EP2294605A1 - Metallhalogenidentladungslampe mit hochdruck-puffergas - Google Patents

Metallhalogenidentladungslampe mit hochdruck-puffergas

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EP2294605A1
EP2294605A1 EP09772262A EP09772262A EP2294605A1 EP 2294605 A1 EP2294605 A1 EP 2294605A1 EP 09772262 A EP09772262 A EP 09772262A EP 09772262 A EP09772262 A EP 09772262A EP 2294605 A1 EP2294605 A1 EP 2294605A1
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EP
European Patent Office
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discharge lamp
pressure discharge
lamp according
pressure
filling
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EP09772262A
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English (en)
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Andreas Kloss
Bernhard Schalk
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Osram GmbH
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Osram GmbH
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    • Y02B20/00—Energy efficient lighting technologies, e.g. halogen lamps or gas discharge lamps

Definitions

  • the invention relates to a high-pressure discharge lamp according to the preamble of claim 1.
  • Such lamps are in particular high-pressure discharge lamps with ceramic discharge vessel or quartz glass vessel for general lighting.
  • WO 98/25294 discloses a high-pressure discharge lamp in which a metal halide filling is used together with a ceramic discharge vessel.
  • the filling also includes Hg and inert gas with a cold filling pressure of typically 250 mbar.
  • Phase control is known, for example, from DE102005009940.
  • the object of the present invention is to provide a high-pressure discharge lamp with metal halide filling and Hg and noble gas, in which simple means of operation on a designed for higher power ballast is possible.
  • the cause of restarting peak during the reinsertion of current flow is connected to the cooling Verrin ⁇ delay the electrical conductivity.
  • the reduction is particularly pronounced because metal halide fillings contain free halogens. Due to their high electronegativity, these are particularly electron-consuming, especially iodine and bromine.
  • the invention proposes to use a noble gas under high pressure as a buffer gas.
  • the pressure should be between 4 and 8 bar.
  • a cold filling pressure between 5 and 7 bar, wherein Argon, krypton and neon and mixtures thereof are suitable as inert gas above all.
  • a typical content of Hg is 25 to 200 ⁇ mol / cm 3 , corresponding to 5 to 40 mg / cm 3 Hg.
  • the function of the inert gas is not here to provide instant light, as has long been known for xenon under high pressure, but the absolute heat capacity to increase significantly the plasma and thereby equal ⁇ time to increase the thermal conductivity only to a small extent.
  • metal halide lamps which are used as a retrofit solution for conventional high-pressure mercury lamps used, for example, in street lighting.
  • the novel lamps have a much better color reproduction compared to mercury and sodium high-pressure lamps and, moreover, a higher efficiency.
  • the discharge vessel is preferably made of aluminum-containing ceramic such as PCA or YAG, AlN, or A1YO3. But it can also consist of quartz glass. Both are known per se from the prior art. The choice of filling metals is not subject to any particular restrictions. -A-
  • Typical metals are rare earth metals, Na and thallium.
  • the newly proposed concept is also suitable for mixing ⁇ light lamps with a discharge vessel having a Metallha- logenid Stung.
  • a filament is used as a dropping resistor instead of a choke.
  • the power reduction is preferably selected in the range 95 to 55%.
  • a phase control is used as power blanking before ⁇ Trains t used, but other concepts are not excluded.
  • the voltage regimenge ⁇ set is a common alternating voltage, ty ⁇ pisch are sine and square wave voltages. The concept is also suitable for protection against short-term grid interruptions that can occur in less developed countries.
  • the concept according to the invention is particularly suitable for lamps of low power in the range of 15 to 400 W.
  • Fig. 2 is a diagram showing the principle of phase-section control
  • FIG. 3 is a diagram showing the re-ignition peak as a function of the duration of the phase-section control
  • FIG. Fig. 4 is a graph showing the re-ignition voltage as a function of the blanking time for various lamp types (4a) and (4b).
  • FIG. 1 shows schematically a metal halide lamp 1. It consists of a discharge vessel 2 made of ceramic, in which two electrodes are inserted (not visible). The
  • Discharge vessel has a central part 5 and two ends
  • Capillaries are executed.
  • the discharge vessel and the seals are integrally made of a material such as PCA.
  • the discharge vessel 2 is surrounded by an outer bulb ⁇ ben. 7
  • the discharge vessel 2 is in the outer bulb by means of ei ⁇ nes frame which includes a short and a long power supply 11 a and IIb supported.
  • the discharge vessel contains a filling which is typically Hg
  • iodides (15 mg / cm 3 ) and 5 to 30 mg / cm 3 of iodides of metals.
  • the iodides can partially or completely through
  • a typical filling comprises Na, Dy, Tm, Ce and thallium as metals.
  • As a noble gas is
  • Figure 2 shows schematically a sine AC power source (curve d) imprinted with a phase control between 50 and 100% as a function of time t (in ms).
  • Curve c stands for 95%, curve b for 55% and curve a for 50%.
  • the apex of the current I (in amps) grows there in ⁇ with increasing duration of the phase section and is most largest at curve a, so that no loss in the luminous flux has to be accepted.
  • FIG. 3 shows, by way of example for the ratios of FIG. 2, the influence of the duration of the zero-current phase on the re-ignition behavior of the burning voltage U (in volts) of a conventional lamp without high inert gas pressure.
  • the voltage curve shows no feature in the absence of (curve d) or low zero-current phase (curve c).
  • curve d the absence of
  • curve c low zero-current phase
  • increas ⁇ mender zero current phase is in the range of about 0 to 50% of the total phase period, assumes the Wiederzündspit- ze U max significantly (curve b and a).
  • Figure 4 shows the increase of the re-ignition voltage (in V) as a function of the blanking time (in ms) for different lamp types.
  • the behavior in a conventional filling of a metal halide lamp MH (70 W power) with low inert gas pressure (250 mbar) is shown in FIG. 4 a (curve MH).
  • the restarting peak ⁇ be already achieved after just 2 ms the critical value of 330 V, which is the threshold for the re-ignition at mains voltage.
  • FIG. 4a also shows the conditions for a typical high- pressure sodium lamp (curve NAH), which does not know the problem due to a lack of halogen-containing filling. There he is ⁇ maintenance according to virtually determine no increase in relight ⁇ tension. In a filling according to the invention (curve MH 35 watts, 6 bar argon) in Figure 4b) this critical value is not reached even after 5 ms, in contrast to a filling with 2 bar noble gas pressure curve MH 35 watts 2 bar argon) ,
  • the time window of 5 ms in this specific embodiment is the maximum value of a zero-current phase, which can occur with a blanking down to a maximum of 55%. Despite maximum blanking, a reliable re-ignition is ensured in the next phase.

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  • Discharge Lamps And Accessories Thereof (AREA)

Abstract

Die Hochdruckentladungslampe weist eine Metallhalogenidfüllung auf, wobei als Halogen Jod oder Brom verwendet wird. Daneben wird Edelgas und Hg eingesetzt, wobei der Kaltfülldruck des Edelgases im Bereich 4 bar bis 8 bar liegt. Eine derartige Lampe ist gegen Nullstromphasen bis zu 5 ms Dauer abgesichert.

Description

METALLHALOGENIDENTLADUNGSLAMPE MIT HOCHDRUCK- PUFFERGAS
Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einer Hochdruckentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Lampen sind insbesondere Hochdruckentladungslampen mit kerami- schem Entladungsgefäß oder auch Quarzglasgefäß für die Allgemeinbeleuchtung .
Stand der Technik
Die WO 98/25294 offenbart eine Hochdruckentladungslampe, bei der eine Metallhalogenidfüllung zusammen mit einem keramischen Entladungsgefäß verwendet wird. Die Füllung umfasst außerdem Hg und Edelgas mit einem Kaltfülldruck von typisch 250 mbar.
Eine Phasenabschnittssteuerung ist beispielsweise aus DE102005009940 bekannt.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hochdruckentladungslampe mit Metallhalogenidfüllung und Hg sowie Edelgas bereitzustellen, bei der mit einfachen Mitteln der Betrieb an einem für höhere Leistungen ausgeleg- ten Vorschaltgerät möglich ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merk¬ male des Anspruchs 1.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen. Die Verringerung der Leistung bei gattungsgemäßen Lampen wird üblicherweise mittels einer Leistungsaustastung rea¬ lisiert. Eine übliche Maßnahme ist dafür eine Phasenab¬ schnittssteuerung. Dazu wird eine mehr oder weniger lange Stromnullphase in die zeitlich variable Leistungseinspei¬ sung eingebaut. Am Ende dieser Nullphase des Stroms soll wieder Strom durch die Lampe fließen. Da aber während dieser Nullphase das Plasma abkühlt und damit seine e- lektrische Leitfähigkeit verringert oder mehr oder weni- ger verliert, stellt dies einen permanenten Widerzündvorgang dar. Dieser ist mit einer entsprechenden Wiederzünd- spitze in der Spannung verbunden. Ist diese Wiederzünd¬ spannung höher als die zur Verfügung stehende externe Spannung (aus der Netzspannung abgeleitet) , kommt es zum Verlöschen der Lampe.
Die Ursache der Widerzündspitze beim Wiedereinsetzen des Stromflusses ist die mit der Abkühlung verbundene Verrin¬ gerung der elektrischen Leitfähigkeit. Die Verringerung ist besonders ausgeprägt, weil Metallhalogenidfüllungen freie Halogene enthalten. Diese sind wegen ihrer hohen Elektronegativität besonders elektronenzehrend, vor allem gilt dies für Jod und Brom.
Bei Lampentypen, die ohne Halogen auskommen, wie beispielsweise Quecksilber- oder Natriumhochdrucklampen, ist dieses Problem dagegen nicht gegeben.
Um eine Leistungsaustastung auch bei halogenhaltiger Füllung zu ermöglichen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, ein Edelgas unter hohem Druck als Puffergas zu verwenden. Der Druck sollte dabei zwischen 4 und 8 bar liegen. Be- vorzugt ist ein Kaltfülldruck zwischen 5 und 7 bar, wobei sich als Edelgas vor allem Argon, Krypton und Neon und Mischungen daraus eignet. Diese ermöglichen im Vergleich zu Xenon geringere Wiederzündspitzen . Sie sind außerdem deutlich kostengünstiger.
Ein typischer Gehalt an Hg ist dabei 25 bis 200 μmol/cm3, entsprechend 5 bis 40 mg/cm3 Hg.
Die Funktion des Edelgases ist hier nicht, Sofortlicht bereitzustellen, wie dies für Xenon unter hohem Druck seit langem bekannt ist, sondern die absolute Wärmekapa- zität des Plasmas deutlich zu erhöhen und dabei gleich¬ zeitig die Wärmeleitfähigkeit nur in geringem Umfang zu erhöhen .
Mit dieser Maßnahme wird die Abkühlung des Plasmas wäh¬ rend der Stromnullphase verringert. Somit kommt es zu ei- ner geringeren Erniedrigung der elektrischen Leitfähigkeit. Die Wiederzündspannung am Ende der Stromnullphase wird verringert.
Damit ist es möglich, Metallhalogenidlampen bereitzustellen, die als Retrofitlösung für konventionelle Quecksil- berhochdrucklampen verwendet werden, die beispielsweise in der Straßenbeleuchtung eingesetzt werden. Die neuartigen Lampen haben verglichen mit Quecksilber- und Natriumhochdrucklampen eine deutlich bessere Farbwiedergabe und überdies eine höhere Effizienz.
Das Entladungsgefäß besteht bevorzugt aus aluminiumhalti- ger Keramik wie PCA oder auch YAG, AlN, oder A1YO3. Es kann aber auch aus Quarzglas bestehen. Beides ist an sich aus dem Stand der Technik bekannt. Auch die Wahl der Metalle der Füllung unterliegt keiner besonderen Einschrän- -A-
kung. Typische Metalle sind Seltenerdmetalle, Na und Thallium.
Das neu vorgestellte Konzept eignet sich auch für Misch¬ lichtlampen mit einem Entladungsgefäß, das eine Metallha- logenidfüllung aufweist. Hier wird eine Glühwendel als Vorwiderstand anstatt einer Drossel verwendet.
Die Leistungsreduktion wird bevorzugt im Bereich 95 bis hinab zu 55% gewählt. Als Leistungsaustastung wird bevor¬ zugt eine Phasenabschnittsteuerung eingesetzt, aber auch andere Konzepte sind nicht ausgeschlossen. Die bereitge¬ stellte Spannung ist eine übliche Wechselspannung, ty¬ pisch sind Sinus- und Rechteckspannungen. Das Konzept eignet sich außerdem für eine Sicherung gegen kurzzeitige Netzunterbrechungen, wie sie in weniger entwickelten Län- dern auftreten können.
Das erfindungsgemäße Konzept ist vor allem für Lampen kleiner Leistung im Bereich 15 bis 400 W geeignet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Die Figuren zei- gen:
Fig. 1 eine Hochdruckentladungslampe mit Entladungsgefäß;
Fig. 2 ein Diagramm, das das Prinzip der Phasenabschnittssteuerung zeigt;
Fig. 3 ein Diagramm, das die Widerzündspitze in Abhängig- keit von der Dauer der Phasenabschnittsteuerung zeigt; Fig. 4 ein Diagramm, das die Wiederzündspannung als Funktion der Austastzeit für verschiedene Lampentypen (4a) und (4b) zeigt.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
Figur 1 zeigt schematisch eine Metallhalogenidlampe 1. Sie besteht aus einem Entladungsgefäß 2 aus Keramik, in das zwei Elektroden eingeführt sind (nicht sichtbar) . Das
Entladungsgefäß hat einen zentralen Teil 5 und zwei Enden
4. An den Enden sitzen zwei Abdichtungen 6, die hier als
Kapillaren ausgeführt sind. Bevorzugt ist das Entladungs- gefäß und die Abdichtungen integral aus einem Material wie PCA hergestellt.
Das Entladungsgefäß 2 ist von einem Außenkolben 7 umge¬ ben. Das Entladungsgefäß 2 ist im Außenkolben mittels ei¬ nes Gestells, das eine kurze und lange Stromzuführung 11 a und IIb beinhaltet, gehaltert.
Das Entladungsgefäß enthält eine Füllung, die typisch Hg
(15 mg/cm3) und 5 bis 30 mg/cm3 Jodide von Metallen um- fasst. Die Jodide können teilweise oder vollständig durch
Bromide ersetzt sein. Eine typische Füllung weist Na, Dy, Tm, Ce und Thallium als Metalle auf. Als Edelgas wird
Krypton unter einem Druck von 6 bar kalt verwendet.
Figur 2 zeigt schematisch eine Sinus-Wechselstromquelle (Kurve d) , der eine Phasenabschnittssteuerung zwischen 50 und 100 % aufgeprägt ist, als Funktion der Zeit t (in ms) . Kurve c steht für 95%, Kurve b für 55% und Kurve a für 50%. Der Scheitel des Stroms I (in Ampere) wächst da¬ bei mit zunehmender Dauer des Phasenabschnitts und ist am größten bei Kurve a, so dass keine Einbuße im Lichtstrom hingenommen werden muss.
Figur 3 zeigt exemplarisch für die Verhältnisse der Figur 2 den Einfluss der Dauer der Nullstromphase auf das Wie- derzündverhalten der Brennspannung U (in Volt) einer konventionellen Lampe ohne hohen Edelgasdruck. Der Spannungsverlauf zeigt bei fehlender (Kurve d) oder geringer Nullstromphase (Kurve c) keine Besonderheit. Mit zuneh¬ mender Nullstromphase, die im Bereich von etwa 0 bis 50 % der gesamten Phasendauer liegt, nimmt die Wiederzündspit- ze Umax deutlich zu (Kurve b und a) .
Absolute Zeitdauern der Nullstromphase bis etwa 5 ms las¬ sen sich jedoch gut durch einen hohen Kaltfülldruck an Edelgas überbrücken. Trotz langer Nullstromphase bildet sich keine Wiederzündspitze aus (Kurve f) .
Figur 4 zeigt das Ansteigen der Wiederzündspannung (in V) als Funktion der Austastzeit (in ms) für verschiedene Lampentypen. Dabei ist in Figur 4a das Verhalten bei einer konventionellen Füllung einer Metallhalogenidlampe MH (70 W Leistung) mit geringem Edelgasdruck (250 mbar) gezeigt (Kurve MH) . Hier erreicht die Widerzündspitze be¬ reits nach knapp 2 ms den kritischen Wert von 330 V, der bei Netzspannung die Schwelle für das Wiederzünden darstellt.
Figur 4a zeigt außerdem die Verhältnisse für eine typi¬ sche Natriumhochdrucklampe (Kurve NAH) , die das Problem mangels halogenhaltiger Füllung nicht kennt. Dort ist er¬ wartungsgemäß praktisch gar kein Anstieg der Wiederzünd¬ spannung festzustellen. Bei einer erfindungsgemäßen Füllung (Kurve MH 35 Watt, 6 bar Argon) in Figur 4b) wird dieser kritisch Wert auch nach 5 ms noch nicht erreicht, im Gegensatz zu einer Füllung mit 2 bar Edelgasdruck, Kurve MH 35 Watt 2 bar Ar- gon) .
Das Zeitfenster von 5 ms ist in diesem konkreten Ausführungsbeispiel der maximale Wert einer Nullstromphase, der bei einer Austastung bis herab zu maximal 55% auftreten kann. Trotz maximaler Austastung wird somit eine zuver- lässige Wiederzündung in der nächsten Phase sichergestellt.

Claims

Ansprüche
1. Hochdruckentladungslampe, die für den Betrieb an Netzspannung bestimmt ist, mit einem Entladungsge¬ fäß, das ein Entladungsvolumen umgibt, wobei eine Füllung, die Metallhalogenide, Quecksilber und E- delgas aus der Gruppe Neon, Argon, Krypton, Xenon enthält, im Entladungsvolumen untergebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung zumindest eines der Halogene Jod und Brom enthält, wobei eine Nullstromphase in der Spannungsversorgung dadurch überbrückt wird, dass der Kaltfülldruck des Edelga¬ ses im Bereich 4 bis 8 bar gewählt ist.
2. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nullstromphase bewusst durch eine Leistungsaustastung regelbar ist, die hinunter bis zu 55% der gesamten Phasendauer der Netzspannung reicht.
3. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsaustastung durch eine Phasenabschnittssteuerung erzielt wird.
4. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Edelgas Argon, Krypton o- der Neon ist.
5. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kaltfülldruck des Edelga- ses im Bereich 5 bis 7 bar gewählt ist.
6. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Hg im Bereich 5 bis 40 mg/cm3 gewählt ist.
7. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Entladungsgefäß aus Kera¬ mik gefertigt ist,
8. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lampe eine Retrofitlampe für Straßenbeleuchtung ist.
9. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nullstromphase sich über eine Zeitdauer von bis zu 5 ms erstreckt.
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