WO2008148690A1 - Hochdruckentladungslampe mit verbesserter zündvorrichtung sowie zündvorrichtung für eine gasentladungslampe - Google Patents

Hochdruckentladungslampe mit verbesserter zündvorrichtung sowie zündvorrichtung für eine gasentladungslampe Download PDF

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    • H05B41/04—Starting switches
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01J61/02—Details
    • H01J61/54—Igniting arrangements, e.g. promoting ionisation for starting

Definitions

  • the invention is based on a high-pressure discharge lamp according to the preamble of claim 1. Such lamps are in particular high-pressure discharge lamps for general lighting or for photo-optical purposes.
  • the invention further relates to an ignition device with an improved method of operation, which can be used in particular for such a lamp.
  • a spiral pulse generator 1 consists of a winding of two conductive layers, between which an insulating material comes to rest.
  • the insulating material may be a high dielectric constant material or a high permeability material or a mixture of both materials.
  • FIG. 2a shows the representation of a schematic structure of a spiral pulse generator 1.
  • the conductive layer A is contacted at the end points A1 and A2.
  • the parallel layer B is contacted only at an end point Bl.
  • the terminal Al is connected to the voltage Uo, as provided by the electronic control gear.
  • the connection A2 is the output and connected to the gas discharge lamp.
  • the terminal Bl of the conductive layer B is connected via a charging resistor 7 to the ground terminal.
  • the two conductive layers with the intervening dielectric form a capacitor which is charged via the terminals Al and Bl to the open circuit voltage Uo.
  • the connections Al and Bl are connected to a fast switch 3, such as a spark gap.
  • the switch will turn on at a certain threshold voltage that is slightly below Uo.
  • a voltage pulse forms on the spiral pulse generator, which runs from the point of the switch like a wave along the spiral pulse generator to the point A2, where it is reflected and runs back again.
  • a voltage UA builds up at the point A2, which voltage can be expressed by 2 xnx Uo x ⁇ , where ⁇ is the efficiency of the spiral pulse generator.
  • the spiral pulse generator now used is in particular a so-called LTCC component.
  • This material is a special ceramic that can be made temperature resistant to 500 0 C or 600 0 C.
  • LTCC has already been used in connection with lamps, see US 2003/0001519 and US Pat. No. B 6,853,151. However, it has been used for quite different purposes in lamps that are practically barely exposed to temperature, with typical temperatures below 100 ° C.
  • the particular value of the high temperature stability of LTCC in connection with the ignition of high pressure discharge lamps, especially metal halide lamps with ignition problems, has not been recognized so far.
  • the object of the present invention is therefore to provide a high-pressure discharge lamp with an integrated ignition device which, after a sudden extinguishing of the lamp during a period of time which is typically required for cooling the burner, stops all ignition attempts.
  • the charging resistor 7, which is required for charging the integrated spiral pulse generator 1, is partly or completely replaced by a cold conductor 73, which heats up with the lamp 55, and in the hot state, the resistance of PTC thermistor 73 is dimensioned such that the threshold voltage of the threshold switch 3 is not reached. Thus, no high-voltage pulses are generated more, and reliably prevent ignition attempts at hot lamp 55.
  • FIG. 1 Basic structure of a gas discharge lamp containing an ignition arrangement with a spiral pulse generator in the outer bulb according to the prior art.
  • FIG. 2a Basic structure of a spiral pulse generator.
  • FIG. 2b Simplified illustration of a spiral pulse generator.
  • FIG. 3 Construction according to the invention of a gas discharge lamp containing an ignition arrangement with a spiral pulse generator in the outer bulb.
  • Fig. 4 Waveforms of relevant voltages for a hot and a cold lamp.
  • Fig. 5 Typical resistance behavior of a PTC thermistor over temperature.
  • FIG. 3 shows the basic construction of a high-pressure discharge lamp 55 according to the invention with an igniter 137 integrated in the outer bulb 51, which comprises a spiral pulse generator 1, a threshold value switch 3 and a charging resistor 7.
  • the charging resistor 7 consists here wholly or partly of a PTC thermistor 73, which, depending on the design, a resistor 71 is connected in series.
  • the PTC thermistor 71 is arranged in the lamp envelope so that it is heated by the burner 5 of the high-pressure discharge lamp 55 via radiation exchange or convection.
  • the lamp voltage U 0 is present at the lamp contacts 13, 15.
  • the spiral pulse generator is charged via the charging resistor 7 with this voltage until the voltage at the spiral pulse generator exceeds the threshold voltage of the threshold switch 3. Due to the fact that the PTC thermistor is good conductive, only little voltage drops at the charging resistor and the spiral pulse generator is charged quickly.
  • the threshold value switch is preferably a spark gap. As soon as the spark gap breaks through, an ignition pulse is generated and the process begins again.
  • the resistance of the PTC thermistor 73 drops to a value that allows an ignition again.
  • the spiral pulse generator 1 is slowly recharged to a voltage which is above the breakdown voltage of the spark gap 3, and it is again an ignition Due to the fact that the thermistor 73 is in direct radiation exchange with this and the surrounding outer bulb 51 even after the burner 5 has been extinguished, it cools down with approximately the same time constant as the outer bulb. As a result, an ignition is really only possible again when the lamp has cooled sufficiently.
  • Signal 41 shows the open circuit voltage applied to the lamp.
  • Signal 43 is the voltage waveform on the spiral pulse generator when the lamp is cold. The voltage 43 rises up to the breakdown voltage 47 of the spark gap, in order then to rapidly become zero again due to the short circuit. This is repeated three times within a half-wave.
  • Signal 45 represents the voltage at the spiral pulse generator when the spark gap is hot. The voltage increases much more slowly due to the high resistance and does not reach the breakdown voltage of the spark gap. This will not ignite when the lamp is hot

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Abstract

Hochdruckentladungslampe mit einem Entladungsgefäß (5), das in einem Außenkolben (51) untergebracht ist, wobei eine Zündvorrichtung (137) in der Lampe integriert ist, die zumindest einem Spiral-Puls-Generator (1) beinhaltet, der Hochspannungspulse in der Lampe erzeugt, wobei die Zündvorrichtung (137) einen Ladewiderstand (7) beinhaltet, der ganz oder teilweise durch einem Kaltleiter (73) gebildet wird.

Description

Be s ehre ibung
[1] Hochdruckentladungslampe mit verbesserter Zündvorrichtung sowie Zündvorrichtung für eine Gasentladungslampe .
Technisches Gebiet
[2] Die Erfindung geht aus von einer Hochdruckentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Lampen sind insbesondere Hochdruckentladungslampen für Allgemeinbeleuchtung oder für fotooptische Zwecke. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Zündvorrichtung mit einem verbesserten Betriebsverfahren, die insbesondere für solch eine Lampe eingesetzt werden kann.
Stand der Technik
[3] Das Problem der Zündung von Hochdruckentladungslampen wird derzeit dadurch gelöst, dass das Zündgerät in das Vorschaltgerät integriert ist. Nachteilig daran ist, dass die Zuleitungen hochspannungsfest ausgelegt sein müssen .
[4] In der Vergangenheit hat es immer wieder Versuche gegeben, die Zündeinheit in die Lampe zu integrieren. Hauptsächlich wurde versucht, sie in den Sockel zu integrieren. Eine besonders effektive und hohe Pulse versprechende Zündung gelingt mittels sog. Spiral-Puls- Generatoren, wie sie z.B. in US-A 3 289 015 offenbart sind. Vor längerer Zeit wurden derartige Geräte bei ver- schiedenen Hochdruckentladungslampen wie Metallhalogenid- lampen oder Natriumhochdrucklampen vorgeschlagen, siehe beispielsweise US-A 4 325 004 und US-A 4 353 012. Sie konnten sich jedoch nicht durchsetzen, weil sie einerseits zu teuer sind. Zum andern ist der Vorteil, sie in den Sockel einzubauen, nicht ausreichend, da das Problem des Zuführens der Hochspannung in den Kolben bleibt. Daher steigt die Wahrscheinlichkeit für Schädigungen der Lampe, seien es Isolationsprobleme oder ein Durchbruch im Sockel stark an. Bisher übliche Zündgeräte konnten im allgemeinen nicht über 100°C-150°C erwärmt werden. Die erzeugte Spannung musste dann der Lampe zugeführt werden, was Leitungen und Lampenfassungen mit entsprechender Hochspannungsfestigkeit erfordert, typisch sind etwa 5 kV oder mehr.
[5] Im folgenden soll die Funktionsweise eines Spiral- Puls-Generators kurz anhand der Figuren 1 sowie 2a und b erläutert werden. Ein Spiral-Puls-Generator 1 besteht aus einer Wicklung zweier leitender Schichten, zwischen denen ein Isolationsmaterial zu liegen kommt. Das isolationsma- terial kann ein Material mit hoher Dielektrizitätskonstante oder ein Material mit hoher Permeabilität oder eine Mischung aus beiden Materialien sein. Fig. 2a zeigt die Darstellung eines schematischen Aufbaus eines Spiral-Puls-Generators 1. Die leitende Schicht A ist an den Endpunkten Al und A2 kontaktiert. Die parallel verlaufende Schicht B ist lediglich an einem Endpunkt Bl kontaktiert. Der Anschluss Al liegt an der Spannung Uo, wie sie das elektronische Betriebsgerät zur Verfügung stellt. Der Anschluss A2 ist der Ausgang und an die Gasentladungslampe angeschlossen. Der Anschluss Bl der leitenden Schicht B ist über einen Ladewiderstand 7 mit dem Masseanschluss verbunden. Die beiden leitenden Schichten mit dem dazwischenliegenden Dielektrikum bilden einen Kondensator, der über die Anschlüsse Al und Bl auf die LeerlaufSpannung Uo geladen wird. Die Anschlüsse Al und Bl sind mit einem schnellen Schalter 3, wie z.B. einer Funkenstrecke verbunden. Der Schalter schaltet bei einer bestimmten Schwellenspannung, die etwas unterhalb von Uo liegt ein. Nach dem schließen des Schalters bildet sich ein Spannungspuls am Spiral-Puls-Generator aus, der vom Punkt des Schalters aus wie eine Welle den Spiral-Puls- Generator entlang bis zum Punkt A2 läuft, dort reflektiert wird und wieder zurückläuft. Dabei baut sich im Punkt A2 eine Spannung UA auf, die durch 2 x n x Uo x η ausgedrückt werden kann, η ist dabei die Effizienz des Spiral-Puls-Generators. Nach der Zündung der Lampe wird der Lampenstrom durch die leitende Schicht A geführt um die Lampe zu betreiben.
[6] Der jetzt verwendete Spiral-Puls-Generator ist ins- besondere ein sog. LTCC-Bauteil . Dieses Material ist eine spezielle Keramik, die bis 5000C oder 600 0C Temperaturfest gemacht werden kann. Zwar wurde LTCC schon in Zusammenhang mit Lampen verwendet, siehe US 2003/0001519 und US-B 6 853 151. Jedoch wurde es für ganz andere Zwecke bei praktisch kaum temperaturbelasteten Lampen, mit typischen Temperaturen unter 100 0C, eingesetzt. Der besondere Wert der hohen Temperaturstabilität von LTCC in Zusammenhang mit der Zündung von Hochdruckentladungslampen, wie vor allem Metallhalogenidlampen mit Zündproblemen, wurde bisher nicht erkannt.
[7] Ist die Zündvorrichtung nun in den Außenkolben der Hochdruckentladungslampe integriert, so kann das Problem auftreten, dass dann, wenn die Hochdruckentladungslampe während des Betriebes plötzlich erlischt und das Zündge- rät nicht für eine Heißwiederzündung ausgelegt ist, die LeerlaufSpannung des Betriebsgerätes an der Lampe beste- - A -
hen bleibt, und das integrierte Zündgerät versucht, die Lampe wieder zu zünden. Da die meisten Hochdruckentladungslampen eine deutlich erhöhte Zündspannung aufweisen, wenn sie noch heiß sind, gelingt die Zündung einer erlo- schenen Lampe für ca. 1-5 min nach dem erlöschen nicht. In dieser Zeit kühlt das Entladungsgefäß in der Lampe ab, der Druck in diesem sinkt, und damit sinkt die Zündspannung wieder von >20kV auf den Nominalwert von typischerweise 3-5kV. Diese Zündversuche sind nicht nur unnötig, sie können auch dem Brenner und dem Zündgerät schaden.
Aufgabe
[8] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Hochdruckentladungslampe mit integriertem Zündgerät bereitzustellen, die nach einem plötzliche erlöschen der Lampe während einer Zeitdauer, die typischerweise zum Abkühlen des Brenners benötigt wird, sämtliche Zündversuche unterbindet .
[9] Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
[10] Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
[11] Weiterhin ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zündvorrichtung anzugeben, die mit einem weiterentwickelten Verfahren angesteuert wird und somit Zündversuche nach plötzlichem Erlöschen der Lampe für eine gewisse Zeit unterbindet. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 5 gelöst. Darstellung der Erfindung
[12] Erfindungsgemäß wird der Ladewiderstand 7, der für das Laden des integrierten Spiral-Puls-Generators 1 benötigt wird zum Teil oder vollständig durch einen Kaltlei- ter 73 ersetzt, der sich mit der Lampe 55 erwärmt, und im heißen Zustand der Widerstand des Kaltleiters 73 derart dimensioniert ist, dass die Schwellenspannung des Schwellenschalters 3 nicht erreicht wird. Damit werden keine Hochspannungspulse mehr generiert, und Zündversuche bei heißer Lampe 55 sicher unterbunden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung (en)
[13] Fig. 1 Prinzipieller Aufbau einer Gasentladungslampe enthaltend eine Zündungsanordnung mit ei- nem Spiral-Puls-Generator im Außenkolben nach dem Stand der Technik.
[14] Fig. 2a Prinzipieller Aufbau eines Spiral-Puls- Generators .
[15] Fig. 2b Vereinfachte Darstellung eines Spiral-Puls- Generators.
[16] Fig. 3 Erfindungsgemäßer Aufbau einer Gasentladungslampe enthaltend eine Zündungsanordnung mit einem Spiral-Puls-Generator im Außenkolben .
[17] Fig. 4 Signalverläufe relevanter Spannungen für eine heiße und eine kalte Lampe. [18] Fig. 5 Typisches Widerstandsverhalten eines Kaltleiters über der Temperatur.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
[19] Fig. 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer erfin- dungsgemäßen Hochdruckentladungslampe 55 mit einem in den Außenkolben 51 integriertem Zündgerät 137, dass sich aus einem Spiral-Puls-Generator 1, einem Schwellwertschalter 3 und einem Ladewiderstand 7 zusammensetzt. Der Ladewiderstand 7 besteht hier ganz oder zum Teil aus einem Kaltleiter 73, dem je nach Auslegung noch ein Widerstand 71 in Serie geschaltet ist. Der Kaltleiter 71 ist im Lampenkolben so angeordnet, dass er vom Brenner 5 der Hochdruckentladungslampe 55 über Strahlungsaustausch oder Konvektion erwärmt wird.
[20] Wird die Hochdruckentladungslampe eingeschaltet, so liegt an den Lampenkontakten 13, 15 die Lampenspannung U0 an. Der Spiral-Puls-Generator wird über den Ladewiderstand 7 mit dieser Spannung aufgeladen, bis die Spannung am Spiral-Puls-Generator die Schwellwertspannung des Schwellwertschalters 3 übersteigt. Dadurch, dass der Kaltleiter gut leitend ist, fällt nur wenig Spannung am Ladewiderstand ab und der Spiral-Puls-Generator wird schnell aufgeladen. Der Schwellwertschalter ist vorzugsweise eine Funkenstrecke. Sobald die Funkenstrecke durch- bricht, wird ein Zündpuls generiert und der Ablauf beginnt von neuem.
[21] Entsteht eine Entladung im Brenner 5 aufgrund des Zündpulses und der Brenner beginnt zu leuchten, so erhitzt er sich innerhalb kurzer Zeit auf sehr hohe Tempe- raturen von über 10000C. Der Kaltleiter 75, der in der Nähe des Brenners platziert ist, wird durch die Strahlung des Brenners 5 aufgeheizt. Bei Gasgefülltem Außenkolben kommt zusätzlich noch eine Aufheizung des Kaltleiters 73 durch Konvektionseffekte dazu. Da die Lampenspannung der Hochdruckentladungslampe im allgemeinen deutlich unterhalb der LeerlaufSpannung liegt, wird die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke auch bei noch kaltem Kaltleiter nicht mehr überschritten, so dass nach Lampendurch- bruch keine weitere Zündpulsgenerierung mehr erfolgt.
[22] Erlischt der Lichtbogen im Brenner aufgrund unvorhergesehener Effekte, so kann er für eine gewisse Zeit nicht mehr gezündet werden, da die Zündspannung eines heißen Brenners ein Vielfaches über der Zündspannung eines kalten Brenners liegt. Die an der Lampe angelegte Spannung steigt nach dem Erlöschen des Lichtbogens jedoch sofort wieder auf die LeerlaufSpannung an. Der Kaltleiter ist jedoch soweit erwärmt, dass sein Widerstand, wie aus Fig. 5 ersichtlich, stark angestiegen ist. Damit fällt die am Spiral-Puls-Generator anliegende Spannung soweit ab, dass sie unter dem Durchbruchswert der Funkenstrecke liegt, und so Zündversuche bei heisser Lampe sicher vermieden werden (Fig. 4) .
[23] Erst wenn die Lampe, und damit der Kaltleiter 73 entsprechend abgekühlt sind, sinkt der Widerstand des Kaltleiters 73 auf einen Wert, der eine Zündung wieder zulässt. Dadurch wird der Spiral-Puls-Generator 1 langsam wieder auf eine Spannung aufgeladen, die über der Durchbruchsspannung der Funkenstrecke 3 liegt, und es wird wieder eine Zündung [24] Dadurch, dass der Kaltleiter 73 auch nach Erlöschen des Brenners 5 in direktem Strahlungsaustausch mit diesem und dem umgebenden Außenkolben 51 steht, kühlt er in etwa mit der gleichen Zeitkonstante wie der Außenkolben ab. Dadurch wird eine Zündung wirklich erst dann wieder ermöglicht, wenn die Lampe ausreichend abgekühlt ist.
[25] Ist die Lampe ganz abgekühlt und damit auch der Kaltleiter auf einer Temperatur, die einen niedrigen Widerstand desselben zur Folge hat, so werden während des Zündvorgangs etwa 3-4 Zündpulse pro Halbwelle erzeugt.
[26] Die Signalverläufe bei heißer und bei kalter Lampe sind in Fig. 4 dargestellt. Signal 41 zeigt die Leerlaufspannung, wie sie an die Lampe angelegt wird. Signal 43 ist der Spannungsverlauf am Spiral-Puls-Generator bei kalter Lampe. Die Spannung 43 steigt bis auf die Durch- bruchspannung 47 der Funkenstrecke an, um dann aufgrund des Kurzschlusses rapide wieder zu null zu werden. Dies wiederholt sich innerhalb einer Halbwelle dreimal. Signal 45 hingegen stellt die Spannung am Spiral-Puls-Generator bei heißer Funkenstrecke dar. Die Spannung steigt aufgrund des hohen Widerstandes deutlich langsamer an und erreicht nicht die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke. Damit wird bei heißer Lampe keine Zündung

Claims

Ansprüche
1. Hochdruckentladungslampe (55) mit einem Entladungsgefäß (5), das in einem Außenkolben (51) untergebracht ist, wobei eine Zündvorrichtung (137) in der Lampe integriert ist, die zumindest einem Spiral-Puls- Generator (1) beinhaltet, der Hochspannungspulse in der Lampe erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündvorrichtung (137) einen Ladewiderstand (7) beinhaltet, der ganz oder teilweise durch einem Kaltleiter (73) gebildet wird.
2. Hochdruckentladungslampe (55) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kaltleiter (73) so in der Lampe angebracht ist, dass er in direktem Strahlungsaustausch mit dem Entladungsgefäß (5) steht.
3. Hochdruckentladungslampe (55) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kaltleiter (73) ganz oder teilweise mit einer Strahlungsabsorbierenden Be- schichtung versehen ist.
4. Hochdruckentladungslampe (55) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Außen- kolben (51) für langwellige Strahlung nicht durchlässig ist.
5. Zündvorrichtung (137) für eine Hochdruckentladungslampe mit einem Spiral-Puls-Generator (1), einem Schwellwertschalter (3) und einem Ladewiderstand (7) , dadurch gekennzeichnet, dass die Zündvorrichtung (137) einen Ladewiderstand (7) beinhaltet, der ganz oder teilweise durch einem Kaltleiter (73) gebildet wird.
6. Zündvorrichtung (137) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kaltleiter (73) so in der Lampe (55) angebracht ist, dass er in direktem Strahlungsaustausch mit dem Entladungsgefäß (5) steht.
7. Zündvorrichtung (137) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kaltleiter (73) ganz oder teilweise mit einer Strahlungsabsorbierenden Beschichtung versehen ist.
8. Zündvorrichtung (137) nach Anspruch 5, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Schwellwertschalter (3) eine Funkenstrecke ist.
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