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Die Erfindung bezieht sich auf Gasentladungslampen und
insbesondere auf Leuchtstofflampen, die eine
Quecksilber-Niederdruckentladung verwendet. Die Erfindung ist brauchbar mit
sowohl Elektroden aufweisenden als auch elektrodenlosen
Entladungslampen, ist aber insbesondere anwendbar auf kompakte,
elektrodenlose Leuchtstoff-Entladungslampen.
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In einer Quecksilber-Niederdruck-Entladungslampe kollidieren
eine hohe Energie aufweisende freie Elektronen mit neutralen
Quecksilbergasatomen, wobei ein Teil von ihnen in einen
angeregten Zustand angehoben wird. Die angeregten Atome können
durch eine Anzahl von Wegen auf einen kleineren Energiezustand
relaxieren, aber der Weg von besonderem Interesse ist
derjenige, der die Emission von elektromagnetischer Strahlung zur
Folge hat. Die Strahlung, die durch den kleinsten angeregten
Strahlungszustand von Gasatomen erzeugt wird, wird die
Resonanzstrahlung genannt und ist im allgemeinen die effektivste,
die durch das Entladungsgas erzeugt wird.
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Die Resonanzstrahlung von Quecksilber hat eine Wellenlänge von
253,7 nm, die, in einer Leuchtstofflampe, beim Aufprall auf
Leuchtstoffe, die die Innenseite des Mantels der Lampe
überziehen, in sichtbares Licht umgewandelt wird. Der Wirkungsgrad der
Lampe, das heißt das Verhältnis der Energieabgabe in Form von
sichtbarem Licht zu der Zufuhr elektrischer Energie, ist bis zu
einem weiten Grad abhängig von dem Dampfdruck des Quecksilbers
in der Lampe, wobei der optimale Druck etwa 0,8 Pa beträgt.
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Wenn der Quecksilberdampf innerhalb der Lampe dadurch erhalten
wird, dass ein Überschuss von reinem Quecksilber eingeführt
wird, wird der Dampfdruck durch die niedrigste Temperatur
innerhalb der Lampe, dem Lampenkaltpunkt, bestimmt, wobei der
op
timale Dampfdruck erhalten wird, wenn der Kaltpunkt etwa 40ºC
beträgt. Solche Lampen und ihre Befestigungen werden deshalb so
ausgelegt, dass während des Betriebs bei normalen
Umgebungstemperaturen der Kaltpunkt bei der Auslegungstemperatur von etwa
40ºC liegt.
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Flexibilität beim Lampendesign kann dadurch erreicht werden,
dass das Quecksilber in Form von einem Amalgam in die Lampe
eingeführt wird. Es ist in der Technik allgemein bekannt, dass
die Verwendung von einem Amalgam gestattet, dass der optimale
Druck des Dampfdruckes innerhalb der Lampe an einer höheren
Temperatur als bei reinem Quecksilber erhalten werden kann. Das
Amalgam kann deshalb physikalisch an einer bestimmten Stelle
innerhalb der Lampe angeordnet werden, deren Betriebstemperatur
gewählt ist, um an das Amalgam angepasst zu sein, anstatt dass
sichergestellt werden muss, dass der Kaltpunkt der Lampe bei
40ºC liegt.
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Es ist in der Technik auch bekannt, dass ein Amalgam einen
stabilen Bereich bilden kann, in dem der Dampfdruck des
Quecksilbers relativ unempfindlich gegenüber Temperaturänderungen ist.
Eine Diskussion dieses Effektes kann in einem Artikel von J.
Bloem u. a., Journal of the Illuminating Engineering Society,
April 1977, Seiten 141-146, mit dem Titel "Some New Mercury
Alloys For Use in Flourescent Lamps" gelesen werden. In diesen
bekannten Systemen ist das Amalgam so formuliert, dass der
stabile Bereich einem Quecksilberdampfdruck von etwa 0,8 Pa
entspricht, wobei das Amalgam so angeordnet ist, dass das Amalgam
während des Betriebs in einem Bereich von Temperaturen erwärmt
wird, der dem Bereich des stabilen Quecksilberdampfdruckes
entspricht.
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Derartige Amalgame haben sich als besonders brauchbar bei
kompakten Quecksilber-Entladungsleuchtstofflampen erwiesen, die
eine relativ hohe Energiedichte haben, die mit entsprechend
höheren Betriebstemperaturen verbunden sind. Entladungslampen
ar
beiten im allgemeinen in dem Bogenentladungsbereich, der eine
steile negative Spannung/Strom-Kennlinie hat, und diese Lampen
müssen eine Ballast- bzw. Vorschaltkomponente verwenden, um ein
Durchgehen des Stroms zu verhindern. Die Versorgungsspannung
muss über einer Haltespannung gehalten werden, unterhalb derer
der Betrieb der Lampe instabil wird und die Entladung gelöscht
werden kann. Gewöhnliche Konstruktionen gestatten einen
maximalen Abfall von etwa 15% in der Versorgungsspannung, bevor eine
derartige Löschung auftritt. Versuche, Entladungslampen mit
reinem Quecksilber durch Ändern der Betriebsleistung der Lampe
zu dimmen, um ihren Wirkungsgrad zu verkleinern, sind deshalb
relativ uneffektiv, sowohl weil die Änderung im Wirkungsgrad
nicht sehr groß ist, als auch wegen der Notwendigkeit, eine
gewisse Sicherheitsgrenze einzuhalten, um ein Löschen während
normaler Spannungsausschläge im Betrieb der Lampe zu
verhindern.
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Im Falle von Niederdruck-Quecksilberentladungslampen, die ein
Amalgam verwenden, verkleinert die Stabilisierung des
Dampfdruckes mit der Temperatur durch das Amalgam weiter den Grad an
Dimmung, der durch Verkleinern der Energiezufuhr zur Lampe
erhalten werden kann.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Quecksilber-
Leuchtstoffentladungslampe zu schaffen, die verbesserte
Dimmcharakteristiken hat. Demzufolge schafft die Erfindung eine
Quecksilberentladungslampe, die ein Amalgam zu Steuern des
Quecksilberdampfdruckes in der Lampe enthält, wobei das Amalgam
so gewählt und innerhalb der Lampe angeordnet ist, dass ein im
wesentlichen optimaler Dampfdruck von Quecksilber bei der
Temperatur des Amalgams geschaffen wird, der der maximalen
Nennbetriebsleistung der Lampe entspricht, wobei der optimale
Dampfdruck nahe einem Minimum bei der Temperatur ist, und benachbart
zu einem Bereich von steil ansteigendem Quecksilberdampfdruck
bei fallender Temperatur, so dass eine Verkleinerung in der
Betriebsleistung der Lampe ein Fallen der Temperatur bewirkt und
deshalb eine Vergrößerung im Dampfdruck des Quecksilbers, um
ein Dimmen der Lampe zu bewirken.
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Vorzugsweise wird eine Steigerungsrate des
Quecksilberdampfdruckes in dem Bereich von 0,1 bis 0,5 Pa pro Grad Celsius
Temperaturabfall über einem Temperaturbereich unterstützt, der für
den erforderlichen Dimmpegel geeignet ist und auf die
thermischen Charakteristiken der Lampe zugeschnitten ist, um ein
Dimmen der Lampe zu bewirken.
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Durch Auswählen eines geeigneten Amalgams hat eine kleine
Temperatursenkung des Amalgams, die durch Verringerung der
Energiezufuhr zur Lampe erhalten wird, einen relativ großen Anstieg
im Quecksilberdampfdruck in der Lampe zur Folge. Wenn der
Dampfdruck ansteigt, vergrößert sich die Anzahl der
Quecksilberatome im angeregten Zustand mit einer daraus folgenden
Vergrößerung der Wahrscheinlichkeit, dass diese angeregten
Quecksilberatome nicht-strahlende Übergänge durchlaufen und somit die
Effizienz der Lampe um einen solchen Grad verkleinern, dass ein
effektives Dimmen erhalten wird.
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Es wird nun ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, nur als
Beispiel, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, in denen:
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Fig. 1 ein schematisches Kurvenbild des
Quecksilberdampfdruckes über einem Amalgam ist, das für eine Leuchtstofflampe
gemäß dem Stand der Technik geeignet ist und
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Fig. 2 ein schematisches Kurvenbild von dem
Quecksilberdampfdruck über einem bevorzugten Amalgam für eine Leuchtstofflampe
gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
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Fig. 1 zeigt die Änderung des Quecksilberdampfdruckes über
einem typischen Amalgam als eine Funktion der Temperatur. In
bekannten Quecksilber-Leuchtstoffentladungslampen ist das Amalgam
so gewählt, dass das Maximum A an oder nahe dem optimalen
Betriebsdruck für eine Quecksilberentladungslampe von etwa 0,8 Pa
liegt. Die Lampe ist dann so ausgelegt, dass das Amalgam
innerhalb der Lampe so angeordnet ist, dass, wenn sie bei ihrer
Nenneingangsleistung arbeitet, das Amalgam auf die Temperatur TA
erwärmt wird, die dem gewünschten
Quecksilberdampf-Betriebsdruck entspricht. Wie oben beschrieben ist, sorgt dies für
einen relativ stabilen Betrieb der Lampe, da der Dampfdruck
relativ unempfindlich gegenüber Temperaturänderungen des Amalgams
ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist, wie in der oberen Kurve
von Fig. 2 gezeigt ist, das Amalgam so gewählt, dass das
Minimum B dem optimalen Betriebsdruck von 0,8 Pa entspricht und das
Amalgam ist in geeigneter Weise innerhalb der Lampe so
angeordnet, dass es nahe der entsprechenden Betriebstemperatur TB, die
diesem optimalen Druck entspricht, während des Betriebs der
Lampe ist. In diesem Fall ist jedoch der Quecksilberdampfdruck
empfindlicher gegenüber Temperaturänderungen des Amalgams und
insbesondere einer Senkung seiner Temperatur. Eine Senkung der
Betriebstemperatur des Amalgams um einen kleinen Betrag hat
eine relativ große Erhöhung im Quecksilberdampfdruck zur Folge im
Vergleich zu derjenigen, der mit vergleichbaren
Temperaturabfällen in bekannten Lampen erhältlich ist, und folglich wird
für ein verbessertes Dimmen gegenüber bisher bekannten Lampen
gesorgt.
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Die vorliegende Erfindung ist sowohl auf Elektroden aufweisende
als auch elektrodenlose Leuchtstofflampen und insbesondere auf
kompakte Leuchtstofflampen anwendbar.
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In einer Lampe mit Elektroden kann das Amalgam nahe der Katode
an dem Punkt angeordnet werden, der die gewünschte
Betriebstemperatur TB aufgrund der erwärmten Katode erreicht. Eine
Verkleinerung der Energiezufuhr zur Lampe verringert die
Temperatur des Amalgams und hat somit das erforderliche Dimmen der
Lampe zur Folge. Für eine elektrodenlose Leuchtstofflampe ist
dies von besonderer Signifikanz, da eine große Senkung der
Energiezufuhr zu einem Löschen der Lampe führt.
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Elektronische Steuerschaltungen, die in der Lage sind, für eine
Steuerung der Energiezufuhr zu einer
Quecksilber-Entladungslampe gemäß der vorliegenden Erfindung zu sorgen, sind in der
Technik allgemein bekannt und werden in dieser Anmeldung nicht
im Detail beschrieben. Wieder auf Fig. 2 Bezug nehmend ist es
bevorzugt, dass das örtliche Minimum B des
Quecksilberdampfdruckes, auf das das Amalgam während des vollen Nennbetriebs
der Lampe erwärmt wird, einen Bereich von
Quecksilberdampfdruckstabilität hat, der von einem steil ansteigenden
Dampfdruck bei fallender Temperatur begrenzt ist. Dieser steigende
Dampfdruck mit fallender Temperatur ist vorzugsweise in dem
Bereich von 0,1 bis 0,5 Pa pro Grad Celsius und beträgt optimal
etwa 0,28 Pa pro Grad Celsius. Diese Charakteristik kann
allgemein dadurch erzielt werden, dass der Anteil von Quecksilber in
der Lampe relativ zu der Menge der Basislegierung verkleinert
wird. Die Wirkung der Senkung des Quecksilbers auf diese Weise
besteht darin, den Abschnitt C in Fig. 1 der Dampfdruckkurve
nach unten zu senken, wobei das Minimum vertieft wird, wie es
im Abschnitt C in Fig. 2 gezeigt ist. Obwohl es für die
Arbeitsweise der vorliegende Erfindung nicht wesentlich ist, ist
es bevorzugt, dass der Anteil von Quecksilber zu der
Basislegierung kleiner als etwa ein Atomprozent ist. Dies gestattet,
dass ein Amalgam gewählt wird, das ein Minimum in der
Quecksilberdampfdruckkurve nahe dem gewünschten optimalen Druck hat,
wobei eine Feinabstimmung des Minimums dadurch erhalten wird,
dass die Atomprozente an Quecksilber relativ zur Basislegierung
eingestellt werden.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin,
dass der bevorzugte kleine Prozentsatz an Quecksilber die
potentielle nachteilige Umgebungsbelastung derartiger Lampen
verkleinert, wenn deren nutzbare Lebensdauer endet.
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Beispiele von geeigneten Amalgame sind, in Molanteilen:
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a) Pb0,47 Sn0,47 Ag0,06 mit 0,2 Atomprozent Hg
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b) Pb0,48 Sn0,48 Ag0,04 mit 0,1 Atomprozent Hg
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c) Pb0,24 Sn0,74 Ag0,02 mit 0,1 Atomprozent Hg
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Beispiel (b) wird gegenwärtig bevorzugt. Diese und andere
geeignete Amalgame sind mit weiteren Einzelheiten in unserer
gleichzeitig anhängenden PCT/GB 96/02435 beschrieben.
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Fig. 2 zeigt in der oberen Kurve, die mit "neue Erfindung"
bezeichnet ist, das Druck/Temperatur-Diagramm von einem Beispiel,
das das Amalgam Pb0,47 Sn0,47 Ag0,06 mit 0,2 Atomprozent Hg
verwendet. Dieses Amalgam hat einen Stabilitätsbereich C um den
optimalen Dampfdruck von Quecksilber von 0,8 Pa über dem
Temperaturbereich 170 bis 240ºC. Dieses Amalgam ist beispielsweise in
elektrodenlosen Leuchtstofflampen brauchbar, wo die
Betriebstemperatur in diesem Bereich liegt. Durch Verkleinern der
Energiezufuhr zur Lampe tritt die Temperatur des Amalgams in
den Bereich von sich steil änderndem Quecksilberdampfdruck,
Zone D, ein. Der Dampfdruck von Quecksilber in Zone D steigt
steil an bei einer Verringerung der Temperatur, was ein Dimmen
der Lampe zur Folge hat.
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Das Amalgam ist aufgrund seiner Druck/Temperatur-Charakteristik
geeignet, um für ein Dimmen zu sorgen. Dieses Amalgam erzeugt
in der Zone D ein Dimmen von 40% bis 50% für eine Verringerung
von fünf bis sechs Watt in einer 23 Watt Leuchtstofflampe.
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Die Kurve mit der Bezeichnung "US-A-4,924,142" gilt für ein
bekanntes Amalgam, das aus diesem Patent bekannt ist. Ein
derartiges Amalgam sorgt für weniger Dimmen aufgrund seines
kleineren Bereiches von steigendem Quecksilberdampfdruck mit
sinkender Temperatur und der viel kleineren Steigung im Bereich Z.