EP0334355B1 - Wall-stabilized high-pressure discharge lamp - Google Patents
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- EP0334355B1 EP0334355B1 EP89105243A EP89105243A EP0334355B1 EP 0334355 B1 EP0334355 B1 EP 0334355B1 EP 89105243 A EP89105243 A EP 89105243A EP 89105243 A EP89105243 A EP 89105243A EP 0334355 B1 EP0334355 B1 EP 0334355B1
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- H01J61/16—Selection of substances for gas fillings; Specified operating pressure or temperature having helium, argon, neon, krypton, or xenon as the principle constituent
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- H05B41/288—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc using static converters with semiconductor devices and specially adapted for lamps without preheating electrodes, e.g. for high-intensity discharge lamps, high-pressure mercury or sodium lamps or low-pressure sodium lamps
- H05B41/2881—Load circuits; Control thereof
- H05B41/2882—Load circuits; Control thereof the control resulting from an action on the static converter
Definitions
- the invention relates to a wall-stabilized high-pressure discharge lamp according to the preamble of claim 1, and in particular to a wall-stabilized high-pressure discharge lamp with high lighting efficiency and very good color properties, which is suitable for general lighting purposes in a compact structure, due to the good ability of the radiation to concentrate and the immediate Luminous flux output after switching on, but can also be used in motor vehicle headlights and for lighting tasks in scientific and medical device construction, and which can in particular also be designed for very low powers.
- the light yield of a high-pressure discharge lamp via the spectral emission distribution of the radiating plasma is given by the composition and pressure of the discharge medium, the dimensions of the discharge tube and the spatial temperature distribution of the discharge, and can only be optimized within certain limits.
- a gas discharge can be operated which is in the visible spectral range known mercury lines 405, 436, 546 and 577/579 nm emitted.
- the very intense radiation at 313 and 365 nm can be transformed into the visible spectral range using a suitable phosphor.
- Such high-pressure mercury lamps have found widespread use especially in outdoor lighting; their luminous efficacy is a maximum of 55 lm / W, and the general color rendering index is 50 (cf. Elenbaas, W .: High-pressure mercury-vapor lamps and their application; Philips Technical Library, 1965).
- Such metal halide lamps achieve a light output of 60 to 80 lm / W at a higher power conversion with a general color rendering index of 60 to 90, the high values of the light efficiency generally being combined with low values of the color rendering index and vice versa. With small power conversions down to 35 W, however, the luminous efficiency generally drops considerably to 50 lm / W and below.
- the invention of alkali-resistant envelope materials and closure materials has made it possible to use sodium in metallic form as a carrier for light emission.
- High pressure sodium vapor lamps currently take among all known high pressure discharge lamps in terms of their luminous efficacy a top position and have found widespread use in outdoor lighting.
- the range of available power types ranges from 35 W with a luminous efficacy of 75 lm / W to 1000 W with 150 lm / W. Because of the very low color temperature of around 2000 K and the unsatisfactory color rendering index of around 20, however, such lamps are not accepted for more demanding lighting tasks, especially in indoor lighting.
- Such lamps show a radiation emission similar to sunlight with a continuous spectral distribution, which results from the recombination continuum of the xenon.
- Such lamps are built for stationary operation with powers of 50 to 50,000 W and are characterized by excellent color rendering combined with a color temperature in the range of 6000 K.
- the luminous efficacy is only 15 lm / W and cannot be increased by more than 20 lm / W even with high power densities up to 800 W / cm (AT-PS 222 223). It can only increase to 35 lm / W with power in the kW range.
- Ultra-high pressure lamps use xenon or mercury vapor as a radiant medium at pressures of more than 1 MPa.
- the high energy concentration realized in them allows the radiation to be generated in a very small volume, which results in the radiation being able to be focused well.
- their light output is rather less than that of the corresponding ones High pressure lamps.
- High-pressure capillary lamps with halide filling have already been proposed for use in motor vehicle headlights (DE 3 341 846). For this purpose, however, they have the major disadvantage of requiring a start-up time of around one minute to reach their full luminous flux.
- Discharge instabilities and acoustic disturbances in the environment can be prevented by constructive measures on such lamps (DE 2 733 168 and 2 773 170) and special operating modes (DE 2 335 589, 2 704 311, 2 847 840 and 3 122 183).
- the color temperatures that can be achieved in this way are still too low for use in interior lighting, especially in the living area, because values of 3000 K and more are desirable for this.
- the tests were also abandoned because the undesirable side effects, such as increased self-absorption of the resonance lines of sodium and a disproportionate increase in the mercury lines, question the desired effect and further increases in color temperature are only possible with a major loss of light output (DE 2 657 824).
- All discharge light sources contain as energy converting Media electrically heated plasmas, the electrical properties of which change depending on the energy supplied. In particular, when the operating voltage increases, the power conversion increases, as a result of which the charge carrier density increases. This increases the electrical conductivity and the power consumption continues to increase. In order to counteract the resulting instabilities, discharge lamps must be operated via ballasts, which in particular contain current-limiting components. The mass and scope of these current-limiting components make it difficult to use such light sources, particularly in the living area. In order to achieve a current-voltage characteristic with a positive increase, the use of additives of certain metals or metal salts was tested in xenon and other noble gas high-pressure lamps (DE 2 236 973 and 2 525 408).
- the invention has for its object a high-pressure discharge lamp to develop, which has very good color rendering properties even at low power conversions, has a high luminous efficacy and emits the full luminous flux immediately after switching on.
- the power supply to the lamp should preferably be made as simple as possible.
- a light source should be suitable for general lighting purposes as well as usable in motor vehicle headlights and is therefore suitable as an alternative to incandescent lamps with considerable savings in electrical energy or with a significant increase in luminous flux and as an alternative to metal halide lamps with the advantage of immediate luminous flux output after switching on. It can also be used for lighting tasks in scientific and medical device construction and, as an alternative to incandescent lamps and electrode-stabilized xenon high-pressure lamps, leads to a significant reduction in the thermal loads on the object or patient and in the device itself.
- the technical task of developing such a light source is still to find a medium which, when excited in an electrical discharge, is able to emit an intensive continuum in the visible spectral range from a small volume as soon as the light source is switched on Medium to find a plasma state in which both this continuum radiation is generated with high yield and good bundling ability and the discharge has a positive current-voltage characteristic, and finally that specify technical means for realizing such a plasma state.
- the discharge plasma is heated up to such an extent by powerful electrical impulses with a high repetition frequency and small duty cycle that the recombination continuum distributed over the visible spectral range is emitted with high intensity, and that this clearly exceeds the intensity of the line radiation in the spectrally ineffective spectral ranges.
- a momentary power is supplied to the discharge during the pulses, which exceeds the mean power N permissible in continuous operation of the discharge tube in continuous operation by a factor of 5 or more.
- the discharge between the pulses is advantageously operated with the aid of a holding current of at most 50% of the average current, so that it does not go out and does not have to be restarted at the beginning of each pulse.
- the pulse repetition frequency is chosen to be equal to or greater than 100 Hz, so that it is sufficiently far above the flicker fusion frequency of the human eye and visual physiological problems in this regard are avoided.
- the pulse length can then be calculated from the condition that the time average power fed in by pulse and holding current is equal to the average permissible in continuous operation Power N is.
- both the instantaneous power during the pulses and the pulse repetition frequency should be limited in such a way that the calculated in this way.
- Pulse lengths should not be less than 10 »s, because otherwise the intended effect is only incompletely achieved due to the thermal inertia of the discharge.
- Another advantage of this operating mode is that with pulse powers that are a factor of 5 and more above the steadily permissible power, the electron density no longer increases significantly with a further increase in power. Therefore, the electrical conductivity increases only slightly, and the discharge gains a positive characteristic. In this way, the space-consuming, heavy and lossy components for current limitation that are customary in high-pressure discharge lamps are dispensable, and the power supply devices for such lamps are particularly simple in construction.
- the color temperature of the lamp according to the invention can be reduced and adapted to the requirements for interior lighting by surrounding the discharge tube with an outer bulb, the inner wall of which is coated with a phosphor which emits in the wavelength range between 550 and 650 nm and is excited by long-wave ultraviolet radiation can be.
- This phosphor transforms the short-wave portions of the recombination continuum below a wavelength of 450 nm into the yellow-red spectral range with the result of an effective reduction in the color temperature to a value of 4000 K or below, which is also associated with an increase in the luminous efficacy.
- the luminous density of the lamp is greatly reduced by the light-scattering effect of the phosphor layer, and thus the risk of glare caused by it is avoided.
- Fig. 1 shows an embodiment in which the discharge lamp is formed by a cylindrical discharge tube 1 made of silica glass with an inner diameter of 1.5 mm and with two electrodes 2 opposite one another at a distance of 10 mm and power supply lines 3 melted in a vacuum-tight manner. It is filled with xenon at a cold pressure of 300 kPa. An ignition probe 4 attached to the outside of the discharge tube serves to facilitate the ignition of the lamp.
- Fig. 2 shows the course of the lamp current as a function of time.
- the high-pressure xenon discharge lamp which is operated with powerful pulses, emits a luminous flux of 1400 lm at an average power consumption of 35 W. Its color temperature is 6500 K and its general color rendering index is 95. Its average luminance is 12 000 cd / cm 'and is a good prerequisite for focusing the radiation through optical components.
- the current-voltage characteristic formed by the discharge is shown in FIG. 3; it has the desired positive increase in the area of the pulse current.
- FIG. 4 Another embodiment is shown in FIG. 4. It contains a discharge tube according to FIG. 1, which is surrounded by an evacuated outer bulb 6, a frame structure 7 taking over the mechanical mounting of the discharge tube and the electrical connection of the power supply lines to the base 8.
- the outer bulb is coated on its inner wall with a phosphor layer 9 made of Ca halophosphate: Mn.
- Discharge tube with ignition probe, frame structure, outer bulb and base together form the discharge lamp. It is operated in the same way as the lamp according to exemplary embodiment 1 and, with an average power consumption of 35 W, emits a luminous flux of 1450 lm at a color temperature of 4000 K and a color rendering index of 90.
Description
Die Erfindung betrifft eine wandstabilisierte Hochdruck-Entladungslampe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, und insbesondere eine wandstabilisierte Hochdruck-Entladungslampe mit hohem lichttechnischem Wirkungsgrad und sehr guten Farbeigenschaften, die sich bei kompaktem Aufbau für allgemeine Beleuchtungszwecke eignet, aufgrund der guten Bündelungsfähigkeit der Strahlung und der sofortigen Lichtstromabgabe nach dem Einschalten, aber auch in Kraftfahrzeug-Scheinwerfern und für Beleuchtungsaufgaben im wissenschaftlichen und medizinischen Gerätebau einsetzbar ist, und die insbesondere auch für sehr niedrige Leistungen ausgelegt werden kann.The invention relates to a wall-stabilized high-pressure discharge lamp according to the preamble of
Es existieren zahlreiche Hochdruck-Entladunglampen für allgemeine Beleuchtungszwecke, bei denen hohe Lichtausbeute und gute Farbwiedergabeeigenschaften, d.h. eine im Bereich der Augenempfindlichkeitskurve gut verteilte spektrale Emission, angestrebt werden. Es ist bekannt, daß eine Lichtquelle mit idealer Farbwiedergabe eine maximale Lichtausbeute von etwa 250 lm/W erreichen kann, wenn es gelingt, Wärme- und Elektrodenverluste zu unterdrücken und die spektrale Emissionsverteilung auf den Bereich der sichtbaren Strahlung zu beschränken. Diese optimale Emissionsverteilung verläuft im Spektralbereich zwischen 400 und 700 nm proportional zur spektralen Emission eines schwarzen Strahlers mit einer Temperatur,die der gewünschten Farbtemperatur der Lichtquelle gleich und außerhalb dieses Spektralbereiches gleich Null ist.There are numerous high-pressure discharge lamps for general lighting purposes in which high luminous efficacy and good color rendering properties, ie a spectral emission which is well distributed in the area of the sensitivity curve, are aimed for. It is known that a light source with ideal color rendering can achieve a maximum light yield of about 250 lm / W if it is possible to suppress heat and electrode losses and to limit the spectral emission distribution to the range of visible radiation. This optimal emission distribution in the spectral range between 400 and 700 nm is proportional to the spectral emission of a black radiator with a temperature that is equal to the desired color temperature of the light source and is zero outside this spectral range.
Abgesehen von den nicht vermeidbaren Wärme- und Elektrodenverlusten ist die Lichtausbeute einer Hochdruck-Entladungslampe über die spektrale Emissionsverteilung des strahlenden Plasmas durch die Zusammensetzung und den Druck des Entladungsmediums, die Abmessungen des Entladungsrohres und die räumliche Temperaturverteilung der Entladung gegeben und nur innerhalb gewisser Grenzen optimierbar. So kann in einer Quecksilberdampfatmosphäre bei einem Druck von 0,1 bis 10 MPa eine Gasentladung betrieben werden, die im sichtbaren Spektralbereich die bekannten Quecksilberlinien 405, 436, 546 und 577/579 nm emittiert. Die sehr intensive Strahlung bei 313 und 365 nm kann durch einen geeigneten Leuchtstoff in den sichtbaren Spektralbereich transformiert werden. Solche Quecksilber-Hochdrucklampen haben insbesondere in der Außenbeleuchtung eine weite Verbreitung gefunden; ihre Lichtausbeute beträgt maximal 55 lm/W, und der allgemeine Farbwiedergabeindex liegt bei 50 (vgl. Elenbaas, W.: High-pressure mercury-vapor lamps and their application; Philips Technical Library, 1965).In addition to the unavoidable heat and electrode losses, the light yield of a high-pressure discharge lamp via the spectral emission distribution of the radiating plasma is given by the composition and pressure of the discharge medium, the dimensions of the discharge tube and the spatial temperature distribution of the discharge, and can only be optimized within certain limits. For example, in a mercury vapor atmosphere at a pressure of 0.1 to 10 MPa, a gas discharge can be operated which is in the visible spectral range known mercury lines 405, 436, 546 and 577/579 nm emitted. The very intense radiation at 313 and 365 nm can be transformed into the visible spectral range using a suitable phosphor. Such high-pressure mercury lamps have found widespread use especially in outdoor lighting; their luminous efficacy is a maximum of 55 lm / W, and the general color rendering index is 50 (cf. Elenbaas, W .: High-pressure mercury-vapor lamps and their application; Philips Technical Library, 1965).
Es ist gelungen, durch Einbringen geeigneter leicht verdampfbarer Leuchtzusätze das lückenhafte Quecksilberspektrum aufzufüllen, mit dem Ergebnis, daß sich sowohl die Lichtausbeute als auch die Farbwiedergabe erheblich verbessert haben. Solche Halogen-Metalldampflampen erreichen bei höherem Leistungsumsatz Lichtausbeuten von 60 bis 80 lm/W bei einem allgemeinen Farbwiedergabeindex von 60 bis 90, wobei in der Regel die hohen Werte der Lichtausbeute mit niedrigen Werten des Farbwiedergabeindex kombinieren und umgekehrt. Bei kleinen Leistungsumsätzen bis herab zu 35 W sinkt die Lichtausbeute jedoch generell ganz erheblich auf 50 lm/W und darunter. Solche Lichtquellen haben in der Beleuchtung von Innenräumen, Fertigungsräumen und Verkaufseinrichtungen große Verbreitung gefunden, ihr Einsatz beschränkt sich jedoch durch die deutlich verminderte Lebensdauer, die Brennlageabhängigkeit und die sehr störende Instabilität der Farbtemperatur infolge Exemplarstreuungen und Alterung (vgl. Rochlin, G. N.: Halogen-Metalldampflampen; Verlag Energija Moskau 1971).It was possible to fill in the incomplete mercury spectrum by introducing suitable, easily vaporizable lighting additives, with the result that both the luminous efficiency and the color rendering have improved considerably. Such metal halide lamps achieve a light output of 60 to 80 lm / W at a higher power conversion with a general color rendering index of 60 to 90, the high values of the light efficiency generally being combined with low values of the color rendering index and vice versa. With small power conversions down to 35 W, however, the luminous efficiency generally drops considerably to 50 lm / W and below. Such light sources have found widespread use in the lighting of interiors, production rooms and sales facilities, but their use is limited by the significantly reduced lifespan, the dependence on the burning position and the very disturbing instability of the color temperature due to specimen scatter and aging (cf.Rochlin, GN: metal halide lamps ; Energiya Moscow 1971).
Die Erfindung alkaliresistenter Hüllwerkstoffe und Verschlußmaterialien hat die Verwendung von Natrium in metallischer Form als Träger der Lichtemission möglich gemacht. Natriumdampf-Hochdrucklampen nehmen gegenwärtig unter allen bekannten Hochdruck-Entladungslampen bezüglich ihrer Lichtausbeute eine Spitzenstellung ein und haben bei der Außenbeleuchtung eine weite Verbreitung gefunden. Die Palette der angebotenen Leistungstypen reicht von 35 W mit einer Lichtausbeute von 75 lm/W bis 1000 W mit 150 lm/W. Wegen der sehr niedrigen Farbtemperatur von etwa 2000 K und des unbefriedigenden Farbwiedergabeindex von etwa 20 werden solche Lampen jedoch für anspruchsvollere Beleuchtungsaufgaben, speziell in der Innenraumbeleuchtung, nicht akzeptiert.The invention of alkali-resistant envelope materials and closure materials has made it possible to use sodium in metallic form as a carrier for light emission. High pressure sodium vapor lamps currently take among all known high pressure discharge lamps in terms of their luminous efficacy a top position and have found widespread use in outdoor lighting. The range of available power types ranges from 35 W with a luminous efficacy of 75 lm / W to 1000 W with 150 lm / W. Because of the very low color temperature of around 2000 K and the unsatisfactory color rendering index of around 20, however, such lamps are not accepted for more demanding lighting tasks, especially in indoor lighting.
Allen bisher genannten Hochdrucklampen ist gemein, daß sie jeden Versuch, den Leistungsumsatz zu reduzieren und im Wohnbereich übliche Leistungseinheiten zu entwickeln, mit drastischen Einbußen an Lichtausbeute beantworten. Die Ursache hierfür liegt einmal darin, daß entsprechend den Wirkungsmechanismen einer Hochdrucklampe kleine Lichtströme nur in kleinen Volumina erzeugt werden können, wobei sich das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen unvorteilhaft vergrößert. Bei durch plasmaphysikalische Optimierung vorgegebener Achsentemperatur der Entladung wächst zwangsläufig bei Verkleinerung des Entladungsvolumens der Temperaturgradient der Entladung und damit die durch Wärmeleitung und Teilchendiffusion aus den heißen Zonen der Entladung zur Wand verursachten Wärmeverluste. Zum anderen erfordert die Nutzung von Metalldämpfen oder Halogeniden als strahlendes Medium eine minimale Innenwandtemperatur des Entladungsgefäßes, die die erforderlichen Dampfdrücke gewährleistet. Diese Temperaturen liegen relativ hoch und haben ebenfalls unvermeidbare Wärmeverluste zur Folge, die insbesondere bei niedrigen Leistungsumsätzen der Lampen erheblich ins Gewicht fallen.All of the high-pressure lamps mentioned so far have in common that they answer any attempt to reduce the power conversion and to develop conventional power units in the living area with drastic losses in light output. The reason for this is that, according to the mechanisms of action of a high-pressure lamp, small luminous fluxes can only be generated in small volumes, the ratio of surface area to volume increasing disadvantageously. If the axis temperature of the discharge is predetermined by plasma-physical optimization, the temperature gradient of the discharge and thus the heat losses caused by heat conduction and particle diffusion from the hot zones of the discharge to the wall inevitably increase when the discharge volume is reduced. On the other hand, the use of metal vapors or halides as a radiating medium requires a minimum inner wall temperature of the discharge vessel, which ensures the required vapor pressures. These temperatures are relatively high and also result in unavoidable heat losses, which are particularly significant when the lamps have low power conversions.
Weiterhin erfordern alle diese technischen Lösungen zur Verdampfung der leuchtenden Metallzusätze eine beträchtliche Anlaufzeit im Minutenbereich. Die Verwendung von Gasen als strahlendes Medium eliminiert vom Prinzip her die Anlaufprobleme und die Notwendigkeit, die Brennertemperatur hoch zu halten. Dabei auftretende Zündprobleme lassen sich durch verschieden Zündhilfen in Grenzen halten (siehe z. B. DE 1 638 977 und 3 323 603). Bedauerlicherweise sind die Strahlungsausbeuten von Gasplasmen im sichtbaren Spektralbereich bei technisch realisierbaren Leistungsumsätzen ausnahmslos sehr niedrig. Daher ist bisher lediglich eine einzige Hochdrucklichtquelle auf der Basis von atomaren oder molekularen Füllgasen entwickelt worden, die Xenonhoch- bzw. höchstdrucklampen. Sie zeigen eine sonnenlichtähnliche Strahlungsemission mit kontinuierlicher Spektralverteilung, welche sich aus dem Rekombinationskontinuum des Xenons ergibt. Derartige Lampen werden für stationären Betrieb mit Leistungen von 50 bis 50 000 W gebaut und zeichnen sich durch eine hervorragende Farbwiedergabe, verbunden mit einer Farbtemperatur im Bereich von 6000 K, aus. Bedauerlicherweise beträgt bei kleinen Leistungen zwischen 30 und 50 W die Lichtausbeute nur 15 lm/W und läßt sich selbst durch hohe Leistungsdichten bis 800 W/cm nicht über 20 lm/W steigern (AT-PS 222 223). Erst bei Leistungen im kW-Bereich kann sie bis auf 35 lm/W steigen. Das hat seinen Grund u. a. darin, daß im Bereich stationärer Leistungen dieses Kontinuum von einer intensiven Linienstrahlung überlagert ist, die vorwiegend im Infrarotbereich emittiert wird und die erreichbare Lichtausbeute erheblich begrenzt. Aus diesem Grunde werden stationäre Xenonentladungen als effektive Lichtquelle für allgemeine Beleuchtungszwecke nicht verwendet.Furthermore, all of these technical solutions for evaporating the luminous metal additives require a considerable start-up time in the minute range. In principle, the use of gases as a radiating medium eliminates the start-up problems and the need to keep the burner temperature high. Ignition problems that occur can be kept within limits using various ignition aids (see, for example,
Höchstdrucklampen nutzen Xenon oder Quecksilberdampf bei Drücken von mehr als 1 MPa als strahlendes Medium. Die in ihnen realisierte hohe Energiekonzentration läßt die Strahlung in einem sehr kleinen Volumen entstehen, was eine gute Bündelungsfähigkeit der Strahlung zur Folge hat. Ihre Lichtausbeute ist jedoch eher kleiner als die der entsprechenden Hochdrucklampen.Ultra-high pressure lamps use xenon or mercury vapor as a radiant medium at pressures of more than 1 MPa. The high energy concentration realized in them allows the radiation to be generated in a very small volume, which results in the radiation being able to be focused well. However, their light output is rather less than that of the corresponding ones High pressure lamps.
Hochdruck-Kapillarlampen mit Halogenid-Füllung sind bereits für den Einsatz in Kraftfahrzeug-Scheinwerfern vorgeschlagen worden (DE 3 341 846). Sie haben aber gerade für diesen Einsatzzweck den großen Nachteil, bis zum Erreichen ihres vollen Lichtstromes eine Anlaufzeit von etwa einer Minute zu benötigen.High-pressure capillary lamps with halide filling have already been proposed for use in motor vehicle headlights (
Es sind auch bereits Versuche unternommen worden, durch eine zeitlich gesteuerte Energieeinspeisung bei Quecksilber-Hochdrucklampen mit einem Tastverhältnis von 1 : 4 bis 1 : 20 die Strahlungsausbeute in den grünen und gelben Quecksilberlinien (US-PS 3 624 447) zu verbessern. Bei Natrium-Hochdrucklampen sollte nach der gleichen Technik (US-PS 4 137 484, DE 2 657 824 und 2 825 532) die Breite der Resonanzlinien vergrößert sowie der blaue und grüne Spektralanteil angehoben werden, um dadurch die Farbwiedergabe zu verbessern und die Farbtemperatur anzuheben. Instabilitäten der Entladung und akustische Störungen der Umgebung lassen sich durch konstruktive Maßnahmen an solchen Lampen (DE 2 733 168 und 2 773 170) und spezielle Betriebsweisen (DE 2 335 589, 2 704 311, 2 847 840 und 3 122 183) verhindern. Allerdings sind die so erreichbaren Farbtemperaturen für einen Einsatz bei der Innenraumbeleuchtung, inbesondere im Wohnbereich, immer noch zu niedrig, weil hierfür Werte von 3000 K und mehr wünschenswert sind. Die Versuche wurden auch deshalb wieder aufgegeben, weil die unerwünschten Nebenwirkungen, wie verstärkte Selbstabsorption der Resonanzlinien des Natriums und unterproportionale Anhebung der Quecksilberlinien, den angestrebten Effekt in Frage stellen und weitere Steigerungen der Farbtemperatur nur unter Inkaufnahme großer Einbußen an Lichtausbeute möglich sind (DE 2 657 824).Attempts have also already been made to improve the radiation yield in the green and yellow mercury lines (US Pat. No. 3,624,447) by means of a time-controlled energy feed in high-pressure mercury lamps with a pulse duty factor of 1: 4 to 1:20. In the case of high-pressure sodium lamps, the width of the resonance lines should be increased and the blue and green spectral components should be increased using the same technique (US Pat. Nos. 4,137,484, DE 2 657 824 and 2 825 532), in order to improve the color rendering and to increase the color temperature . Discharge instabilities and acoustic disturbances in the environment can be prevented by constructive measures on such lamps (
Für Xenonentladungen ist bekannt, daß sie bei impulsförmiger Energiezufuhr mit hoher Momentanleistung einen höheren lichttechnischen Wirkungsgrad als im stationären Betrieb entwickkeln. Diese Tatsache wird in Gestalt von Fotoblitzlampen zu vielen Anwendungen genutzt. Auch ein Betrieb mit Impulsfolgen ist bekannt und wird in stroboskopischen Vorrichtungen (z. B. DE 1 924 162 und 2 134 544) und bei Trocknungs- und Härtungsprozessen von Lacken und Druckfarben (DE 2 120 777) eingesetzt.It is known for xenon discharges that they develop a higher lighting efficiency than with stationary operation with pulsed energy supply with high instantaneous power. This fact is used for many applications in the form of photo flash lamps. Operation with pulse sequences is also known and is used in stroboscopic devices (for
Sogar als Beleuchtungsvorrichtung zur Innen- und Außenbeleuchtung wurden edelgasgefüllte Blitzröhren hoher Intensität bereits vorgeschlagen, die mittels einer elektronischen Steuereinheit mit einer zur Überwindung der physiologischen Trägheit des menschlichen Auges hinreichenden Blitzfrequenz betrieben werden (DE 2 724 101). Diese Anwendung hat jedoch den großen Nachteil, daß für jeden Impuls ein Zündvorgang erforderlich ist und die resultierende außerordentlich hohe Zahl von Zündungen im Dauerbetrieb der Lebensdauer der Lampe in hohem Maße abträglich ist, so daß zusätzliche Maßnahmen zur Erhöhung von Lebensdauer und Zuverlässigkeit einer solchen Beleuchtungsvorrichtung in Form von Kühleinrichtungen für die Lampe oder durch Einsatz mehrerer redundanter Lampen getroffen werden mußten. Aus dem gleichen Grunde war man gezwungen, die Blitzfrequenz so niedrig wie möglich zu halten, um z. B. mit 40 ... 50 Hz ein eben gerade noch flimmerfreies Licht zu erzeugen. Sehphysiologische Belastungen können bei dieser Betriebsart nicht ausgeschlossen werden, weshalb der Einsatz einer solchen Beleuchtungsvorrichtung auch auf spezielle Anwendungen, wie Verkehrs-Hinweisschilder/Werbeschilder u. dgl., beschränkt bleiben muß, die vom menschlichen Beobachter im allgemeinen nur kurzzeitig betrachtet werden.Even as a lighting device for indoor and outdoor lighting, noble gas-filled flash tubes of high intensity have already been proposed, which are operated by means of an electronic control unit with a flash frequency sufficient to overcome the physiological inertia of the human eye (
Alle Entladungslichtquellen enthalten als energiewandelnde Medien elektrisch aufgeheizte Plasmen, deren elektrische Eigenschaften sich in Abhängigkeit von der zugeführten Energie ändern. Insbesondere steigt bei Erhöhung der Betriebsspannung der Leistungsumsatz, wodurch die Ladungsträgerdichte wächst. Damit erhöht sich die elektrische Leitfähigkeit, und die Leistungsaufnahme steigt weiter. Um den daraus folgenden Instabilitäten entgegenzuwirken, müssen Entladungslampen über Vorschaltgeräte betrieben werden, die insbesondere strombegrenzende Bauelemente enthalten. Masse und Umfang dieser strombegrenzenden Bauelemente erschweren den Einsatz solcher Lichtquellen vor allem im Wohnbereich. Um eine Strom-Spannungskennlinie mit positivem Anstieg zu realisieren, wurde bei Xenon- und anderen Edelgas-Hochdrucklampen der Einsatz von Beimengungen bestimmter Metalle oder Metallsalze erprobt (DE 2 236 973 und 2 525 408). An der Wirksamkeit der behaupteten Effekte bestehen jedoch erhebliche Zweifel; über ihre praktische Nutzung ist bisher nichts bekannt geworden. Die in der AT-PS 222 223 ausgewiesene positive Strom- und Spannungskennlinie kann nur bei sehr hohen Leistungen im Entladungsrohr realisiert werden, was zu einer schnellen Zerstörung des Hüllmaterials führt. Die US-PS 3 707 649 befaßt sich mit einer Lampe, bei der sich Anode und Katode in einem solchen Abstand befinden, daß eine Funkenstrecke zwischen ihnen entsteht. Diese elektrodenstabilisierten Entladungen haben den Nachteil hoher anteiliger Elektrodenverluste und großer gasdynamischer Verluste durch Stoßwellen. Außerdem ergeben sich aus den in der Patentschrift genannten Tastverhältnissen unvorteilhaft hohe Farbtemperaturen von 9000 K und entsprechend niedrige Lichtausbeuten infolge des Emissionsmaximums am Rande des UV-Bereichs. Zu den daraus resultierenden niedrigen Lichtausbeuten werden keine Aussagen gemacht.All discharge light sources contain as energy converting Media electrically heated plasmas, the electrical properties of which change depending on the energy supplied. In particular, when the operating voltage increases, the power conversion increases, as a result of which the charge carrier density increases. This increases the electrical conductivity and the power consumption continues to increase. In order to counteract the resulting instabilities, discharge lamps must be operated via ballasts, which in particular contain current-limiting components. The mass and scope of these current-limiting components make it difficult to use such light sources, particularly in the living area. In order to achieve a current-voltage characteristic with a positive increase, the use of additives of certain metals or metal salts was tested in xenon and other noble gas high-pressure lamps (
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochdruck-Entladungslampe zu entwicklen, die bei sehr guten Farbwiedergabeeigenschaften auch bei niedrigen Leistungsumsätzen eine hohe Lichtausbeute besitzt und unmittelbar nach dem Einschalten den vollen Lichtstrom abgibt.The invention has for its object a high-pressure discharge lamp to develop, which has very good color rendering properties even at low power conversions, has a high luminous efficacy and emits the full luminous flux immediately after switching on.
Sie soll vorzugsweise bei kompakter Bauform eine gute Bündelungsfähigkeit der Strahlung durch optische Baulemente gewährleisten. Darüberhinaus soll die Stromversorgung der Lampe vorzugsweise so einfach wie möglich gestaltet werden. Eine solche Lichtquelle sollte sowohl für allgemeine Beleuchtungszwecke geeignet als auch in Kraftfahrzeug-Scheinwerfern verwendbar sein und eignet sich damit als Glühlampenalternative bei erheblicher Einsparung an Elektroenergie bzw. bei erheblichem Lichtstromgewinn und als Alternative zu Halogenmetalldampflampen mit dem Vorteil der sofortigen Lichtstromabgabe nach dem Einschalten. Sie ist außerdem für Beleuchtungsaufgaben im wissenschaftlichen und medizinischen Gerätebau einsetzbar und führt dort als Alternative zu Glühlampen und elektrodenstablisierten Xenon-Höchstdrucklampen zu einer erheblichen Verminderung der Wärmebelastungen des Objektes bzw. des Patienten und im Gerät selbst.In a compact design, it should preferably ensure a good ability of the radiation to be focused by optical components. In addition, the power supply to the lamp should preferably be made as simple as possible. Such a light source should be suitable for general lighting purposes as well as usable in motor vehicle headlights and is therefore suitable as an alternative to incandescent lamps with considerable savings in electrical energy or with a significant increase in luminous flux and as an alternative to metal halide lamps with the advantage of immediate luminous flux output after switching on. It can also be used for lighting tasks in scientific and medical device construction and, as an alternative to incandescent lamps and electrode-stabilized xenon high-pressure lamps, leads to a significant reduction in the thermal loads on the object or patient and in the device itself.
Die technische Aufgabe, eine solche Lichtquelle zu entwickeln, besteht weiterhin darin, ein Medium zu finden, das bei Anregung in einer elektrischen Entladung imstande ist, bereits unmittelbar nach dem Einschalten der Lichtquelle aus einem kleinen Volumen ein intensives Kontinuum im sichtbaren Spektralbereich auszusenden, für dieses Medium einen Plasmazustand aufzufinden, bei dem sowohl diese Kontinuumstrahlung mit hoher Ausbeute und guter Bündelungsfähigkeit erzeugt wird als auch die Entladung eine positive Strom-Spannungskennlinie aufweist, und schließlich die technischen Mittel zur Realisierung eines solchen plasmazustandes anzugeben.The technical task of developing such a light source is still to find a medium which, when excited in an electrical discharge, is able to emit an intensive continuum in the visible spectral range from a small volume as soon as the light source is switched on Medium to find a plasma state in which both this continuum radiation is generated with high yield and good bundling ability and the discharge has a positive current-voltage characteristic, and finally that specify technical means for realizing such a plasma state.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die wandstabilisierte Hochdruck-Entladungslampe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.According to the invention, this object is achieved by the wall-stabilized high-pressure discharge lamp with the characterizing features of
Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.Advantageous further developments can be found in the dependent claims.
Dabei wird erfindungsgemäß das Entladungsplasma durch leistungsstarke elektrische Impulse mit hoher Folgefrequenz und kleinem Tastverhältnis so weit aufgeheizt, daß das über dem sichtbaren Spektralbereich verteilte Rekombinationskontinuum mit hoher Intensität abgestrahlt wird, und daß diese die Intensität der Linienstrahlung in den lichttechnisch unwirksamen Spektralbereichen deutlich übertrifft.According to the invention, the discharge plasma is heated up to such an extent by powerful electrical impulses with a high repetition frequency and small duty cycle that the recombination continuum distributed over the visible spectral range is emitted with high intensity, and that this clearly exceeds the intensity of the line radiation in the spectrally ineffective spectral ranges.
Dazu wird der Entladung während der Impulse eine Momentaleistung zugeführt, welche die im Intersse der Lebensdauer des Entladungsrohres im Dauerbetrieb zulässige mittlere Leisung N um den Faktor 5 oder mehr übersteigt. Dabei wird vorteilhafterweise die Entladung zwischen den Impulsen mit Hilfe eines Haltestromes von maximal 50 % des durchschnittlichen Stromes betrieben, so daß sie nicht verlischt und nicht zu Beginn jedes Impulses neu gezündet werden muß. Die Impulsfolgefrequenz wird gleich oder größer als 100 Hz gewählt, so daß sie hinreichend weit oberhalb der Flimmerverschmelungsfrequenz des menschlichen Auges liegt und diesbezügliche sehphysiologische Probleme vermieden werden.For this purpose, a momentary power is supplied to the discharge during the pulses, which exceeds the mean power N permissible in continuous operation of the discharge tube in continuous operation by a factor of 5 or more. The discharge between the pulses is advantageously operated with the aid of a holding current of at most 50% of the average current, so that it does not go out and does not have to be restarted at the beginning of each pulse. The pulse repetition frequency is chosen to be equal to or greater than 100 Hz, so that it is sufficiently far above the flicker fusion frequency of the human eye and visual physiological problems in this regard are avoided.
Die Impulslänge läßt sich dann aus der Bedingung errechnen, daß die zeitlichen Mittel durch Impuls und Haltestrom eingespeiste Leistung gleich der im Dauerbetrieb zulässigen mittleren Leistung N ist. Allerdings sollten sowohl die Momentanleistung während der Impulse als auch die Impulsfolgefrequenz in der Weise nach oben begrenzt werde, daß die so berechneten.The pulse length can then be calculated from the condition that the time average power fed in by pulse and holding current is equal to the average permissible in continuous operation Power N is. However, both the instantaneous power during the pulses and the pulse repetition frequency should be limited in such a way that the calculated in this way.
Impulslängen einen Wert von 10 »s nicht unterschreiten, weil sonst infolge der thermischen Trägheit der Entladung der beabsichtigte Effekt nur unvollkommen erreicht wird.Pulse lengths should not be less than 10 »s, because otherwise the intended effect is only incompletely achieved due to the thermal inertia of the discharge.
Die durch diese Art des Betriebes der Lampen technisch realisierte Erhöhung der Plasmatemperatur Tp über die Temperatur Ts der stationär mit Gleichstrom oder quasistationär mit sinusförmigem Wechselstrom betriebenen Entladungen hinaus, ohne dabei die Wandtemperatur Tw des Entladungsgefäßes gegenüber dem stationären Betrieb zu erhöhen, bewirkt eine unerwartet starke Erhöhung der Kontinuumsstrahlung im sichtbaren Bereich, so daß sich ein hoher visueller Nutzeffekt ergibt. Dieser hohe visuelle Nutzeffekt wird noch dadurch verstärkt, daß die zeitlich kurzen, aber intensiven Leistungsimpulse die in jeder Gasentladung auftretenden thermischen Verluste deutlich verringern. Eine weitere Verbesserung des Nutzeffekts läßt sich erreichen, wenn das Verhältnis vom Innendurchmesser des Entladungsgefäßes zum Elektrodenabstand den Wert von 0,3 nicht übersteigt, da dann der Leitwert der Entladungsstrecke nicht durch eine radiale Expansion des Entladungskanals in der stromstarken Phase vergrößert wird.The technically realized increase in the plasma temperature T p above the temperature T s by this type of lamp operation the discharges operated stationary with direct current or quasi-stationary with sinusoidal alternating current, without increasing the wall temperature T w of the discharge vessel compared to stationary operation, brings about an unexpectedly strong increase in the continuum radiation in the visible range, so that there is a high visual efficiency. This high visual benefit is further enhanced by the fact that the short, but intense power pulses significantly reduce the thermal losses that occur in each gas discharge. A further improvement in the efficiency can be achieved if the ratio of the inside diameter of the discharge vessel to the electrode spacing does not exceed the value of 0.3, since then the conductance of the discharge path is not increased by a radial expansion of the discharge channel in the high-current phase.
Ein weiterer Vorzug dieser Betriebsart besteht darin, daß bei Impulsleistungen, die um den Faktor 5 und mehr oberhalb der stationär zulässigen Leistung liegen, die Elektronendichte mit einer weiteren Steigerung der Leistung nicht mehr nennenswert wächst. Deshalb steigt dabei auch die elektrische Leitfähigkeit nur noch unwesentlich an, und die Entladung gewinnt eine positive Charakteristik. Auf diese Weise werden die bei Hochdruck-Entladungslampen üblichen platzraubenden, schweren und verlustbehafteten Bauelemente zur Strombegrenzung entbehrlich, und die Stromversorgungsgeräte für solche Lampen werden besonders einfach im Aufbau.Another advantage of this operating mode is that with pulse powers that are a factor of 5 and more above the steadily permissible power, the electron density no longer increases significantly with a further increase in power. Therefore, the electrical conductivity increases only slightly, and the discharge gains a positive characteristic. In this way, the space-consuming, heavy and lossy components for current limitation that are customary in high-pressure discharge lamps are dispensable, and the power supply devices for such lamps are particularly simple in construction.
Die Farbtemperatur der erfindungsgemäßen Lampe läßt sich erniedrigen und den Wünschen für die Innenraumbeleuchtung anpassen, indem man das Entladungsrohr mit einem Außenkolben umgibt, dessen Innenwand mit einem Leuchtstoff beschichtet ist, welcher im Wellenlängenbereich zwischen 550 und 650 nm emittiert und durch langwellige Ultraviolettstrahlung angeregt werden kann. Dieser Leuchtstoff transformiert die kurzwelligen Anteile des Rekombinationskontinuums unterhalb einer Wellenlänge von 450 nm in den gelbroten Spektralbereich mit dem Ergebnis einer wirksamen Absenkung der Farbtemperatur auf einen Wert von 4000 K oder darunter, welche darüber hinaus sogar noch mit einer Erhöhung der Lichtausbeute verbunden ist. Gleichzeitig wird durch die lichtstreuende Wirkung der Leuchtstoffschicht die Leuchtdichte der Lampe stark herabgesetzt und damit die Gefahr einer durch sie verursachten Blendung vermieden.The color temperature of the lamp according to the invention can be reduced and adapted to the requirements for interior lighting by surrounding the discharge tube with an outer bulb, the inner wall of which is coated with a phosphor which emits in the wavelength range between 550 and 650 nm and is excited by long-wave ultraviolet radiation can be. This phosphor transforms the short-wave portions of the recombination continuum below a wavelength of 450 nm into the yellow-red spectral range with the result of an effective reduction in the color temperature to a value of 4000 K or below, which is also associated with an increase in the luminous efficacy. At the same time, the luminous density of the lamp is greatly reduced by the light-scattering effect of the phosphor layer, and thus the risk of glare caused by it is avoided.
Die Erfindung soll nachstehend in zwei Ausführungsbeispielen beschrieben werden, die für eine elektrische Leistung von 35 W ausgelegt sind und in den Fig. 1, 2, 3 und 4 näher erläutert werden.The invention will be described below in two exemplary embodiments which are designed for an electrical power of 35 W and are explained in more detail in FIGS. 1, 2, 3 and 4.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem die Entladungslampe durch ein zylindrisches Entladungsrohr 1 aus Kieselglas mit einem Innendurchmesser von 1,5 mm und mit zwei einander im Abstand von 10 mm gegenüberstehenden Elektroden 2 und vakuumdicht eingeschmolzenen Stromzuführungen 3 gebildet wird. Es wird mit Xenon bei einem Kaltdruck von 300 kPa gefüllt. Eine außen am Entladungsrohr angebrachte Zündsonde 4 dient der Erleichterung der Zündung der Lampe.Fig. 1 shows an embodiment in which the discharge lamp is formed by a
Die Lampe wird durch ein Stromversorgungsgerät 5 in der Weise betrieben, daß ihr nach Zündung durch einen Hochspannungsimpuls 200 Stromimpulse pro Sekunde mit einer Impulsdauer von t = 100 »s und einer Maximalstromstärke im Impuls von 50 A zugeführt werden. Diese Impulse werden einem Haltestrom in Form eines Gleichstromes von 0,1 A bei gleicher Polarität überlagert. Fig. 2 zeigt den Verlauf des Lampenstromes als Funktion der Zeit.The lamp is operated by a
Die so mit leistungsstarken Impulsen betriebene Xenonhochdruck-Entladungslampe emittiert bei einer mittleren Leistungsaufnahme von 35 W einen Lichtstrom von 1400 lm. Ihre Farbtemperatur beträgt 6500 K, und ihr allgemeiner Farbwiedergabeindex hat den Wert 95. Ihre mittlere Leuchtdichte ist 12 000 cd/cm′ und bildet eine gute Voraussetzung für die Bündelung der Strahlung durch optische Bauelemente. Die von der Entladung ausgebildete Strom-Spannungscharakteristik ist in Fig. 3 dargestellt; sie hat im Bereich der Impulsstromstärke den gewünschten positiven Anstieg.The high-pressure xenon discharge lamp, which is operated with powerful pulses, emits a luminous flux of 1400 lm at an average power consumption of 35 W. Its color temperature is 6500 K and its general color rendering index is 95. Its average luminance is 12 000 cd / cm 'and is a good prerequisite for focusing the radiation through optical components. The current-voltage characteristic formed by the discharge is shown in FIG. 3; it has the desired positive increase in the area of the pulse current.
Ein weiters Ausführungsbeispiel ist in Fig. 4 abgebildet. Es enthält ein Entladungsrohr nach Fig. 1, welches von einem evakuierten Außenkolben 6 umgeben ist, wobei ein Gestellaufbau 7 die mechanische Halterung des Entladungsrohres und die elektrische Verbindung der Stromzuführungen mit dem Sockel 8 übernimmt. Der Außenkolben ist auf seiner Innenwand mit einer Leuchtstoffschicht 9 aus Ca-Halophosphat:Mn überzogen. Entladungsrohr mit Zündsonde, Gestellaufbau, Außenkolben und Sockel bilden zusammen die Entladungslampe. Sie wird in derselben Weise betrieben wie die Lampe nach Ausführungsbeispiel 1 und emittiert bei einer mittleren Leistungsaufnahme von 35 W einen Lichtstrom von 1450 lm bei einer Farbtemperatur von 4000 K und einem Farbwiedergabeindex von 90.Another embodiment is shown in FIG. 4. It contains a discharge tube according to FIG. 1, which is surrounded by an evacuated
Claims (7)
- Wall-stabilised high-pressure discharge lamp, consisting of a light-transmitting discharge vessel with two fused-in electrodes and filled with a discharge medium, characterised in that a combination from use of xenon and/or krypton as the discharge medium is used with power supply of the lamp with pulses having a power density of 100 to 10,000 W/cm³, a maximum peak current intensity in the pulse of 50 A and a pulse frequency of 100 to 1000 Hz, wherein the ratio of the pulse width to the interval between the individual pulses is between 0.01 and 0.15, the ratio of the instantaneous power in the pulse to the mean time value of power is greater than 5:1, and the discharge between the pulses is maintained by a holding current to the amount of not more than 50% of the mean time value of the current at nominal power.
- Wall-stabilised high-pressure discharge lamp according to claim 1, characterised in that the discharge medium of xenon and/or krypton has a cold pressure of 10 to 500 kPa.
- Wall-stabilised high-pressure discharge lamp according to claim 1, characterised in that the pulse width is not less than 10 »s and not more than 1 ms and the ratio of pulse width to pulse interval is preferably between 0.02 and 0.1.
- Wall-stabilised high-pressure discharge lamp according to claim 1, 2 or 3, characterised in that the peak current intensity in the pulse is selected such that the ratio of the instantaneous power in the pulse to the mean time value of power yields a positive build-up of the current/voltage characteristic.
- Wall-stabilised high-pressure discharge lamp according to any of the preceding claims, characterised in that the discharge between the pulses is maintained by a holding current which is smaller than the mean time value of the current at nominal power.
- Wall-stabilised high-pressure discharge lamp according to claims 1 to 5, characterised in that the ratio of the inside diameter of the discharge tube to the electrode spacing does not exceed a value of 0.3.
- Wall-stabilised high-pressure discharge lamp according to claims 1 to 6, characterised in that the lamp is surrounded by an evacuated or gas-filled outer envelope of which the inner wall is coated with a luminous substance which emits in the wave region from 550 to 650 nm.
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