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Elektrische Hochdruckentladungslampe mit einem Betriebsdampfdruck
von mehr als- 5 Atmosphären Seit Küch und Retschinsky im Jahre igo5 fanden, .daß
die Lichtausbeute eines Quecksilberentladungsbogens mit wachsendem Dampfdruck nach
Überschreiten eines bei Betriebsdampfdrücken von . etwa 1/1o rnm Quecksilbersäule
liegenden Maximurcls zwar anfänglich absinkt, schließlich aber beim Erreichen des
Hochdruckgebietes erneut ansteigt, und zwar auf außerordentlich hohe Werte, hat
man .keine Anstrengungen gescheut, um für die Praxis brauchbare, einfach, ausgebildete
und leicht .zu betreibende Lichtquellen mit Hochdruckentladung zu entwickeln. Die
in neuerer Zeit mit großem Erfolg singgeführten Hochdruckdampfentladungslampen mit
Glühelektroden weissen insbesondere bei Verwendung von Dampfdrücken von mehr als
i bis iooAtm. und darüber bereits Lichtausbeuten :auf, die um ein Vielfaches höher
Liegen ,als die Lichtausbeuten der besten .elektrischen Glühlampen, - sie erfordern
jedoch einen strombegrenzenden Vorschaltwiderstand, der den Lampenbetrieb erheblich
erschwert und durch erhöhte Anlagekostwi wesentlich verteuert. Ein strombegrenzender
Vorschaltwiderstand wurde und wird auch heute noch bei Verwendung von Hochdruckentladungslampen
überall deswegen stets vorgesehen, weil man auf Grund jahrzehntelanger Erfahrungen
der festen Ansicht -war, daß die Lichtbpgenspaimung, also der- Gradient .der Hochdruckentladung,
je Zentimeter Bogenlänge bei konstant gehaltenem Druck mit wachsender Stromstärke
fällt, und man
sah darin sogar ein kennzeichnendes Merkmal des Lichtbogens,
insbesondere bei hohen Drücken. Dabei ist zu beachten, daß bei Entladungslampen,
deren Brennspannung bei konstantem Druck mit wachsender Stromstärke fällt, das beispielsweise
durch Netzspannungsschwankungen eingeleitete Anwachsen des Stromes in Bruchteilen
einer Sekunde lawinenartig vor sich geht und in dieser kurzen Zeit ein etwa vorhandener
Bodenkörper, z. B. aus Quecksilber, nicht zu einer Mehrverdampfung gebracht werden
kann, um etwa. auf diese Weise einen mit der Stromstärke anwachsenden Füllungsdruck
und damit eine Brennspannungserhöhung und Stromstabilisierung zu erzielen. Die Stromstärke
wächst vielmehr ,derart plötzlich an, daß sich der Füllungsdruck dabei praktisch
.nicht ändert, auch dann nicht, wenn ein Quecksilberbodenkörper zur Mehrverdampfung
zur Verfügung steht.
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Um trotz des fallenden Gradienten einen steigenden Verlauf der Bogenbreninspannungskennlinie
zu erzielen -und damit den als äußerst nachteilig empfundenen Vorschaltwiderstand
ganz oder teilweise überflüssig zu machen, hat man schon versucht, den Entladungsweg
bei wachsender Stromstärke entsprechend zu verlängern, etwa mittels eines vom. Entladungslstrom
durchflossenen Magneten, jedoch bekanntlich mit wenig Erfolg. Infolgedessen befassen
sich zahlreiche Vorschläge damit, den ,als notwendiges Übel erkannten Vorsichaltwiderstand
nutzbringend zu verwerten., z. B. ihn als - Heiz- oder Glühkörper auszubilden
und die in ihm verbrauchte elektrische Leistung zur Wärmeerzeugung zu verwenden
bzw. zur Strahlungserzeugung mit heranzuziehen.
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Die Erfindung beruht auf der überraschenden, durch Versuche bestätigten
Erkenntnis, daß bei einer Quecksilberhochdrucklampe unter bestimmten Voraussetzungen,
nämlich beim Cberschreiten einer Lichtbogengrenzleistung, der Gradient nicht, wie
bisher angenommen, mit wachsender Stromstärke fällt, sondern ansteigt und daß ähnliche
Verhältnisse auch bei Verwendung anderer Metalldämpfe bzw. Gase oder Gasdampfgemische
vorliegen.
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Eine Erklärung dieser unerwarteten Erscheinung gibt folgende Theorie,
die auch Schlüsse :über das Verhalten anderer Füllungsstoffe zuläßt.
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Der Gradient :einer elektrischen Entladung mit konstantem Druck sinkt
nach herrschender Auffassung deswegen bei wachsender Stromstärke, weil die. zugeführte
elektrische Mehrleistung nicht nur in Strahlung, sondern auch teilweise in Wärme
umgesetzt wird und die Mehrerzeugung an Wärme zu seiner erheblichen Steigerung der
Temperatur des Entladungsbogens, führt und damit günstigere Ionisierungabedingungen
schafft oder mit anderen Worten, die. Leitfähigkeit des Entladungsbogens erhöht
'bzw. den elektrischen Widerstand des Entladungsbogens vermindert.
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Im Gebiet kleiner Leistungsaufnahmen des Entladungsbogens, also in
dem Bereich, in dem bekanntlich verhältnismäßig niedrige Lichtausbeuten auftreten,
führt nun eine Stromsteigerung zu einer so starken Mehrerzeugung .an Wärme, .daß
wegen der starken Erhöhung der Lichtbogentemperatur der elektrische Widerstand der
Entladungsstrecke anteihnäBig stärker absinkt als die Stromstärke ansteigt und demgemäß
das Produkt aus Strom und Widerstand, also der Gradient, bei höherer Stromstärke
kleiner ist.
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Im Hochdruckgebiet steigt bekanntlich die Lichtausbeute des eingeschnürten
Lichtbogens sowohl mit wachsendem Strom als auch mit wachsendem Dampfdruck, also
in Abhämgigkeit von der. Leistungsaufnahme des Lichtbogens außerordentlich stark
an, wobei naturgemäß die erzeugte Wärme anteilmäßig immer kleiner und kleiner wird.
Man kann sich .daher vorstellen, daß bei hohen Lichtbogenleistungen eine Erhöhung
des Stromes wegen. der geringen Mehrerzeugung an Wärme nur noch eine geringe Erhöhung
der Lichtbogentemperatur und demgemäß nur noch eine geringe Abnahme des elektrischen
Widerstandes der Entladungsstrecke mit sich bringt, daß also der Gradient mit wachsender
Leistungsaufnahme des Lichtbogens immer flacher und flacher verläuft, dann einen
tiefsten Punkt erreicht und schließlich sogar ansteigt. Zahlreiche Versuche haben
gezeigt, daß diese Umkehrurig des Richtungssinnes der Gradientenkexinlinie bei .einer
Quecksilberhochdruckdampflampe bei einer Leistungsaufnahme von etwa 3o Watt je Zentimeter
Bogenlänge eintritt. Mag die vorstehend gegebene theoretische Erklärung richtig
sein oder nicht, jedenfalls wurde der geschilderte Verlauf der Gradientenkennlinie
bei wachsender Leistungsaufnahme des Lichtbogens zweifelsfrei festgestellt.
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Auf Grund dieser neuen Erkenntnis wird gemäß der Erfindung der Lichtbogen
einer elektrischen Hochdruckentladungslampe bei einem Betriebsdampfdruck von mehr
als 5 Atm. und bei einer Leistungsaufnalune von mehr .als! 6o Watt je Zentimeter
Bogenlänge ohne einen Vorschaltwiderstand bzw. unter Vorschaltung eines kleinen,
bei der Betriebsstromstärke nur höchstens i o % der Anschlußspannung aufnehmenden
Widerstandes von der Stromquelle gespeist, also die Stromstärke bzw. der Betriebsdampfdruck
so hoch eingestellt, daß die Bogenbrennspannung
gleich der Ans'chlußspannung
ist odex nur höchstens i o % unterhalb dieser liegt.
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Bei H ochdruckentladungslämpen; die zurr unmittelbaren Anschluß ,an
.eine Stromquelle bestimmt sind, also beispielsweise wie elektrische Glühlampen
in Netzfassungen eingesetzt werden sollen, werden gemäß der Erfindung die Wä rmeableitungsverhältnisse
des Lampengefäßes, bzw. die Menge des äm Betrieb völlig verdampfenden Metälls sowie
der Elektrodenabstand so bemessen, daß nach erfolgter Zündung des Lichtbogens und
Aufheizung des Lampengefäßes bei unmittelbarer Verbindung der Elektroden mit den
Sockelkontakten, gegebenenfalls Luster Vorschaltung eines kleinen, im Betrieb nur
höchstens i o der Ansichlußspainnung aufnehmenden, leicht in der Lampe unterzubringenden
Widerstandes, eine Betriebsistromstärke und ein Betriebsdampfdruck .auftreten, bei
denen die Leistungsaufnahme des Lichtbogens mehr als 3o Watt je Zentimeter Bogenlänge
beträgt.
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Eine derart ausgebildete, keinen .oder nur einen sehr kleinen mit
der Lampe vereinigten Vorschaltwiderstand aufweisende Hochdruckentladun;gslampe
@er,,gibt naturgemäß-eine wesentlich höhere Lichtausbeute als, die bekannten HochdruckentladLnigslampen
mit verhältnismäßig großem, zur Begrenzung de Entladungsstromes dienendem Vorschaltwiderstand
und ist ebenso einfach wie eine elektrische Glühlampe verwendbar.
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Wie bei einer elektrischen Glühlampe, bei der die des an konstanter
Spannung liegenden Leuchtkörpers von seiner Länge und seinem, Querschnitt abhängt,
wird beider neuen- Hochdruckentladüngslampe die Leistungsaufnahmedes Lichtbagens
durch die Länge der Entladungsstrecke und die Höhe des Betriebsdampfdruckes, der
die Leitfähigkeit des Entladungsweges kennzeichnet, bestimmt. Hier besteht ferner
die bei Glühlampen nicht gegebene Möglichkeit, die Leitfähigkeit des Stromleiters-
und damit die Leistungsaufnahme im Betrieb der Lampe innerhalb weiter Grenzen zu
verändern bzw. auf den. gewünschten Wert einzustellen, und zwar durch Beeinflussung
des Betriebsdampfdruckes, z. B. mittels einer verstellbare. Wärmeisioherung oder
einer regelbaren Betriebslieizeinrichtwngoder Betriebskwhleinrichtung.
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Die neue Hochdruck entladwngslampe muß selbstverständlich so ausgebildet
sein, daß der Lichtbogen erst .dann ;gezündet bzv. unmittelbar an die Anschlußspannung
gefegt wird, wenn ein genügend-rhoher Füllungsdruck vorhandein ist, weil bei zu
;geringem Füllungsdruck und daher fallender Gradie'nten'kennlimme der ;äußerst schnellansteigende
Entladungsstrom. in der Regel nicht rasch genug
den Füllungsdruck der Lampe auf einen Wert |
zu bringen vermag, bei dem die Gradi;enten- |
kenuline ansteigt. Es ist :dabei, zu beachten, |
daß auch bei der neuen Lampe die Span- |
nungsabfälle an den Elektroden mit wachsen= |
dem Strom sinken und dieses Absinken durch |
den Spannungszuwachs ausgeglichen werden |
muß, der sich im gegebenenfalls verwendeten |
kleinen Vorschaltwiderstand einstellt oder ider |
beim Fehlen eines. Vorschal'twidersta:edes @m |
Lichtbogen selbst auftritt. Der EInfiuß der |
Elektrodeniälle isst natürlich um, so kleiner, |
je länger der Lichtbogen, also je größer der |
Elektrodenabs=d ist. |
Findet eine mit zu hoher Elektronenemis- |
sion aktivierten Glühelektroden versehene |
Hochdruckentlädungslampe Verwendung, die |
erine Grundgasfüllung von niedrigem Druck |
und Beinen im, Betriebe vollständig verdampf- |
baren Metallbo-denkörp,er enthält und .dem- |
:gemäß schon beim Anlegen an das Netz |
zündet, so ist im Entladungsstromkreis ein |
den Anlaufstrom begrenzender Vorschalt- |
widerstand und ein Schalter anzuordnen, der |
entweder nach einer ,einstellbaren Anlaufzeit |
,oder -in Abhängigkeit von der Gefäßtempera- |
tur, dem, Dampfdruck ;oder der Entladvngs, |
stromistärke selbsttätig den Vorschaltwider- |
stand ganz oder bis auf einen kleinen- Rest |
kurzschließt oder abschaltet. Zu diesem |
Zweck kann beispielsweise in bekannter Weise |
.ein Birnetallschalter Moder ein den kurz- |
zuschließenden Vorschaltwiderstand überbrük- |
kender Widerstand mit negativem Tempera- |
turkoieffizienten Verwendung finden. |
Unter Umständen genügt es', wenn der |
Vorschaltwiderstand selbst als Widerstand mit |
bei Erwärmung stark abfallendem Wider- |
standswert ausgebildet wird. |
Findet ein beim Anlaufen der Lampe ein- |
geschalteter, den Entlädungsstrom begren- |
zender Vorschaltwiderstand Verwendung, so |
wird dieser zweckmäßig ,auch 'zur rascheren |
Anheizung desi Entladüngsigefäßes benutzt, |
beispielsweise bei einer doppelwandigen Höch- |
druckentladungslampe im Raum zwischen: .der |
Außenhülle und dem Entladungsgefäß ange- |
ordnet und als Heizdrähtwendel ausgebildet. |
Besitzt die neue Lampe eine Hochdruck- |
gasfüHung, ;also bereits im kalten Zustand |
einen hohen Füllungsdruck, so können ihre |
Elektroden vor Einleitung der Zündung un- |
mittelbar oder über einen kleinen Widerstand. |
an die Anschlußspannunggelegt werden. Der |
bei der Zündung dann auftretende -schwache |
Entladungsstrom steigt bei -geeignetem E1ek- |
trod@enabs,taand wegen der fallenden GradIen- |
tenkennlinie in kürzester Zeit saufeinen Wert |
an, bei :dem, , sich eine Leistungsaufn;abme |
von mehr als 6o Watt je> Zentimeter |
und damit ein positiver Verlauf der |
Gradiente'nkennlinie -ergibt. Wegen des hohen Füllungsdruckes muß
in diesem Falle die@Zündung der Lampe durch besondere Mittel herbeigeführt werden,
z. B. durch eine die Lampenfüllung ionisierende Hilfsentladung oder durch Hochfrequenzei-.nwirkung,
also durch Mittel, die an sich bekannt sind. Die Lampe kann aber auch so ausgebildet
sein, daß in bekannter Weise die Elektroden sich anfangs berühren und beim- Einschalten
der Lampe sofort .auseinandergezogen und in die Betriebsstellung gebracht werden.
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Bei den nach der Erfindung belasteten und ausgebildeten H:ochdruckentl'aduDgslampen
können ohne Schwierigkeit ferner die Stromzuführungen von zwei oder mehreren Lichtbogen
unmittelbar oder über einen kleinen, im- Betrieb weniger ais i o % der Netzspannung
aufnehmenden Vorschaltwiderstand - miteinander verbunden, also die Lichtbogen in
Parallelschaltung betrieben werden. Die Lichtbalten können dabei verschieden. große
Lichtleistungen aufweisen, entweder weil bei Unterbringung in getrennten Räumur
oder Entladungsgefäßen ihre Betriebsdampfdrücke :oder bei Unterbringung -der Lichtbogen
in einem gemeinsamen Entladunigsraum ihre Längen, also die Elektro:denabsltÄnde,
voneinander abweichen. Bei Unterbringung in einem gemeinsamen Entladungsraum können
die Lichtbogen so-nahe nebeneinander oder versetzt hintereinander angeordnet sein,
daß sich eine Leuchtfläche ergibt.
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Hochdruckentladungslampen nach der Erfindung können für beliebige
Zwecke Verwendung finden, z. B. wegen ihrer hohen Leuchtdichte als Lichtquelle für
Projektionseinrichtungen und Scheinwerfer, wobei dann vorzugsweige :sehr kleine
Elektrodenabstände und sehr hohe Dampfdrücke vorgesehen werden, oder wegen ihrer
hohen Lichtausbeute: für allgemeine Beleuchtungszwecke, wobei dann gegebenenfalls
der Lampenfüllung in an sich bekannter Weise Stoffe zugesetzt werden, die das Spektrum,der
ausgesandten Strahlung verbessern, oder wegen der starken ultravioletten Strahlung
für therapeutische Zwecke, wobei darmgegebenenfalls zur Erzielung einer ,gleichzeitigen
kräftigen Wärmes:trablung mit der Lampe noch ein Heizkörper vereinigt sein kann,
der etwa beim Anlassen der Lampe als Vorschaltwiderstand geschaltet ist und nach
der Aufheizung des Lampengefäßes durch einen selbsttätigen Schalter parallel zum
Lichtbogen an die Speiseleitung gelegt wird.
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Auf der Zeichnung ist .als Ausführungsbeispiel eine nach der Erfindung
ausgebildete und belastete Quecksilberhochdruckeint-Iadungslampe schematisch dargestellt.
Im gesockelten Hüllgefäß i ist das aus Quarzglas oder einem quarzähnlichen Glas
bestehende Entladungsgefäß 2 angeordnet, in das an jedem Ende ein Stromzuführun@gsdraht
3, ¢ eingeschmolzen ist, der eine :durch die Entladung geheizte aktivierte Glühelektrode
5 trägt, die vorzugsweise aus einer mit Erdalkalimetalloxyden versehenen Wolframwendel
besteht. Die obere Elektrode ist über den Einschmelzdraht 3 und die Stromzuführung
6 mit dem Sockelgewinde 7 verbunden, während die untere Elektrode über den Einschmelzdraht
q. und den im Zwischenraum der doppelwandigen Lampe angeordneten Widerstand 8 an
den Sockelbödenkontakt 9 angeschlossen ist. Parallel zum Widerstand 8 liegt der
Bimetallschalter i o.
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In Nähe der unteren Elektrode 5 ist ferner eine Hilfselektrode i i
angeordnet, die über den Einschmelzdraht 12 und den hochohmigen Hilfswiderstand
13 an der Stromzuführung 6 angeschlossen ist.
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Das Entladungsgefäß 2 enthält eine Zündgasfüllung von niedrigem Druck
sowie einen Quecksüberbodenkörper 1q.. Wie bekannt, kann der Raum zwischen dem Entladungsgefäß
2 und dem Hüllgefäß entlüftet -oder mit :einem Gas von geeigneter Wärmeleitfähigkeit
gefüllt sein: Beim Einschalten der Lampe führt die sofort zwischen der Hilfselektrode
i i und .der Glühelektrode 5 auftretende Hilfsentladung zu einer Ionisierung und
Zündung der Entladungsbahn, wobei, die Stromstärke der Entladung durch den Vorschaltwiderstand
8 lauf den gewünschten Wert begrenzt wird. Mit fortschreitender Aufheizung des Lampengefäßes
2, :die durch die Wärmeentwicklung im Vorschaltwiderstand 8 beschleunigt wird, verdampft
der Quecksilberbodenkörper 1q. mehr und mehr, bis. sich schließlich ein ein-' geschnürter
Quecksilberho.chdrucklichtbogen ausbildet. Gleichzeitig wird der Birnetallschalter
i o mit erwärmt, der so angeordnet und ausgebildet ist, 'daß er nach dem Auftreten
eines bestimmten Mindestdampfdruckes im Entladungsgefäß 2 anspricht und dein Vorschaltwiderstand
8 kurzschließt, so daß nunmehr der Lichtbogen unmittelbar .an der Anschlußspannung
liegt.
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Die Wärmeahleitungsverhältnisse des Entl.adungsgefä,ßes, die z. B.
von der Wärmeleitfähigkeit des Hüll;gefäßfüllgases bestimmt werden, und die Quecksilbermenge
sowie der Elektrodenabstand sind derart ,auf die in Frage kommende Anschlußspannung
abgestimmt, daß der unmittelbar an der Anschlußspannun;g, brennende Lichtbogen die
gewünschte, 6o Watt übersteigende Leistung je Zentimeter Borg leml.änge .aufnimmt
und einen Dampfdruck von mehr als 5 Atm. und einen
Elektrodenabstand
von 7 cm oder 5oo Watt bei einem Dampfdruck von 3 5 Atm. und einem Elektrodenabstand
von 16 mm und der Lichtbogen sich infolgedessen auf dem ansteigenden Ast
der Grafentenkennlinie befindet.
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Die neue Lampe kann .sowohl mit Gl'eichstronn .als auch mit Wechselstrom
betrieben werden. Beim Betrieb reit Wechselstrom ist aber dafür zu sorgen, daß die
Wiederzünidspannung möglichst weit, vorzugsweisse bis auf die Bogenbrennspannung
herabgedrückt wird, wozu an sich bekannte, die Wiederzündung erleichternde Mittel
dienen können, Für einzelne Verwendungszwecke empfiehlt es sich ferner, die starke
Ultraviolettstrahlung der neuen. Lampe in an sich bekanntex Weise zur Anregung von
Leuchtsitoffen gusizunutzen, z. B. bei einer doppelwandigen Lampe die Innenwand
der Außenhülle mit einer Leuchtstoffschicht zu versehen, deren Sekundärstrahlung
das Spektrum des Lichtbogens in geeigneter Weise ergänzt.
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Wird :der Lichtbogen mit einem, höchstens io% der Netzspannung aufnehmenden
Vorschaltwnderstand betrieben, so wird mit Vorteil ein Widerstaud benutzt, dessen
Widerstandswert mit wachsendem Strom sehr stark ansteigt, z. B. ein Eisenwasserstoffwiderstand,