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Verfahren zum Betrieb einer Quecksilberhochdrucklampe an Gleichspannungen
Die Erfindung betrifft eine Quecksilberhochdrucklampe für Gleichstrombetrieb mit
einer Edelgasgrundfüllung mit Anode und fester, durch die Entladung aufgeheizter
Glühkathode. Bei Ent-Ladungsröhren dieser Art bereitet die Zündung besonders dann
große ,Schwierigkeiten, wenn die Lampe mit verhältnismäßig niedrigen Spannungen
von 30 V und weniger betrieben. weriden soll und besonders wenn gleichzeitig,der
Elektronenab@stan@d zwecks Erzielung einer -hohen: Leuchtrdlichte vorzugsweise kleiner
als 4 mm gehalten wird. Es ist vorgeschlagen, zur Erleichterung der Zündung eine
Hilfskathode vorzusehen, die entweder eine aktivierte Aufheizelektrode oder eine
nichtaktivierte oder aktivierte fremdgeheizte Glühkathgde sein kann. Die Hauptkathode,
an der der Lichtbogen während des normalen Betriebes ansetzt, wird nach dem Vorschlag
durch einen, vorzugsweise drahtförmig ausgebildeten Leiter gebildet, der von der
Hilfskathode ausgeht und dessen Punkte von der Anode einen um so kleineren Abstand
haben, je weiter sie von der Hilfskathode liegen. Bei einer derartigen Entladungsröhre
setzt auch bei niedrigen Spannungen zwischen der Hilfskathode und der Anode eine
Glimmentladung ein, die in eine Bogenentladung umschlägt. Der Kathodenansatzpunkt
der Entladung wandert dann längs des die Hauptkathode bildenden Leiters unter fortschreitender
Annäherung an die Anode bis zur Spitze der Kathode fort. Bei Spannungen -von 2q.
V und
weniger ist jedoch unter Umständen auch bei der vorgeschlagenen-Anordnung
die Zündung unzuverlässig. Diese Zündschwierigkeiten treten in erster Linie auf,
wenn infolge der niedrigen Temperatur der Röhre ,der Dampfdruck zu klein ist.
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Diese Schwierigkeiten werden bei der -Quecksilberhochdrucklampe nach
der Erfindung dadurch vermieden, daß Einrichtungen;vorgesehensnd,durch die dieLampe
vor d erZürndungaufnzt wsrig. Der günstigste Wert des Dampfdruckes liegt b in den
n Frage kommendenElektrodenabständen von einigen Millimeternbei einem verhältnismäßnghahenDampfdruck
von etwa. 5 mm Hg und mehr. !Die Erwürmung der Entladungslampe kann beispielsweise
durch eine Flamme geschehen. Sie kann auch dadurch vorgenommen werden, daß über
das Entladungsgefäß eine erwärmte Hülse gezogen wird, die vorher auf die erforderliche
Temperatur aufgeheizt wurde. Am zweckmäßigsten ist es jedoch, in den meisten Fällen
eine elektrische Heizwicklung vorzusehen. Damit die Erwärmung in möglichst kurzer
Zeit vor sich geht, ist es zweckmäßig, die elektrische Leistungsaufnahme der Heizvorrichtung
mindestens halb so groß zu machen wie die Leistungsaufnahme der Entladungsröhre
selbst. Auf diese Weise wird erreicht, daß die zum Vorwärmen benötigte Zeit nur
einen Bruchteil der Einbrenn.zeit der Entladungsröhre beträgt.
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Die Heizwicklung kann an verschiedenen Stellen der Quecksilberhochdrucklampe
innerhalb oder außerhalb !des eigentlichen Entladungsgefäßes vorgesehen werden.
Wird die Heizwicklung in Form eines auf hoher Temperatur befindlichen Drahtes hergestellt,
der sich innerhalb des Entladungsgefäßes befindet, so ist es zweckmäßig, die Temperatur
dieser Heizwicklung so niedrig zu halten, daß er im wesentlichen im ultraroten [Gebiet
ausstrahlt, da die ultrarote Strahlung zum größten Teil von der die Gefäßwandung
des Entladungsgefäßes oder gegebenenfalls seiner Umhüllung absorbiert wird. Praktisch
in Frage kommen Temperaturen, die höchstens schwacher Rotglut entsprechen.
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Da Einschmelzungen, besonders, in Quarz, ver.-hältnismäßig teuer und
zudem schwierig herzustellen sind, ist es zweckmäßig, fürdieHeizwicklung nicht zwei
besondere ,Stromeinführungen zu verwenden, sondern sie einpolig mit einer der
Elek-
troden der Entladungsstrecke zu verbinden. Auf diese Weise wird eine
Stromdurchführung durch die Gefäßwandung vermieden.
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Die Unterbringung der Heizwicklung in der Entladungslampe selbst ist
zwar#bezüglich der Ausnutzung der elektrischen Energie besonders vorteilhaft. Die
Schwierigkeiten bei oder Herstellung der Stromeinführungen und auch andere- Schwierigkeiten
lassen es jedoch häufig als zweckmäßig erscheinen, die Heizwicklung außerhalb der
eigentlichen Entladungslampe, vorzugsweise in einem sie umgebenden Wärmeschutzmantel
unterzubringen. Dieser Wärmeschutzmantel ist evakuiert oder mit einem Gas von -
niedrigem Druck und möglichst niedrigem W'ärmeleitvermögen gefüllt. Die Heizwicklung
wird entweder frei tragend angeordnet oder auf das eigentliche Entladungsgefäß oder
die Zuleitungen aufgewickelt. Zur Erleichterung der Befestigung und zur Sicherung
der Lage des aufgewickelten Heizdrahtes empfiehlt es sich, gegebenenfalls - an dem
Quarzgefäß der Lampe kleine Vorsprünge vorzusehen. Wenn der Heizdraht einen geringen
Querschnitt hat, läßt es sich in der kegel leicht so einrichten, daß die Schattenwirkung,
durch die die Ausstrahlung in einzelnen Richtungen behindert wird, .sich praktisch
nicht ungünstig auswirkt, da nur ein außerordentlich geringer Bruchteil der ausgestrahlten
Energie von dem Draht und seinen Stützen absorbiert wird.
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Falls für die Stromdurchführungen dünne Folien aus hochschmelzendem
Metall verwendet werden, besitzt der Einschmelzfuß eine erhebliche Masse, so daß
die Geschwindigkeit der Erwärmung mit durch die Masse des Einschmelzfußes bedingt
wird. Man erhält daher eine schnelle Anwärmung des Entladungsgefäßes, wenn man diese
Einschmelzung selbst anheizt, indem man die Heizwicklung auf crem Einschmelzfuß
anbringt. Von dort aus wird die Wärme durch Wärmeleitung rasch nach dem eigentlichen
Entladungsgefäß gebracht. Wenn die Heizwicklung im Innern des Entladungsgefäßes
untergebracht ist, kann sie zur Erleichterung der Zündung auch unmittelbar herangezogen
werden. Die Temperatur der Heizwicklung ruß dazu so hoch liegen, daß sie gegebenenfalls
infolge der Verwendung einer Aktivierung in erheblichem Umfang Elektronen auszusenden
imstande ist. Wählt man die Temperatur der Heizwicklung entsprechend, so ist der
eingangs erwähnte Kathodendraht, an den die Entladung im Betrieb ansetzt, unmittelbar
an der Heizwicklung anzubringen, die .dann ihrerseits als Hilfsglühkathode dient
und an Stelle einer aktivierten, durch Entladung geheizten Hilfskathode treten kann.
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Die Figuren zeigen in zum Teil schematischer Darstellung Ausführungsbeispiele
der Quecksilberhochdrucklampe mach der Erfindung.
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In der Fig. li besteht die Quecksilberhochdrucklampe aus dem Entladungsgefäß
i, in dem eine Anode 2 und eine Kathode untergebracht sind. Die Kathode ist zweiteilig
ausgebildet, sie :besitzt eine aktivierte Hilfskathode 3, von der ein Kathodendraht
q. ausgeht. Die Hilfskathode besteht hierbei aus einem Stift, auf dem mehrere Plättchen
von einigen ,Millimetern Durchmesser und aus schwer schmelzendem Metall aufgeschoben
sind. Der Kathodendraht4 ist an der Hilfskathode3 befestigt, etwa derart , daß er
um den Stift, der die Plättchen trägt, geschlungen und auf beiden Seiten von den
Plättchen umgelben ist. Für eine Stromstärke von 2,5 A ist für den Kathodendraht
ein Wolframdraht von o,2 mm zu wählen, dessen Länge, von der. Hilfskathode aus gemessen,
etwa io mm ist. Das Entladungsgefäß ist mit einem irr Betrieb zweckmäßig vollständig
verdampfenden Quecksilbervorrät und einer Edelgasgrundfüllung,-z. B. Argon von 2o
mm Hg, versehen. Beim Anlegen einer Gleichspannung von etwa 3.o V geht eine Lichtbogenentladung
von
der aktivierten Hilfskathode zur Anode. Infolge der vorgesehenen Aktivierung erfolgt
diie Zündung meist, ohne daß die Kathode vorgeheizt zu werden braucht. In dem Maße,
in dem der Dampfdruck und damit der Spannungsabfall je Zentimeter Entladungsbahn
durch die Erwärmung des Entladungsgefäßes ansteigt, wandert der Lichtbogenansatz
dann von der Hilfskathode ausgehend auf dem Kathodendraht entlang, Ibis er dessen
Spitze erreicht hat. Um diesen Vorgang mit Sicherheit vor sich gehen zu lassen,
ist der Kathodendraht so gestaltet, daß der Abstand eines jeden Punktes von der
Anode um so kleiner ist, je näher dieser Punkt der ,Spitze der Kathode liegt. Wenn
außerdem der Kathodendraht selbst so .dünn bemessen ist, daß jeder Punkt des Kathodendrahtes
zwischen seiner Spitze und der Hilfskathode als selbstaufheizende !Glühkathode arbeiten
kann, ist gewährleistet, daß sich die Wanderung des Lichtbogens von der Hilfskathode
zur Spitze des Kathodendrahtes auch unter ungünstigsten Bedingungen mit Sicherheit
vollzieht.
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Um die Entladung auch auf der Anodenseite zu fixieren, ist an der
Anode eine vorstehende Spitze angebracht, die z. B. aus einem aus der Anode hervorstehenden
Draht bestehern kann. Die Anode besteht aus einem zylindrischen Stab, der fest auf
der Einschmelzung aufsitzt. Bei einem Durchmesser der Anode von 3 mm und einer Gesamtlänge
von etwa 9 mm ist die Oberfläche der Anode etwa 90 mm2. Sie bewirkt, daß
sich bei einer ..Stromstärke von 2,5 A die Anode höchstens auf helle Rotglut erhitzt.
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Die ;Stromzuführungen zu den Elektroden sind indem Einschmelzfuß 5
eingeschmolzen, und zwar dienen als hochvakuumdichte Einschmelzungen dünne Mblybdänfolien
6 von etwa io ,u Dicke. An die Folien sind einerseits dünne Drähte 7 als Verbindung
nach außen angeschlossen, Während die Verbindung zu .den Elektroden von den Drähten
ä besorgt wird. In der Darstellung sind. die beiden Folien in einer Ebene gezeichnet,
obgleich es im allgemeinen zweckmäßig sein dürfte, die Flächen der beiden Folien
parallel zueinander anzuordnen, also um 9o° aus der Zeichenebene herausgedreht.
An dem oberen Ende des Einschmelzfußes gabelt sich dieser in zwei einzelne Röhrchen
9. (Dies ist zweckmäßig, damit dieZerstäubungsproduktekeinen Kontakt zwischen den
beiden ,Stromzuführungen herbeiführen können. Durch die Gabelung in die beiden Röhrchen
wird mit Sicherheit die Bildung eines derartigen Nebenschlußkriechwiderstandes ausgeschlossen.
Damit der Lichtbogen genau in der Achse der Entladungsröhre übergeht, kann der Anodenzylinder
etwas geneigt sein.
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Das Entladungsgefäß, vorzugsweise aus Quarzglas bestehend, hat die
Form einer Hohlkugel von etwa io bis r5 mm Außendurchmesser, die mit dem oberen
Teil des Einschmelzfußes verschmolzen ist. Mit Rücksicht darauf, daß bei den kleinen
Lichtbogenabständen von 1/2 mm oder höchstens mehreren Millimetern der Energieumsatz
in der Entladungsstrecke selbst sehr gering i,st und die Abmessungen des Entladungsgefäßes
etwa gleich dem Zehnfachen der L ichtbogenlänge oder größer sind, ist es günstig,
das Entladungsgefäß von einem Mantel io zu umgeben und den Zwischenraum zwischen
beiden zu entlüften oder mit einem Gas geringen Wärmeleitungsvermögens und geringen
Gasdruckes zu füllen. Für die Zwecke der raschen Aufheizung des Entladungsgefäßes
nach erfolgter Zündung bewährt sich die zylindrische Ausbildung der Anode, da durch
diese ein beachtlicher Teil der in der Anode erzeugten Wärme durch Wärmeleitung
zur Einschmelz-stelle geführt wird. Diese heizt sich nämlich wegen ihrer erheblichen
Masse sonst nur langsam auf.
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Der Einschmelzfuß 5 der Entladungslampe ist im Verhältnis zum eigentlichen
Entladungsgefäß ziemlich groß gewählt unid der äußere Mantel in der Nähe des freien
Endes des Einschmelzfußes angeschmolzen.
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Die Entladungsröhre hat bei einem Elektrodenabstand von i mm und bei
einer Stromstärke von 2,5 A eine Klemmenspannung von ao V, so daß die gesamte
Leistungsaufnahme rund 5o. W beträgt. Bei den angegebenen Daten ergibt seich eine
Flächenhelligkeit von 1i5 ooo Stifb. Eine derartige Lampe ist daher gut geeignet,
um in Verbindung mit Reflektoren als Scheinwerfer eine große Reichweite zu erzielen.
Durch Verkürzung des Lichtbogenabstandes auf 1/2 mm läßt sich,die Flächenhelligkeit
unter Erhöhung des Dampfdruckes noch weiter steigern. Da die Quedksilberhochdruckentladung
mit Sprechfrequenz moduliert werden kann, ist die Lampe gut für die Zwecke der Lichttelefonie
zu verwenden.
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Wenn die Entladung mit Gleichspannungen von etwa 2q: V betrieben werden
soll, reichen die erwähnten Maßnahmen in manchen Fällen nicht aus, um den Lichtbogen
mit Sicherheit zu zünden. Gemäß,der Erfindung wird deshalb das Entladungsgefäß zum
Zweck der Erhöhung des Quecksilberdampfdruckes vor der Inbetriebnahme erwärmt. Hierbei
soll die den Ouecksilberdampfdruclc bestimmende Temperatur so gesteigert werden:,
daß der Quecksilbe dampfdruck ,den Betrag von 5 mm Hg übersteigt. Die Erwärmung
kann von außen her durch eine Flamme oder durch eine über das Entladungsgefäß gestülpte
Hülse geschehen, die vorher erwärmt wurde und nunmehr ihre Wärme an das Entladungsgefäß
abgibt. Es ist jedoch in den meisten Fällen vorzuziehen, statt dessen eine elektrische
Heizung anzuwenden. Bei der Ausführungsform nach Fig. i bildet die Heizwicklung
einen Teil eines kleinen öfchens i i, der vor der Inbetriebnahme über das Entladungsgefäß
gestülpt wird. Das öfchen besteht aus dem Gehäuse, das nach außen zu durch eine
Wärmepackung 12 isoliert wird und Glas auf der Innenseite die Heizwicklung 13 trägt.
Die Erwärmung des Entladungsgefäßes erfolgt durch die ;Wärmeleitung der Luft und
durch Strahlung.
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Für die beschriebene Lampe ist die Wicklung des elektrischen Ofens
so bemessen, daß bei einer Klemmenspannung von 24 V, also bei der gleichen
Spannung;
mit der die Entladungslampe betrieben wird, eine Leistungsaufnahme von etwa zoo
W vorliegt. Diese reicht aus, um den erforderlichen Dampfdruck im Innern der Entladungsröhre
innerhalb von T bis z "Minuten zu erreichen. Läßt man den Ofen nach der Zündung
für die Dauer der Einbrennzeit in Betrieb, so wird die Einbrennzeit derart herabgesetzt,
daß die Zeit, die für das anfängliche Anwärmen benutzt wird, zum größten Teil wieder
eingeholt wird. Durch die Vorwärmung entsteht dann praktisch kein Zeitverlust.
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In der Fig. 2 ist eine andere Ausführungsform. wiedergegeben, bei
der die Heizwicklung 1q; im Entladungsgefäß selbst untergebracht ist. Die Zuführung
zur Heizwicklung wird von einem zweiten Einschmelzfuß gebildet, der etwa entgegengesetzt
zu dem anderen Einschmelzfuß 15 angebracht ist. Die Heizwicklung wird zweckmäßig
aus Molybdän oder ,Wolfram hergestellt und durch einen elektrischen ,Strom so hoch
belastet, daß sie auf schwache Rotglut kommt. Man wird hier mit einer Leistungsaufnahme
von. 50 W gleichfalls eine Vorwärmzeit von r bis z Minuten benötigen. Im
übrigen unterscheidet sich diese Quecksilberhochdrucklampe in Ausbildung und Wirkungsweise
nicht von der des ersten- Ausführungsbeispiels.
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Die Entladungsröhre nach Fig.3 unterscheidet sich von derjenigen nach
_Fig.-9 dadurch" daß zwecks Ersparung einer Einschmelzung der eine Pol der Heizwicklung
16 an die eine Stromzuführung für die Entladungsstrecke angeschlossen Wird. !Gemäß
Fig.3 sind die nunmehr notwendigen drei Einschmelzungen in einem einzigen- Einschmelzfuß
5 herausgeführt. Außerdem ist dort die Heizwick-Jung so angeordnet, daß sie den
größten Teil des Elektrodensystems umgibt. Auf diese Weise läßt sich eine größere
Drahtlänge unterbringen als gemäß Fig. z. Um eine Absorption der -Strahlung zu vermeiden,
ist die Höhe der Wendel hierbei so bemessen, daß der Lichtbogen im Betriebszustand
nicht von. der Heizwenidel umgeben ist.
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Der Abstand zwischen der Heizwendel und der Anode soll möglichst größer
sein als der Ab-
stand der -Hilfskathode von der Anode., Es könnte nämlich
sonst unter Umständen vorkommen, daß wegen der galvanischen Kopplung der beiden
Stromkreise die Entladung zwischen Anode und einer Stelle der -Heizwicklung übergeht,
die von dem eigentlichen Kathodendraht so weit entfernt ist, daß die Entladung gehindert
wird, von der Hilfskathode zum eigent:lithen Kathodendraht überzugelhen, Man vermeidet
@diese Schwierigkeit, wenn man den Durchmesser der Wendel, die die Heizwicklung
bildet, so wählt, daß die Anode in der Wendelachse liegt und die Hilfskathode zwischen
Anode und Heizwicklung.
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Bei der Anordnung nach Fig. q.. wurde - angenommen, da:ß die Heizwicklung
1ö derart hoch belastet wird, daß sie so viele Elektronen auszusenden in der Lage
ist, daß sie als Hilfskathode dienen kann. Hierzu sind im allgemeinen Temperaturen
oberhalb von 2,ooo° erforderlich. Die Temperatur kann jedoch niedriger gewählt werden,
wenn der Draht mit Aktivierungsstoffen versehen ist. Der Kathodendraht q. ist unmittelbar
an der Heizwicklung,z(6 angebracht, damit die Entladung in der Lage ist, von der
auch als Hilfskathode dienenden Heizwicklung r6 auf den Kathodendraht überzugehen.
Nach 'Möglichkeit wird hierbei die Anode unsymmetrisch aufgestellt, damit sie derjenigen
Stelle der Heizwicklung, an der der Kathodendraht angebracht eist, näher ist als
Iden anderen Stellen der Heizwicklung. Bei Fig. q. wurde angenommen, daß die Heizwicklung,die
Anode umgibt. Die als Eilfskathode dienende Heizwicklung kann aber auch entsprechend
der Fig. 5, von der Anode aus gesehen, hinter dem Kathodendraht angeordnet sein.
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Die Unterbringung der Heizwicklung außerhalb der Entladungsröhre zeigen
Fig, @z und 6 bis B. .Während bei der Ausführungsform nach Fig. Z die Heizwicklung
vor der Inbetriebnahme entfernt werden mußte, ist .die Heizwicklung 17 bei den Ausführungsformen
nach Fig.6 bis 8 so auf der Entladungsröhre befestigt, daß sie im Betrieb an derselben
Stelle- bleibt. Bei der Fig. 6 ist die Heizwicklung in Form einer Wendel vorgesehen,
die in einem U-Bogen das Entladungsgefäß umgibt. Dadurch wird erreicht, daß die
Ausstrahlung der Entladung in einem großen Raumwinkel unbeeinträchtigt bleibt. Dies
letztere trifft, vorausgesetzt, daß für die Heizwicklung 17 ein dünner Draht
und der Abstand zwischen den Drähten hinreichend groß gewählt wird, auch dann zu,
wenn man die Heizwicklung .auf dem etwa .kugelförmigen Entladungsgefäß selbst anbringt
(Fig. 7).
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Man kann sich auch darauf beschränken, nur einen Teil des Gefäßes
mit einer Heizwicklung zu versehen, ähnlich wie in Fig. 3 dargestellt, so daß der
für die Lichtausstrahlung vornehmlich in Frage kommende Teil der Oberfläche nicht
mit einer Wicklung versehen ist.
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Besonders wirkungsvoll ist die Anbringung der lkizwitlt:luüg 17 auf
dem Eiffschmelzfuß (Fig. 8), da dieser einen großen Querschnitt besitzt -und die
Verbindung zwischen dem kalten Mantel mit dem Entladungsgefäß herstellt. Es wird
daher die Wandung der Entladungslampe und damit auch das Quecksilber gerade an -
der : ,Stelle unmittelbar erwärmt, an der in Betriebspausen .das Quecksilber vorwiegend
kondensiert, weil sie infolge der Wärmeableitung durch den Einschmelzfuß am stärksten
gekühlt wird..
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Bei -den Fig:2 bis =8 wurden vielfach zeichnerische Vereinfachungen
vorgenommenbzw. einzelne Teile, z. B. die Elektroden, weggelassen. Für diese Teile
gelten .die Erläuterungen zu Fig. z. Auch die Ausführungsformen nach Fig. 2 bis
5 können mit einem Mantel versehen werden, sofern dies zwecks Erreichung des gewünschten
Quecksilberdampfdruckes während des Betriebes notwendig ist. Andererseits kann bei
den. Ausführung.sforrnen nach Fig. 6 bis 8 der Mantel unter Umständen weggelassen
werden. Die Heizungswicklung kann in, .diesen Fällen auch während des Betriebes
dauernd eingeschaltet bleiben, um auf diese Weise die für den Betrieb
erforderliche
Temperatur aufrechtzuerhalten. Im allgemeinen wird man aber die Heizwicklung nach
Erreichung es erforderlichen Dampfdruckes ausschalten können.