EP0990262B1 - Entladungslampe mit dielektrisch behinderten elektroden - Google Patents

Entladungslampe mit dielektrisch behinderten elektroden Download PDF

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EP0990262B1
EP0990262B1 EP99911602A EP99911602A EP0990262B1 EP 0990262 B1 EP0990262 B1 EP 0990262B1 EP 99911602 A EP99911602 A EP 99911602A EP 99911602 A EP99911602 A EP 99911602A EP 0990262 B1 EP0990262 B1 EP 0990262B1
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EP
European Patent Office
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electrodes
discharge
lamp according
discharge vessel
wall
Prior art date
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EP99911602A
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English (en)
French (fr)
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EP0990262A1 (de
Inventor
Frank Vollkommer
Lothar Hitzschke
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Hitzschke Lothar Dr
Vollkommer Frank Dr
Osram GmbH
Original Assignee
Hitzschke Lothar Dr
Vollkommer Frank Dr
Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
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Publication date
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    • 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
    • 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
    • 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
    • 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 under other than dielectric layer, which during the operation of the lamp separates the electrodes from the discharge. This type of discharge is called hence double-sided dielectric discharge.
  • the spectrum of the electromagnetic emitted by this lamp Radiation can affect both the visible area and the UV (ultraviolet) / VUV (vacuum ultraviolet) range and the IR (infrared) range include.
  • a phosphor layer can also be used for conversion be made invisible in visible radiation.
  • tubular Discharge vessel sealed on both sides.
  • the cross section of the discharge vessel is preferably circular. However, they are only approximate circular cross-sections, for example regular polygons, e.g. Secksecke etc.
  • tubular is not just tubular here Discharge vessels limited but also includes curved, for example angled, tubular discharge tubes. Because the discharge direction runs essentially perpendicular to the lamp longitudinal axis there is also no general limit on the length of the lamp.
  • OA O ffice A utomation
  • the signal light for example as brake and turn signal light in automobiles
  • auxiliary lighting including interior lighting of motor vehicles
  • Backlighting of displays for example liquid crystal displays, used as so-called "edge type backlights”.
  • a noble gas discharge lamp is already known from the document US Pat. No. 5,117,160 OA devices known.
  • On the outer surface of the wall of a tubular discharge vessel are two strip-shaped electrodes along the longitudinal axis of the lamp arranged.
  • the lamp is preferred with AC voltage Frequency operated between 20 kHz and 100 kHz. Operational the 147 nm xenon line is excited. The one with the operating mode used achievable radiation efficiency and consequently the resulting Luminance is relatively low.
  • EP-A-0 766 286 there is a rare gas discharge lamp with a tubular one Discharge vessel disclosed.
  • the discharge vessel is on the outer wall with three or more strip-like electrodes parallel to the longitudinal axis Mistake. With the exception of one intended for light emission strip-like areas parallel to the longitudinal axis cover the strip-like areas Electrodes cover almost the entire remaining surface area of the discharge tube.
  • the strip-like electrodes are relatively narrow from each other Separate areas that are filled with insulating material. Thereby are supposed to cause sliding discharges on the outer wall between the individual strip-like Electrodes are prevented.
  • the term "pair of electrodes” is first introduced. Below that are two lines to each other understand parallel electrodes with different polarities during operation, between which a “discharge level” burns during operation.
  • the discharge plane is a planar discharge structure that consists of a large number of individual discharges.
  • the discharge lamp has three or more line-like 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: s a ⁇ 0.1, where s defines the maximum distance that the imaginary connecting line of an electrode pair has to the next adjacent wall of the discharge vessel and where a defines the mutual distance of the electrodes of this electrode pair (measured in the center from the electrodes).
  • FIG. 6 shows the maximum distance s that the imaginary connecting line 20 of a pair of electrodes 3, 4 or 3, 5 has to the next-adjacent wall of the discharge vessel 2, using the example of a discharge lamp 1 with three electrodes 3 - 3. 5 shows schematically.
  • At least two discharge levels are generated, which are: between corresponding pairs of electrodes and along the longitudinal axis extend the discharge vessel.
  • this level are a variety of Single discharges lined up alongside each other along the electrodes, which are in the Borderline transition into a kind of curtain-like discharge form.
  • the discharge planes can also have a common electrode, for example in the case of three electrodes in which the two electrodes same polarity, only a common counter electrode with an opposite one Have polarity. In other words, two are shared in this case Electrode pairs a common electrode. This is preferred for unipolar ones Voltage pulses are the cathode and the other two electrodes switched as anodes. To increase the luminance of the lamp can increase further discharge levels within the discharge vessel be generated.
  • 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 through 120 ° in order to apply the second and third electrodes.
  • the quotient s / a always has the value 1 / (2 3 ) ⁇ 0.29, regardless of the lamp diameter, and consequently fulfills the relationship mentioned above.
  • the arrangement in the form of an isosceles triangle has the advantage that larger striking distances (and therefore higher electrical power coupling, see below) can be achieved for the two discharge levels, provided that the angle formed by the two discharge levels is chosen to be less than 120 °.
  • two independent discharge levels can be created or realize three discharge levels with a common electrode, depending on whether the four electrodes as unipolar excitation two cathodes and two anodes or as one cathode and three anodes (or an anode and three cathodes) are connected.
  • the electrode arrangement according to the invention enables relatively high filling pressures of the active discharge gas, typically approximately 20 kPa (150 torr) and more, without any 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 as an electrically conductive, line-like Stripes formed - but which also have a substructure can - and parallel to the longitudinal axis of the tubular discharge vessel oriented.
  • the width of a strip is typically approx. 1 mm and less. In this way, shadowing by three or more electrodes kept small even with small diameter lamps. To the others have shown that this results in higher efficiency in the production of useful radiation is achieved.
  • the inner wall can have a phosphor layer.
  • one or more reflection layers for visible light for example made of Al 2 O 3 and / or TiO 2 , 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 the luminance is increased there.
  • the phosphor layer itself can also be additionally 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 use the lamp with transparent electrical insulation, e.g. with a see-through Plastic shrink tubing, protective varnish or similar to encase.
  • FIG. 1 shows a cross section of an aperture fluorescent lamp 1 for OA applications in a highly schematic representation.
  • the lamp 1 consists essentially 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 points with the exception of a rectangular one Aperture 6 has a reflection layer 7.
  • On this reflective layer 7 as well the inner wall in the area of the aperture 6 is a phosphor layer 8 applied.
  • the discharge vessel 2 is dome-shaped at both ends sealed gastight (not shown). Inside the discharge vessel 2 Xenon is at a fill pressure of approximately 21.33 kPa (160 torr).
  • the three electrodes 3-5 are designed as metal foil strips.
  • the first The electrode is provided as a cathode 3 and the other two as anodes 4, 5 (unipolar operation).
  • the electrodes 3-5 are viewed in cross section at the corner points of an imaginary isosceles triangle on the outer wall of the discharge vessel 2 arranged. Consequently, in the pulsed operation according to US Pat. No. 5,604,410 two levels with dielectric disabled single discharges from (not shown).
  • a first level of discharge extends within the discharge vessel 2 between the Cathode strip 3 and the first anode strip 4.
  • the other level of discharge 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.
  • the outer diameter of the tubular discharge vessel 2 made of glass is approximately 9 mm with a wall thickness of approximately 0.5 mm.
  • the width and length of the aperture 6 are approximately 6.5 mm and 255 mm, respectively.
  • the lamp in Figure 2 - similar features are given the same reference numerals as designated in Figure 1 - has four outer wall electrodes 9-12 on. Of these, two are electrodes as cathodes 9, 10 and the rest two electrodes are provided as anodes 11, 12.
  • the two pairs of electrodes 9, 12 and 10, 11 are arranged on the outer wall such that the both discharge levels burning during operation between a pair of electrodes (not shown) are oriented parallel to each other. adversely is the slightly shorter stroke distance compared to FIG. Indeed this electrically symmetrical arrangement is well suited for a bipolar Business.
  • the aperture 6 is arranged centrally between a pair of electrodes such that the surface normal over large areas of the aperture 6 quasi is oriented perpendicular to the two discharge planes.
  • the lamp from FIG. 2 is intended for automotive lighting and depending on the phosphor used, for example as a brake light or Flashing light.
  • the lamp in Figure 3 differs from that in Figure 1 by another Electrode 13, which is arranged between the two anodes and also is provided as an anode.
  • a total of three discharge levels are thus formed, in each case 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 phosphor layer 6 on. There is no reflection layer or aperture here.
  • FIG. 4 shows a lighting system for OA devices.
  • the aperture fluorescent lamp 1 from FIG. 1 additionally points at its second end a base 14.
  • the base 14 consists essentially of a Socket pot 15 and two connecting pins 16a, 16b.
  • the base pot 15 serves primarily the inclusion of the lamp 1.
  • the outer wall cathode 3 and the anodes 4 and 5 from Discharge vessel 2 covered and therefore not visible
  • the connector pins 16a, 16b are in turn connected to the two via electrical lines 17a, 17b Poles 18a and 18b of a pulse voltage source 19 connected.
  • 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 with a power consumption of 10 W.
  • 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. From the figure it can be seen qualitatively that the lamp according to the invention with three electrodes achieves a significantly higher luminance than the conventional lamp with electrical powers of more than 10 W. In addition, curve 20 rises even with an electrical power of 20 W, whereas curve 21 already flattens slightly, ie shows a saturation behavior.

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Description

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 rohrförmige 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 zunehmender Leistungseinkopplung abnimmt.
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 rohrförmigen 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.
In der EP-A-0 766 286 ist eine Edelgas-Entladungslampe mit einem rohrförmigen Entladungsgefäß offenbart. Auf der Außenwand ist das Entladungsgefäß mit drei oder mehr streifenartiger, zur Längsachse paralleler Elektroden versehen. Mit Ausnahme eines für die Lichtabstrahlung vorgesehenen streifenförmigen, zur Längsachse parallelen Bereichs bedecken die streifenartigen Elektroden nahezu die gesamte restliche Mantelfläche des Entladungsrohrs. Die streifenartigen Elektroden sind voneinander durch relativ schmale Bereiche getrennt, die mit einem Isoliermaterial ausgefüllt sind. Dadurch sollen Gleitentladungen auf der Außenwand zwischen den einzelnen streifenartigen Elektroden verhindert werden.
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 linienartige zueinander 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 linienartige Elektroden auf, die auf der Außenwandung des rohrförmigen Entladungsgefäßes der Lampe und parallel zur Längsachse des rohrförmigen Entladungsgefäßes angeordnet sind derart, daß die folgende Beziehung erfüllt ist: sa ≥ 0,1, 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 diesem 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 Elektroden gleicher Polarität nur eine gemeinsame Gegenelektrode mit entgegengesetzter 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 gleichschenkligen 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 1/(2· 3 )≈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 Beziehung erfüllt.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Lehre wird eine höhere Nutzstrahlungseffizienz erzielt. Dies ist unter anderem auf die höhere elektrische Leistungseinkopplung 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 Wandverluste 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 Spannungspulsen zur Wirkleistungseinkopplung gemäß der US-PS 5,604,410 geeignet. Bei einer ungeraden Anzahl von Elektroden ist ein Betrieb mit unipolaren Spannungspulsen bevorzugt.
Ferner hat es sich gezeigt, daß die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung relativ hohe Fülldrücke des aktiven Entladungsgases ermöglicht, typisch ungefähr 20 kPa (150 Torr) 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, linienartiger Streifen ausgebildet - der allerdings auch noch eine Unterstruktur aufweisen kann - und parallel zur Längsachse des rohrförmigen 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 Al2O3 und/oder TiO2, 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 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.ä. 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 Elektrodenpaares 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 insbesondere 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 rohrförmigen Entladungsgefäß 2 mit kreisförmigem Querschnitt sowie einer ersten, einer zweiten und einer dritten streifenförmigen Elektrode 3-5. Die Innenwandung 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 kuppelförmig gasdicht verschlossen (nicht dargestellt). Innerhalb des Entladungsgefäßes 2 befindet sich Xenon mit einem Fülldruck von ungefähr 21,33 kPa (160 Torr).
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 Außenwandung 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 Kathodenstreifen 3 und dem ersten Anodenstreifen 4. Die andere Entladungsebene 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 bestehenden rohrförmigen 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 Blaukomponente BaMgAl10O17:Eu, der Grünkomponente LaPO4:Ce,Tb und der Rotkomponente (Y,Gd)BO3: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 ebenfalls 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 Innenwandung des Entladungsgefäßes 2 weist eine Leuchtstoffschicht 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 zusätzlich 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 Anschlußstiften 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 (LaPO4: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 Beleuchtungssystem 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, 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.

Claims (15)

  1. Entladungslampe (1) mit einem zumindest teilweise transparenten und mit einer Gasfüllung gefüllten geschlossenen rohrförmigen Entladungsgefäß (2) und mit einer Anzahl, parallel zur Längsachse des rohrförmigen Entladungsgefäßes (2) und auf der Außenwandung dieses Entladungsgefäßes (2) angeordneten Elektroden (3-5, 9-12, 13), dadurch gekennzeichnet, daß
    die Elektroden (3-5, 9-12) linienartig sind
    die Anzahl der Elektroden (3-5, 9-12) drei oder mehr beträgt und folgende Beziehung erfüllt ist:
    s / a ≥ 0,1
    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 s / a ≥ 0,2 ist, besonders bevorzugt > 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.
  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 Ansprüche, 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) nach einem der Ansprüche 1-13 und einer elektrischen Impulsspannungsquelle (19), die geeignet ist, im Betrieb durch 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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