EP0990262A1 - Entladungslampe mit dielektrisch behinderten elektroden - Google Patents

Entladungslampe mit dielektrisch behinderten elektroden

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EP0990262A1
EP0990262A1 EP99911602A EP99911602A EP0990262A1 EP 0990262 A1 EP0990262 A1 EP 0990262A1 EP 99911602 A EP99911602 A EP 99911602A EP 99911602 A EP99911602 A EP 99911602A EP 0990262 A1 EP0990262 A1 EP 0990262A1
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EP
European Patent Office
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electrodes
discharge
lamp according
discharge vessel
fluorescent lamp
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EP99911602A
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English (en)
French (fr)
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EP0990262B1 (de
Inventor
Frank Vollkommer
Lothar Hitzschke
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HITZSCHKE, LOTHAR, DR.
VOLLKOMMER, FRANK, DR.
Osram GmbH
Original Assignee
Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
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Publication of EP0990262B1 publication Critical patent/EP0990262B1/de
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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J65/00—Lamps without any electrode inside the vessel; Lamps with at least one main electrode outside the vessel
    • H01J65/04—Lamps in which a gas filling is excited to luminesce by an external electromagnetic field or by external corpuscular radiation, e.g. for indicating plasma display panels
    • H01J65/042—Lamps in which a gas filling is excited to luminesce by an external electromagnetic field or by external corpuscular radiation, e.g. for indicating plasma display panels by an external electromagnetic field
    • H01J65/046—Lamps in which a gas filling is excited to luminesce by an external electromagnetic field or by external corpuscular radiation, e.g. for indicating plasma display panels by an external electromagnetic field the field being produced by using capacitive means around the vessel
    • H—ELECTRICITY
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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
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    • H01J65/04—Lamps in which a gas filling is excited to luminesce by an external electromagnetic field or by external corpuscular radiation, e.g. for indicating plasma display panels
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J65/00—Lamps without any electrode inside the vessel; Lamps with at least one main electrode outside the vessel

Definitions

  • the invention is based on a discharge lamp according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a lighting system according to the preamble of claim 14 with this discharge lamp.
  • the outer wall serves inter alia as a dielectric layer which separates the electrodes from the discharge during operation of the lamp.
  • This type of discharge is therefore also called bilaterally dielectric discharge.
  • the spectrum of the electromagnetic radiation emitted by this lamp can include both the visible range and the UV (ultraviolet) / VUV (vacuum ultraviolet) range and the IR (infrared) range. Furthermore, a phosphor layer can also be provided for converting invisible radiation into visible radiation.
  • tubular discharge vessel which is closed on both sides.
  • the cross section of the discharge vessel is preferably circular. However, only approximately circular cross-sections are suitable, for example regular polygons, for example corner corners etc.
  • tubular is not intended here to refer to straight tubular Shaped discharge vessels limited but also includes curved, for example angled, tubular discharge vessels. Since the discharge direction is essentially perpendicular to the longitudinal axis of the lamp, there is no fundamental limit to the length of the lamp.
  • OA Office Automation
  • Color copiers and scanners for signal lighting, e.g. as brake and direction indicator lights in automobiles
  • auxiliary lighting e.g. the interior lighting of automobiles
  • displays e.g. Liquid crystal displays, used as so-called "edge type backlights”.
  • these lamps do not contain mercury. Rather, these lamps are usually filled with noble gas, preferably xenon, or noble gas mixtures.
  • a noble gas discharge lamp for OA devices is already known from US 5,117,160.
  • Two strip-shaped electrodes are arranged along the longitudinal axis of the lamp on the outer surface of the wall of a tubular discharge vessel.
  • the lamp is operated with AC voltage at a preferred frequency between 20 kHz and 100 kHz.
  • the 147 nm xenon line is excited during operation.
  • the radiation efficiency that can be achieved with the mode of operation used and consequently the resulting luminance is relatively low.
  • the parallel electrodes are to be understood with different polarities during operation, between which a "discharge plane" burns during operation.
  • the discharge plane is a flat discharge structure which consists of a large number of individual discharges.
  • the discharge lamp has three or more elongate electrodes which are arranged on the outer wall of the tubular discharge vessel of the lamp and parallel to the longitudinal axis of the tubular discharge vessel in such a way that the following relationship is fulfilled:
  • FIG. 6 shows the maximum distance s that the imaginary connecting line 20 of a pair of electrodes 3, 4 or 3, 5 has from the next adjacent wall of the discharge vessel 2, using the example of a discharge lamp 1 with three electrodes 3-5 shows schematically.
  • At least two discharge planes are thus generated, which extend between corresponding pairs of electrodes and along the longitudinal axis of the discharge vessel.
  • a large number of individual discharges are lined up alongside one another along the electrodes, which in the borderline case change into a kind of curtain-like discharge shape.
  • the discharge planes can also have a common electrode, for example in the case of three electrodes in which the two electrodes - 5 -
  • these are preferably arranged, viewed in cross section, at least approximately at the corner points of an imaginary isosceles or equilateral triangle.
  • the latter case has the advantage that the lamp can be manufactured relatively easily since the lamp only has to be rotated by 120 ° in each case in order to apply the second and third electrodes.
  • either two independent discharge levels or three discharge levels with a common electrode can be implemented, depending on whether the four electrodes are unipolar excitation as two cathodes and two anodes or as one cathode and three anodes (or an anode and three cathodes) are connected. In principle, more than three discharge levels can also be generated in this way. However, it essentially depends on the diameter of the discharge tube whether an electrode arrangement can still be found for three or more discharge planes which fulfills the above-mentioned relationship.
  • the electrode arrangement according to the invention enables relatively high filling pressures of the active discharge gas, typically 150 torr (approximately 20 kPa) and more, without the formation of discharge instabilities, for example discharge arcs, which are detrimental to efficient useful radiation generation.
  • a noble gas, in particular xenon, or a noble gas mixture, for example xenon and krypton, is suitable as the active gas filling within the discharge vessel.
  • a buffer gas can be added to the active discharge gas, which is not directly involved in the generation of radiation, for example neon.
  • Excimers for example Xe 2 * excimers, are produced in the discharge as particles which emit electromagnetic radiation.
  • Each outer wall electrode is designed as an electrically conductive, elongated, preferably “line-like” strip - which, however, can also have a substructure - and is oriented parallel to the longitudinal axis of the tubular discharge vessel.
  • the width of a strip is typically approximately 1 mm or less in this way, shading by three or more electrodes is kept low even with lamps with a small diameter, and it has been shown that this results in a higher efficiency in the generation of useful radiation.
  • At least part of the inner wall can have a phosphor layer.
  • one or more reflection layers for visible light for example made of Al2O3 and / or ⁇ O2, can be applied below the phosphor layer. This may prevent some of the light emitted by the phosphor layer from being transmitted through the vessel wall. Rather, the light is essentially directed onto the aperture by reflection or multiple reflection and consequently there - 8th -
  • the luminance increases.
  • the phosphor layer itself can also additionally be used as a reflection layer by applying the phosphor layer with a sufficient thickness. In both cases, only a strip-shaped aperture remains uncoated or is only coated with a relatively thin phosphor layer. As a result, the aperture has an increased luminance during operation.
  • the lamp may be advantageous to provide transparent electrical insulation, e.g. with a clear plastic shrink tube, protective varnish or similar to encase.
  • FIG. 1 shows a cross section through a fluorescent lamp according to the invention with an aperture and with three outer wall electrodes
  • FIG. 2 shows a cross section through a fluorescent lamp according to the invention with an aperture and with four outer wall electrodes
  • FIG. 4 shows an illumination system with the aperture fluorescent lamp from FIG. 1 and pulse voltage source
  • FIG. 6 is a schematic diagram to explain the maximum distance s that the imaginary connecting line of an electrode - 9 -
  • FIG. 1 shows a cross section of an aperture fluorescent lamp 1 for OA applications in a highly schematic representation.
  • the lamp 1 essentially consists of a tubular discharge vessel 2 with a circular cross section and a first, a second and a third strip-shaped electrode 3-5.
  • the inner wall of the discharge vessel 2 has a reflection layer 7.
  • a phosphor layer 8 is applied to this reflection layer 7 and to the inner wall in the area of the aperture 6.
  • the discharge vessel 2 is sealed in a gas-tight manner at its two ends (not shown).
  • Xenon with a filling pressure of 160 torr (approximately 21.33 kPa) is located within the discharge vessel 2.
  • the three electrodes 3-5 are designed as metal foil strips.
  • the first electrode is provided as cathode 3 and the other two as anodes 4, 5 (unipolar operation).
  • the electrodes 3-5 are arranged on the corner points of an imaginary isosceles triangle on the outer wall of the discharge vessel 2. Consequently, in the pulsed operation according to US Pat. No. 5,604,410, two levels with dielectrically impeded individual discharges form (not shown).
  • a first discharge level extends within the discharge vessel 2 between the cathode strip 3 and the first anode strip 4.
  • the other discharge level extends accordingly between the cathode strip 3 and the second anode strip 5.
  • the respective width of the anode strips 4, 5 is 0.9 mm.
  • the width of the cathode strip 3 is 0.8 mm.
  • Existing tubular discharge vessel 2 is approximately 9 mm with a wall thickness of approximately 0.5 mm.
  • the width and the length of the aperture 6 are approximately 6.5 mm and 255 mm, respectively.
  • the phosphor layer 7 is a three-band phosphor. It consists of a mixture of the blue component BaMgAhoO ⁇ Eu, the green component LaP0 4 : Ce, Tb and the red component (Y, Gd) B ⁇ 3: Eu.
  • the lamp in FIG. 2 - features of the same type are designated by the same reference numerals as in FIG. 1 - has four outer wall electrodes 9-12.
  • Two electrodes are provided as cathodes 9, 10 and the remaining two electrodes as anodes 11, 12.
  • the two pairs of electrodes 9, 12 and 10, 11 are arranged on the outer wall in such a way that the two discharge planes (not shown), which are burning during operation between each pair of electrodes, are oriented parallel to one another.
  • a disadvantage is the slightly shorter stroke distance compared to FIG. 1. However, this electrically symmetrical arrangement is well suited for bipolar operation.
  • the aperture 6 is arranged centrally between a pair of electrodes in such a way that the surface normal is oriented over large areas of the aperture 6 quasi perpendicular to the two discharge planes.
  • the lamp from FIG. 2 is intended for automotive lighting, depending on the phosphor used, for example as a brake light or a flashing light.
  • the lamp in FIG. 3 differs from that in FIG. 1 by a further electrode 13 which is arranged between the two anodes and is also provided as an anode.
  • a total of three discharge levels are thus formed, each between the first cathode 3 and one of the three anodes 4, 13 and 5.
  • the inner wall of the discharge vessel 2 has a fluorescent - 11 -
  • FIG. 4 shows a lighting system for OA devices.
  • the aperture fluorescent lamp 1 from FIG. 1 additionally has a base 14 at its second end.
  • the base 14 consists essentially of a base pot 15 and two connecting pins 16a, 16b.
  • the base pot 15 serves primarily to hold the lamp 1.
  • the outer wall cathode 3 and the anodes 4 and 5 (covered by the discharge vessel 2 and therefore not visible) are connected to the two connection pins 16a and 16b (not shown).
  • the connection pins 16a, 16b are in turn connected to the two poles 18a and 18b of a pulse voltage source 19 via electrical lines 17a, 17b.
  • the pulse voltage source 19 supplies a sequence of unipolar voltage pulses with pulse heights of approximately 3 kV and with a repetition frequency of 80 kHz.
  • the pulse duration is approx.1.1 ⁇ s each.
  • a luminance of approx. 45000 cd / m 2 is achieved.
  • FIG. 5 shows the luminance L [cd / m 2 ] measured by the aperture in arbitrary units as a function of the time-averaged electrical power P in W.
  • Curve 20 relates to an illumination system according to FIG. 4 with the operating parameters specified there and three outer wall electrodes.
  • Curve 21 relates to a comparable lamp with only two electrodes. The figure shows qualitatively that - 12 -

Abstract

Eine Entladunsglampe (1) mit einem mit Edelgas gefüllten, rohrförmigen Entladungsgefäß (2) und optional einer Leuchtstoffschicht weist mindestens drei längliche, parallel zur Längsachse des rohrförmigen Entladungsgefäßes (2) angeordnete Elektroden (3, 4, 5) auf. Die Elektroden sind derart angeordnet, daß die Beziehung s/a ≥0,1 erfüllt ist, wobei s den maximalen Abstand definiert, den die gedachte Verbindungslinie eines Elektrodenpaares zur nächstbenachbarten Wand des Entladungsgefäßes aufweist und wobei a den gegenseitigen Abstand der Elektroden dieses Elektrodenpaares definiert. Auf diese Weise wird eine höhere Leuchtdichte erzielt. Die Lampe ist insbesondere für eine gepulste, dielektrisch behinderte Entlandung vorgesehen.

Description

Entladungslampe mit dielektrisch behinderten Elektroden
Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einer Entladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Außerdem betrifft die Erfindung ein Beleuchtungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 14 mit dieser Entladungslampe.
Es handelt sich dabei um eine Entladungslampe, insbesondere auch um eine Leuchtstofflampe, bei der sämtliche Elektroden auf der Außenwandung des Entladungsgefäßes angeordnet sind. Die Außenwandung dient dabei unter anderem als dielektrische Schicht, welche während des Betriebs der Lampe die Elektroden von der Entladung trennt. Man nennt diese Art von Entladung deshalb auch zweiseitig dielektrisch behinderte Entladung.
Das Spektrum der von dieser Lampe emittierten elektromagnetischen Strahlung kann dabei sowohl den sichtbaren Bereich als auch den UV(Ultraviolett)/VUV(Vakuumultraviolett)-Bereich sowie den IR(Infrarot)- Bereich umfassen. Ferner kann auch eine Leuchtstoffschicht zur Konvertierung unsichtbarer in sichtbare Strahlung vorgesehen sein.
Des weiteren handelt es sich um eine Entladungslampe mit rohrförmigem, beidseitig verschlossenem Entladungsgefäß. Der Querschnitt des Entladungsgefäßes ist bevorzugt kreisförmig. Geeignet sind aber auch nur näherungsweise kreisförmige Querschnitte, beispielsweise regelmäßige Vielecke, z.B. Secksecke etc.. Der Begriff „rohrförmig" ist hier nicht auf gerade röhr- förmige Entladungsgefäße beschränkt sondern umfaßt ebenso gebogene, beispielsweise abgewinkelte, rohrförmige Entladungsgefäße. Da die Entladungsrichtung im wesentlichen senkrecht zu Lampenlängsachse verläuft, ist auch der Länge der Lampe keine prinzipielle Grenze gesetzt.
Derartige Lampen werden insbesondere in Geräten für die Büroautomation (OA = Office Automation), z.B. Farbkopierer und -Scanner, für die Signalbeleuchtung, z.B. als Brems- und Richtungsanzeigelicht in Automobilen, für die Hilfsbeleuchtung, z.B. der Innenbeleuchtung von Automobilen, sowie für die Hintergrundbeleuchtung von Anzeigen, z.B. Flüssigkristallanzeigen, als sogenannte „Edge Type Backlights" eingesetzt.
In diesen technischen Anwendungsfeldern sind sowohl besonders kurze Anlaufphasen, aber auch möglichst temperaturunabhängige Lichtströme erforderlich. Deshalb enthalten diese Lampen kein Quecksilber. Vielmehr sind diese Lampen üblicherweise mit Edelgas, vorzugsweise Xenon, bzw. Edelgasmischungen gefüllt.
Für die genannten Anwendungen ist sowohl eine hohe Leuchtdichte als auch eine über die Länge der Lampe gleichmäßige Leuchtdichte notwendig. Zur Erhöhung der Leuchtdichte werden die Lampen für den OA-Einsatz üblicherweise mit einer Apertur entlang der Längsachse versehen. Um die Leuchtdichte weiter zu steigern, genügt es nicht, die in bisherige Systeme eingekoppelte Leistung zu erhöhen, da die Belastung einer Lampe für einen dauerhaften und zuverlässigen Betrieb nicht beliebig gesteigert werden kann. Erschwerend kommt hinzu, daß bei den bisher in Kopiergeräten und Scannern eingesetzten Systemen die Effizienz der Entladung mit zunehmen- der Leistungseinkopplung abnimmt. - 3 -
Stand der Technik
Aus der Schrift US 5,117,160 ist bereits eine Edelgas-Entladungslampe für OA-Geräte bekannt. Auf der Außenfläche der Wand eines rohrformigen Entladungsgefäßes sind zwei streifenförmige Elektroden entlang der Lampenlängsachse angeordnet. Die Lampe wird mit Wechselspannung bei einer bevorzugten Frequenz zwischen 20 kHz und 100 kHz betrieben. Im Betrieb wird die 147 nm Xenon-Linie angeregt. Die mit der verwendeten Betriebsweise erzielbare Nutzstrahlungseffizienz und folglich die resultierende Leuchtdichte ist relativ gering.
Aus der US-PS 5,604,410 ist außerdem bekannt, daß sich die Effizienz von dielektrisch behinderten Entladungen mit Hilfe eines auf die speziellen Verhältnisse (Schlagweite, Elektrodenkonfiguration, Elektrodengeometrie, Füllgas und Fülldruck) angepaßten Pulsbetriebes (gepulste, dielektrisch behinderte Entladung) gegenüber den mit Wechselspannung angeregten dielektrisch behinderten Entladungen (siehe US-PS 5,117,160) deutlich steigern läßt.
Darstellung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die genannten Nachteile zu beseitigen und eine Entladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere auch eine Leuchtstofflampe, mit verbesserter Leuchtdichte bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Zum besseren Verständnis des folgenden wird zunächst der Begriff des „Elektrodenpaares" eingeführt. Darunter sind hier zwei längliche zueinan- - 4 -
der parallele Elektroden mit im Betrieb unterschiedlichen Polaritäten zu verstehen, zwischen denen im Betrieb eine „Entladungsebene" brennt. Im Falle der bevorzugten impulsartigen Wirkleistungseinkopplung gemäß US-PS 5,604,410 ist die Entladungsebene eine ebene Entladungsstruktur, die aus einer Vielzahl von Einzelentladungen besteht.
Erfindungsgemäß weist die Entladungslampe drei oder mehr längliche Elektroden auf, die auf der Außenwandung des rohrformigen Entladungsgefäßes der Lampe und parallel zur Längsachse des rohrformigen Entladungsgefäßes angeordnet sind derart, daß die folgende Beziehung erfüllt ist:
- ≥ 0,1 , a
wobei s den maximalen Abstand definiert, den die gedachte Verbindungslinie eines Elektrodenpaares zur nächstbenachbarten Wand des Entladungsgefäßes aufweist und wobei a den gegenseitige Abstand der Elektroden dieses Elektrodenpaares definiert (mittig von den Elektroden aus gemessen). In die- sem Zusammenhang wird auch auf die Figur 6 verwiesen, welche den maximalen Abstand s, den die gedachte Verbindungslinie 20 eines Elektrodenpaares 3, 4 bzw. 3, 5 zur nächstbenachbarten Wand des Entladungsgefäßes 2 aufweist, am Beispiel einer Entladungslampe 1 mit drei Elektroden 3-5 schematisiert zeigt.
Im Betrieb werden also mindestens zwei Entladungsebenen erzeugt, die sich zwischen korrespondierenden Elektrodenpaaren und entlang der Längsachse des Entladungsgefäßes erstrecken. In dieser Ebene sind eine Vielzahl von Einzelentladungen nebeneinander entlang der Elektroden aufgereiht, die im Grenzfall in eine Art vorhangähnliche Entladungsform übergehen.
Dabei können die Entladungsebenen auch eine gemeinsame Elektrode haben, beispielsweise im Falle von drei Elektroden, in dem die beiden Elektro- - 5 -
den gleicher Polarität nur eine gemeinsame Gegenelektrode mit entgegenge-
* setzter Polarität haben. Mit anderen Worten teilen sich in diesem Fall zwei Elektrodenpaare eine gemeinsame Elektrode. Bevorzugt ist dies bei unipolaren Spannungspulsen die Kathode und die beiden anderen Elektroden sind als Anoden geschaltet. Um die Leuchtdichte der Lampe darüber hinaus zu erhöhen, können weitere Entladungsebenen innerhalb des Entladungsgefäßes erzeugt werden.
Im Falle von drei Elektroden sind diese bevorzugt - im Querschnitt betrachtet - zumindest näherungsweise an den Eckpunkten eines gedachten gleich- schenkligen oder gleichseitigen Dreiecks angeordnet. Der letztere Fall hat den Vorteil, daß sich die Lampe relativ einfach herstellen läßt, da zum Aufbringen der zweiten sowie dritten Elektrode die Lampe jeweils nur um 120° gedreht werden muß. Außerdem läßt sich anhand einfacher geometrischer Überlegungen zeigen, daß in diesem Fall der Quotient s/a immer den Wert l/(2 - V3~] « 0,29 annimmt, unabhängig vom Lampendurchmesser, und folglich die weiter oben genannte Beziehung erfüllt. Die Anordnung in Form eines gleichschenkligen Dreiecks hat hingegen den Vorteil, daß sich damit größere Schlagweiten (und damit höhere elektrische Leistungseinkoppelungen, siehe weiter unten) für die beiden Entladungsebenen realisieren lassen, sofern der von den beiden Entladungsebenen gebildete Winkel kleiner als 120° gewählt wird.
Mit vier Elektroden lassen sich entweder zwei unabhängige Entladungsebenen oder aber drei Entladungsebenen mit einer gemeinsamen Elektrode realisieren, je nach dem, ob bei unipolarer Anregung die vier Elektroden als zwei Kathoden und zwei Anoden oder aber als eine Kathode und drei Anoden (bzw. eine Anode und drei Kathoden) geschaltet sind. Im Prinzip lassen sich auf diese Weise auch mehr als drei Entladungsebenen erzeugen. Allerdings hängt es im wesentlichen vom Durchmesser des Entladungsrohres ab, ob sich für drei und mehr Entladungsebenen überhaupt noch eine Elektrodenanordnung finden läßt, welche die oben genannte Be- Ziehung erfüllt.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Lehre wird eine höhere Nutzstrahlungseffizienz erzielt. Dies ist unter anderem auf die höhere elektrische Leistungs- einkopplung mittels mehrerer Entladungsebenen bei gleichzeitig optimierter Schlagweite der Entladungen und geringen Wandverlusten zurückzuführen.
Es hat sich nämlich gezeigt, daß sich durch mehr als zwei Elektroden zwar zunächst eine höhere elektrische Leistung in die Lampe einkoppeln läßt. Allerdings nimmt die Effizienz der Nutzstrahlungserzeugung mit zunehmender Anzahl der Elektroden unter Umständen wieder ab. Dafür werden nach dem heutigen Stand der Erkenntnisse unter anderem zunehmende Wand- Verluste verantwortlich gemacht, wenn nämlich die von einem Elektrodenpaar erzeugten Entladungen zu nahe an der Innenwandung des Entladungsgefäßes verlaufen oder sich gar eine Oberflächengleitentladung ausbildet. Außerdem ist es vorteilhaft, eine möglichst große Schlagweite anzustreben, weil dadurch die Zünd- bzw. Brennspannung steigt und folglich eine höhere elektrische Leistung eingekoppelt werden kann. Aus diesem Grunde ist die Anzahl der Elektroden sowie deren Polarität und Positionierung abhängig vom Durchmesser des Entladungsgefäßes so zu wählen, daß die oben genannte Beziehung erfüllt ist. Bei einer geraden Anzahl von Elektroden ist prinzipiell ein Betrieb sowohl mit unipolaren als auch mit bipolaren Span- nungspulsen zur Wirkleistungseinkopplung gemäß der US-PS 5,604,410 geeignet. Bei einer ungeraden Anzahl von Elektroden ist ein Betrieb mit unipolaren Spannungspulsen bevorzugt. - 7 -
Ferner hat es sich gezeigt, daß die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung relativ hohe Fülldrücke des aktiven Entladungsgases ermöglicht, typisch 150 Torr (ungefähr 20 kPa) und mehr, ohne daß sich einer effizienten Nutzstrahlungserzeugung abträgliche Entladungsinstabilitäten, beispielsweise Entladungsbögen ausbilden. Der höhere Fülldruck des aktiven Entladungsgases - darunter ist die Gaskomponente zu verstehen, welche die Strahlung erzeugt - trägt ebenfalls zu einer höheren Nutzstrahlungseffizienz bei. Als aktive Gasfüllung innerhalb des Entladungsgefäßes ist ein Edelgas, insbesondere Xenon, oder ein Edelgasgemisch, z.B. Xenon und Krypton, geeignet. Zusätzlich kann dem aktiven Entladungsgas noch ein Puffergas zugefügt sein, welches an der Strahlungserzeugung nicht direkt beteiligt ist, z.B. Neon. In der Entladung werden Excimere, beispielsweise Xe2*-Excimere, als elektromagnetische Strahlung emittierende Teilchen erzeugt.
Jede Außenwandungselektrode ist als elektrisch leitfähiger, länglicher, be- vorzugt „linienartiger" Streifen ausgebildet - der allerdings auch noch eine Unterstruktur aufweisen kann - und parallel zur Längsachse des rohrformigen Entladungsgefäßes orientiert. Die Breite eines Streifens beträgt typisch ca. 1 mm und weniger. Auf diese Weise wird zum einen die Abschattung durch drei und mehr Elektroden auch bei Lampen mit kleinem Durchmesser gering gehalten. Zum anderen hat es sich gezeigt, daß dadurch eine höhere Effizienz der Nutzstrahlungserzeugung erzielt wird.
Außerdem kann zumindest ein Teil der Innenwandung eine Leuchtstoffschicht aufweisen. Zusätzlich kann unterhalb der Leuchtstoffschicht eine oder mehrere Reflexionsschichten für sichtbares Licht, z.B. aus AI2O3 und/ oder ΗO2, aufgebracht sein. Dadurch wird gegebenenfalls verhindert, daß ein Teil des von der Leuchtstoffschicht emittierten Lichts durch die Gefäßwand transmittiert wird. Vielmehr wird das Licht durch Reflexion bzw. Mehrfachreflexion im wesentlichen auf die Apertur gelenkt und folglich dort - 8 -
die Leuchtdichte erhöht. Alternativ kann die Leuchtstoffschicht auch selbst zusätzlich als Reflexionsschicht mitbenutzt werden, indem die Leuchtstoffschicht ausreichend dick aufgebracht wird. In beiden Fällen bleibt lediglich eine streifenförmige Apertur unbeschichtet bzw. ist nur mit einer relativ dünnen Leuchtstoffschicht beschichtet. Dadurch weist die Apertur im Betrieb eine erhöhte Leuchtdichte auf.
Aus Gründen des Berührungsschutzes kann es vorteilhaft sein, die Lampe mit einer transparenten elektrischen Isolierung, z.B. mit einem durchsichtigen Kunststoff -Schrumpfschlauch, Schutzlack o.a. zu ummanteln.
Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Leuchtstofflampe mit Apertur und mit drei Außenwandungselektroden,
Fig. 2 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Leuchtstofflampe mit Apertur und mit vier Außenwandungselektroden,
Fig. 3 ähnlich Figur 2, aber mit geänderter Anordnung der Elektroden und Polaritätsverteilung,
Fig. 4 ein Beleuchtungssystem mit der Apertur-Leuchtstofflampe aus Figur 1 und Impulsspannungsquelle,
Fig. 5 qualitativen Vergleich zweier Meßkurven der Lampe aus Figur 1 mit einer Lampe mit nur zwei Außenwandungselektroden.
Fig. 6 eine schematische Prinzipskizze zur Erläuterung des maximalen Abstands s, den die gedachte Verbindungslinie eines Elektroden- - 9 -
paares zur nächstbenachbarten Wand des Entladungsgefäßes aufweist.
Die Figur 1 zeigt einen Querschnitt einer Apertur-Leuchtstofflampe 1 für OA- Anwendungen in stark schematischer Darstellung. Dabei sind insbeson- dere die Dicken der Wand, der Reflexionsschicht und des Leuchtstoffes sowie die Breite der Elektrodenstreifen aus darstellerischen Gründen deutlich vergrößert dargestellt. Die Lampe 1 besteht im wesentlichen aus einem rohrformigen Entladungsgefäß 2 mit kreisförmigem Querschnitt sowie einer ersten, einer zweiten und einer dritten streif einförmigen Elektrode 3-5. Die In- nen wandung des Entladungsgefäßes 2 weist mit Ausnahme einer rechteckigen Apertur 6 eine Reflexionsschicht 7 auf. Auf diese Reflexionsschicht 7 sowie die Innenwandung im Bereich der Apertur 6 ist eine Leuchtstoffschicht 8 aufgebracht. Das Entladungsgefäß 2 ist an seinen beiden Ende kuppeiförmig gasdicht verschlossen (nicht dargestellt). Innerhalb des Entladungsgefäßes 2 befindet sich Xenon mit einem Fülldruck von 160 Torr (ungefähr 21,33 kPa).
Die drei Elektroden 3-5 sind als Metallfolienstreifen ausgebildet. Die erste Elektrode ist als Kathode 3 und die beiden anderen als Anoden 4, 5 vorgesehen (unipolarer Betrieb). Die Elektroden 3-5 sind im Querschnitt betrachtet an den Eckpunkten eines gedachten gleichschenkeligen Dreiecks auf der Au- ßenwandung des Entladungsgefäßes 2 angeordnet. Folglich bilden sich im gepulsten Betrieb gemäß der US-PS 5,604,410 zwei Ebenen mit dielektrisch behinderten Einzelentladungen aus (nicht dargestellt). Eine erste Entladungsebene erstreckt sich innerhalb des Entladungsgefäßes 2 zwischen dem Kathodenstreif en 3 und dem ersten Anodenstreifen 4. Die andere Entla- dungsebene erstreckt sich entsprechend zwischen dem Kathodenstreifen 3 und dem zweiten Anodenstreifen 5.
Die jeweilige Breite der Anodenstreifen 4, 5 beträgt 0,9 mm. Die Breite des Kathodenstreifens 3 beträgt 0,8 mm. Der Außendurchmesser des aus Glas - 10 -
bestehenden rohrformigen Entladungsgefäßes 2 beträgt ca. 9 mm bei einer Wandstärke von ca. 0,5 mm. Die Breite und die Länge der Apertur 6 betragen ca. 6,5 mm bzw. 255 mm. Bei der Leuchtstoffschicht 7 handelt es sich um einen Dreibandenleuchtstoff. Er besteht aus einer Mischung der Blaukompo- nente BaMgAhoO^Eu, der Grünkomponente LaP04:Ce,Tb und der Rotkomponente (Y,Gd)Bθ3:Eu. Die resultierenden Farbkoordinaten betragen x = 0,395 und y = 0,383, d.h. es wird weißes Licht erzeugt.
Die Lampe in Figur 2 - gleichartige Merkmale sind mit den gleichen Bezugsziffern wie in Figur 1 bezeichnet - weist vier Außenwandungselektroden 9- 12 auf. Davon sind zwei Elektroden als Kathoden 9, 10 und die restlichen zwei Elektroden als Anoden 11, 12 vorgesehen. Die beiden Elektrodenpaare 9, 12 bzw. 10, 11 sind derart auf der Außenwandung angeordnet, daß die beiden im Betrieb zwischen je einem Elektrodenpaar brennenden Entladungsebenen (nicht dargestellt) parallel zueinander orientiert sind. Nachteilig ist zwar die gegenüber Figur 1 etwas geringere Schlagweite. Allerdings eignet sich diese elektrisch symmetrische Anordnung gut für einen bipolaren Betrieb. Die Apertur 6 ist mittig zwischen einem Elektrodenpaar angeordnet derart, daß die Flächennormale über weite Bereiche der Apertur 6 quasi senkrecht zu den beiden Entladungsebenen orientiert ist.
Die Lampe aus Figur 2 ist für die Automobilbeleuchtung vorgesehen und zwar je nach verwendetem Leuchtstoff beispielsweise als Bremslicht oder Blinklicht.
Die Lampe in Figur 3 unterscheidet sich von jener in Figur 1 durch eine weitere Elektrode 13, die zwischen den beiden Anoden angeordnet ist und eben- falls als Anode vorgesehen ist. Im vorzugsweise unipolaren gepulsten Betrieb bilden sich somit insgesamt drei Entladungsebenen aus und zwar jeweils zwischen der ersten Kathode 3 und je einer der drei Anoden 4, 13 und 5. Die Innen wandung des Entladungsgefäßes 2 weist eine Leuchtstoff- - 11 -
schicht 6 auf. Auf eine Reflexionsschicht sowie eine Apertur ist hier verzichtet.
Die Figur 4 zeigt ein Beleuchtungssystem für OA- Vorrichtungen. Die Apertur-Leuchtleuchtstofflampe 1 aus Figur 1 weist an ihrem zweiten Ende zu- sätzlich einen Sockel 14 auf. Der Sockel 14 besteht im wesentlichen aus einem Sockeltopf 15 sowie zwei Anschlußstiften 16a,16b. Der Sockeltopf 15 dient primär der Aufnahme der Lampe 1. Außerdem sind im Innern des Sockeltopfes 15 die Außenwandungskathode 3 sowie die Anoden 4 und 5 (vom Entladungsgefäß 2 verdeckt und deshalb nicht zu sehen) mit den beiden An- schlußstiften 16a bzw. 16b verbunden (nicht dargestellt). Die Anschlußstifte 16a,16b sind ihrerseits über elektrische Leitungen 17a,17b mit den beiden Polen 18a bzw. 18b einer Impulsspannungsquelle 19 verbunden.
Die Impulsspannungsquelle 19 liefert eine Folge von unipolaren Spannungspulsen mit Pulshöhen von ca. 3 kV und mit einer Wiederholfrequenz von 80 kHz. Die Pulsdauer beträgt jeweils ca. 1,1 μs. Bei einer Lampenlänge von 300 mm lassen sich bis zu ca. 20 W elektrische Leistung effizient einkoppeln. Bei Verwendung eines reinen Grünleuchtstoffes (LaP0 :Ce,Tb) wird bei einer Leistungsaufnahme von 10 W eine Leuchtdichte von ca. 45000 cd/m2 erzielt.
Da es sich hier um eine beidseitig dielektrisch behinderte Entladung handelt, ist nicht nur der Betrieb mit unipolaren Spannungspulsen sondern ebenso mit bipolaren Spannungspulsen möglich.
In der Figur 5 ist die durch die Apertur gemessene Leuchtdichte L [cd/m2] in beliebigen Einheiten als Funktion der zeitlich gemittelten elektrischen Leistung P in W dargestellt. Die Kurve 20 bezieht sich auf ein Beleuchtungssy- stem gemäß Figur 4 mit den dort spezifizierten Betriebsparametern und drei Außenwandungselektroden. Die Kurve 21 bezieht sich auf eine vergleichbare Lampe mit nur zwei Elektroden. Aus der Figur ist qualitativ zu entnehmen, - 12 -
daß die erfindungsgemäße Lampe mit drei Elektroden bei elektrischen Leistungen von mehr als 10 W eine deutlich höhere Leuchtdichte erzielt als die konventionelle Lampe. Außerdem steigt die Kurve 20 auch bei einer elektrischen Leistung von 20 W noch an, wohingegen die Kurve 21 bereits leicht abflacht, d.h. ein Sättigungsverhalten zeigt.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die angegebenen Ausführungsbeispiele. Insbesondere sind auch Kombinationen von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsbeispiele eingeschlossen.

Claims

- 13 -Patentansprüche
1. Entladungslampe (1) mit einem zumindest teilweise transparenten und mit einer Gasfüllung gefüllten geschlossenen rohrformigen Entladungsgefäß (2) und mit einer Anzahl länglicher, parallel zur Längsachse des rohrformigen Entladungsgefäßes (2) und auf der Außenwan- düng dieses Entladungsgefäßes (2) angeordneten Elektroden (3-5, 9-12,
13), dadurch gekennzeichnet, daß
• die Anzahl der Elektroden (3-5, 9-12) drei oder mehr beträgt und folgende Beziehung erfüllt ist:
. - ≥ O.l a wobei s den maximalen Abstand definiert, den die gedachte Verbindungslinie (20) eines Elektrodenpaares (3, 4; 3, 5) zur nächstbenachbarten Wand des Entladungsgefäßes (2) aufweist und wobei a den gegenseitigen Abstand der Elektroden dieses Elektrodenpaares definiert.
2. Entladungslampe nach Anspruch 1, wobei — > 0,2 , besonders bevor- a zugt größer 0,25.
3. Entladungslampe nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anzahl der Elektroden der einen Polarität (3) verschieden von der Anzahl der Elektroden der anderen Polarität (4, 5, 13) ist.
4. Entladungslampe nach Anspruch 3, wobei die Anzahl der Elektroden genau drei beträgt.
5. Entladungslampe nach Anspruch 4, wobei im Querschnitt betrachtet die Elektroden (3-5) zumindest näherungsweise an den Eckpunkten eines gedachten gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind. - 14 -
6. Entladungslampe nach Anspruch 4, wobei im Querschnitt betrachtet die Elektroden zumindest näherungsweise an den Eckpunkten eines gedachten gleichschenkeligen Dreiecks angeordnet sind.
7. Leuchtstofflampe nach einem oder mehreren der vorstehenden An- Sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasfüllung aus einem Edelgas oder Edelgasgemisch besteht.
8. Leuchtstofflampe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Fülldruck mehr als 13 kPa beträgt.
9. Leuchtstofflampe nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasfüllung Xenon enthält.
10. Entladungslampe nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei die Breite der Elektroden 1 mm oder weniger beträgt.
11. Entladungslampe nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei das Entladungsgefäß (2) auf seiner Wandung zumindest teilweise eine Schicht eines Leuchtstoffes oder Leuchtstoffgemisches (8) und optional zusätzlich eine Reflexionsschicht (7) aufweist.
12. Leuchtstofflampe nach Anspruch 11, wobei die Wandung des Entladungsgefäßes (2) eine Apertur (6) aufweist, die zumindest von der Reflexionsschicht (7) ausgenommen ist.
13. Leuchtstofflampe nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei das rohrförmige Entladungsgefäß (2) einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Innendurchmesser von weniger als 20 mm, insbesondere weniger als 15 mm, aufweist.
14. Beleuchtungssystem mit einer Leuchtstofflampe (1) und einer elektri- sehen Impulsspannungsquelle (19), die geeignet ist, im Betrieb durch - 15 -
Pausen voneinander getrennte Wirkleistungspulse zu liefern, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtstofflampe (1) Merkmale eines oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 13 aufweist, wobei die Impulsspannungsquelle (19) mit den beiden äußeren Stromzuführungen (17a, 17b) der Leuchtstofflampe (1) elektrisch leitend verbunden ist.
15. Beleuchtungssystem nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch folgende Betriebsparameter:
• Wiederholfrequenz der Wirkleistungspulse größer oder gleich 20 kHz • Pulsdauer der Wirkleistungspulse kleiner 2 μs.
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