Beschreibung
Titel: Hochdruckentladungslampe
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Hochdruckentladungslampe .
Stand der Technik
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 .
Hochdruckentladungslampen zeichnen sich ferner durch eine im Vergleich zur Größe der Lampe oder zur Größe des lichtabstrahlenden Bereichs der Lampe hohe Leistung aus.
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.
Darstellung der Erfindung
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.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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.
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.
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-
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.
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.
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.
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.
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.
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 .
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 %.
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.
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.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampe mit einem Keramikentladungsgefäß.
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.
Figuren 4 - 6 zeigen Abstrahlungsspektren der Lampen aus den Figuren 1 und 2.
Figur 7 zeigt ein Diagramm der spektralen Augenempfindlichkeitskurve .
Figur 8 zeigt das Abstrahlungsspektrum aus Figur 4 im Vergleich mit einer Planckkurve.
Figur 9 zeigt in sechs Einzeldiagrammen verschiedene
Kenndaten der Lampe aus Figur 1 abhängig von der Lampenleistung.
Figur 10-11 zeigt die Farbartabweichung und Farbtemperatur als Funktion der Leistung der Lampe für verschiedene Füllungen.
Figur 12 zeigt das das Abstrahlungsspektrum zweier Füllungen .
Figur 13-16 zeigt die Farbartabweichung und Farbtemperatur als Funktion der Leistung der Lampe für eine Reihe Seltener Erden.
Figuren 17 zeigt das Abstrahlungsspektrum einer Hochdruckentladungslampe mit Tm/Dy-Mischung.
Figur 18-19 zeigt das Abstrahlungsspektrum für zwei Lampen gemäß dem Stand der Technik.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
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 .
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.
Die charakteristischen Abmessungen der Entladungsgefäße sind die Länge 1, der Innendurchmesser d sowie der Elekt- rodenabstand a, auf die später noch eingegangen wird.
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.
Das Entladungsgefäß enthält eine Füllung mit Xe als Startgas sowie AII3 und TlI als Bogenübernahme- und Wandheizungselemente sowie TmI3.
Die Füllmengen sowie die charakteristischen Abmessungen des Entladungsgefäßes variieren je nach Ausführung der Lampe .
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 .
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.
Tabelle 1
Auf die vier letzten Spalten der Tabelle 1 wird im Folgenden näher eingegangen.
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.
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.
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.
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.
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)dλ
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.
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.
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.
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.
Liegen diese Einbrüche dichter als die Intervallbreite von 30 nm, so wird die auf die genannte Weise bestimmte
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.
Die obere Grenze ergibt sich aus der Notwendigkeit, die Auflösung so hoch zu wählen, dass die Atomlinien über- haupt aufgelöst werden können.
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.
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.
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.
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.
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 .
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.
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 .
Es bildet einen Vorteil der Erfindung, auf Komponenten wie Hg verzichten zu können. Diese können jedoch auch mit enthalten sein. Auf die bereits erwähnten ausgeprägten
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.
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.
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.
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 %.
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 .
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.
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.
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.
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.
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.
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) .
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.