Strom verkleinert wird.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, wobei Mittel (U1B) vorgesehen sind, um die hochfrequente Welligkeit frequenzzumodulieren.

9. Einrichtung nach Anspruch 7, wobei eine Speicherschaltung (U8C, C27; U8D, C30) vorgesehen ist, die auf das Zeitintervall von Lampenlöschungen kurzer Dauer anspricht, wobei die Speicherschaltung die Dauer der Hochstrom-Startphase gemäß dem Intervall verkürzt.

10. Doppel-Frontlampeneinheit mit Aufblend- und Abblendlicht, enthaltend zwei Einrichtungen nach Anspruch 7 und eine einzige Stromquelle, die zum Zuführen von Strom zu beiden Lampen vorgesehen ist.