EP2168142A1 - High-pressure discharge lamp - Google Patents

High-pressure discharge lamp

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Publication number
EP2168142A1
EP2168142A1 EP07787567A EP07787567A EP2168142A1 EP 2168142 A1 EP2168142 A1 EP 2168142A1 EP 07787567 A EP07787567 A EP 07787567A EP 07787567 A EP07787567 A EP 07787567A EP 2168142 A1 EP2168142 A1 EP 2168142A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
discharge lamp
pressure discharge
lamp according
group
radiation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07787567A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Marko KÄNING
Bernhard Schalk
Steffen Franke
Ralf-Peter Methling
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Osram GmbH
Original Assignee
Osram GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Osram GmbH filed Critical Osram GmbH
Publication of EP2168142A1 publication Critical patent/EP2168142A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/02Details
    • H01J61/12Selection of substances for gas fillings; Specified operating pressure or temperature
    • H01J61/125Selection of substances for gas fillings; Specified operating pressure or temperature having an halogenide as principal component
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/82Lamps with high-pressure unconstricted discharge having a cold pressure > 400 Torr
    • H01J61/827Metal halide arc lamps

Definitions

  • the present invention relates to a high pressure discharge lamp.
  • High-pressure discharge lamps in particular so-called HID lamps, have been known for a long time. They are used for various purposes, especially for applications in which a relatively good color rendering and a very good light output are required. These two sizes are usually in an interplay, d. H. an improvement of one size worsens the other and vice versa. In general lighting applications, color reproduction is usually more important, but, for example, in street lighting, it is the other way round.
  • High-pressure discharge lamps are also characterized by a high compared to the size of the lamp or the size of the light-emitting region of the lamp high power.
  • the object of the present invention is to provide a molecular radiation dominated high-pressure discharge lamp, which is characterized by good color rendering over a wide power range.
  • An additional object is to achieve the highest possible efficiency of such a lamp.
  • the aim of the present invention is to provide a high-pressure discharge lamp which is improved with regard to a good overall combination of luminous efficacy and color rendering properties, which is distinguished, in particular, by high consistency of color rendering and by slight chromaticity deviation over a wide performance range.
  • At least two groups of rare earths can be obtained as a component of the filling, the first group having the property that, when the power P of the lamp is increased within a predetermined power interval, the color difference DC (P) decreases as the power increases the second group has the property that when the power P of the lamp is increased in this predetermined power interval, the color distance DC (P) increases as the power increases, so that a suitable combination of representatives of both groups contributes a flat progression of the color separation DC (P) Increased performance close to zero.
  • the change in power can be seen, on the one hand, from the point of view of dimming and, on the other hand, in terms of the variation of power in a larger ensemble of lamps and their range of characteristics.
  • the invention is directed to a high-pressure discharge lamp with a discharge vessel, which contains electrodes, at least one noble gas as starting gas, at least one element selected from the group consisting of Al, In, Mg, Tl, Hg, Zn for sheet transfer and discharge vessel wall heating and at least one rare earth halide for the generation of radiation, which is designed so that the generated light is dominated by molecular radiation.
  • the invention relates in particular to a lighting system from the high-pressure discharge lamp together with a matching electronic ballast for their operation.
  • the basic idea of the invention is to utilize the radiation generated by molecules in the discharge medium in a strongly dominant manner in the light generation of the high-pressure discharge lamp.
  • the rare earth halide is intended for the generation of radiation, whereby naturally also other components of the discharge plasma can be involved in the radiation generation.
  • thermalization is to be understood locally.
  • the lamp has a noble gas or noble gas mixture as a starting or buffer gas, wherein the noble gases Xe, Ar, Kr, and including very particularly Xe, are preferred.
  • Typical Kalt Schollpartial horre the starting gas are in the range of 10 mbar to 15 bar and preferably between 50 mbar and 10 bar, more preferably between 500 mbar and 5 bar and most preferably between 500 mbar and 2 bar.
  • a Bogenüberddling- and vessel wall heating component which has at least one element selected from the group consisting of Al, In, Mg, Tl, Hg, Zn. These elements can be present as halides, in particular iodides or bromides, and also be introduced in this form, for example as AlI 3 or TlI.
  • the start and buffer gas provides the cold start capability and ignition of the discharge.
  • the corresponding chemical components in the resulting plasma take over.
  • the wall temperature increases, with which also the at least one rare earth halide passes into the vapor phase.
  • This rare earth halide is preferably formed with one of Tm, Dy, Ce, Ho, Gd, preferably Tm, Dy, and most preferably Tm. These are, as above, preferably iodides or bromides.
  • An example is TmI 3 .
  • the components that are important for the startup process, ie the start gas and the sheet transfer and vessel wall heating elements may now play only a minor role in the radiation.
  • thulium monoiodide TmI comes into consideration, which forms from the charged triiodide TmI 3 .
  • rare earth elements can be introduced in particular as triiodides, which become temperature-dependent to diiodides and finally monoiodides.
  • Particularly effective for the invention are the temporarily formed rare earth monoiodides or general monohalides.
  • the role of the rare earth halides is not limited to the generation of the desired continuous radiation. They simultaneously serve for arc contraction, that is for the reduction of the temperature in the contraction regions and corresponding change in the ohmic resistance of the plasma.
  • the components Hg and Zn may also play a positive role in connection with wall interactions, for example, or may be desirable for further increasing the lamp voltage and, therefore, be included despite the actual dispensability of a voltage generator.
  • the plasma should be optically thick over as wide a visible spectral range as possible. This means that, compared to conventional high-pressure discharge lamps, there is further thermalization of the radiation before it leaves the lamp, which produces a desired proximity to a Planck-like spectral distribution. Planck's spectral distribution corresponds to the idealized blackbody and is perceived as "natural" in human sensory perception.
  • the proximity to Planck's radiation behavior can be measured with the so-called chromaticity difference ⁇ C.
  • the lamp according to the invention should have a good, ie small, ⁇ C value.
  • ⁇ C I ⁇ 10 "2 When using ceramic discharge vessels, very advantageous values of ⁇ C I ⁇ 10 "2 can be achieved here for general illumination purposes.
  • the high-pressure discharge lamp according to the invention good luminous efficiencies can be achieved, preferably over 90 lm / W.
  • the color rendering properties should be good, preferably with a color rendering index Ra of at least 90.
  • the color rendering properties or the luminous efficacy can clearly be in the foreground, such as the luminous efficacy in street lighting.
  • the preferred area of application of the invention is the high quality general lighting, which ultimately depends on both sizes.
  • atomic fraction The domination by molecular radiation is quantified in one embodiment of the invention by a parameter AL, which is referred to herein as "atomic fraction".
  • Claim 12 specifies the determination of this atomic fraction AL. It is preferably at most 40%, better 35%, 30% or even at most 25%, even in quartz discharge vessels. For ceramic discharge vessels, it is more preferably at most 20%, better 15% and even at most 10%.
  • the particular stability with variation of the performance is achieved by suitably combining several rare earth halides as molecular strands.
  • Two groups of rare earth halides are used together.
  • Tm halide in particular TmJ3.
  • a particularly suitable member of this group is Dy-halide, especially DyJ3.
  • GdJ3 Another well-suited member of this group is GdJ3, which in particular can be used in addition to Dy halide.
  • Particularly suitable is a mixture which contains about equal molar amounts of ers ⁇ ter and second group, in particular 25 to 75 mol% of the first group.
  • Particularly preferred is a proportion of 45 to 55 mol .-% of the first group.
  • the favorable properties of a lamp according to the invention can be exploited and optimized especially in connection with an electronic ballast, which is why the invention also relates to a lighting system comprising a lamp according to the invention with a suitable electronic ballast.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a high-pressure discharge lamp according to the invention with a ceramic discharge vessel.
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of a high-pressure discharge lamp according to the invention with a quartz glass discharge vessel.
  • FIG. 3 shows a circuit diagram with an electronic ballast and a lamp according to FIGS. 1 and 2.
  • FIGS. 4 to 6 show emission spectra of the lamps from FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 7 shows a diagram of the spectral eye sensitivity curve.
  • FIG. 8 shows the emission spectrum from FIG. 4 in comparison with a Planck curve.
  • Figure 10-11 shows the chromaticity aberration and color temperature as a function of the lamp power for different fillings.
  • FIG. 12 shows the radiation spectrum of two fillings.
  • Figure 13-16 shows chromaticity aberration and color temperature as a function of lamp power for a series of rare earths.
  • FIG. 17 shows the emission spectrum of a high-pressure discharge lamp with Tm / Dy mixture.
  • Figure 18-19 shows the radiation spectrum for two lamps according to the prior art. Preferred embodiment of the invention
  • FIG. 1 and FIG. 2 show schematic sectional views of high-pressure discharge lamps according to the invention.
  • FIG. 1 shows a lamp with a discharge vessel 1 made of Al 2 O 3 ceramic.
  • the current flow through the arc discharge is made possible by tungsten electrodes 2 which are mounted in the discharge vessel on both sides and which are introduced into the discharge vessel via a feedthrough system 3.
  • the feedthrough system is made of molybdenum pins and is welded to the electrode as well as to the external power supply (not shown in the figure).
  • FIG. 2 shows a lamp with a discharge vessel 10 made of quartz glass.
  • the tungsten electrodes 2 are here welded to a molybdenum foil 13.
  • the quartz glass discharge vessel is sealed by a pinch.
  • the molybdenum foils are also welded to the respective outer power supply 4.
  • the characteristic dimensions of the discharge vessels are the length 1, the inner diameter d and the elec- trode distance a, which will be discussed later.
  • Both the ceramic and the quartz glass discharge vessel are each introduced into an outer bulb of quartz glass, not shown, as known per se.
  • the outer bulb is evacuated. From the outer bulb, the current feeds are brought to the outside via pinches that tightly close the outer bulb and serve to connect the lamp to the electronic ballast (ECG).
  • ECG electronic ballast
  • FIG. 3 shows a basic circuit diagram with the mains voltage briefly referred to as AC, the electronic ballast designated as electronic ballast and the lamp.
  • the discharge vessel contains a filling with Xe as starting gas and AII3 and TlI as sheet transfer and wall heating elements as well as TmI 3 .
  • the quantities and the characteristic dimensions of the discharge vessel vary depending on the design of the lamp.
  • Typical examples A1 to A6 are listed in Table 1.
  • the specified Xe pressure is the cold fill pressure.
  • the indicated iodide amounts are the absolute amounts added.
  • the above geometry parameters 1, d, a are listed.
  • the specification ⁇ C is given in thousandths (E-3).
  • the electronic ballast can be designed to excite acoustic resonances by impressing a high-frequency amplitude modulation in a frequency range of approximately between 20 and 60 kHz.
  • acoustic resonances can be designed to excite acoustic resonances by impressing a high-frequency amplitude modulation in a frequency range of approximately between 20 and 60 kHz.
  • Table 1 The last four columns of Table 1 are discussed in more detail below.
  • FIGS. 4, 5 and 6 each relate to the exemplary embodiments A1, A2 and A3 and each show a spectrum of the radiation of the lamps from FIG. 1 measured with a spectral resolution of 0.3 nm after 10 h of operation in an integrating sphere or Figure 2 in the visible range between 380 nm and 780 nm.
  • the vertical axis shows the spectral power density I in mW / nm.
  • a further function I h2 ( ⁇ ) is determined, again using intervals of the same width around each individual wavelength value, ie with a total of 100 measuring points.
  • the maxima of the function I h i ( ⁇ ) are in this Inter- vallen as function values I h 2 used.
  • the result is a second function, which comes a little closer to the measured curve, that is, runs between the measured curve I m ( ⁇ ) and the function I h i ( ⁇ ) with the minima.
  • the atomic component AL can then be determined as: v ( ⁇ ) I m ( ⁇ ) d ⁇ -v ( ⁇ ) I u ( ⁇ ) d ⁇
  • the light-adapted sensitivity of the human eye is taken into account as a weighting function and at the same time limits the integration to the visible spectral range.
  • the spectral eye sensitivity V ( ⁇ ) is shown in FIG. 7.
  • the interval size for the individual steps may then be limited to the range present in the measured values. For determining the value of I hl (390 nm), I H2 (390 nm) and I 11 (390 nm), the interval width of 30 nm interval corresponding, for example, not 375 nm used to 405 nm, solar countries only the interval of 380 nm to 405 nm.
  • absorptions caused by atomic lines may result in deep break-ins in the continuous molecular radiation. These occur in such close proximity Wavelength range that they do not affect the positive properties of the continuous molecular radiation, such as the good color rendering.
  • the upper limit results from the necessity of selecting the resolution so high that the atomic lines can be dissolved at all.
  • the measurement I m ( ⁇ ) before the determination of I h i ( ⁇ ), Ih2 ( ⁇ ) and I 11 ( ⁇ ) must be at a spectral resolution within the limit of 0 , 25 nm to 0.35 nm. This can be done for example by averaging over several adjacent measuring points.
  • the atomic fraction component integrates the part of the measurement curve remaining above the background curve constructed as described above. It measures a relative area ratio to the area under the measurement curve as a whole.
  • FIG. 9 shows, in six individual diagrams, various characteristic data of the exemplary embodiment of the lamp Al from FIG. 1 as a function of the lamp power in each case on the horizontal axis. From left to right, the luminous flux ⁇ , the color rendering index Ra, the luminous efficacy ⁇ and at the bottom from left to right the lamp voltage U and the lamp current I are shown, the bottom points of the right current axis and the top points of the right are assigned to the left voltage axis, the chromaticity difference ⁇ C and finally the most similar color temperature T n , ie the temperature of the color-like black radiator.
  • the color rendering index and the chromaticity difference are strongly performance-dependent and assume particularly good values at values of 180 W. The light output deteriorates only slightly. Here it is not recommended to go well beyond 180 W. It can thus be seen that high-pressure discharge lamps with unusually good color rendering properties can be produced with the invention, especially with relatively high powers in relation to the size of the discharge vessel.
  • Xe can very well be replaced in whole or in part by Ar or Kr or a mixture of noble gases.
  • AlI 3 can be replaced by InI 3 , InI or MgI 2 , again in whole or in part.
  • the rare earth halide TmI 3 can also be replaced, in particular by CeI 3 or else by other rare earth iodides or bromides or mixtures.
  • TlI thallium iodide
  • the embodiment contains a small amount of thallium iodide TlI.
  • Tl is conventionally used to increase the efficiency due to its resonance line at 535 nm.
  • Figures 4 to 6 show that this makes no significant contribution to the radiation.
  • the function of the TlI consists here only in the sheet transfer and an additional sheet stabilization. In this respect, care must be taken with this component, as Tl also has lines in the infrared and acts there similar to Na, K or Ca.
  • the conditions in the lamp should therefore be designed so that the atomic line emission in a broad spectral range of the continuum in the visible does not play a significant role, the plasma is therefore substantially optically thick in this wavelength range for this radiation or this radiation to a lesser extent is produced.
  • the molecular emission of rare earth halides, in particular monohalides, from the plasma should be maximally promoted, in particular by minimizing arc cooling by radiation in the spectral region in which the plasma is no longer sufficiently optically thick ,
  • this spectral range extends from 380 nm to about 600 nm and is thus relatively large. However, such large areas are not mandatory.
  • FIG. 18 This is a lamp with a ceramic discharge vessel of the type HCI-TS WDL 150W (manufacturer OSRAM), which spectrally illuminates in an integrating sphere after ten hours of burning time. was measured. This results in a value AL of 35% atomic content.
  • FIG. 10 shows the already described constructed curve for the underground.
  • Another high-pressure discharge lamp with ceramic discharge vessel of the type CDM-TD 942 150W (manufacturer Philips) with spectral distribution according to FIG. 19 shows an AL value of 37%.
  • a molecular radiation-dominated preferably Hg-free high-pressure discharge lamp is described below, which is characterized by good efficiency and color reproduction over a wide power range.
  • Operating point (.DELTA.C ⁇ 2E-3) are shown in Figure 12 by way of example.
  • Figures 10 and 11 are the Characteristic curves for ⁇ C and T n are shown. The area of the operating point is shown in dashed lines.
  • FIGS. 13 to 16 are in each case a high-pressure discharge lamp with a ceramic discharge vessel based on a filling with 1 bar of Xe, 2 mg of A1J3, 0.5 mg of TlJ and a halide of a rare earth metal. Shown is the behavior of the rare earth metals CeJ3, PrJ3, NdJ3, GdJ3, DyJ3, TmJ3, YbJ2, and HoJ3.
  • FIG. 16 illustrates that, as representatives of a first group in which the chromaticity aberration ⁇ C decreases with increasing power, above all Tm and Ho come into question because they reach values of ⁇ C close to zero in sections or also have a flat gradient in sections. Further representatives of this group are shown in FIG.
  • the high-pressure discharge lamp with ceramic discharge vessel has as filling 1 bar Xe, 2 mg A1J3, 0.5 mg TlJ and 4 mg HoJ3 (example rhombus) and based on a filling with 1 bar Xe, 2 mg A1J3, 0.5 mg TlJ and 4 mg GdJ3 (example star).
  • Indicated are ⁇ C (P) near zero ( ⁇ C in units of 10 ⁇ 3 ), see Figure 10, and the color temperature Tn (in K), see Figure 11. Both magnitudes are in the range 50 to 50 as a function of power (P) 300 W indicated. Both iodides show a flat course of the Color difference ⁇ C (P) at power variation.
  • HoJ3 alone, the color temperature is particularly constant as a function of the power variation.
  • a suitable combination of TmI 3 and DyI 3 is particularly preferred because it allows to set the performance dependency of ⁇ C and T n specifically with particularly high efficiency.
  • a suitable combination is advantageously a mixture containing 25 to 75 mol .-% TmI 3 , remainder DyI3. Particularly preferred is a proportion of 45 to 55 mol .-% TmI 3 .
  • a concrete example with a 1: 1 mixture is shown in FIG. 10 with respect to the chromaticity aberration ⁇ C and in FIG. 11 with respect to the change of the color temperature.
  • Another good example is the use of TmI3 and HoI3 together with DyI3.
  • FIGS. 15 and 16 A suitable combination of these two groups of molecular radiators leads to spectra characterized by a particularly flat profile of ⁇ C (P) close to zero ( ⁇ C ⁇ 2E-3), as shown in FIGS. 15 and 16.
  • P ⁇ C
  • Figure 17 shows the radiation spectrum of a high pressure discharge lamp with Tm / Dy mixture as specifically described in Figures 10 and 11.
  • the fillings of the lamps all contained 1 bar Xe (cold fill pressure), 2 mg AII 3 and 0.5 mg TlI.
  • 4 mg TmI 3 , 4 mg DyI 3 and 2 mg TmI 3 + 2 mg DyI 3 were added to the lamps as dominating molecular radiators.
  • DyI 3 or in addition to DyI 3 GdI 3 may preferably be used.

Landscapes

  • Discharge Lamp (AREA)
  • Vessels And Coating Films For Discharge Lamps (AREA)

Abstract

The invention relates to a high-pressure discharge lamp, comprising a discharge vessel (1), comprising: electrodes (2), at least one noble gas as the starting gas, at least one element selected from the group of Al, In, Mg, Tl, Hg, Zn for arc transfer and discharge vessel wall heating, and at least one rare-earth halide, which is configured such that the light produced is dominated by molecule radiation.

Description

Beschreibung description
Titel: HochdruckentladungslampeTitle: High pressure discharge lamp
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Hochdruckentladungslampe .The present invention relates to a high pressure discharge lamp.
Stand der TechnikState of the art
Hochdruckentladungslampen, insbesondere sog. HID-Lampen, sind seit langer Zeit bekannt. Sie dienen zu verschiede- nen Zwecken, vor allem auch für Anwendungen, bei denen eine relativ gute Farbwiedergabe und eine recht gute Lichtausbeute gefragt sind. Diese beiden Größen stehen dabei üblicherweise in einem Wechselspiel, d. h. eine Verbesserung der einen Größe verschlechtert die andere und umgekehrt. Bei allgemeinen Beleuchtungsanwendungen ist die Farbwiedergabe in der Regel wichtiger, beispielsweise bei der Straßenbeleuchtung verhält es sich aber umgekehrt .High-pressure discharge lamps, in particular so-called HID lamps, have been known for a long time. They are used for various purposes, especially for applications in which a relatively good color rendering and a very good light output are required. These two sizes are usually in an interplay, d. H. an improvement of one size worsens the other and vice versa. In general lighting applications, color reproduction is usually more important, but, for example, in street lighting, it is the other way round.
Hochdruckentladungslampen zeichnen sich ferner durch eine im Vergleich zur Größe der Lampe oder zur Größe des lichtabstrahlenden Bereichs der Lampe hohe Leistung aus.High-pressure discharge lamps are also characterized by a high compared to the size of the lamp or the size of the light-emitting region of the lamp high power.
Unter Hochdruckentladungslampen werden hier und im weiteren nur solche Lampen verstanden, die innerhalb des Entladungsgefäßes Elektroden besitzen. Es existiert eine sehr große Anzahl von Publikationen sowie eine gewaltige Menge an Patentliteratur zu Hochentladungslampen, beispielsweise WO 99/05699, WO 98/25294, sowie Born, M., Plasma Sources Sei. Technol., 11, 2002, A55. Aus der noch nicht veröffentlichten DE-Az 10 2006 034 833.8 ist eine molekularstrahlungsdominierte Hochdruckentladungslampe bekannt. Allerdings zeigt sich bei unkritischer Auswahl der Seltenerdj odide häufig das Problem einer empfindlichen Leistungsabhängigkeit des Farbabstands ΔC(P) bei Leistungsvariation. Der Farbabstand wird auch als Farbartunterschied oder Farbartabweichung bezeichnet. Geringe Abweichungen der Leistung vom Arbeitspunkt mit DC = 0 führen zu größeren ΔC -Werten, welche mit zunehmender Leistung sehr steil von positiven zu negativen Werten übergehen oder umgekehrt.Under high-pressure discharge lamps are understood here and in the further only those lamps having electrodes within the discharge vessel. There are a very large number of publications and a huge amount of patent literature on high-intensity discharge lamps, for example WO 99/05699, WO 98/25294, and Born, M., Plasma Sources Sei. Technol., 11, 2002, A55. From the not yet published DE-Az 10 2006 034 833.8 a molecular radiation dominated high pressure discharge lamp is known. However, the problem of a sensitive power dependency of the color difference ΔC (P) with power variation often occurs when the rare earth oxide is selected uncritically. The color difference is also referred to as a chromaticity difference or chromaticity aberration. Small deviations of the power from the operating point with DC = 0 lead to larger ΔC values, which change very steeply from positive to negative values with increasing power or vice versa.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine mole- külstrahlungsdominierte Hochdruckentladungslampe bereitzustellen, die sich durch gute Farbwiedergabe über einen großen Leistungsbereich auszeichnet. Eine zusätzliche Aufgabe ist es, eine möglichst hohe Effizienz einer derartigen Lampe zu erzielen.The object of the present invention is to provide a molecular radiation dominated high-pressure discharge lamp, which is characterized by good color rendering over a wide power range. An additional object is to achieve the highest possible efficiency of such a lamp.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.This object is achieved by the characterizing features of claim 1.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.Particularly advantageous embodiments can be found in the dependent claims.
Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, eine im Hinblick auf eine gute Gesamtkombination von Lichtausbeute und Farbwiedergabeeigenschaften verbesserte Hochdruckentla- dungslampe anzugeben, die sich insbesondere durch hohe Konstanz der Farbwiedergabe und durch geringe Farbartabweichung über einen großen Leistungsbereich auszeichnet. Es hat sich herausgestellt, dass dies gezielt durch Korn- bination von mindestens zwei Gruppen von Seltenen Erden als Bestandteil der Füllung erreicht werden kann, wobei die erste Gruppe die Eigenschaft hat, dass bei Erhöhung der Leistung P der Lampe in einem vorgegebenen Leistungs- intervall der Farbabstand DC(P) bei Leistungserhöhung abnimmt, und wobei die zweite Gruppe die Eigenschaft hat, dass bei Erhöhung der Leistung P der Lampe in diesem vorgegebenen Leistungsintervall der Farbabstand DC(P) bei Leistungserhöhung zunimmt, so dass eine geeignete Kombi- nation von Vertretern beider Gruppen einen flachen Verlauf des Farbabstands DC(P) bei Leistungserhöhung nahe null bewirkt. Die Änderung der Leistung kann zum einen unter dem Gesichtspunkt der Dimmbarkeit, zum andern unter dem Aspekt der Schwankung der Leistung bei einem größeren Ensemble von Lampen und deren Streubreite an Eigenschaften gesehen werden.The aim of the present invention is to provide a high-pressure discharge lamp which is improved with regard to a good overall combination of luminous efficacy and color rendering properties, which is distinguished, in particular, by high consistency of color rendering and by slight chromaticity deviation over a wide performance range. It has been found that this is specifically targeted by grain At least two groups of rare earths can be obtained as a component of the filling, the first group having the property that, when the power P of the lamp is increased within a predetermined power interval, the color difference DC (P) decreases as the power increases the second group has the property that when the power P of the lamp is increased in this predetermined power interval, the color distance DC (P) increases as the power increases, so that a suitable combination of representatives of both groups contributes a flat progression of the color separation DC (P) Increased performance close to zero. The change in power can be seen, on the one hand, from the point of view of dimming and, on the other hand, in terms of the variation of power in a larger ensemble of lamps and their range of characteristics.
Die Erfindung richtet sich auf eine Hochdruckentladungslampe mit einem Entladungsgefäß, welches enthält: Elektroden, zumindest ein Edelgas als Startgas, zumindest ein Element ausgewählt aus der Gruppe aus Al, In, Mg, Tl, Hg, Zn zur Bogenübernahme und Entladungsgefäßwandheizung und zumindest ein Seltenerdhalogenid für die Strahlungserzeugung, welche so ausgelegt ist, dass das erzeugte Licht von Molekülstrahlung dominiert wird.The invention is directed to a high-pressure discharge lamp with a discharge vessel, which contains electrodes, at least one noble gas as starting gas, at least one element selected from the group consisting of Al, In, Mg, Tl, Hg, Zn for sheet transfer and discharge vessel wall heating and at least one rare earth halide for the generation of radiation, which is designed so that the generated light is dominated by molecular radiation.
Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und werden ebenfalls im Folgenden näher erläutert. Die Erfindung bezieht sich dabei insbesondere auch auf ein Beleuchtungssystem aus der Hochdruckentladungslampe zusammen mit einem passenden elektronischen Vorschaltgerät zu deren Betrieb. -A-Preferred embodiments are specified in the dependent claims and are also explained in more detail below. The invention relates in particular to a lighting system from the high-pressure discharge lamp together with a matching electronic ballast for their operation. -A-
Die Grundidee der Erfindung, wie in DE-Az 10 2006 034 833.8 erläutert, besteht darin, bei der Lichterzeugung der Hochdruckentladungslampe die von Molekülen im Entladungsmedium erzeugte Strahlung in stark dominierender Weise auszunutzen. Zu diesem Zweck wird das Seltenerdha- logenid für die Strahlungserzeugung vorgesehen, wobei natürlich auch andere Bestandteile des Entladungsplasmas an der Strahlungserzeugung beteiligt sein können.The basic idea of the invention, as explained in DE-Az 10 2006 034 833.8, is to utilize the radiation generated by molecules in the discharge medium in a strongly dominant manner in the light generation of the high-pressure discharge lamp. For this purpose, the rare earth halide is intended for the generation of radiation, whereby naturally also other components of the discharge plasma can be involved in the radiation generation.
Konventionelle Hochdruckentladungslampen werden von ato- marer Strahlung dominiert. Molekulare Strahlung tritt konventioneller Weise untergeordnet auf und hat dabei im Vergleich zu atomarer Strahlung eine breitbandigere Spektralverteilung, kann also breitere Wellenlängensegmente vollständig mit Strahlung ausfüllen. Im Gegensatz dazu ist atomare Strahlung von Natur aus Linienstrahlung, bei der in konventionellen Lampen allerdings durch eine Vielzahl von Linien und verschiedene Verbreiterungsmechanismen eine gewisse Verbesserung der grundsätzlich beschränkten Farbwiedergabeeigenschaften von Linienstrah- lung gelungen ist. In der Regel sind jedoch die durch solche Mechanismen erzeugten Segmente deutlich kleiner als bei Molekülstrahlung und sind ferner die Linienbreiten von Atomen fest mit weiteren Teilchendichten in komplizierter Weise korreliert, wobei die Beeinflussung von Teilchendichten in der Lampe sehr schwierig ist.Conventional high pressure discharge lamps are dominated by atomic radiation. Molecular radiation occurs conventionally subordinate and has a broadband spectral distribution compared to atomic radiation, so it can completely fill wider wavelength segments with radiation. In contrast, atomic radiation is inherently linear radiation, but in conventional lamps a certain improvement in the fundamentally limited color rendering properties of line illumination has been achieved by a large number of lines and different broadening mechanisms. In general, however, the segments produced by such mechanisms are significantly smaller than those of molecular radiation and, moreover, the linewidths of atoms are tightly correlated with other particle densities in a complex manner, and it is very difficult to influence particle densities in the lamp.
Die Betonung von Molekülen für den Strahlungshaushalt der Lampe hat hier gleichzeitig die Auswirkung, gute Absorptionseigenschaften und damit eine stärkere Thermalisie- rung zu ermöglichen. Der Begriff der Thermalisierung ist dabei lokal zu verstehen. Man spricht vom lokalen thermo- dynamischen Gleichgewicht, weil tatsächlich natürlich keine homogene Temperaturverteilung existiert.At the same time, the emphasis on molecules for the radiation budget of the lamp has the effect of enabling good absorption properties and thus greater thermalization. The term thermalization is to be understood locally. One speaks of the local thermo- dynamic equilibrium, because, of course, no homogeneous temperature distribution exists.
Die Lampe weist ein Edelgas oder Edelgasgemisch als Start- oder Puffergas auf, wobei die Edelgase Xe, Ar, Kr, und darunter ganz besonders Xe, bevorzugt sind. Typische Kaltfüllpartialdrucke des Startgases liegen im Bereich von 10 mbar bis 15 bar und vorzugsweise zwischen 50 mbar und 10 bar, weiter vorzugsweise zwischen 500 mbar und 5 bar und ganz besonders bevorzugter Weise zwischen 500 mbar und 2 bar. Ferner ist eine Bogenübernahme- und Gefäßwandheizungskomponente vorgesehen, die zumindest ein Element aus der Gruppe aus Al, In, Mg, Tl, Hg, Zn aufweist. Diese Elemente können dabei als Halogenide, insbesondere Iodide oder Bromide vorliegen und in dieser Form auch eingefüllt werden, etwa als AlI3 oder TlI. Das Start- und Puffergas sorgt für die Kaltstartfähigkeit und -zündung der Entladung. Nach hinreichender Erwärmung verdampfen die in chemischer Verbindung oder im Falle von Al, Mg, In, Hg und Zn möglicherweise auch elementar vor- liegenden Bogenübernahme- und Gefäßwandheizungselemente. Die entsprechenden chemischen Komponenten im resultierenden Plasma übernehmen den Bogen. Infolge der veränderten Plasmaeigenschaften erhöht sich die Wandtemperatur, womit auch das zumindest eine Seltenerdhalogenid in die Dampf- phase übergeht. Dieses Seltenerdhalogenid ist vorzugsweise mit einem Element aus der Gruppe aus Tm, Dy, Ce, Ho, Gd, vorzugsweise der Gruppe aus Tm, Dy, und ganz besonders bevorzugt Tm, gebildet. Es handelt sich dabei, wie oben, vorzugsweise um Iodide oder Bromide. Ein Beispiel ist TmI3. Die für den Startprozess wichtigen Komponenten, also das Startgas und die Bogenübernahme- und Gefäßwand- heizungselemente, spielen für die Abstrahlung jetzt möglicherweise nur noch eine untergeordnete Rolle.The lamp has a noble gas or noble gas mixture as a starting or buffer gas, wherein the noble gases Xe, Ar, Kr, and including very particularly Xe, are preferred. Typical Kaltfüllpartialdrucke the starting gas are in the range of 10 mbar to 15 bar and preferably between 50 mbar and 10 bar, more preferably between 500 mbar and 5 bar and most preferably between 500 mbar and 2 bar. Further, a Bogenübernahme- and vessel wall heating component is provided which has at least one element selected from the group consisting of Al, In, Mg, Tl, Hg, Zn. These elements can be present as halides, in particular iodides or bromides, and also be introduced in this form, for example as AlI 3 or TlI. The start and buffer gas provides the cold start capability and ignition of the discharge. After sufficient heating, the chemical transfer or, in the case of Al, Mg, In, Hg and Zn, possibly also elementarily present arch transfer and vessel wall heating elements. The corresponding chemical components in the resulting plasma take over. As a result of the altered plasma properties, the wall temperature increases, with which also the at least one rare earth halide passes into the vapor phase. This rare earth halide is preferably formed with one of Tm, Dy, Ce, Ho, Gd, preferably Tm, Dy, and most preferably Tm. These are, as above, preferably iodides or bromides. An example is TmI 3 . The components that are important for the startup process, ie the start gas and the sheet transfer and vessel wall heating elements may now play only a minor role in the radiation.
Im Unterschied zu konventionellen Hochdruckentladungslampen entsteht nun ein Bogen, der von der molekularen Ab- Strahlung insbesondere der Seltenerdhalogenide dominiert ist. Insbesondere Thuliummonoiodid TmI kommt in Betracht, das sich aus dem eingefüllten Triiodid TmI3 bildet.In contrast to conventional high-pressure discharge lamps, an arc is now formed that is dominated by the molecular emission of, in particular, the rare earth halides. In particular, thulium monoiodide TmI comes into consideration, which forms from the charged triiodide TmI 3 .
Grundsätzlich können Seltenerdelemente insbesondere als Triiodide eingefüllt werden, die temperaturabhängig zu Diiodiden und schließlich Monoiodiden werden. Besonders wirksam für die Erfindung sind die temporär gebildeten Seltenerdmonoiodide bzw. allgemein -monohalogenide .In principle, rare earth elements can be introduced in particular as triiodides, which become temperature-dependent to diiodides and finally monoiodides. Particularly effective for the invention are the temporarily formed rare earth monoiodides or general monohalides.
Die Rolle der Seltenerdhalogenide ist nicht auf die Erzeugung der gewünschten kontinuierlichen Strahlung be- grenzt. Sie dienen gleichzeitig zur Bogenkontraktion, also zur Reduktion der Temperatur in den Kontraktionsbereichen und entsprechenden Veränderung des Ohmschen Widerstandes des Plasmas.The role of the rare earth halides is not limited to the generation of the desired continuous radiation. They simultaneously serve for arc contraction, that is for the reduction of the temperature in the contraction regions and corresponding change in the ohmic resistance of the plasma.
Bei konventionellen Hochdruckentladungslampen wird tradi- tionell zwischen sogenannten Spannungsbildnern und Lichtbildnern unterschieden. Die Zugabe eines speziellen Spannungsbildners ist im vorliegenden Zusammenhang nicht unbedingt erforderlich und kann, jedenfalls ab bestimmten Mengen, auch kontraproduktiv sein. Durch die spezielle Ausbildung des Temperaturprofils in Form des kontrahierten Bogens übernehmen offenbar ohnehin im Entladungskern enthaltene Spezies eine geeignete Widerstandsbildung des Plasmas. Insbesondere kann auch auf die klassischen Spannungsbildner Hg und Zn ganz oder teilweise verzichtet werden, wobei die Erfindung nicht auf Hg- bzw. Zn-freie Lampen eingeschränkt ist. Den Bestandteil Hg weglassen oder zumindest reduzieren zu können, bildet schon aus Umweltgesichtspunkten einen deutlichen Vorteil.Conventional high pressure discharge lamps traditionally differentiate between so-called voltage formers and photogenerators. The addition of a special stress generator is not absolutely necessary in the present context and can, at least from certain amounts, be counterproductive. Due to the special design of the temperature profile in the form of the contracted arc, apparently species already contained in the discharge core take on suitable resistance formation of the plasma. In particular, the classical stress formers Hg and Zn can also be dispensed with in whole or in part, the invention not being limited to Hg- or Zn-free Lamps is restricted. To omit or at least reduce the component Hg is a clear advantage from an environmental point of view.
Die Bestandteile Hg und Zn können aber beispielsweise auch im Zusammenhang mit Wandwechselwirkungen eine positive Rolle spielen oder doch zur weiteren Erhöhung der Lampenspannung gewünscht sein und deswegen trotz der eigentlichen Verzichtbarkeit eines Spannungsbildners enthalten sein.However, the components Hg and Zn may also play a positive role in connection with wall interactions, for example, or may be desirable for further increasing the lamp voltage and, therefore, be included despite the actual dispensability of a voltage generator.
Zur Erzielung sehr guter Strahlungsausbeuten war es konventionellerweise üblich, auf die atomare Strahlung, insbesondere auch die von Tl und Na, zurückzugreifen. Die Notwendigkeit der Nutzung atomarer Strahlung zur Erzielung hoher Lichtausbeuten ist im vorliegenden Zusammen- hang nicht nur nicht notwendig, sondern wegen der Farbwiedergabeeigenschaften, im Fall des Tl und Na vor allem wegen der unerwünschten Bogenkühlung, auch nicht erwünscht. Insbesondere sollte die Einbringung von Na ganz unterlassen werden oder deutlich eingeschränkt sein. Die Na-Strahlung im Infraroten bei etwa 819 nm und weiterer Infrarotlinien des Na können das Plasma, weil es oberhalb einer Grenzwellenlänge, etwa oberhalb von etwa 630 nm, häufig optisch recht dünn ist, weitgehend ungehindert verlassen und den Bogen kühlen. Auch wenn der Spektralbe- reich um die Na-Resonanzlinie bei 589 nm nicht als optisch dünn bezeichnet werden kann, würde auch diese Strahlung zu einer nicht gewünschten Kühlung der zentralen Bogenbereiche führen. Damit würden die Temperaturen im Bogen in unerwünschter Weise absinken. Eine analoge Argumentation gilt auch für andere Spezies, die im Wellenlängenbereich von über 580 nm bedeutende E- missionsfähigkeiten besitzen, insbesondere K und Ca. Die Bestandteile Na, K und Ca sollten also vorzugsweise höchstens in solchen Mengen vorhanden sein, die für die Abstrahlungseigenschaften nicht relevant sind und die erwähnte Dominierung durch Molekülstrahlung nicht stören.In order to achieve very good radiation yields, it was conventionally customary to resort to atomic radiation, in particular that of Tl and Na. The necessity of using atomic radiation to achieve high light efficiencies is not only not necessary in the present context, but because of the color rendering properties, in the case of Tl and Na especially because of the unwanted arc cooling, also not desirable. In particular, the introduction of Na should be omitted completely or be significantly limited. The Na radiation in the infrared at about 819 nm and further infrared lines of Na, the plasma because it is above a cut-off wavelength, for example above about 630 nm, often optically thin, leave largely unhindered and cool the arc. Even if the spectral range around the Na resonance line at 589 nm can not be described as optically thin, this radiation would also lead to unwanted cooling of the central arc regions. This would cause the temperatures in the arc to drop in an undesirable manner. An analogous argumentation also applies to other species which have significant emission capabilities in the wavelength range above 580 nm, in particular K and Ca. The constituents Na, K and Ca should thus preferably be present at most in amounts which are not relevant for the radiation properties and do not disturb the aforementioned domination by molecular radiation.
Erfindungsgemäß soll das Plasma über einen möglichst breiten sichtbaren Spektralbereich optisch dick sein. Dies bedeutet, dass es eine im Vergleich zu konventionellen Hochdruckentladungslampen weitergehende Thermalisie- rung der Strahlung vor ihrem Austritt aus der Lampe gibt, die eine gewünschte Nähe zu einer Planck-ähnlichen Spektralverteilung herstellt. Die Plancksche Spektralvertei- lung entspricht dem idealisierten schwarzen Strahler und wird in der menschlichen Sinneswahrnehmung als "natürlich" empfunden.According to the invention, the plasma should be optically thick over as wide a visible spectral range as possible. This means that, compared to conventional high-pressure discharge lamps, there is further thermalization of the radiation before it leaves the lamp, which produces a desired proximity to a Planck-like spectral distribution. Planck's spectral distribution corresponds to the idealized blackbody and is perceived as "natural" in human sensory perception.
Im Übrigen "verbiegen" die ausgeprägten Strahlungsbeiträge der Zusätze Na, K und Ca die Spektren und verschlech- tern die Nähe zum Planckschen Spektralverhalten. Linien bei Wellenlängen über 600 nm sind allerdings grundsätzlich kaum vermeidbar, weil hier die Seltenerdhalogenide nicht mehr nennenswert absorbieren und auch keine anderen Absorber zur Verfügung stehen.Incidentally, the pronounced contributions to radiation of the additions Na, K and Ca "bend" the spectra and worsen the proximity to Planck's spectral behavior. However, lines at wavelengths above 600 nm are basically hardly avoidable, because here the rare earth halides no longer appreciably absorb and no other absorber is available.
Die Nähe zum Planckschen Strahlungsverhalten kann man mit dem sog. Farbartunterschied ΔC bemessen. Die erfindungsgemäße Lampe sollte einen guten, d. h. kleinen, ΔC-Wert aufweisen. Bei Verwendung von Keramikentladungsgefäßen lassen sich hier für allgemeine Beleuchtungszwecke sehr vorteilhafte Werte von ΔC I < 10"2 erzielen. Mit der erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampe können gute Lichtausbeuten erzielt werden, und zwar vorzugsweise über 90 lm/W. Gleichzeitig sollen die Farbwiedergabeeigenschaften gut sein, und zwar vorzugsweise mit einem Farbwiedergabeindex Ra von mindestens 90.The proximity to Planck's radiation behavior can be measured with the so-called chromaticity difference ΔC. The lamp according to the invention should have a good, ie small, ΔC value. When using ceramic discharge vessels, very advantageous values of ΔC I <10 "2 can be achieved here for general illumination purposes. With the high-pressure discharge lamp according to the invention, good luminous efficiencies can be achieved, preferably over 90 lm / W. At the same time, the color rendering properties should be good, preferably with a color rendering index Ra of at least 90.
In Einzelfällen kann bei der Ausführung der Erfindung a- ber eines der beiden oben erwähnten Ziele, die Farbwiedergabeeigenschaften oder die Lichtausbeute, ganz deutlich im Vordergrund stehen, etwa die Lichtausbeute bei der Straßenbeleuchtung. Der bevorzugte Bereich der Anwendung der Erfindung ist jedoch die qualitativ hochwertige Allgemeinbeleuchtung, bei der es letztlich auf beide Größen ankommt.In individual cases, in the embodiment of the invention, one of the two objectives mentioned above, the color rendering properties or the luminous efficacy, can clearly be in the foreground, such as the luminous efficacy in street lighting. However, the preferred area of application of the invention is the high quality general lighting, which ultimately depends on both sizes.
Die Dominierung durch Molekülstrahlung ist bei einer Aus- gestaltung der Erfindung durch einen Parameter AL quantifiziert, der hier als "Atomlinienanteil" bezeichnet wird. Anspruch 12 gibt die Bestimmung dieses Atomlinienanteils AL an. Er liegt vorzugsweise bei höchstens 40 %, besser 35 %, 30 % oder sogar höchstens 25 %, und zwar auch bei Quarzentladungsgefäßen. Bei Keramikentladungsgefäßen liegt er besonders bevorzugt bei höchstens 20 %, besser 15 % und sogar höchstens 10 %.The domination by molecular radiation is quantified in one embodiment of the invention by a parameter AL, which is referred to herein as "atomic fraction". Claim 12 specifies the determination of this atomic fraction AL. It is preferably at most 40%, better 35%, 30% or even at most 25%, even in quartz discharge vessels. For ceramic discharge vessels, it is more preferably at most 20%, better 15% and even at most 10%.
Die besondere Stabilität bei Variation der Leistung wird erzielt, indem mehrere Seltenerdhalogenide als Molekül- strahier geeignet kombiniert werden. Dabei werden zwei Gruppen von Seltenerdhalogeniden gemeinsam verwendet. Eine erste Gruppe hat die Eigenschaft, dass geringe Abweichungen der Leistung vom Arbeitspunkt mit ΔC = 0 zu größeren ΔC Werten führen, welche mit zunehmender Leistung steil von positiven zu negativen Werten übergehen. Ein besonders geeigneter Vertreter dieser Gruppe ist Tm- Halogenid, insbesondere TmJ3. Eine zweite Gruppe hat die Eigenschaft, dass geringe Abweichungen der Leistung vom Arbeitspunkt mit Δ = 0 zu größeren ΔC-Werten führen, welche mit zunehmender Leistung steil von negativen zu positiven Werten übergehen. Ein besonders geeigneter Vertreter dieser Gruppe ist Dy-Halogenid, insbesondere DyJ3. Ein weiterer gut geeigneter Vertreter dieser Gruppe ist GdJ3, wobei dieses insbesondere zusätzlich zu Dy- Halogenid eingesetzt werden kann. Besonders gut geeignet ist eine Mischung, die etwa gleiche molare Mengen an ers¬ ter und zweiter Gruppe insbesondere 25 bis 75 mol-% der ersten Gruppe. Besonders bevorzugt ist ein Anteil von 45 bis 55 Mol.-% der ersten Gruppe.The particular stability with variation of the performance is achieved by suitably combining several rare earth halides as molecular strands. Two groups of rare earth halides are used together. A first group has the property that small deviations of the power from the operating point with ΔC = 0 lead to larger ΔC values, which change steeply from positive to negative values with increasing power. One Particularly suitable representatives of this group is Tm halide, in particular TmJ3. A second group has the property that small deviations of the power from the operating point with Δ = 0 lead to larger ΔC values, which change rapidly from negative to positive values with increasing power. A particularly suitable member of this group is Dy-halide, especially DyJ3. Another well-suited member of this group is GdJ3, which in particular can be used in addition to Dy halide. Particularly suitable is a mixture which contains about equal molar amounts of ers ¬ ter and second group, in particular 25 to 75 mol% of the first group. Particularly preferred is a proportion of 45 to 55 mol .-% of the first group.
Die günstigen Eigenschaften einer erfindungsgemäßen Lampe lassen sich vor allem in Verbindung mit einem elektronischen Vorschaltgerät ausnutzen und optimieren, weswegen sich die Erfindung auch auf ein Beleuchtungssystem aus einer erfindungsgemäßen Lampe mit einem passenden elekt- ronischen Vorschaltgerät bezieht.The favorable properties of a lamp according to the invention can be exploited and optimized especially in connection with an electronic ballast, which is why the invention also relates to a lighting system comprising a lamp according to the invention with a suitable electronic ballast.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Figur 1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampe mit einem Keramikentladungsgefäß.FIG. 1 shows a schematic sectional view of a high-pressure discharge lamp according to the invention with a ceramic discharge vessel.
Figur 2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampe mit einem Quarzglasentladungsgefäß. Figur 3 zeigt ein Prinzipschaltbild mit einem elektronischen Vorschaltgerät und einer Lampe nach den Figuren 1 und 2.FIG. 2 shows a schematic sectional view of a high-pressure discharge lamp according to the invention with a quartz glass discharge vessel. FIG. 3 shows a circuit diagram with an electronic ballast and a lamp according to FIGS. 1 and 2.
Figuren 4 - 6 zeigen Abstrahlungsspektren der Lampen aus den Figuren 1 und 2.FIGS. 4 to 6 show emission spectra of the lamps from FIGS. 1 and 2.
Figur 7 zeigt ein Diagramm der spektralen Augenempfindlichkeitskurve .FIG. 7 shows a diagram of the spectral eye sensitivity curve.
Figur 8 zeigt das Abstrahlungsspektrum aus Figur 4 im Vergleich mit einer Planckkurve.FIG. 8 shows the emission spectrum from FIG. 4 in comparison with a Planck curve.
Figur 9 zeigt in sechs Einzeldiagrammen verschiedeneFigure 9 shows different in six individual diagrams
Kenndaten der Lampe aus Figur 1 abhängig von der Lampenleistung.Characteristics of the lamp of Figure 1 depending on the lamp power.
Figur 10-11 zeigt die Farbartabweichung und Farbtemperatur als Funktion der Leistung der Lampe für verschiedene Füllungen.Figure 10-11 shows the chromaticity aberration and color temperature as a function of the lamp power for different fillings.
Figur 12 zeigt das das Abstrahlungsspektrum zweier Füllungen .FIG. 12 shows the radiation spectrum of two fillings.
Figur 13-16 zeigt die Farbartabweichung und Farbtemperatur als Funktion der Leistung der Lampe für eine Reihe Seltener Erden.Figure 13-16 shows chromaticity aberration and color temperature as a function of lamp power for a series of rare earths.
Figuren 17 zeigt das Abstrahlungsspektrum einer Hochdruckentladungslampe mit Tm/Dy-Mischung.FIG. 17 shows the emission spectrum of a high-pressure discharge lamp with Tm / Dy mixture.
Figur 18-19 zeigt das Abstrahlungsspektrum für zwei Lampen gemäß dem Stand der Technik. Bevorzugte Ausführungsform der ErfindungFigure 18-19 shows the radiation spectrum for two lamps according to the prior art. Preferred embodiment of the invention
Figur 1 und Figur 2 zeigen schematische Schnittansichten von erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampen. Figur 1 zeigt eine Lampe mit einem Entladungsgefäß 1 aus AI2O3- Keramik. Der Stromfluss durch die Bogenentladung wird durch auf beiden Seiten im Entladungsgefäß angebrachte Wolfram-Elektroden 2 ermöglicht, die über ein Durchführungssystem 3 in das Entladungsgefäß eingebracht sind. Das Durchführungssystem besteht beispielsweise aus Molybdän-Stiften und ist mit der Elektrode sowie mit der (in der Abbildung nicht gezeigten) äußeren Stromzuführung verschweißt .FIG. 1 and FIG. 2 show schematic sectional views of high-pressure discharge lamps according to the invention. FIG. 1 shows a lamp with a discharge vessel 1 made of Al 2 O 3 ceramic. The current flow through the arc discharge is made possible by tungsten electrodes 2 which are mounted in the discharge vessel on both sides and which are introduced into the discharge vessel via a feedthrough system 3. For example, the feedthrough system is made of molybdenum pins and is welded to the electrode as well as to the external power supply (not shown in the figure).
Figur 2 zeigt eine Lampe mit einem Entladungsgefäß 10 aus Quarzglas. Die Wolfram-Elektroden 2 sind hier mit einer Molybdän-Folie 13 verschweißt. Im Bereich dieser Folie ist das Quarzglasentladungsgefäß durch eine Quetschung abgedichtet. Die Molybdän-Folien sind zudem mit der jeweiligen äußeren Stromzuführung 4 verschweißt.FIG. 2 shows a lamp with a discharge vessel 10 made of quartz glass. The tungsten electrodes 2 are here welded to a molybdenum foil 13. In the region of this film, the quartz glass discharge vessel is sealed by a pinch. The molybdenum foils are also welded to the respective outer power supply 4.
Die charakteristischen Abmessungen der Entladungsgefäße sind die Länge 1, der Innendurchmesser d sowie der Elekt- rodenabstand a, auf die später noch eingegangen wird.The characteristic dimensions of the discharge vessels are the length 1, the inner diameter d and the elec- trode distance a, which will be discussed later.
Sowohl das Keramik- als auch das Quarzglasentladungsgefäß sind jeweils in einen nicht dargestellten Außenkolben aus Quarzglas eingebracht, wie an sich bekannt. Der Außenkolben ist evakuiert. Aus dem Außenkolben werden die Strom- Zuführungen über Quetschungen, die den Außenkolben dicht verschließen, nach außen gebracht und dienen zum An- schluss der Lampe an das elektronische Vorschaltgerät (EVG) . Dieses erzeugt aus der Netzspannung die für den Betrieb von Hochdruckentladungslampen typische Rechteck- anregung mit einer Frequenz von typischerweise 100 Hz bis 400 Hz bei einer Leistung von 35 W bis 400 W ("alternierende Gleichspannung"). Ein Prinzipschaltbild mit der kurz als AC bezeichneten Netzspannung, dem als EVG be- zeichneten elektronischen Vorschaltgerät und der Lampe zeigt Figur 3.Both the ceramic and the quartz glass discharge vessel are each introduced into an outer bulb of quartz glass, not shown, as known per se. The outer bulb is evacuated. From the outer bulb, the current feeds are brought to the outside via pinches that tightly close the outer bulb and serve to connect the lamp to the electronic ballast (ECG). This generates from the mains voltage the square wave typical for the operation of high-pressure discharge lamps. excitation with a frequency of typically 100 Hz to 400 Hz at a power of 35 W to 400 W ("alternating DC voltage"). FIG. 3 shows a basic circuit diagram with the mains voltage briefly referred to as AC, the electronic ballast designated as electronic ballast and the lamp.
Das Entladungsgefäß enthält eine Füllung mit Xe als Startgas sowie AII3 und TlI als Bogenübernahme- und Wandheizungselemente sowie TmI3.The discharge vessel contains a filling with Xe as starting gas and AII3 and TlI as sheet transfer and wall heating elements as well as TmI 3 .
Die Füllmengen sowie die charakteristischen Abmessungen des Entladungsgefäßes variieren je nach Ausführung der Lampe .The quantities and the characteristic dimensions of the discharge vessel vary depending on the design of the lamp.
Typische Beispiele Al bis A6 sind in Tabelle 1 aufgeführt. Der angegebene Xe-Druck ist der Kaltfülldruck. Die angegebenen Iodidmengen sind die zugegebenen absoluten Mengen. Auch sind die obigen Geometrieparameter 1, d, a aufgeführt. Die Angabe Δ C ist in Tausendstel (E-3) angegeben .Typical examples A1 to A6 are listed in Table 1. The specified Xe pressure is the cold fill pressure. The indicated iodide amounts are the absolute amounts added. Also, the above geometry parameters 1, d, a are listed. The specification Δ C is given in thousandths (E-3).
Vorzugsweise kann das elektronische Vorschaltgerät dazu ausgelegt sein, akustische Resonanzen anzuregen, indem eine hochfrequente Amplitudenmodulation in einem Frequenzbereich etwa zwischen 20 und 60 kHz aufgeprägt wird. Zur näheren Erläuterung wird beispielhaft verwiesen auf das Patent EP-B 0 785 702 und die darin gegebenen Refe- renzen. Eine Anregung akustischer Resonanzen in dieser Form führt zur aktiven Stabilisierung des Entladungsbo- gens im Plasma, was insbesondere auch in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wegen der relativ eingeschnürten Form des Temperaturprofils von Vorteil sein kann. Preferably, the electronic ballast can be designed to excite acoustic resonances by impressing a high-frequency amplitude modulation in a frequency range of approximately between 20 and 60 kHz. For a more detailed explanation, reference is made by way of example to the patent EP-B 0 785 702 and the references given therein. Excitation of acoustic resonances in this form leads to active stabilization of the discharge arc in the plasma, which may be advantageous in particular in connection with the present invention because of the relatively narrowed shape of the temperature profile.
Tabelle 1 Auf die vier letzten Spalten der Tabelle 1 wird im Folgenden näher eingegangen.Table 1 The last four columns of Table 1 are discussed in more detail below.
Zunächst werden Abstrahlungsspektren der Lampen zu den Ausführungsbeispielen Al, A2 und A3 dargestellt. Es wird dabei auch die Ermittlung des Atomlinienanteils AL erläutert. Die Figuren 4, 5 und 6 beziehen sich jeweils auf das Ausführungsbeispiel Al, A2 bzw. A3 und zeigen jeweils ein mit einer spektralen Auflösung von 0,3 nm nach 10 h Betrieb in einer Ulbricht-Kugel gemessenes Spektrum der Abstrahlung der Lampen aus Figur 1 bzw. Figur 2 im sichtbaren Bereich zwischen 380 nm und 780 nm. Die vertikale Achse zeigt die spektrale Leistungsdichte I in mW/nm.First, radiation spectra of the lamps will be illustrated for the embodiments A1, A2 and A3. It also explains the determination of the atomic content AL. FIGS. 4, 5 and 6 each relate to the exemplary embodiments A1, A2 and A3 and each show a spectrum of the radiation of the lamps from FIG. 1 measured with a spectral resolution of 0.3 nm after 10 h of operation in an integrating sphere or Figure 2 in the visible range between 380 nm and 780 nm. The vertical axis shows the spectral power density I in mW / nm.
Der erkennbar der Auflösung entsprechend gezackten Linie überlagert ist jeweils eine nach folgendem Verfahren be- stimmte Kurve zur Bestimmung des kontinuierlichen Untergrunds. Besonders wird hierzu auf die zusätzlichen grafischen Erläuterungen in Figur 5 verwiesen. Aus der Messung liegt eine Kurve Im(λ) vor. In einem Intervall mit der Gesamtbreite 30 nm um jeden einer Messung entsprechenden Wellenlängenwert λ herum, also mit jeweils 50 Messwerten zu den jeweiligen Seiten, ist jedem Wellenlängenwert ein Minimum Ihl (λ) in diesem Intervall zugeordnet. Damit ist eine geglättete und grundsätzlich unter der gemessenen Spektralverteilung Im(λ) verlaufende Funktion Ihl (λ) gege- ben.Superimposed on the resolution corresponding to the serrated line is a curve determined in accordance with the following procedure for the determination of the continuous background. In particular, reference is made to the additional graphic explanations in FIG. 5. From the measurement, there is a curve I m (λ). In an interval with the total width 30 nm around each wavelength value λ corresponding to a measurement, ie with 50 measured values to the respective sides, each wavelength value is assigned a minimum I hl (λ) in this interval. In this way, a smoothed function I hl (λ), which basically runs under the measured spectral distribution I m (λ), is given.
Davon ausgehend wird eine weitere Funktion Ih2 (λ) bestimmt, wobei wiederum um jeden einzelnen Wellenlängenwert Intervalle der gleichen Breite, also mit insgesamt 100 Messpunkten, verwendet werden. Hierbei werden jedoch jeweils die Maxima der Funktion Ihi (λ) in diesen Inter- vallen als Funktionswerte Ih2 verwendet. Es entsteht eine zweite Funktion, die dem gemessenen Verlauf etwas näher kommt, also zwischen dem gemessenen Verlauf Im(λ) und der Funktion Ihi (λ) mit den Minima läuft.Based on this, a further function I h2 (λ) is determined, again using intervals of the same width around each individual wavelength value, ie with a total of 100 measuring points. In each case, however, the maxima of the function I h i (λ) are in this Inter- vallen as function values I h 2 used. The result is a second function, which comes a little closer to the measured curve, that is, runs between the measured curve I m (λ) and the function I h i (λ) with the minima.
Davon ausgehend wird eine dritte Funktion I11 (λ) bestimmt, wobei wiederum in den 30 nm Breitenintervallen um die jeweiligen Wellenlängenwerte diesmal die Mittelwerte von Ih2 (λ) bestimmt werden. Dies glättet die Kurve Ih2 deutlich und führt bei diesem Beispiel auf die in den Figur 4 bis 6 eingezeichneten glatten Linien.Based on this, a third function I 11 (λ) is determined, again determining the mean values of Ih2 (λ) in the 30 nm width intervals around the respective wavelength values. This clearly smoothes the curve I h 2 and, in this example, leads to the smooth lines drawn in FIGS. 4 to 6.
Im Grunde handelt es sich hierbei um ein nur modellhaftes und relativ einfaches Vorgehen zur Bestimmung eines realistischen kontinuierlichen Untergrundes, das jedoch objektiv und reproduzierbar ist. Mit der bestimmten Unter- grundfunktion I11 (λ) und der gemessenen Spektralverteilung Im(λ) kann dann der Atomlinienanteil AL bestimmt werden als : v(λ)Im(λ)dλ-v(λ)Iu(λ)dλBasically, this is an exemplary and relatively simple procedure for the determination of a realistic continuous background, which however is objective and reproducible. With the determined subfunction I 11 (λ) and the measured spectral distribution I m (λ), the atomic component AL can then be determined as: v (λ) I m (λ) dλ-v (λ) I u (λ) dλ
AL= _ o AL = _ o
Dabei wird die helladaptierte Empfindlichkeit des mensch- liehen Auges als Gewichtungsfunktion mit berücksichtigt und dadurch gleichzeitig auch die Integration auf den sichtbaren Spektralbereich beschränkt. Die spektrale Augenempfindlichkeit V(λ) zeigt Figur 7.The light-adapted sensitivity of the human eye is taken into account as a weighting function and at the same time limits the integration to the visible spectral range. The spectral eye sensitivity V (λ) is shown in FIG. 7.
Um die einzelnen Schritte zur Bestimmung von Ihi (λ) , Ih2 (λ) und I11 (λ) wie dargestellt mit der vollen Intervall- breite von 30 nm auszuführen, sind am Rand des Wellenlängenbereichs auch Messwerte unterhalb 380 nm und oberhalb 780 nm notwendig.In order to determine the individual steps for determining I h i (λ), I h 2 (λ) and I 11 (λ) as shown with the full interval width of 30 nm, measured values below 380 nm and above 780 nm are also necessary at the edge of the wavelength range.
Durch die Gewichtung mit der Augenempfindlichkeit V(X), die außerhalb des Wellenlängenbereichs 380 nm bis 780 nm gleich Null ist, reicht es jedoch zur Bestimmung des A- tomlinienanteils AL, die Messung nur zwischen 380 nm und 780 nm durchzuführen. Bei der Bestimmung von Ihi (λ) , Ih2 (λ) und I11 (λ) ist dann die Intervallgröße bei den ein- zelnen Schritten gegebenenfalls auf den in den Messwerten vorhandenen Bereich zu beschränken. Zur Bestimmung des Wertes von Ihl(390 nm) , Ih2(390 nm) und I11 (390 nm) wird beispielsweise nicht das der Intervallbreite von 30 nm entsprechende Intervall 375 nm bis 405 nm verwendet, son- dern nur das Intervall von 380 nm bis 405 nm.By weighting with the eye sensitivity V (X), which is equal to zero outside the wavelength range 380 nm to 780 nm, however, it is sufficient to determine the average line component AL to carry out the measurement only between 380 nm and 780 nm. When determining I h i (λ), Ih2 (λ) and I 11 (λ), the interval size for the individual steps may then be limited to the range present in the measured values. For determining the value of I hl (390 nm), I H2 (390 nm) and I 11 (390 nm), the interval width of 30 nm interval corresponding, for example, not 375 nm used to 405 nm, solar countries only the interval of 380 nm to 405 nm.
Wie beispielsweise in Figur 4 bei 535 nm zu sehen, kann es durch von Atomlinien hervorgerufene Absorptionen (hier ist es die Tl-Linie bei 535 nm) dazu kommen, dass in der kontinuierlichen Molekülstrahlung tiefe Einbrüche auftre- ten. Diese treten in einem so engen Wellenlängenbereich auf, dass sie die positiven Eigenschaften der kontinuierlichen Molekülstrahlung, wie beispielsweise die gute Farbwiedergabe, nicht beeinflussen. Allerdings werden diese Einbrüche umso tiefer sowie in höherer Anzahl über- haupt sichtbar, je höher die spektrale Auflösung bei der Messung von Im(λ) ist.As can be seen, for example, in FIG. 4 at 535 nm, absorptions caused by atomic lines (in this case the Tl line at 535 nm) may result in deep break-ins in the continuous molecular radiation. These occur in such close proximity Wavelength range that they do not affect the positive properties of the continuous molecular radiation, such as the good color rendering. However, the higher the spectral resolution is in the measurement of I m (λ), the lower and higher the number of these burglaries become.
Liegen diese Einbrüche dichter als die Intervallbreite von 30 nm, so wird die auf die genannte Weise bestimmteIf these burglaries are closer than the interval width of 30 nm, this is determined in the manner mentioned
Untergrundkurve I11 (λ) fälschlicher Weise nach unten gezo- gen. Um dies zu verhindern, ist die spektrale Auflösung bei der Messung von Im(λ) auf den Bereich 0,25 nm bis 0,35 nm zu beschränken.Underground curve I 11 (λ) falsely pulled down. To prevent this, the spectral resolution in the measurement of I m (λ) to the range of 0.25 nm to 0.35 nm.
Die obere Grenze ergibt sich aus der Notwendigkeit, die Auflösung so hoch zu wählen, dass die Atomlinien über- haupt aufgelöst werden können.The upper limit results from the necessity of selecting the resolution so high that the atomic lines can be dissolved at all.
Wird mit höherer spektraler Auflösung als 0,25 nm gemessen, muss die Messung Im(λ) vor der Bestimmung von Ihi (λ) , Ih2 (λ) und I11 (λ) auf eine spektrale Auflösung innerhalb der Grenze von 0,25 nm bis 0,35 nm umgerechnet werden. Dies kann beispielsweise durch Mittelwertbildung über mehrere benachbarte Messpunkte erfolgen.If measured with a spectral resolution higher than 0.25 nm, the measurement I m (λ) before the determination of I h i (λ), Ih2 (λ) and I 11 (λ) must be at a spectral resolution within the limit of 0 , 25 nm to 0.35 nm. This can be done for example by averaging over several adjacent measuring points.
Anschaulich gesprochen beschreibt der Atomlinienanteil integriert den über der wie oben beschrieben konstruierten Untergrundkurve verbleibenden Teil der Messkurve. Er bemisst dabei ein relatives Flächenverhältnis zu der Fläche unter der Messkurve insgesamt.Illustratively speaking, the atomic fraction component integrates the part of the measurement curve remaining above the background curve constructed as described above. It measures a relative area ratio to the area under the measurement curve as a whole.
Bei den vorliegenden Ausführungsbeispielen liegen die A- tomlinienanteile bei 4 % für die Keramiklampen gemäß den Ausführungsbeispielen Al und A2 und bei 12 % für die Quarzlampe gemäß Ausführungsbeispiel A3. Es zeigt sich damit, dass in Folge der erfindungsgemäßen Moleküldominanz in der Abstrahlung ein relativ sehr großer kontinuierlicher Untergrund existiert, der die relative Bedeutung der atomaren Linienemission stark zurückgedrängt hat.In the present embodiments, the a-tomlinienanteile 4% for the ceramic lamps according to the embodiments Al and A2 and 12% for the quartz lamp according to embodiment A3. It thus turns out that as a result of the molecular dominance according to the invention, a relatively very large continuous background exists in the radiation, which has strongly suppressed the relative importance of atomic line emission.
Figur 8 zeigt die Messkurve Im(λ) aus Figur 4 zusammen mit einer überlagerten Planckkurve (gestrichelt dargestellt) für einen schwarzen Strahler der Temperatur 3320 K. Man erkennt, dass sich das Spektrum bis in den roten Wellenlängenbereich von etwas über 600 nm sehr Planckähnlich verhält. Quantitativ bedeutet dies eine Größe des Farbartunterschieds ΔC von 3 x 10~4. Die Lichtausbeute betrug 94 lm/W bei einem Farbwiedergabeindex von Ra = 92. Damit ist dieses Ausführungsbeispiel hervorragend für die Allgemeinbeleuchtung geeignet.FIG. 8 shows the measurement curve I m (λ) from FIG. 4 together with a superimposed Planck curve (shown in dashed lines) for a black radiator with the temperature 3320 K. It can be seen that the spectrum behaves very similar to Planck up to the red wavelength range of just over 600 nm. Quantitatively, this means a size of the Farbartunterschieds .DELTA.C of 3 x 10 ~. 4 The luminous efficacy was 94 lm / W at a color rendering index of Ra = 92. Thus, this embodiment is perfectly suitable for general lighting.
Figur 9 zeigt in sechs Einzeldiagrammen verschiedene Kenndaten der als Ausführungsbeispiel dienenden Lampe Al aus Figur 1 abhängig von der Lampenleistung jeweils auf der horizontalen Achse. Von links nach rechts sieht man oben zunächst den Lichtstrom Φ, den Farbwiedergabeindex Ra, die Lichtausbeute η und unten von links nach rechts die Lampenspannung U und den Lampenstrom I, wobei die un- teren als Quadrate dargestellten Punkte der rechten Stromachse und die oberen Punkte der linken Spannungsachse zugeordnet sind, den Farbartunterschied ΔC und schließlich die ähnlichste Farbtemperatur Tn, also die Temperatur des farbähnlichsten schwarzen Strahlers. Man erkennt, dass insbesondere der Farbwiedergabeindex und der Farbartunterschied stark leistungsabhängig sind und bei Werten von 180 W besonders gute Werte annehmen. Die Lichtausbeute verschlechtert sich dabei nur wenig. Hier ist es nicht empfehlenswert, deutlich über 180 W hinaus- zugehen. Man erkennt also, dass sich mit der Erfindung vor allem bei bezogen auf die Entladungsgefäßgröße relativ hohen Leistungen Hochdruckentladungslampen mit ungewöhnlich guten Farbwiedergabeeigenschaften herstellen lassen .FIG. 9 shows, in six individual diagrams, various characteristic data of the exemplary embodiment of the lamp Al from FIG. 1 as a function of the lamp power in each case on the horizontal axis. From left to right, the luminous flux Φ, the color rendering index Ra, the luminous efficacy η and at the bottom from left to right the lamp voltage U and the lamp current I are shown, the bottom points of the right current axis and the top points of the right are assigned to the left voltage axis, the chromaticity difference ΔC and finally the most similar color temperature T n , ie the temperature of the color-like black radiator. It can be seen that, in particular, the color rendering index and the chromaticity difference are strongly performance-dependent and assume particularly good values at values of 180 W. The light output deteriorates only slightly. Here it is not recommended to go well beyond 180 W. It can thus be seen that high-pressure discharge lamps with unusually good color rendering properties can be produced with the invention, especially with relatively high powers in relation to the size of the discharge vessel.
Ergänzend wird zu der Größe "Farbartunterschied ΔC" auf den CIE Technical Report 13.3 (1995) verwiesen. Es geht um die Bewertung der Qualität der Lichtfarbe einer Lampe im Hinblick auf eine als "natürlich" empfundene Sinneswahrnehmung durch den Menschen. Der Farbartunterschied ist ein Maß für die Nähe des Lampenspektrums zum Planck- sehen Strahlungsverhalten bis zu einer Farbtemperatur von 5000 K bzw. zu Tageslichtspektren oberhalb dieser Grenze. Es gibt Anwendungsfelder, in denen große Werte des Farbartunterschieds nicht störend sind, hingegen sollte für anspruchsvollere Beleuchtungsaufgaben beispielsweise in der Allgemeinbeleuchtung die erfindungsgemäße Lampe vorzugsweise einen Farbartunterschiedswert mit einem Betrag von unter 10~2, besser unter 5 x 10~3 und noch besser unter 2 x 10~3 aufweisen.In addition, reference is made to the size "chromaticity difference ΔC" in the CIE Technical Report 13.3 (1995). It works to assess the quality of the light color of a lamp with regard to a perceived as "natural" sensory perception by humans. The color difference is a measure of the proximity of the lamp spectrum to Planck's radiation behavior up to a color temperature of 5000 K or to daylight spectra above this limit. There are fields of application in which large values of Farbartunterschieds are not disturbing, however, should preferably have a Farbartunterschiedswert with an amount of less than 10 ~ 2 better than 5 x 10 -3 and even better than 2 for more demanding lighting tasks, for example in general lighting the lamp of the invention x 10 ~ 3 .
Die in dem Ausführungsbeispiel angesprochenen Bestandtei- Ie sind im Rahmen der Lehre dieser Erfindung durch Alternativen austauschbar, beispielsweise lässt sich Xe auch sehr gut ganz oder teilweise durch Ar oder auch Kr oder ein Edelgasgemisch ersetzen. AlI3 kann beispielsweise durch InI3, InI oder auch durch MgI2 ersetzt werden, und zwar wiederum ganz oder teilweise. Auch das Seltenerdha- logenid TmI3 lässt sich ersetzen, insbesondere durch CeI3 oder auch durch andere Seltenerdiodide oder -bromide oder -gemische .The components mentioned in the exemplary embodiment are exchangeable by alternatives within the scope of the teaching of this invention; for example, Xe can very well be replaced in whole or in part by Ar or Kr or a mixture of noble gases. For example, AlI 3 can be replaced by InI 3 , InI or MgI 2 , again in whole or in part. The rare earth halide TmI 3 can also be replaced, in particular by CeI 3 or else by other rare earth iodides or bromides or mixtures.
Es bildet einen Vorteil der Erfindung, auf Komponenten wie Hg verzichten zu können. Diese können jedoch auch mit enthalten sein. Auf die bereits erwähnten ausgeprägtenIt is an advantage of the invention to be able to dispense with components such as Hg. However, these can also be included. On the already mentioned pronounced
Strahlungsbeiträge von Na, K und Ca soll vorzugsweise ganz oder jedenfalls soweit verzichtet werden, dass das beschriebene Kriterium zur Dominanz der Molekülstrahlung erfüllt bleibt. Das Ausführungsbeispiel enthält eine kleine Menge Thalli- umjodid TlI. Tl wird wegen seiner Resonanzlinie bei 535 nm konventionellerweise zur Effizienzerhöhung eingesetzt. Die Figuren 4 bis 6 zeigen, dass diese keinen we- sentlichen Beitrag zur Abstrahlung leistet. Die Funktion des TlI besteht hier lediglich in der Bogenübernahme und einer zusätzlichen Bogenstabilisierung. Mit diesem Bestandteil ist insoweit vorsichtig umzugehen, als Tl im Infraroten ebenfalls Linien besitzt und dort ähnlich wie Na, K oder Ca wirkt.Radiation contributions of Na, K and Ca should preferably be omitted entirely or at least to the extent that the criterion described remains dominant for the dominance of the molecular radiation. The embodiment contains a small amount of thallium iodide TlI. Tl is conventionally used to increase the efficiency due to its resonance line at 535 nm. Figures 4 to 6 show that this makes no significant contribution to the radiation. The function of the TlI consists here only in the sheet transfer and an additional sheet stabilization. In this respect, care must be taken with this component, as Tl also has lines in the infrared and acts there similar to Na, K or Ca.
Die Konditionen in der Lampe sollen also so ausgestaltet sein, dass die atomare Linienabstrahlung in einem möglichst großen Spektralbereich des Kontinuums im Sichtbaren keine wesentliche Rolle spielt, das Plasma also in diesem Wellenlängenbereich für diese Strahlung im Wesentlichen optisch dick ist bzw. diese Strahlung in geringerem Umfang erzeugt wird. Gleichzeitig soll die molekulare Abstrahlung von Seltenerdhalogeniden, insbesondere -monohalogeniden, aus dem Plasma in maximaler Weise ge- fördert werden, insbesondere dadurch, dass eine Bogenküh- lung durch Abstrahlung in dem Spektralbereich, in dem das Plasma nicht mehr hinreichend optisch dick ist, minimiert wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erstreckt sich dieser Spektralbereich von 380 nm bis ca. 600 nm und ist damit relativ groß. Derartig große Bereiche sind allerdings nicht zwingend.The conditions in the lamp should therefore be designed so that the atomic line emission in a broad spectral range of the continuum in the visible does not play a significant role, the plasma is therefore substantially optically thick in this wavelength range for this radiation or this radiation to a lesser extent is produced. At the same time, the molecular emission of rare earth halides, in particular monohalides, from the plasma should be maximally promoted, in particular by minimizing arc cooling by radiation in the spectral region in which the plasma is no longer sufficiently optically thick , In the present embodiment, this spectral range extends from 380 nm to about 600 nm and is thus relatively large. However, such large areas are not mandatory.
Kommerzielle Lampen zeigen Linienanteile von deutlich ü- ber 20 %. Ein Beispiel zeigt Figur 18. Hier handelt es sich um eine Lampe mit keramischem Entladungsgefäß des Typs HCI-TS WDL 150W (Hersteller OSRAM), die nach zehn Stunden Brenndauer spektral in einer Ulbricht-Kugel ver- messen wurde. Hier ergibt sich ein Wert AL von 35 % Atomlinienanteil. Figur 10 zeigt die bereits beschriebene konstruierte Kurve für den Untergrund.Commercial lamps show line shares of well over 20%. An example is shown in FIG. 18. This is a lamp with a ceramic discharge vessel of the type HCI-TS WDL 150W (manufacturer OSRAM), which spectrally illuminates in an integrating sphere after ten hours of burning time. was measured. This results in a value AL of 35% atomic content. FIG. 10 shows the already described constructed curve for the underground.
Eine andere Hochdruckentladungslampe mit keramischem Ent- ladungsgefäß des Typs CDM-TD 942 150W (Hersteller Philips) mit Spektralverteilung gemäß Figur 19 zeigt einen AL-Wert von 37 %.Another high-pressure discharge lamp with ceramic discharge vessel of the type CDM-TD 942 150W (manufacturer Philips) with spectral distribution according to FIG. 19 shows an AL value of 37%.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird nachfolgend die Realisierung einer molekülstrahlungsdomi- nierten vorzugsweise Hg-freien Hochdruckentladungslampe beschrieben, welche sich durch gute Effizienz und Farbwiedergabe über einen großen Leistungsbereich auszeichnet .In a particularly preferred embodiment, the realization of a molecular radiation-dominated preferably Hg-free high-pressure discharge lamp is described below, which is characterized by good efficiency and color reproduction over a wide power range.
Bisher wurde gezeigt, dass die alleinige Verwendung beispielsweise des TmI3 als Molekülstrahler eine relativ empfindliche Leistungsabhängigkeit des Farbabstandes ΔC in Kauf nimmt. Geringe Abweichungen der Leistung vom Arbeitspunkt mit ΔC = 0 führen zu größeren ΔC-Werten, welche mit zunehmender Leistung sehr steil von positiven zu negativen Werten übergehen. Ein ähnliches Verhalten findet man auch bei anderen Seltenen Erden. Die Verwendung von z.B. DyI3 führt hingegen zu einer ΔC (P) -Kennlinie, bei der ΔC streckenweise mit zunehmender Leistung von negativen Werten zu positiven Werten übergeht - entgegenge- setzt zur Kennlinie von TmI3. Eine ähnliche Abhängigkeit ergibt sich für die Farbtemperaturen Tn(P). Spektren der jeweils TmI3 bzw. DyI3 enthaltenden Lampen in der Nähe des sog. Arbeitspunktes (ΔC < 2E-3) sind in Figur 12 exemplarisch dargestellt. In den Figuren 10 und 11 sind die Kennlinien für ΔC und Tn gezeigt. Der Bereich des Arbeitspunktes ist gestrichelt eingezeichnet.So far, it has been shown that the sole use of, for example, the TmI 3 as a molecular radiator a relatively sensitive performance dependency of the color distance .DELTA.C accepts. Small deviations of the power from the operating point with ΔC = 0 lead to larger ΔC values, which change very steeply from positive to negative values with increasing power. A similar behavior can be found in other rare earths. By contrast, the use of DyI 3 , for example, leads to a ΔC (P) characteristic, in which ΔC crosses from negative values to positive values with increasing power - in contrast to the characteristic of TmI 3 . A similar dependence results for the color temperatures T n (P). Spectra of the lamps each containing TmI 3 or DyI 3 in the vicinity of the so-called. Operating point (.DELTA.C <2E-3) are shown in Figure 12 by way of example. In Figures 10 and 11 are the Characteristic curves for ΔC and T n are shown. The area of the operating point is shown in dashed lines.
Weitere Ausführungsbeispiele sind in Figur 13 bis 16 gezeigt. Dabei handelt es sich jeweils um eine Hochdruck- entladungslampe mit keramischem Entladungsgefäß auf Basis einer Füllung mit 1 bar Xe, 2 mg A1J3, 0,5 mg TlJ und einem Halogenid eines Seltenerdmetalls. Gezeigt ist das Verhalten der Seltenerdmetalle CeJ3, PrJ3, NdJ3, GdJ3, DyJ3, TmJ3, YbJ2, und HoJ3. Figur 16 verdeutlicht, dass als Vertreter einer ersten Gruppe, bei der die Farbartabweichung ΔC mit steigender Leistung abnimmt, vor allem Tm und Ho in Frage kommen, weil sie streckenweise Werte von ΔC nahe null erreichen bzw. auch streckenweise eine flache Steigung besitzen. Weitere Vertreter dieser Gruppe sind in Fig. 15 gezeigt. Es handelt sich insbesondere um Pr, Ce und Nd, sowie Yb. Als Vertreter einer zweiten Gruppe, bei der die Farbartweichung ΔC mit steigender Leistung zunimmt, kommen vor allem Dy und Gd in Frage, siehe Fig. 16. die zugehörige Farbtemperatur (in Kelvin) ist in Figur 13 und 14 gezeigt.Further exemplary embodiments are shown in FIGS. 13 to 16. These are in each case a high-pressure discharge lamp with a ceramic discharge vessel based on a filling with 1 bar of Xe, 2 mg of A1J3, 0.5 mg of TlJ and a halide of a rare earth metal. Shown is the behavior of the rare earth metals CeJ3, PrJ3, NdJ3, GdJ3, DyJ3, TmJ3, YbJ2, and HoJ3. FIG. 16 illustrates that, as representatives of a first group in which the chromaticity aberration ΔC decreases with increasing power, above all Tm and Ho come into question because they reach values of ΔC close to zero in sections or also have a flat gradient in sections. Further representatives of this group are shown in FIG. These are in particular Pr, Ce and Nd, as well as Yb. As a representative of a second group in which the chromaticity softening ΔC increases with increasing power, above all Dy and Gd come into question, see FIG. 16. The associated color temperature (in Kelvin) is shown in FIGS. 13 and 14.
Konkrete Ausführungsbeispiele, die sich auf H0I3 und auch GdI3 beziehen, werden in Figur 10 und 11 erläutet. Die Hochdruckentladungslampe mit keramischem Entladungsgefäß hat als Füllung 1 bar Xe, 2 mg A1J3, 0,5 mg TlJ und 4 mg HoJ3 (Beispiel Raute) sowie auf Basis einer Füllung mit 1 bar Xe, 2 mg A1J3, 0,5 mg TlJ und 4 mg GdJ3 (Beispiel Stern) dargestellt. Angegeben ist jeweils ΔC(P) nahe Null (ΔC in Einheiten von 10~3) , siehe Figur 10, und die Farbtemperatur Tn (in K), siehe Figur 11. Beide Größen sind als Funktion der Leistung (P) im Bereich 50 bis 300 W angegeben. Beide Jodide zeigen eine flachen Verlauf des Farbabstands ΔC(P) bei Leistungsvariation. Bei Verwendung von HoJ3 allein ist die Farbtemperatur als Funktion der Leistungsvariation besonders konstant.Concrete embodiments relating to H0I 3 and GdI 3 , are illustrated in Figures 10 and 11. The high-pressure discharge lamp with ceramic discharge vessel has as filling 1 bar Xe, 2 mg A1J3, 0.5 mg TlJ and 4 mg HoJ3 (example rhombus) and based on a filling with 1 bar Xe, 2 mg A1J3, 0.5 mg TlJ and 4 mg GdJ3 (example star). Indicated are ΔC (P) near zero (ΔC in units of 10 ~3 ), see Figure 10, and the color temperature Tn (in K), see Figure 11. Both magnitudes are in the range 50 to 50 as a function of power (P) 300 W indicated. Both iodides show a flat course of the Color difference ΔC (P) at power variation. When using HoJ3 alone, the color temperature is particularly constant as a function of the power variation.
Eine geeignete Kombination von TmI3 und DyI3 ist beson- ders bevorzugt, weil sie erlaubt, die Leistungsabhängigkeit von ΔC und Tn bei besonders hoher Effizienz gezielt einzustellen. Eine geeignete Kombination ist vorteilhaft eine Mischung, die 25 bis 75 Mol.-% TmI3 enthält, Rest DyI3. Besonders bevorzugt ist ein Anteil von 45 bis 55 Mol.-% TmI3. ein konkretes Beispiele mit einer 1:1- Mischung ist in Figur 10 bzgl. der Farbartabweichung ΔC und in Figur 11 bzgl. der Änderung der Farbtemperatur dargestellt. Gute Ergebnisse liefert außerdem ein Ausführungsbeispiel, bei dem TmI3 und HoI3 zusammen mit DyI3 verwendet wird.A suitable combination of TmI 3 and DyI 3 is particularly preferred because it allows to set the performance dependency of ΔC and T n specifically with particularly high efficiency. A suitable combination is advantageously a mixture containing 25 to 75 mol .-% TmI 3 , remainder DyI3. Particularly preferred is a proportion of 45 to 55 mol .-% TmI 3 . a concrete example with a 1: 1 mixture is shown in FIG. 10 with respect to the chromaticity aberration ΔC and in FIG. 11 with respect to the change of the color temperature. Another good example is the use of TmI3 and HoI3 together with DyI3.
Eine geeignete Kombination dieser beiden Gruppen von Molekülstrahlern führt zu Spektren, die durch einen besonders flachen Verlauf von ΔC(P) nahe Null (ΔC<2E-3) charakterisiert sind, wie Figur 15 und 16 erkennen lassen. Es lässt sich über eine Leistungsvariation von fast 1:2 eine Ausbeute von über 80 lm/W, eine Farbwiedergabe von Ra>=95, eine gute Rotwiedergabe mit R9=74-95 und eine Farbtemperatur, Tn, von ca. 3500 K erreichen, siehe Figur 13 bis 14. Figur 17 zeigt das Abstrahlungsspektrum einer Hochdruckentladungslampe mit Tm/Dy-Mischung wie konkret in Figur 10 und 11 beschrieben.A suitable combination of these two groups of molecular radiators leads to spectra characterized by a particularly flat profile of ΔC (P) close to zero (ΔC <2E-3), as shown in FIGS. 15 and 16. A yield of more than 80 lm / W, a color rendering of Ra> = 95, a good red reproduction with R9 = 74-95 and a color temperature, T n , of about 3500 K can be achieved over a power variation of almost 1: 2 , see Figures 13 to 14. Figure 17 shows the radiation spectrum of a high pressure discharge lamp with Tm / Dy mixture as specifically described in Figures 10 and 11.
Die wichtigsten Parameter des für das Ausführungsbeispiel verwendeten zylindrischen Keramik-Entladungsgefäßes (siehe Figur 1) sind der Innendurchmesser (d = 9,1 mm), die Innenlänge (1 = 13 mm) und der Elektrodenabstand (a = 10 mm) .The most important parameters of the cylindrical ceramic discharge vessel used for the embodiment (see FIG. 1) are the inner diameter (d = 9.1 mm) Inner length (1 = 13 mm) and the electrode distance (a = 10 mm).
Die Füllungen der Lampen enthielten alle 1 bar Xe (Kaltfülldruck) , 2 mg AII3 und 0,5 mg TlI. Zusätzlich waren den Lampen jeweils 4 mg TmI3, 4 mg DyI3 bzw. 2 mg TmI3 + 2 mg DyI3 als dominierende Molekülstrahler hinzugegeben. Anstatt DyI3 oder auch ergänzend zu DyI3 kann bevorzugt GdI3 verwendet werden. The fillings of the lamps all contained 1 bar Xe (cold fill pressure), 2 mg AII 3 and 0.5 mg TlI. In addition, 4 mg TmI 3 , 4 mg DyI 3 and 2 mg TmI 3 + 2 mg DyI 3 were added to the lamps as dominating molecular radiators. Instead of DyI 3 or in addition to DyI 3 GdI 3 may preferably be used.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Hochdruckentladungslampe mit einem Entladungsgefäß1. High-intensity discharge lamp with a discharge vessel
(1), welches enthält:(1), which contains:
- Elektroden (2) ,- electrodes (2),
- zumindest ein Edelgas als Startgas, - zumindest ein Element ausgewählt aus der Gruppe aus Al, In, Mg, Tl, Hg, Zn zur Bogenübernahme und Entladungsgefäßwandheizung und- at least one noble gas as starting gas, - at least one element selected from the group consisting of Al, In, Mg, Tl, Hg, Zn for arc transfer and discharge vessel wall heating and
- zumindest ein Seltenerdhalogenid für die Strahlungserzeugung, welche so ausgelegt ist, dass das erzeugte Licht von Molekülstrahlung dominiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Vertreter aus einer ersten Gruppe von Seltenerdhalogeniden zusammen mit mindestens einem Vertreter aus einer zweien Gruppe von Seltenerdhalogeniden verwendet wird, wobei die erste Gruppe die Eigenschaft hat, dass bei Erhöhung der Leistung P der Lampe in einem vorgegebenen Leistungsintervall der Farbabstand ΔC(P) bei Leistungserhöhung abnimmt, und wobei die zweite Gruppe die Ei- genschaft hat, dass bei Erhöhung der Leistung P der Lampe in diesem vorgegebenen Leistungsintervall der Farbabstand ΔC(P) bei Leistungserhöhung zunimmt.- at least one rare earth halide for radiation generation, which is designed so that the light generated is dominated by molecular radiation, characterized in that at least one representative from a first group of rare earth halides is used together with at least one representative from a second group of rare earth halides, wherein the first group has the property that when the power P of the lamp is increased in a given power interval, the color difference ΔC(P) decreases when the power is increased, and the second group has the property that when the power P of the lamp increases in this Given the specified power interval, the color difference ΔC(P) increases when the power is increased.
2. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, bei der das Edelgas zumindest ein Edelgas ausgewählt aus der Gruppe aus Xe, Ar, Kr ist.2. High-pressure discharge lamp according to claim 1, in which the noble gas is at least one noble gas selected from the group consisting of Xe, Ar, Kr.
3. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 2, bei der der Kaltfüllpartialdruck des Edelgases zwischen 500 mbar und 5 bar liegt. 3. High-pressure discharge lamp according to claim 2, in which the cold filling partial pressure of the noble gas is between 500 mbar and 5 bar.
4. Hochdruckentladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der als Bogenübernahme- und Entla- dungsgefäßwandheizungselement zumindest ein Element ausgewählt ist aus der Gruppe aus Al, In, Mg.4. High-pressure discharge lamp according to one of the preceding claims, in which at least one element is selected from the group of Al, In, Mg as the arc transfer and discharge vessel wall heating element.
5. Hochdruckentladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das erste Seltenerdhalogenid zumindest ein Element ausgewählt aus der Gruppe aus Tm, Ho, Ce, Pr, Nd, enthält.5. High-pressure discharge lamp according to one of the preceding claims, in which the first rare earth halide contains at least one element selected from the group consisting of Tm, Ho, Ce, Pr, Nd.
6. Hochdruckentladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das zweite Seltenerdhalogenid zumindest ein Element ausgewählt aus der Gruppe aus Dy, Gd enthält.6. High-pressure discharge lamp according to one of the preceding claims, in which the second rare earth halide contains at least one element selected from the group consisting of Dy, Gd.
7. Hochdruckentladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der in dem Entladungsgefäß (1) keine für die Abstrahlungseigenschaften relevante Menge Na enthalten ist.7. High-pressure discharge lamp according to one of the preceding claims, in which no amount of Na relevant to the radiation properties is contained in the discharge vessel (1).
8. Hochdruckentladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der in dem Entladungsgefäß (1) keine für die Abstrahlungseigenschaften relevante Menge CaI2 oder K enthalten ist.8. High-pressure discharge lamp according to one of the preceding claims, in which no amount of CaI 2 or K relevant to the radiation properties is contained in the discharge vessel (1).
9. Hochdruckentladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das Entladungsgefäß (1) aus Keramik besteht und für den Farbartunterschied ΔC gilt:9. High-pressure discharge lamp according to one of the preceding claims, in which the discharge vessel (1) consists of ceramic and the following applies to the chromaticity difference ΔC:
I ΔC I < 10"2.I ΔC I < 10 "2 .
10. Hochdruckentladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der für die Lichtausbeute η gilt: η > 90 lm/W. 10. High-pressure discharge lamp according to one of the preceding claims, in which the luminous efficacy η applies: η > 90 lm/W.
11. Hochdruckentladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der für den Farbwiedergabeindex Ra gilt: Ra > 90.11. High-pressure discharge lamp according to one of the preceding claims, in which the color rendering index Ra applies: Ra > 90.
12. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 4 oder 5, bei der das Bogenübernahme- und Entladungsgefäßwandhei- zungselement und/oder das Seltenerdelement in Form eines Iodids oder Bromids eingefüllt wurde.12. High-pressure discharge lamp according to claim 4 or 5, in which the arc transfer and discharge vessel wall heating element and / or the rare earth element was filled in the form of an iodide or bromide.
13. Hochdruckentladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der für den Atomlinienanteil AL gilt: AL < 40 %, wobei gilt:13. High-pressure discharge lamp according to one of the preceding claims, in which the following applies to the atomic line component AL: AL <40%, whereby the following applies:
OO OOOO OO
worin : V(λ) die helladaptierte Augenempfindlichkeit des menschlichen Auges ist, where: V(λ) is the light-adapted eye sensitivity of the human eye,
Im(λ) die bei einer Messung in einer Ulbricht-Kugel mit einer Auflösung zwischen einschließlich 0,35 nm und 0,25 nm gemessene oder bei höherer Messauflösung auf eine Auflösung in diesem Bereich durch eine Mittelwertbildung umgerechnete spektrale Intensitätsverteilung der Hochdruckentladungslampe ist und I11 (λ) eine den kontinuierlichen Untergrund des gemessenen Intensitätsverlaufs Im(λ) annähernde Modell- funktion ist, die bestimmt wird durch I m (λ) is the spectral intensity distribution of the high-pressure discharge lamp measured during a measurement in an integrating sphere with a resolution between 0.35 nm and 0.25 nm or, in the case of a higher measurement resolution, converted to a resolution in this range by averaging and I 11 (λ) is a model function approximating the continuous background of the measured intensity curve I m (λ), which is determined by
1. Bestimmen einer Funktion Ihi (λ) mit den in Intervallen der Breite 30 nm um den jeweiligen Wellenlängenwert vorliegenden Minima von Im(λ),1. Determine a function I h i (λ) with the minima of I m (λ) present in intervals of width 30 nm around the respective wavelength value,
2. Bestimmen einer weiteren Funktion Ih2 (λ) mit den in den Intervallen der Breite 30 nm um den jeweiligen Wellenlängenwert vorliegenden Maxima von Ihi (λ) und2. Determine a further function I h 2 (λ) with the maxima of Ihi (λ) and present in the intervals of width 30 nm around the respective wavelength value
3. Bestimmen der Funktion I11 (λ) mit den in den Intervallen der Breite 30 nm um den jeweiligen WeI- lenlängenwert vorliegenden jeweiligen arithmetischen Mittelwerten von Ih2 (λ) .3. Determine the function I 11 (λ) with the respective arithmetic mean values of I h2 (λ) present in the intervals of width 30 nm around the respective wavelength value.
14. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 13, bei der das Entladungsgefäß (1) aus Keramik besteht und für AL gilt: AL < 20 %.14. High-pressure discharge lamp according to claim 13, in which the discharge vessel (1) consists of ceramic and the following applies to AL: AL <20%.
15. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 13, bei der das Entladungsgefäß (1) aus Quarzglas besteht und für AL gilt: AL < 30 %.15. High-pressure discharge lamp according to claim 13, in which the discharge vessel (1) consists of quartz glass and the following applies to AL: AL <30%.
16. Beleuchtungssystem mit einer Hochdruckentladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche und einem e- lektronischen Vorschaltgerät zum Betrieb der Hochdruckentladungslampe . 16. Lighting system with a high-pressure discharge lamp according to one of the preceding claims and an electronic ballast for operating the high-pressure discharge lamp.
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