DE977321C

DE977321C - Niederdruckgasentladungslampe und Schaltungsanordnung zu deren Zuenden und Betrieb

Info

Publication number: DE977321C
Application number: DEI4044A
Authority: DE
Inventors: Eugene Lemmers
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1950-04-13
Filing date: 1951-04-14
Publication date: 1965-12-16

Description

(WiGBI. S. 175)

AUSGEGEBENAM 16. DEZEMBER 1965

I 4044 VIII c 121 f

Die gegenwärtig im praktischen Gebrauch bewährten Leuchtstoffröhren mit heißen Kathoden lassen sich im wesentlichen in zwei Klassen einteilen, nämlich in Lampen, deren Kathoden beim Einsetzen der Entladung bereits aufgeheizt sind, und andererseits solche, deren Kathoden beim Einsetzen der Entladung noch kalt sind.

Die mit heißer Kathode zündenden Lampen stellen die derzeit am meisten verwendete Bauart dar. Diese Lampen werden durch geeignete Einrichtungen, die normalerweise einen Glimm- oder Wärmeschalter enthalten, vor der Zündung vorgeheizt, solche Lampen werden daher als »Glühstartlampen« bezeichnet. Sie zünden einige Sekunden nach der Einschaltung des Stromes und zeigen häufig einige Unterbrechungen des Entladungsvorganges, ehe sie einen stationären Betriebszustand erreichen. Lampen mit heißer Kathode können auch mit einer Neutralisierungswicklung an Stelle der Glimm- oder Wärmeschalter betrieben werden. Die Neutralisierungswicklung ist so Bestandteil einer Kompensationsschaltung des Vorschaltgerätes, bei der der Entladungsstrom der Lampe in einer geeigneten Wicklung eine Gegenspannung hervorruft. Nachdem die Lampe eingeschaltet ist, wird der Kathodenheizstrom aus Gründen der Energieersparnis, und um die Lebensdauer der Kathode durch überhöhte Temperatur nicht zu beeinträchtigen, verhältnismäßig stark vermindert.

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Die mit kalter Kathode zündenden Lampen, die sogenannten »Kaltstartlampen«, arbeiten mit Hochspannungsvorschaltgeräten, dabei können besondere Starter entfallen. Wenn diese Lampen auch allgemein als mit kalter Kathode anlaufende Lampen bezeichnet werden, so werden ihre Kathoden in Wirklichkeit doch sehr schnell durch einen anfänglichen Vorentladungsstrom aufgeheizt, und der Lichtbogen bildet sich dann, wenn die Ionisierung in der Lampe genügend fortgeschritten ist. Hierauf arbeiten diese Lampen mit heißer Kathode.

Es sind auch Leuchtstoffröhren bekanntgeworden, die mit heißer Kathode zünden und eine verhältnismäßig niedrige Zündspannung benötigen. Hierfür werden die Heizfäden der Röhre mit einer so hohen Spannung betrieben, daß sich längs des Heizfadens eine lokale Glimmentladung ausbildet. Die Zündung erfolgt bei einer bekannten Lampe mit Hilfe von kapazitiven Zündhüfsmitteln, die die Form eines leitenden, längs des Röhrenkolbens verlaufenden Streifens haben kann, welcher in der Nähe der beiden Elektroden der Röhre endet. Bei einem anderen Verfahren zum Zünden von Leuchtstofflampen wird außer einer lokalen Entladung an den Elektroden ein Streutransformator verwendet, der eine verhältnismäßig hohe Leerlaufspannung besitzt.

Es ist weiterhin bekannt, die kapazitiven Hilfsmittel, die dazu dienen, den Potentialgradienten in der Nähe der Elektrode zu erhöhen, als durchsichtigen Belag auf dem Röhrenkolben auszubilden. Die Hilfselektrode zur Erhöhung des Potentialgradienten kann dabei auch an eine Hilfsspannung angeschlossen sein. Bei der bekannten Lampe wird der Heizstrom nach Zünden automatisch reduziert.

Die Erhöhung der 'Heizspannung auf einen solchen Wert, daß eine lokale Entladung längs der Elektrode auftritt, bringt jedoch gewisse Nachteile mit sich. Erstens erhöht sich die Heizleistung, wodurch die Wirtschaftlichkeit der Röhre verringert wird, außerdem besteht die Gefahr einer Überhitzung der Elektroden im Betrieb, da ja bekannterweise im Betrieb den Elektroden durch die Entladung selbst Wärme zugeführt wird. Die bekannten Lampen, also sowohl die mit heißer Kathode als auch die mit kalter Kathode zündenden Lampen, erfordern dabei ziemlich umständliche Zünd- und Betriebsschaltungen, die teuer und störanfällig sind. Im Falle der mit heißer Kathode zündenden Lampen muß entweder ein Schalter oder eine Neutralisierungsschaltung vorgesehen werden, um den Heizstrom für die Elektroden nach dem Einschalten zu verringern. Bei den mit kalter Kathode zündenden Lampen ist ein Hochspannungstransformator erforderlich, um eine Spannung ausreichender Größe für die Lampenelektrode zu liefern, damit die Gasfüllung der Röhre ionisiert wird, bevor sich die Hauptentladung bildet. Die dabei auftretenden unerwünschten Unterbrechungen der Entladung und die Verzögerung der Zündung der einen Lampenart sowie die Kosten eines Hoch-Spannungstransformators bei einer anderen Lampenart sind Nachteile, die eine Anwendung der Lampen in gewissen Gebieten bisher verhindert haben.

Zusammenfassend ist zu sagen, daß die Zündung bei allen bisher bekannten Lampen entweder durch eine erhöhte Heiszpannung in Verbindung mit einer lokalen Glimmentladung oder durch eine die Betriebsspannung zur Einleitung der Entladung übersteigende Speisespannung, gegebenenfalls in Verbindung mit kapazitiven Zündhilfsmitteln, bewerkstelligt wurde.

Durch die Erfindung soll nun eine Niederdruckgasentladungslampe mit vorheizbaren, aktivierten Glühelektroden, insbesondere eine Leuchtstofflampe dieser Art, und eine Schaltungsanordnung zum Zünden und zum Betrieb derartiger Lampen unter Verwendung von in der Nähe der Elektroden angebrachten, den Potentialgradienten erhöhenden Zündhilfsmitteln, die sich im wesentlichen über die ganze Länge des Lampenkolbens erstrecken, angegeben werden, bei denen weder eine lokale Querentladung an den Elektroden noch Starter oder andere eine die Betriebsspannung wesentlich übersteigende Zündspannung erzeugende Zündhilfsmittel benötigt werden und bei denen die Drosselspulen oder Streutransformatoren nicht für so hohe Spannungen bemessen werden müssen wie bei mit kalten Kathoden zündenden Lampen.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß dauernd geheizte, aus zwei Teilen bestehende Elektroden verwendet werden, deren erster Teil eine kleinere Wärmekapazität besitzt und durch den Vorheizstrom auf eine unter dem Einfluß des Zündhilfsmittels zur Zündung der Entladung ausreichende Emissionstemperatur gebracht wird, während zumindest der zweite Teil der Elektrode größerer Wärmekapazität mit einem Elektronen emittierenden Material versehen und so ausgebildet ist, daß nach der zwischen den ersten Teilen der Elektroden erfolgten Zündung die Entladung am zweiten Teil der Elektroden ansetzt, und daß tliesen Elektroden eine Heizleistung zugeführt wird, die kleiner ist als 20% der Leistung der Lampe pro 30 cm Röhrenlänge und so klein ist, daß der Spannungsabfall zwischen den Enden der Elektrode kleiner ist als die Ionisierungsspannung der Gas- oder Dampffüllung.

Mit diesen Maßnahmen ist eine zuverlässige Inbetriebsetzung von Leuchtstoffröhren mit verhältnismäßig niedrigen Spannungen möglich, wobei den Elektroden nur eine kleine Vorheizleistung zugeführt wird. Im Dauerbetrieb braucht dieser Vorheizstrom nicht abgeschaltet zu werden, er kann vielmehr dauernd fließen, so daß Wärme- oder Glimmschalter und Neutralisierungswicklungen überflüssig sind. Bei den bekannten Lampen und Schaltungen, wie den bekannten Glühstartlampen, wäre eine dauernde Heizung der Elektroden nicht wirtschaftlich, da dadurch die Elektroden einerseits überhitzt würden und schnell zerstäuben und andererseits der Leistungsverlust zu hoch wäre.

Nach den landläufigen Vorstellungen ist bei einer Verkleinerung der Lampenelektroden eine Verringerung der Lebensdauer der Lampe zu befürchten, diese Befürchtung hat sich jedoch als unbegründet irwiesen. Die Ursache hierfür ist anscheinend die Tatsache, daß sich der Kathodenbrennfleck verhältnismäßig langsam und ohne schädliches Ionen-

bombardement bilden kann, da der eigentliche Zündvorgäng verhältnismäßig rasch abläuft. Bei einer Zündung mittels Schaltern oder mittels einer hohen Zündspannung entsteht der Kathodenbrennfleck im Gegensatz dazu erzwungenermaßen sofort, und zwar infolge des induktiven Spannungsstoßes im ersteren und der hohen Zündspannung im letzteren Falle. Von einer schnellen und sofortigen Brennfleckbildung bei Glühstartlampen zu sprechen, mag im ersten ίο Augenblick etwas widersprüchlich erscheinen, da der größte Nachteil dieser Lampenart ja gerade die Zündverzögerung ist. Diese Zündverzögerung wird jedoch hauptsächlich durch die Vorheizung der Elektroden bedingt und durch die anschließende Zeitspanne, die zur Abkühlung sowie Wiederöffnung des Glimm- oder Wärmeschalters erforderlich ist. Die Bogenentladung in der Lampe setzt bei der Öffnung des Schalters praktisch verzögerungsfrei ein, so daß die Feststellung voll berechtigt ist, daß der ao Kathodenbrennfleck bei Lampen dieser Art erzwungenermaßen unmittelbar gebildet wird, wenn auch die Zündung der Lampe als Ganzes mit einer beträchtlichen Verzögerung behaftet ist. Eine Leuchtstofflampe mit Kathoden der bei Kaltstartlampen allgemein gebräuchlichen Art, deren Größe jedoch nur ein Drittel oder ein Viertel der normalen Größe beträgt, indem beispielsweise die Windungszahl der Kathodenwendel verringert ist, besitzt also zumindest die gleiche, wenn nicht eine längere Lebensdauer als die derzeit gebräuchlichen Glühstart- oder Kaltstartlampen.

Bei der bevorzugten Ausführungsform von Leuchtstofflampen wird von der Erkenntnis Gebrauch gemacht, daß die verschiedenen Anforderungen, die an die Kathode beim Anlauf und im Betrieb gestellt werden, sich voneinander trennen lassen und getrennt betrachtet werden können. Folglich kann eine bessere und wirtschaftlichere Kathode dadurch erhalten werden, daß man einen Teil dieser Kathode für einen geringen Leistungsverbrauch beim Anlaufvorgang dimensioniert und den Rest der Kathode so ausbildet, daß er den Nenn-Entladungsstrom während des Betriebes verträgt. Bei den gewöhnlichen Glühstartlampen wird die ganze Kathode bei der Inbetrieb-Setzung auf Elektronenemission gebracht. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit muß dann die Vorheizung während des Dauerbetriebs abgeschaltet werden, um den großen Leistungsverbrauch, der anderweitig auftreten würde, zu vermeiden. Bei den Kaltstartlampen muß eine Kathode mit einer verhältnismäßig großen Menge von aktivem Kathodenmaterial vorgesehen werden, um eine befriedigende Lebensdauer der Lampe sicherzustellen. Man kann die Eigenschaften der Kathoden beider Lampenarten vereinigen und somit eine Kathode konstruieren, deren einer Teil eine verhältnismäßig geringe Wärmekapazität hat und zur Inbetriebsetzung der Lampe dient, während ein anderer Teil der Kathode mit einer verhältnismäßig großen Menge eines aktivierten, Elektronen emittierenden Stoffes während des Dauerbetriebs zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens dient.

Fig. ι ist eine schematische Darstellung einer Versuchsschaltung zur Gewinnung von Daten bezüglich der Zündung und des Betriebs einer Niederdruckgasentladungslampe, die gleichzeitig zur Veranschaulichung der verschiedenen möglichen Betriebsverfahren dienen soll;

Fig. 2 ist eine Darstellung der Zündspannungen für verschiedene Größen des Vorheizstromes und unter verschiedenen Betriebsbedingungen;

Fig. 3 zeigt einen Quetschfuß für eine Leuchtstofflampe und

Fig. 3 a eine vergrößerte Darstellung eines Querschnitts durch einen Teil des Heizdrahtes;

Fig. 4 ist ein vereinfachtes Schaltbild mit zwei Leuchtstofflampen, die mit Kathoden nach Fig. 3 ausgerüstet sind;

Fig. 5, 6, 7 und 8 beziehen sich auf Einzelheiten der Erfindung, wobei die Heizdrahtelektroden aus zwei Teilen bestehen, von denen der eine eine verhältnismäßig geringe Wärmekapazität besitzt und der andere eine verhältnismäßig große Menge eines Elektronen emittierenden Stoffes trägt. Dabei ist Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kathodenkonstruktion, bei welcher ein Bestandteil in Form einer Mehrdrahtwieklung über einen anderen Bestandteil gewickelt ist und beide Teile so bemessen sind, daß sie die obenerwähnten Eigenschaften haben. Fig. 6 und 7 sind ein Querschnitt und eine Seitenansicht aus dem Her-Stellungsvorgang der Kathodenkonstruktion nach Fig. 5. Fig. 8 zeigt eine Ansicht einer Leuchtstofflampe, die mit Kathoden nach Fig. 5 ausgerüstet und geeignet geschaltet ist.

Zur Erläuterung der Erfindung werden die folgenden Fragen behandelt werden.

1. Grundsätzliche Betrachtungen.

2. Das Betriebsverfahren.

3. Die Lampenkonstruktionen.

4. Die Elektrodenanordnungen.

5. Lebensdauer der Lampe und allgemeine Betrachtungen.

i. Grundsätzliche Betrachtungen

Die grundsätzlichen Vorgänge, welche für die Erfindung von Bedeutung sind, sollen nun an Hand der Kurven in Fig. 2 erläutert werden. Diese Kurven geben Meßresultate wieder, die sich auf eine große Anzahl von Leuchtstofflampen in geeigneten Schaltungen, von denen Fig. 1 ein Beispiel gibt, beziehen.

In Fig. ι ist eine elektrische Entladungslampe mit positiver Säule dargestellt, beispielsweise eine Leuchtstofflampe ähnlich den heute in Gebrauch befindlichen. Die Lampe besteht aus einem langgestreckten Glaskolben 2 mit einer Edelgasfüllung, z. B. aus Argon, von einem Druck von einigen Millimetern und ferner mit einer kleinen Menge von Quecksilber, die durch das Kügelchen 3 veranschaulicht ist. Der Quecksilbervorrat kann diejenige Menge übersteigen, die während des Dauerbetriebs der Lampe verdampft wird, so daß der Dampfdruck je nach der Außentemperatur zwischen 12 und 20 Mikron schwanken kann. An den beiden Enden des Kolbens sind zwei Heizdrahtglühelektroden 4 und 4' eingeschmolzen. Diese Elektroden können durch eine Wolframdrahtwendel gebildet werden, die mit einem Erdalkali-

oxydüberzug, beispielsweise mit Bariumoxyd oder Strontiumoxyd, aktiviert ist. In gebräuchlichen handelsüblichen Lampen ist das Innere des Glaskolbens 2 mit einem Leuchtstoffpulver überzogen, welches das ultraviolette Licht aus der Quecksilberdampfentladung in sichtbares Licht umwandelt. Zum Zweck der Messung der Lampeneigenschaften, die in Fig. 2 wiedergegeben sind, liegt die Entladungsröhre ι in einem Zünd- und Dauerbetriebsstromkreis, ίο welcher die Transformatoren 5, 6 und 7 enthält, von denen jeder mit seiner Primärwicklung an eine Wechselspannungsquelle, wie die übliche Quelle von 115 Volt und 60 Hertz, deren Zuleitungen mit 8, 8' bezeichnet sind, angeschlossen ist. Der Hauptentladungskreis für die Lampe enthält die angezapfte Sekundärwicklung 9 des Transformators 5, die in Reihe mit einer Vorschaltdrossel 10 zwischen den Lampenelektroden liegt. Verschieden große Vorheizströme können den Elektroden 4 und 4' von den ao einstellbaren Sekundärwicklungen 11 und 11' eines Transformators 6 zugeführt werden. Die Anordnung enthält außerdem einen langgestreckten Leiterstreifen 12, der an dem ganzen Lampenkolben entlangläuft und an den über die einstellbare Sekundärwicklung 13 eines Transformators 7 verschiedene Spannungen angelegt werden können.

Die Kurven in Fig. 2 zeigen die Zündspannung der Lampe 1 in Abhängigkeit vom Kathodenheizstrom unter verschiedenen Betriebsbedingungen. Diese Kurven sind von einer großen Anzahl von Lampen gewonnen worden, die ähnlich beschaffen waren wie die handelsüblichen 40-Watt-Kaltstart-Leuchtstofflampen.

In Fig. 2 zeigt die Kurve 20 die Zündspannung einer Lampe 1 bei niedriger Luftfeuchtigkeit, und zwar ohne den kapazitiven Streifen 12. Es ist dabei zu beachten, daß der kapazitive Streifen 12 völlig vom Lampenkolben entfernt und nicht lediglich vom Transformator 7 abgeschaltet sein soll. Wenn den Elektroden kein Vorheizstrom zugeführt wird, so entspricht dies dem Abszissenpunkt Null, zu welchem eine Zündspannung von etwa 380 Volt gehört. Man sieht, daß bei zunehmendem Vorheizstrom, und zwar bis etwa 0,6 Ampere, diese Zündspannung praktisch keinen Abfall zeigt. Von 0,6 bis 0,65 Ampere ist der Spannungsabfall zwischen den Enden der Elektroden annähernd gleich der Ionisierungsspannung des Quecksilberdampfes, und in diesem Gebiet nimmt die erforderliche Zündspannung ziemlich steil ab. In diesem Gebiet wird die Ionisierungsspannung von Quecksilber, nämlich 10,4 Volt, überschritten, und es treten örtlich begrenzte Entladungen zwischen den Elektrodenenden auf. Unter örtlich begrenzten Entladungen sollen dabei Entladungen zwischen den Enden einer einzelnen Elektrode verstanden werden und nicht etwa eine Entladung zwischen zwei verschiedenen Elektroden. Eine weitere Zunahme des Elektrodenvorheizstromes über den beschriebenen Bereich hinaus ergibt nur eine geringe zusätzliche Absenkung der Zündspannung.

Die Kurve 21 veranschaulicht den Verlauf der Zündspannung unter der Voraussetzung, daß der kapazitive Streifen 12 die Form eines schmalen leitfähigen Bandes besitzt, welches auf den Röhrenkolben niedergeschlagen oder auf diesen aufgeklebt ist und nicht an ein definiertes Potential angeschlossen und ferner auch nicht geerdet ist. Ein derartiges Leiterband auf der Außenseite des ganzen Lampenkolbens kann aus einem bandförmigen Silberniederschlag oder aus einer aufgestrichenen kolloidalen Graphitschicht bestehen. Solange kein Vorheizstrom fließt, beträgt die Zündspannung ungefähr 265 Volt. Mit zunehmender Vorheizung nimmt die Zündspannung langsam ab. Man beobachtet jedoch einen verhältnismäßig schnellen Abfall der Zündspannung bei Vorheizströmen zwischen 0,2 und 0,3 Ampere, die etwa Temperaturen von 500⁰C entsprechen. In einem höheren Bereich nimmt die Zündspannung wieder langsamer ab, und schließlich bleibt sie konstant, selbst wenn man die Kennlinie bis in denjenigen Bereich verfolgt, in welchem örtlich begrenzte Entladungen einsetzen.

Die Kurven 22 bis 26 veranschaulichen die Zündspannungskennlinien für ähnliche Lampen, bei denen nur das kapazitive Glied 12 in seiner Form vonein- 8s ander abweicht. Die Kurve 22 bezieht sich auf einen Fall, in welchem die kapazitive Belegung 12 durch einen Streifen gebildet wird, d. h. durch eine schmale bandförmige leitfähige Belegung, die sich über die ganze Länge des Lampenkolbens erstreckt, wie bei Kurve 21, jedoch mit dem Unterschied, daß die Belegung nunmehr geerdet ist. Man sieht, daß im Bereich eines Vorheizstromes von 0,2 bis 0,3 Ampere die Zündspannung wesentlich gegenüber derjenigen Bauart der Lampe abnimmt, bei welcher die Belegung ungeerdet ist, d. h. nicht an irgendein festes Potential angeschlossen wird. Die Kurve 23 zeigt die Zündspannungskennlinie für den Fall, daß die kapazitive Belegung 12 lediglich durch einen geerdeten Metallteil gebildet wird, wie z. B. durch Leuchten, die die zum Einsetzen der Lampen benötigten Fassungen enthalten. Bezüglich Kurve 23 ist zu bemerken, daß sie nur für den Fall einer vollständig trockenen Lampe gilt oder für den Fall, daß ein hydrophober Überzug verwendet wird, der die Bildung eines Feuchtigkeitsniederschlages auf dem Lampenkolben verhindert. Die Kurve 24 ist die Kennlinie einer Lampe mit einem geerdeten leitfähigen Überzug und zeigt eine gewisse weitere Erniedrigung der Zündspannung. Der leitfähige Überzug kann in diesem Falle aus einer transparenten Schicht von Zinnchlorid bestehen, welche auf die Lampe aufgesprüht und auf dem Röhrenkolben festgebrannt wird. Die Kurve 25 zeigt die Zündspannungskennlinie für den Fall, daß ein leitfähiger Überzug auf der Innenseite des Glaskolbens angebracht wird. Auch in diesem Fall kann der leitfähige Innenüberzug aus Zinnchlorid bestehen. Die Kurve 26 gibt den Verlauf der Zündkennlinie für denjenigen Fall an, daß eine Spannung von ungefähr 300 Volt an einen leitfähigen Außenüberzug auf dem Lampenkolben angelegt wird.

Die Zündkennlinien in Fig. 2 zeigen, daß alle Zündhilfsmittel, welche sich über die ganze Länge des Kolbens erstrecken, in grundsätzlich ähnlicher Weise wirken. Ihre Mitwirkung beim Zünden der Lampe mit erniedrigter Spannung zwischen den

Elektroden scheint von drei Punkten abhängig zu sein: Erstens tritt durch Erhöhung des Spannungsgradienten an den Elektroden eine Glimmentladung schon bei verhältnismäßig niedriger Spannung auf. Zweitens breitet sich diese Glimmerscheinung über die ganze Röhrenlänge aus, wenn der Potentialgradient erhöht wird und bei einer Quecksilberlampe mit einer Argonfüllung als Zündgas zusätzlich noch durch Photoionisation. Drittens wird das Einsetzen ίο der normalen Ouecksilberbogenentladung erleichtert, wenn der Glimmentladung durch die Zündhilfsmittel so viel Strom zusätzlich zu dem im Hauptstromkreis fließenden Strom zugeführt wird, daß die Glimmentladung den anfänglich positiven Teil ihrer Strom-Spannungskennlinie überschreitet und den negativen Teil erreicht.

Man sieht, daß alle Zündhilfsmittel nach Fig. 2 die Zündspannungskennlinie in grundsätzlich ähnlicher Weise beeinflussen. Ihre auffälligste Wirkung besteht in der Verschiebung des Bereiches der starken Abnahme der Zündspannung nach links, d. h. in Richtung geringeren Vorheizstromes. Ohne die Zündhilfsmittel nach Kurve 20 tritt die starke Abnahme der Zündspannung etwa bei 0,6 bis 0,7 Ampere auf; bei allen anderen Kurven dagegen, d. h. bei den Kurven, die sich auf Lampenausführungen mit längs des Kolbens angebrachten Zündhilfseinrichtungen beziehen, liegt die starke Abnahme der Zündspannungen bei 0,2 bis 0,3 Ampere.

Es sei erwähnt, daß die in Fig. 2 angegebenen Stromwerte sich auf die bei den Versuchen verwendete Elektrodenausführung beziehen. Man kann jedoch auch andere Elektroden mit anderen Widerstandswerten benutzen und kommt dabei auf einen weitgehend ähnlichen Verlauf der Kennlinien, wenn die verwendeten Ströme die gleichen Temperaturen hervorrufen.

Die wissenschaftliche Erklärung für diese Erscheinung scheint die folgende zu sein, obwohl diese Erklärung mit Vorbehalt gegeben werden soll. Bei denjenigen Elektrodenformen, die in den Lampen bei den genannten Versuchen benutzt wurden, entspricht ein Vorheizstrom von 0,3 Ampere einer Elektrodentemperatur von ungefähr 500⁰C. Diese Elektroden waren mit Erdalkalioxyden aktiviert, beispielsweise mit Barium- und Strontiumoxyd, was zu einer erheblichen Glühemission mit stark verkleinertem Kathodenfall bei dieser Temperatur führt. Beispielsweise kann der Kathodenfall nur etwa 25 bis 30 Volt betragen gegenüber 100 bis 150 Volt bei Zimmertemperatur. Bei Lampen mit sich über die ganze Kolbenlänge erstreckenden Zündhilfseinrichtungen ist der Potentialgradient in unmittelbarer Nähe der Elektroden so stark, daß er bei nennenswerter Glühemission ausreicht, um Elektronen aus der Nähe der Elektrode zu entfernen, so daß ein schwaches Glimmen auftritt. Ohne derartige Zündhilfseinrichtungen ist der Potentialgradient in unmittelbarer Nähe der Elektroden jedoch nicht groß genug, um Elektronen aus diesem Bereich abzuführen, so daß eine Glimmerscheinung nur dann möglich ist, wenn die Spannung zwischen gegenüberliegenden Elektroden der Lampe auf einen sehr hohen Wert gesteigert wird. Dies würde dem Fall einer Kaltstartlampe ohne Zündhilfsmittel entsprechen, für welche die erforderliche Zündspannung bei einem Vorheizstrom von 0,3 Ampere ungefähr 370 Volt beträgt. Eine nicht mit Zündhilfsmitteln ausgerüstete Lampe zeigt die erste Abnahme der Zündspannung bei einem viel höheren Vorheizstrom, nämlich in Wirklichkeit etwa bei Werten des Spannungsabfalls zwischen den Enden einer Elektrode, die gleich oder größer sind als die Ionisierungsspannung von Quecksilber, nämlich 10,4 Volt (Spitzenspannung, bei Wechselstrom). Bei derartigen Größen des Vorheizstromes tritt ein örtlich begrenzter Lichtbogen zwischen entgegengesetzten Enden jeder einzelnen Elektrode auf, und diese Entladung kann sich über die ganze Länge der Lampe auch schon bei Zuführung einer wesentlich kleineren Zündspannung ausbreiten.

Unabhängig von dieser Erläuterung haben die Kurven in Fig. 2 die folgende grundsätzliche Beziehung zwischen den verschiedenen den Zündkennlinienverlauf beeinflussenden Faktoren ergeben:

Eine Erniedrigung der Zündspannung, wie sie sich mit Hilfe eines Vorheizstromes erzielen läßt, der groß genug ist, um örtlich begrenzte Entladungen zwischen den beiden Enden jeder Elektrode hervorzurufen, läßt sich auch durch Vorheizung der Elektroden bis zu einer Temperatur erzielen, bei der lediglich eine nennenswerte Glühemission auftritt, ohne zu örtlich begrenzten Entladungen zu führen, wenn zugleich der Potentialgradient in unmittelbarer Nähe der Elektroden erhöht wird. Anders ausgedrückt, wird dadurch, daß man eine Lampe mit Einrichtungen zur Erhöhung des Potentialgradienten in unmittelbarer Nähe der Elektroden versieht, der notwendige Vorheizstrom oder die Vorheizleistung nennenswert gegenüber demjenigen Fall verkleinert, der zur Erzeugung örtlich begrenzter Entladungen erforderlich ist, und der Vorheizstrom läßt sich dabei auf einen solchen Wert verkleinern, der zur Erzeugung einer Elektronenemission der betreffenden Elektrode ausreicht. Die notwendige Zündspannung für die Lampe ist im letzteren Fall ebenso niedrig, wenn nicht niedriger als im ersteren Fall.

2. Das Betriebsverfahren

Zum Zünden der Lampe heizt man also die Elektroden lediglich bis auf die Elektronenemissionstemperatur, ohne daß man dabei den Vorheizstrom bis zum Eintreten örtlich begrenzter Entladungen zu steigern hätte. Zusätzlich wird der Potentialgradient in unmittelbarer Nähe der Elektroden durch geeignete Hilfsmittel erhöht, so daß der steile Abfall der Zündspannung, der unter diesen Umständen bei Erreichung einer Elektrodentemperatur gleich der Elektronenemissionstemperatur auftritt, voll ausgenutzt werden kann.

Dabei kann jede der oben beschriebenen Zündhilfseinrichtungen, die sich über den ganzen Lampenkolben erstreckt, benutzt werden. Die einfachste Hilfseinrichtung wäre natürlich ein geerdeter leitfähiger Bestandteil der Lampenfassung. Jedoch ist

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diese Einrichtung am wenigsten wirksam, da der kapazitive Einfluß des erwähnten Bestandteils auf die Lampe die ausschlaggebende Tatsache bildet und dieser kapazitive Einfluß natürlich von dem Abstand zwischen dem erwähnten Metallteil und dem Lampenkolben abhängt. Bei der üblichen Ausführung des Leuchtstofflampensockels mit zwei Steckerstiften ist der Abstand zwischen der Lampe und der Metallvorderfläche der Fassung ungefähr ίο 9,5 mm. Die in Fig. 2 durch die Kurve 23 wiedergegebene Kennlinie wurde mit einer derartigen Fassung bei geringer Feuchtigkeit aufgenommen. Man sieht jedoch, daß, wenn die Fassung sich in größerer Entfernung von der Lampe befindet, ihre Wirksamkeit als Zündhilfseinrichtung kleiner sein muß. Dies ist so zu erklären, daß bei geringerer Kapazität kein so großer Potentialgradient in der Nähe der Elektroden auftritt, daß ein Glimmen hervorgebracht werden könnte, und ferner noch dadurch, daß auch ein kleinerer kapazitiver Strom nach dem Einsetzen des Glimmens fließt und sich daher die positive Kennlinie nicht in die negative Stromspannungskennlinie umbilden kann.

Die Benutzung der Fassung als Zündhilfsmittel für die Lampe wäre jedoch wegen ihrer Billigkeit und Einfachheit an sich eine erstrebenswerte Lösung. Um diese Lösung praktisch anwendbar zu machen, muß man die Entstehung eines Feuchtigkeitsniederschlags auf der Lampe bei hohem Feuchtigkeitsgehalt der Atmosphäre verhindern. Eine sehr befriedigende Lösung dieser Frage besteht in der Anbringung eines wasserabstoßenden Films auf dem Lampenkolben, z. B. aus hydrolysierter organischer Halogen-Silizium-Verbindung nach dem USA.-Patent 3 408 822. Ein leitfähiger Belag, nämlich ein schmaler bandförmiger Streifen aus Silber oder Graphit auf dem Lampenkolben, der entweder geerdet oder mit einer Lampenklemme verbunden wird, wirkt in derselben Weise wie eine geerdete Fassung. Wenn der Streifen breit genug ist, tritt das Glimmen bei einer niedrigeren Spannung auf, und der kapazitive Einfluß ist größer, so daß ein größerer Strom fließt und die Lampe schon bei tieferer Spannung zündet. Schon ein gewisses Maß von Feuchtigkeit verbessert in Wirklichkeit das Zünden der Lampe bei Benutzung dieser Art von Zündhilfseinrichtungen, da der Feuchtigkeitsniederschlag auf dem Lampenkolben die wirksame Breite des Streifenbelags vergrößert und daher dessen Kapazität erhöht.

Die Benutzung eines leitfähigen Überzugs, der den ganzen Lampenkolben bedeckt und als Zündhilfseinrichtung dient, ist mehr wirksam und genügt allen Bedürfnissen. Ein leitfähiger Innenüberzug des Lampenkolbens stellt ebenfalls eine sehr wirksame Zündeinrichtung dar, ist aber kostspieliger und ziemlich schwierig herzustellen.

3. Die Lampenkonstruktionen

Eine Glühstartlampe besitzt normalerweise eine einfache Kathode, bestehend aus einer Wicklung von seinerseits aufgewundenem Wolframdraht mit einem Überzug einer elektronenemittierenden Substanz. Bei dem Betrieb solcher Glühstartlampen wird der Vorheizstrom während des Dauerbetriebs abgeschaltet. Es ist daher nicht ernstlich versucht worden, die Wärmekapazität der Elektroden wirklich klein zu machen. Bei Kaltstartlampen bestanden die Kathoden im allgemeinen aus einer Doppelwendel aus Wolframdraht, über deren kleinere Windungen ein dünner Wolframdraht als Überwicklung angebracht war. Bei dieser Kathodenart waren die bisherigen Bemühungen darauf gerichtet, eine große Menge elektronenemittierenden Materials auf der Kathode anzubringen, und die dünne Wolframüberwicklung sollte das Haften dieses Kathodenmaterials unterstützen.

Da die Lampe erst zündet, nachdem die Elektroden Elektronenemissionstemperatur erreicht haben, ist die Elektrodenzerstäubung bei jeder Inbetriebnahme vernachlässigbar klein. Es ist daher auch nicht nötig, eine große Menge von elektronenemittierendem Ma-' terial in einer solchen Lampe anzubringen, wie es bei den bekannten Kaltstartlampen nötig war. Da ferner nur ein geringer Vorheizstrom nötig ist, kann man diesen Strom ruhig auch während des Dauerbetriebs durch die Elektroden hindurchfließen lassen. Es wurde gefunden, daß man bereits bei Benutzung von Elektroden nur eines Bruchteils der in den üblichen Kaltstartlampen verwendeten Größe den Vorheizstrom während des Dauerbetriebs ruhig weiterfließen lassen kann, da die in den Elektroden verbrauchte Leistung dann in erträglichen Grenzen bleibt. In Wirklichkeit wird bei den verbesserten Lampenkonstruktionen die gesamte im Vorschaltgerät und in der Lampe selbst verbrauchte Leistung einschließlich der in den Heizdrähten an sich unnütz verbrauchten Leistung merklich kleiner als der gesamte Leistungsverbrauch einer Kaltstartlampe einschließlich ihres Vorschaltgerätes, und zwar unter Einrechnung der Tatsache, daß eine solche Lampe keine Heizleistung in den Elektroden verbraucht, natürlich mit Ausnahme des durch die Entladung hervorgerufenen Leistungsverbrauchs.

Eine Elektrodenbauart, die sich für die Lampenausführung bewährt hat, ist in Fig. 3 dargestellt. Die Anordnung 30 besteht aus einem Glasflansch 31, durch welchen zwei Zuführungsdrähte 32 und 32' hindurchlaufen. Diese Drähte sind in einem Quetschfuß 33 eingepreßt. Der Heizdraht 34 als Ganzes ist an den Drähten 32, 32' befestigt und enthält drei größere Windungen. Dieser Heizdraht 34 hat die Form einer Wicklung aus seinerseits aufgewickeltem Draht (Doppelwendel 35), ist aber mit zusätzlichen Überwicklungen 36 ausgerüstet, wie in Fig. 3 a zu sehen ist. Der Heizdraht 34 kann dabei aus rundem Wolframdraht 35' von 58,8 μ. Durchmesser hergestellt werden, wobei dieser letztgenannte Draht die kleinere Wicklung jener Doppelwendel bildet und der runde Draht 36 von 17,5 μ. Durchmesser wiederum die Bewicklung dieser Doppelwendel bildet. Die Elektrode kann so fabriziert werden, daß man zunächst mit dem dünnen Draht 36 beginnt und diesen auf einen Wickelkörper, bestehend aus dem runden Draht 35 und einem zusätzlichen Hilfsdraht, beispiels-Weise einem Molybdändraht von 87,5 μ aufwickelt.

Der auf diese Weise mit dem Draht 36 bewickelte Draht 35 wird über einen runden Dorn aus Molybdändraht von 250 μ Durchmesser mit 41 Windungen je Zentimeter aufgewickelt, so daß man die zweite (kleinere) Wicklung der Doppelwendel, die im ganzen mit 37 bezeichnet ist, erhält. Der so gewonnene Draht kann seinerseits wieder auf einen runden Dorn von 0,65 mm Molybdändraht mit vier Windungen je Zentimeter aufgewickelt werden. Nachdem man den Wolframdraht durch geeignete Erhitzung entspannt hat und nachdem man alle Molybdändrähte in einer Säure herausgelöst hat, werden die drei größeren Windungen des Heizdrahtes 34 in Fig. 3 erhalten, aus denen die Kathode besteht und an welche sich noch zusätzliche Drahtstücke der ersten Wicklung anschließen, die zur Anschweißung oder zur Klemmbefestigung an den Drähten 32, 32' dienen. Diese Kathode entspricht der im USA.-Patent 2306925 (Aicher) beschriebenen Ausfühao rung, in der nähere Einzelheiten über das Herstellungsverfahren nachgelesen werden können, und zwar insbesondere an Hand der in Fig. 3 dieser Patentschrift beschriebenen Ausführungsform. Der Hauptunterschied liegt darin, daß die hier beschriebene Kathode nur drei größere Windungen und verhältnismäßig lange Enden an Stelle von 9¹Z₂ Windungen mit verhältnismäßig kurzen Anschlußenden enthält, wie dies für Benutzung in einer -Kaltstartlampe von 120 cm Länge und 40 Watt in der genannten Patentschrift empfohlen wird.

Die Anordnung nach Fig. 4 enthält die Lampen 40 und 40', wobei die Kolben mit wasserabstoßenden, transparenten Überzügen 41 bzw. 41' versehen sind, die durch punktierte Linien dargestellt sind. Die Sekundärwicklungen 45 und 46 sind zu beiden Seiten der Primärwicklung 43 eines Streutransformators 32 angeordnet und je zwischen der Oberseite der Wicklung 43 und einem Ende der Lampen 40 und 40' angeschlossen, während die anderen Enden der Lampen gemeinsam an die Unterseite der Wicklung 43 angeschlossen sind. Ferner ist ein Kondensator 47 mit einem Blindwiderstand gleich etwa dem Doppelten des Streu-Blindwiderstandes der Wicklung 46 in Reihenschaltung mit dieser Wicklung vorhanden, um die Lampe 40' mit einem voreilenden Leistungsfaktor zu betreiben. Bei dieser Anordnung arbeiten die Lampen in unmittelbarer Nähe einer Lampenarmatur, die der Einfachheit halber durch die rechteckige Metallplatte 48 dargestellt ist. Es sei jedoch bemerkt, daß in der Praxis diese rechteckige Metallplatte einfach durch die Vorderfläche der Armatur oder Leuchte gebildet wird. Bei den gebräuchlichen industriellen Lampenhaltern oder Lampensockeln besitzen die Lampen etwa einen Abstand von 9,5 mm von der Fassung. Die Heizdrähte 34, 34' sind an die Heizwicklungen 49, die den Heizstrom sowohl für die Zündung als auch für den Dauerbetrieb liefern, angeschlossen. Diese Schaltung, bei der die Heizwicklungen 46 von der nacheilenden Wicklung 45 induziert werden, ergibt einen Sicherheitsfaktor für den Fall, daß eine Lampe mit kurzgeschlossenen Lampenstiften wie die handelsüblichen Kaltstartlampen unbeabsichtigterweise in die Sockel eingefügt werden sollte. In diesem Falle wird zwar die Lampe offenbar nicht zünden können, aber der Gesamtstrom, der vom Vorschaltgerät oder Transformator aufgenommen wird, bleibt innerhalb des Nennbetrages der Anlage, und es kann keine gefährliche Überhitzung eintreten.

Bei einer praktisch ausgeführten Anlage nach Fig. 4 sind die Lampen 40 und 40' Niederdruckgasentladungslampen mit 40 Watt Leistungsverbrauch und einer Länge von ungefähr 120 cm und einem Durchmesser von 3,8 cm. Die Lampen sind mit Kathoden nach Fig. 3 ausgerüstet, die Zündgasfüllung besteht aus Argon von einem Druck von etwa 3 mm Hg, und die Lampen enthalten ferner die übliche geringe Menge Quecksilber. Der wasserabstoßende Überzug der Lampe besteht aus einer organischen Silizium verbindung und wurde durch Hydrolyse von Methylchlorosilan hergestellt. Er kann dadurch gewonnen werden, daß der Lampenkolben einige Minuten lang dem dampfförmigen Methylchlorosilan in einem geeigneten geschlossenen Gefäß bei 50% relativer Feuchtigkeit ausgesetzt wird.

Der Transformator ist folgendermaßen bemessen: Primärwicklung 43 für 115 Volt, Sekundärwicklungen 45 und 46 für 220 Volt bei offener Sekundärwicklung, gemessen von der Klemme 44 aus. Die Heizwicklungen 49 liefern eine Spannung von 3,5 Volt, was einem Heizstrom von 0,38 Ampere durch die Elektrodenheizdrähte entspricht. Die von den Elektroden bei der Zündung und im Dauerbetrieb verbrauchte Leistung beträgt etwa 1,3 Watt je Elektrode. Bei der beschriebenen Elektrodenkonstruktion führt dieser Leistungsverbrauch zu einer Temperaturerhöhung von der Raumtemperatur aus auf etwa 550⁰C, und zwar in einer Zeit von weniger als ¹Z₂ Sekunde von der Einschaltung der Lampe an gerechnet. Der Leistungsverbrauch in den Elektroden würde ausreichen, um eine Temperatur von etwa 900⁰C zu erzielen, bei welchem Temperaturwert Gleichgewicht herrscht und die Abstrahlungsleistung gleich der Heizleistung ist.

Da der Leistungsverbrauch in den Elektroden so gering ist, d. h. weniger als 2 Watt je Elektrode beträgt, kann man den Heizstrom während des Dauerbetriebs beibehalten. In diesem Falle beträgt der Leistungsverlust ungefähr 7% der Lampennennleistung. Da sowohl das sehr lästige Flimmern und die Verzögerung durch den Zündschalter als auch die Kosten für diesen Schalter entfallen, würde sogar ein Leistungsverlust in den Elektroden bis zu 10% der Lampennennleistung tragbar sein.

Nur ein Bruchteil des genannten Betrages von °/₀ ist als ein wirklicher Leistungsverlust zu betrachten, und zwar nur etwa die Hälfte von 7%, während die andere Hälfte einen nur scheinbaren Leistungsverlust darstellt. Die Erklärung für diese Behauptung liegt darin, daß die dauernde Heizung der Kathoden durch den Vorheizstrom den Kathodenfall vermindert und einen Betrieb der Lampe bei demselben Entladungsstrom mit einem geringeren Energieverbrauch in dem Lichtbogen ermöglicht. Außerdem kann durch geeignete Polung des An-Schlusses der Elektrodenheizwicklungen erreicht wer-

den, daß der Entladungsstrom einen Teil des Elektrodenheizstroms neutralisiert, obwohl dieser Effekt mit der veränderlichen Lage des Kathodenflecks während der Lebensdauer der Lampe variiert.
Die Schaltung nach Fig. 4 verbraucht mit zwei 40-Watt-Lampen beispielsweise insgesamt 100 Watt für normale Lichtausbeute. Dieser Leistungsbetrag enthält alle Ballast- und Transformatorverluste, ferner den Leistungsverbrauch im Lichtbogen und schließlich ebenfalls noch die Elektrodenheizleistung. Wenn man eine Klemme jedes Kathodenheizkreises löst und die Netzspannung bzw. Speisespannung derart neu einstellt, daß dieselbe Lichtausbeute wie zuvor erreicht wird, verbraucht die Schaltung insgesamt 98 Watt. Diese Zahl schließt die gesamten Ballast- und Transformatorverluste und den Verbrauch im Lichtbogen selbst ein. Die Differenz von 2 Watt zwischen den in beiden genannten Fällen gemessenen Werten ist somit der zusätzliche Leistungsverbrauch oder Verlust, der durch die dauernde Lieferung des Vorheizstromes im Dauerbetrieb hervorgerufen wird. Er beträgt somit nur ¹J₂ Watt je Elektrode. Mit anderen Worten beträgt also der im Dauerbetrieb auftretende Verlust durch den ständig an die Lampen gelieferten Vorheizstrom iWatt je 40-Watt-Lampe, d. h. 2,5 % der Lampennennleistung, also erheblich weniger als io°/₀· Selbst wenn jedoch der zusätzliche Leistungsbetrag 10 % betragen würde, ist er immer noch kleiner als der zusätzliche Transformatorverlust, der durch die Benutzung von Hochspannungstransformatoren mit sehr hoher Streureaktanz bei Kaltstartschaltungen auftreten würde. Bei dieser Behandlung der Lampenkonstruktion sind im speziellen die Elektrodenausbildungen und

Man sieht aus dieser Tabelle, daß die Vorheizleistungen, die zur Erzielung einer merklichen Glühemission bei den erfindungsgemäßen Schnellzündungslampen nötig sind, weniger als 20% der Lampenleistung je 30 cm Länge betragen, dabei wird gleichzeitig eine Zündung bei tieferer Spannung und eine längere Lebensdauer bei guter Lichtausbeute, d. h. bei einem hohen Wert der Leuchtkraft in Lumen je Watt während der ganzen Lebensdauer der Lampe, erreicht.

Man sieht somit, daß der Leistungsverbrauch zur Erzielung einer Glühemission gemäß der obigen Tabelle derjenige Verbrauch ist, welcher einen plötzlichen Abfall der Zündspannung gemäß den Kurven

	Kolben- länge	Lampen- nennleistung je 30 cm	Glühstartlampen	°/o je 30 cm	Leistungsverbrauch zur Erzielung von Glühemission	°/o je 30 cm	Schnellzündungs	°/o je 30 cm
	cm	Länge	Leistungsverbrauch zur Erzielung örtlich begrenzter Entladungen	Länge	Watt	Länge	lampen Leistungsverbrauch zur Erzielung von Glühemission	Länge
Lampen- nennleistung	60	IO	Watt	51		25	Watt	13
in Watt	120	IO		64	2,45	28		13
20	ISO	17	5,i	93	2,8	45	i,3	18
40	ISO	20	6,4	79	*7.7*	38	i,3	15
85		15,8		*7,7*	3,o
100		15,8	3,o

die Vorheizleistungen für eine 40-Watt-Lampe mit 120 cm Rohrlänge behandelt worden. Selbstverständhch beschränkt sich die Erfindung nicht auf diese Lampentypen, sondern ist in gleicher Weise auf Lampen anderer Größe anwendbar. Im allgemeinen hängt die Elektrodengröße einer Lampe vom Entladestrom oder von der Lampenleistung je Längeneinheit des Kolbens ab. Anders ausgedrückt, ist die Elektrodengröße im allgemeinen proportional der Nennleistung einer Lampe in Watt, dividiert durch die Lampenlänge in Fuß (1 Fuß = 30 cm).

Die Kathoden werden mittels einer Vorheizleistung, die weniger als 2o°/₀ der Lampennennleistung je 30 cm Länge für jede Elektrode beträgt, auf Glühemissionstemperatur erhitzt, d. h. auf eine Temperatur zwischen 500 und 900⁰ C. Vergleichsweise sei bemerkt, daß die gegenwärtigen handelsüblichen Glühstartlampen im allgemeinen für eine Vorheizleistung von 5o°/₀ oder mehr der Lampenleistung je 30 cm Länge bemessen sind, um örtlich begrenzte Entladungen hervorzurufen.

Die nachfolgende Tabelle gibt die ungefähren Elektrodenvorheizleistungen für verschiedene Größen von heute üblichen Glühstartlampen an, und zwar erstens die Vorheizwerte, die zur Hervorbringung örtlich begrenzter Entladungen beim Anlauf nötig sind, und zweitens die Vorheizleistungen, die zur go Erzielung lediglich einer nennenswerten Glühemission ausreichen. Die Tabelle gibt ferner als Vergleichswerte die Leistungen an, welche bei den erfindungsgemäßen SchneUzündungslampen zur Erzielung von Glühemission nötig sind. Jede dieser Größen ist in _g5 Watt angegeben und ferner noch in ihrem Prozentwert der Lampennennleistung je 30 cm Länge.

bis 26 in Fig. 2 hervorruft innerhalb der Zeitspannen, die nach dem oben Gesagten etwa ^x/₂ Sekunde betragen sollen. Man sieht außerdem bei Betrachtung dieser Kurven, daß die SchneUzündungslampen den Punkt einer plötzlichen Erniedrigung der Zündspannung unter Bedingungen für den Potentialgradienten erreichen, bei denen die Vorheizleistung weniger als 20°/o der Lampenleistung je 30 cm Länge beträgt, xao während die augenblicklichen bekannten handelsüblichen Lampen wesentlich mehr erfordern.

4. Die Elektrodenkonstruktionen

Wenn auch die Lampenkonstruktion mit einer verkleinerten Kathode und Ausführung, die der

obengenannten USA.-Patentschrift von Aicher ent spricht, zufriedenstellende Ergebnisse zeigt, besonders für Lampen über 40 Watt, ist es doch von Vorteil, den Leistungsverbrauch in den Heizdrähten noch zu verkleinern, wenn dies wirtschaftlich durchführbar ist. -Selbstverständlich gilt dies in noch höherem Grade bei Lampen niedriger Leistung, bei denen für eine gegebene Elektrodenverlustleistung das Verhältnis der in den Elektroden verbrauchten Leistung zu der von der Lampe für die Beleuchtung verbrauchten Nutzleistung in unvermeidbarer Weise zunimmt.

Es wird daher eine Kathode vorgesehen, deren einer Teil zum Anlauf der Lampe dient, und zwar vermöge der Tatsache, daß dieser Teil die Emissionstemperatur erreicht, bevor ein anderer Teil, der eine verhältnismäßig große Menge von aktiviertem Material trägt, auf die Emissionstemperatur kommt. Dieser letztgenannte Teil der Kathode dient zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens im normalen Betriebe. In der in Fig. 3, 1 und 4 veranschaulichten Anordnung sind die verhältnismäßig langen geradlinigen Teile diejenigen Teil der Kathode, welche den im Dauerbetrieb vorliegenden Anforderungen am besten zu genügen vermögen, während der restliche aufgespulte Teile der Kathode mit großem Windungsdurchmesser zur Erfüllung der Anlaufbedingungen am besten geeignet ist. Da die engen Windungen annähernd gleichmäßig über die weiten Windungen und deren gerade Anschlußdrähte verteilt sind, ist die je Längeneinheit der engen Windungen erzeugte Wärme in beiden Kathodenteilen weitgehend die gleiche. Da jedoch die Windungen innerhalb des aufgespulten Teils konzentriert sind und eine geringe Wärmeabstrahlung besitzen, heizt sich dieser Teil schneller auf und erreicht auch eine höhere Temperatur als die Anschlußdrähte. Dementsprechend setzt der Lichtbogen zunächst an dem aufgespulten Mittelteil an, da dieser früher auf Elektronenemissionstemperatur kommt. Erst später geht der Lichtbogen auf einen der Anschlußdrähte über und stabilisiert sich an einem Punkt, der eine genügende Menge Elektronenemissionsmaterial aufweist und am nächsten zu dem den aktiven Strom führenden Einführungsdraht liegt. Dieser letztere Vorgang spielt sich selbsttätig ab, da der ohmsche Spannungsabfall längs der Elektrode, der vom Entladungsstrom herrührt, einen Übergang des Lichtbogens zu einem Punkt höheren Potentials bewerkstelligt, d. h. zu einem Punkt, der natürlich dem Einführungsdraht am nächsten gelegen ist.

In Fig. 5 stellt die Anordnung 50 eine andere entsprechend der Erfindung ausgebildete Kathode dar. Diese besitzt ebenfalls eine gewisse Ähnlichkeit mit der im USA.-Patent 2 306 925 (Aicher) beschriebenen Kathode, aber die Windungszahlen und die Drahtgrößen zwischen den Überwicklungen und den Hauptwindungen sind von dem genannten Fall stark verschieden und werden auch zur Erfüllung eines anderen Zwecks anders gewählt. Demgemäß soll diese Kathode im folgenden näher beschrieben und ihr Herstellungsverfahren erklärt werden.

In Fig. 6 und 7, welche Zwischenstadien in der Herstellung einer Kathode nach Fig. 5 darstellen, besteht der erste Schritt in der Herstellung eines zusammengesetzten Dorns 51, bestehend aus zwei Drähten 52 und 53, die parallel dicht nebeneinander angeordnet werden.

Der Draht 52 ist ein runder Wolframdraht von 38 μ Durchmesser und der Draht 53 ein runder Molybdändraht von 250 μ Durchmesser. Auf diesen zusammengesetzten Dorn werden drei parallele Gänge 54 von 38 μ Wolframdraht aufgewickelt. Wie dargestellt, werden die Drähte 54 zuerst auf den zusammengesetzten Dorn 51 aufgewickelt und bilden eine Reihe von schwach eiförmigen Windungen. Die Drähte 52 und 53 bestehen aus verschiedenen Metallen, so daß der eine von einem Reagenz, welches den anderen Draht löst und dazu dient, diesen andern Draht zu entfernen, nicht angegriffen wird.

In Fig. 5 ist der zusammengesetzte Dorn 51 mit seiner Bewicklung von dreifachem 38 μ starken Wolframdraht selbst wieder aufgewickelt und bildet eine Schraubenlinie 55. Praktisch kann diese Schraubenlinie dadurch hergestellt werden, daß man den zusammengesetzten Dorn 5i mit seiner Bewicklung auf einen Stahlkern von 1,12 mm Durchmesser aufwickelt, der nachträglich aus der Wicklung herausgezogen wird. Die Molybdändrähte 53 des zusammengesetzten Dorns können dann dadurch entfernt werden, daß man die Schraubenlinie in eine Mischung von Salpetersäure und Schwefelsäure eintaucht. Diese Mischung greift das Molybdän an, läßt aber das Wolfram unverändert, so daß man schließlich die Wendel 55 erhält, deren primäre Windungen durch den Hauptwolframdraht 52 gebildet werden, auf welchen seinerseits drei parallele Wolframdrähte 54 lose aufgewickelt sind.

Die Wendel 55 kann nun auf zwei Einführungsdrähten 56, 56' befestigt werden, welche ihrerseits in einem geeigneten Glasquetschfuß zur Bildung der Kathode 50 angebracht sind. Während der Herstellung der Lampe wird die Wicklung 55 mit aktivem Material wie Barium- und Strontiumkarbonaten überzogen, die nachträglich nach üblichen Verfahren in ihre Oxyde umgewandelt werden. In Wirklichkeit bedeckt das Aktivierungsmaterial sowohl den Hauptdraht 52 und bzw. als auch die auf ihm angebrachten Drahtwicklungen 54, und somit werden beide Wicklungen mit dem Aktivierungsmaterial überzogen. Die Zersetzung der Karbonate in die Oxyde kann durch Anwendung einer geeigneten Spannung an den Einführungsleitungen 56 bis 56' bewerkstelligt werden. Da der Widerstand des heizenden Teiles der Kathode, nämlich der Widerstand des Drahtes 52 geringer ist als der Widerstand der Drähte 54, fließt ein größerer Strom durch den Hauptleiter 52. Da jedoch außerdem der Draht 52 sich in großer Nähe der Drähte 54 befindet, teilt sich die in 52 entwickelte Wärme zum Teil dem Aktivierungsmaterial auf den Drähten 54 mit.

Wenn auch in Fig. 5 eine schraubenlinienförmige Wicklung 54 für die Kathode 50, bestehend aus einem Hauptleiter 52 von 38 μ Wolframdraht mit einer darauf angebrachten Wicklung von drei parallelen Gängen 54 von 38 μ Wolframdraht, beschrieben ist, so sind selbstverständlich Abweichungen von diesen Zahlenwerten möglich. So kann man eine einzige WoIf-

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ramdrahtwicklung von größerem Durchmesser oder ein Wolframband an Stelle der Drähte 54 verwenden. Jedoch würde ein Draht größeren Durchmessers die von dem Bewicklungsdraht zur Verfügung gestellte Fläche zur Ablagerung des Aktivierungsmaterials verkleinern, wenn der Durchmesser der Bewicklung eine gegebene Größe hat. Die Kosten eines Bandes an Stelle der Drähte 54 sind höher, und darüber hinaus kann sich das Band in den automatischen Wickelmaschinen leicht verwerfen. Es ist daher vorzuziehen, eine größere Zahl paralleler Gänge für die Bewicklung zu verwenden, wie in Fig. 5 und 7 dargestellt.

Die Bewicklungswindungen in der Kathode nach Fig. 5 haben den Zweck, sich nur allmählich aufzuheizen; sie müssen jedoch, wenn sie aufgeheizt sind, den Hauptteil des Entladestromes führen und eine dementsprechende Stärke haben. Außerdem ist die neue Kathode dadurch gekennzeichnet, daß die Bewicklungsdrähte einen verhältnismäßig sehr großen Windungsdurchmesser besitzen, so daß sie lose auf dem inneren Draht oder Hauptdraht sitzen. Praktisch sind die Bewicklungsdrähte, so lose auf dem Hauptdraht angebracht, daß sie sich zu Bündeln oder Gruppen von nahe aneinander liegenden Drähten zusammenschließen, abhängig von der Zahl der gleichzeitig oder parallel auf den Dorn 51 aufgewickelten Gänge, d. h. der drei Gänge in Fig. 5. Die Benutzung eines großen Windungsdurchmessers bewirkt, daß der Hauptteil der Wicklungen sich in durchschnittlich viel größerem Abstand vom Hauptdraht befindet als im Aicher-Patent. Diese Merkmale stellen wichtige Unterschiede der erfindungsgemäßen Kathode dar und erlauben es, die Temperaturerhöhung des Hauptdrahtes mit einem sehr kleinen Heizstrom zu bewerkstelligen, ohne gleichzeitig die Temperatur der gesamten Bewicldungsdrähte und des Aktivierungsmaterials auf dieselbe Höhe zu bringen.

In Fig. -8 ist eine Leuchtstofflampe 60 dargestellt, welche mit einer Kathode gemäß Fig. 5 ausgestattet ist und in einer Zünd- und Betriebsschaltung gemäß der neuen Schnellzündungsmethode liegt. Die Leuchtstofflampe 60 enthält einen Glaskolben mit einem Edelgas, z. B. Argon, von niedrigem Druck von nur wenigen Millimetern und ferner die übliche kleine Menge von Quecksilber. An den beiden Enden des Kolbens sind zwei Glühkathoden 50 und 50' nach Fig. 5 eingeschmolzen.

Die Entladungsbahn dieser Lampe liegt zwischen den Leitungen 61 und 61', die an die Ausgangsklemmen eines Transformators 62 mit hohem Streuwiderstand führen. Der Transformator besteht aus der Primärwicklung 63, welche an eine übliche Wechselspannungsquelle, z. B. das 115-Volt-Netz mit 60 Hertz (Netzklemmen 64 und 64') angeschlossen ist. Der Ausgangskreis des Transformators wird durch die eine Klemme der Primärwicklung 63 und durch die eine Klemme der Sekundärwicklung 65 gebildet, welche lose an die Primärwicklung angekoppelt und mit deren Klemme 64 verbunden ist. Der Heizstrom für die Kathoden wird von zwei Niederspannungs-Sekundärwicklungen 66 und 66' geliefert.

An der Außenseite des Lampenkolbens befindet sich ein Zündhilfsmittel in Form eines Streifens 67, der entweder durch einen dünnen Metallbelag aus Aluminium oder durch einen leitfähigen Überzug auf dem Glase, wie oben beschrieben, gebildet werden kann. Bei der Schaltung nach Fig. 8 ist der Streifen 67 in Reihe mit einem Strombegrenzungswiderstand 68 an eine Klemme einer Hilfswicklung 69 auf dem Transformator 62 angeschlossen. Die andere Klemme der Hilfswicklung ist mit einer der beiden Leitungen 61, 61' zu verbinden; die Schaltung zeigt den Anschluß an die Leitung 61'. Der Transformator 62 ist so bemessen, daß die Wicklungen 66 und 66' gerade genug Strom an die Kathoden liefern, um deren Hauptdrähte 52 auf eine Temperatur zwischen 550 und 900° C zu bringen. Der den Kathoden zugeführte Strom reicht jedoch nicht aus, um örtlich begrenzte Ionisation innerhalb der Lampe zu erzeugen, noch dazu, die aktivierten Bewicldungsdrähte der Kathode auf ihre normale Elektronenemissionstemperatur zu bringen. Der Hauptleiter der Kathoden wird nur gerade so weit geheizt, daß das Aktivierungsmaterial, welches unmittelbar mit ihm in Berührung steht, Elektronen emittiert.

Das Zündhilfsmittel 67 dient dazu, den Potentialgradienten in unmittelbarer Nähe der Elektroden zu erhöhen und dadurch die anderenfalls erforderliche Erhöhung der Anlaufspannung, die von der niedrigen Elektrodentemperatur herrührt, zu vermeiden. Dementsprechend wird mit Hilfe des dem Streifen 67 zügeführten Potentials eine Entladung in der Lampe zwischen den Hauptdrähten der Kathoden, d. h. zwischen den inneren Drähten 52 der beiden Elektroden, eingeleitet. Damit die Entladung bis zu diesen inneren Drähten verläuft, muß der Entladungsstrom zwischen den Bewicklungswindungen hindurchgehen, so daß diese Bewicklung ebenfalls geheizt wird und allmählich Elektronenemissionstemperatur annimmt. Wenn diese Temperatur erreicht ist, wird wegen der günstigeren Lage der Bewicklungswindungen der Lichtbogen den kürzeren Weg zwischen den Bewicklungswindungen wählen und nicht mehr den längeren Weg zwischen den Hauptdrähten der Kathode, und der Lichtbogen geht somit auf das Aktivierungsmaterial auf den Bewicklungsdrähten über und bildet auf ihnen heiße Ansatzstellen. Sodann dient das Aktivierungsmaterial auf der Bewicklung als Hauptelektronenquelle zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens. Nachdem der Lichtbogen gebildet ist, ruft der Entladungsstrom durch die Streureaktanz der Sekundärwicklung 65 einen Spannungsabfall an dieser Reaktanz hervor, der die der Lampe zugeführte Spannung vermindert und ihren negativen Widerstandseigenschaften entgegenwirkt.

Es ist verständlich, daß es bei dieser neuen Kathode noch weniger nötig ist, den Heizstrom während des normalen Betriebs zu unterbrechen als bei der Kathode der Lampenausführung nach Fig. 4. Bei einer praktisch ausgeführten Lampe mit diesen Kathoden wurde gefunden, daß die Leistung zur Heizung des Hauptdrahtes 52 beim Anlauf weniger als 1 Watt beträgt, daß diese Leistung also praktisch völlig vernachlässigt werden kann. Jedoch ist es, wenn die Natur der Schaltung dies erlaubt, von Vorteil, den Heizstrom durch die Kathoden im selben Verhältnis zu vermindern, wie die Zündspannung zwischen den

Lampenelektroden und die normale Betriebsspannung sich vermindert. Beispielsweise ist bei den gewöhnlichen Leuchtstofflampen der 15- oder 20-Watt-Größe, bei denen eine einfache Reiheninduktivität als Vorschaltimpedanz verwendet wird, natürlich vorzuziehen, die Primärwicklung des Elektrodenheiztransformators auf der Lampenseite der Reiheninduktivität anzubringen statt auf der Netzspannungsseite. Bei einer derartigen Schaltung kann man ohne weiteres eine Verminderung der Heizenergie oder Heizleistung im Verhältnis von etwa 2 :1 erreichen, so daß der Leistungsverlust während des Dauerbetriebs weniger als ¹Z₂ Watt je Kathode beträgt. Obwohl eine solche Verminderung der Heizleistung vorteilhaft ist, ist sie keineswegs notwendig bei Verwendung der neuen Kathoden, da bei praktisch allen gewöhnlichen Lampengrößen (selbst den kleineren) die Kathodenheizleistung so klein ist, daß man sie während des Dauerbetriebs mit sehr geringer Einbuße an Wirkungsgrad der Lampe und der ganzen Schaltung dauernd aufwenden kann.

5. Lebensdauer der Lampe und allgemeine Betrachtungen

Die längere Lebensdauer der hier angegebenen Lampen kann mit Vorbehalt folgendermaßen erklärt werden: Die kürzere Lampenlebensdauer bei Kaltstartlampen dürfte sich auf die Tatsache zurückführen lassen, daß bei Benutzung einer Hochspannung zur Zündung des Lichtbogens zwischen kalten Kathoden der Zündvorgang einer »gewaltsamen« Zündung vergleichbar ist und daß eine gewisse Zerstäubung der Kathode stattfindet, durch welche das Kathodenmaterial auf dem Glaskolben niedergeschlagen wird und dort eine Schwärzung an den Enden des Kolbenrohrs hervorruft. Eine derartige Zerstäubung läuft natürlich auf eine allmähliche Zerstörung der Kathode hinaus und auf eine entsprechende Verkürzung der Lebensdauer. Bei den neuen Lampen geht die Entladung allmählich von einer Glimmentladung, die anfänglich durch die kapazitive Wirkung der Hilfsbelegung hervorgerufen wird, in eine Glimmentladung zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Kathoden über. Diese Entladung nimmt allmählich an Intensität zu und geht schließlich in eine normale Quecksilberbogenentladung über. Es tritt daher kein stoßweises oder durch einen Impuls eingeleitetes Ansetzen des Lichtbogens auf einer kalten, Elektronen emittierendes Material tragenden Elektrode auf, und die Zerstäubung beim Anlauf wird bis auf eine völlig unschädliche Größe vermindert. Dementsprechend ist die zulässige Anzahl der Zündungen für Kathoden mit derselben Menge von Aktivierungsmaterial bei den Lampen gemäß der Erfindung viele Male größer, als es bei den Kaltstartlampen der Fall ist.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

I. Niederdruckgasentladungslampe mit vorheizbaren aktivierten Glühelektroden, insbesondere Leuchtstofflampe dieser Art, und Schaltungsanordnung zum Zünden und zum Betrieb dieser Lampe unter Verwendung von in der Nähe der Elektroden angebrachten, den Potentialgradienten erhöhenden Zündhilfsmitteln, die sich im wesentlichen über die ganze Länge des Lampenkolbens erstrecken, da durch gekennzeichnet, daß dauernd geheizte, aus zwei Teilen bestehende Elektroden verwendet werden, deren erster Teil eine kleinere Wärmekapazität besitzt und durch den Vorheizstrom auf eine unter dem Einfluß des Zündhilfsmittels zur Zündung der Entladung ausreichende Emissionstemperatur gebracht wird, während zumindest der zweite Teil der Elektrode größerer Wärmekapazität mit einem Elektronen emittierenden Material versehen und so ausgebildet ist, daß nach der zwischen den ersten Teilen der Elektroden erfolgten Zündung die Entladung am zweiten Teil der Elektroden ansetzt, und daß diesen Elektroden eine Heizleistung zugeführt wird, die kleiner ist als 20 % der Leistung der Lampe je 30 cm Röhrenlänge und so klein ist, daß der Spannungsabfall zwischen den Enden der Elektrode kleiner ist als die Ionisierungsspannung der Gas- oder Dampffüllung.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündhilfsmittel zur Erhöhung des Potentialgradienten an ein Hilfspotential angeschlossen sind.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch einen einen Eisenkern enthaltenden Spartransformator mit mindestens einer zusätzlichen Niederspannungswicklung zur Liefe- go rung eines Vorheizstromes mit einer Spannung von weniger als 7,4 Volt und mit einer Hilfswicklung zur Lieferung einer geeigneten Spannung an die Zündhilfsmittel der Lampe.
4. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden so bemessen sind, daß sie durch einen Vorheizstrom von weniger als 2 Watt auf Emissionstemperatur gebracht werden.
5. Lampe nach Anspruch 1 für den Betrieb in einer leitfähigen Armatur, welche sich längs der Röhre erstreckt, gekennzeichnet durch einen wasserabstoßenden Überzug auf der Außenwand des Röhrenkolbens.
6. Lampe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug aus einem organischen Süiziumhalogenid besteht.
7. Lampe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine leitende Schicht, die sich über die ganze Länge des Kolbens erstreckt.
8. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus einem Teil geringer Wärmekapazität und einem um diesen Teil herumgewickelten emissionsfähigen Teil von höherer Wärmekapazität bestehen, derart, daß ein erheblicher Temperaturunterschied zwischen den beiden Teilen auftritt, wenn dem Teil geringerer Wärmekapazität von außen Heizenergie zugeführt wird.
9. Lampe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden ein Heizelement in iao Form einer Drahtspule besitzen, die von einer weiteren Drahtspule umgeben ist, welche mit einem aktivierten, Elektronen emittierenden Material belegt ist, wobei beide Teile so miteinander verbunden sind, daß sie einen verhältnismäßig geringen Wärmekontakt besitzen, so daß nur ein kleiner

Teil der in dem Heizelement entwickelten Wärme nach der Einschaltung des Heizstromes auf die das Heizelement umgebende Drahtspule übergeht.
10. Lampe nach Anspruch g, dadurch gekennzeichnet, daß die wendeiförmige Heizwicklung mit

einer koaxialen Überwicklung versehen ist, die lose auf ihr aufliegt, wobei die Überwicklung einen Durchmesser hat, der ein Mehrfaches größer ist als der Durchmesser des Drahtes der Heizwicklung, und eine verhältnismäßig große Ganghöhe besitzt, so daß die Überwicklung einen verhältnismäßig losen thermischen Kontakt mit dem Heizelement besitzt.
11. Lampe nach einem der Ansprüche 8 bis io, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Überwicklung als auch das Heizelement mit einem aktivierten, Elektronen emittierenden Material überzogen ist.
12. Lampe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Kathodenanordnung mit einem doppeltgewendelten Glühdraht, der mit einem Elektronen emittierenden Material versehen ist, wobei der Glühdraht zwei aneinandergrenzende Teile besitzt, die in der Drahtlängsrichtung gegeneinander versetzt sind, und der eine, zur Einleitung der Bogenentladung bestimmte Teil eine kleinere Zahl von größeren Windungen kleinerer Steigung aufweist, die die Emissionstemperatur früher erreichen als der andere Teil und sich über etwa ein Drittel des Abstandes zwischen den Enden des Glühdrahtes erstrecken, und wobei der andere Teil, der die Entladung nach dem Einsetzen aufrechterhält, im wesentlichen aus einer engeren Wicklung besteht, die mit einem reichlichen Vorrat von aktiviertem, Elektronen emittierendem Material gefüllt und an den Stromeinführungsdrähten der Röhre angeordnet ist.
13. Lampe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Einleitung der Bogenentladung bestimmte Teil der Kathodenanordnung drei größere Windungen von seinerseits auf einen kleineren Durchmesser aufgespultem und zentral angeordnetem Draht enthält.
14. Lampe nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenanordnung einen hitzebeständigen gewendelten Hauptleiter enthält, der von einem auf den Hauptleiter lose aufgewickelten hitzebeständigen Hilfsleiter umgeben wird, wobei die engeren Windungen des Hauptleiters und die Überwicklungen in an sich bekannter Weise mit Elektronen emittierendem Material gefüllt sind und sich über die ganze Länge des Glühdrahtes erstrecken, und daß ein im wesentlichen geradliniger Teil und ein verhältnismäßig kurzer, aus weiten Windungen bestehender Teil gebildet wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 680 299, 727 695, 276, 552 547, 538 782, 597 580; USA.-Patentschriften Nr. 2 462 336, 2 306 925, 097 261;

britische Patentschriften Nr. 592 248, 434276;

französische Patentschriften Nr. 943 415, 936 574, 938702;

Zeitschrift »Der Elektrotechniker«, 2. Jahrgang, Heft 8, August 1950, S. 221, Tafel 1.

In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 1 005 635.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen

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