DE102006034833A1

DE102006034833A1 - Hochdruckentladungslampe

Info

Publication number: DE102006034833A1
Application number: DE102006034833A
Authority: DE
Inventors: Steffen Dr. Franke; Helmut Dr. Hess; Lothar Dr. Hitzschke; Marko Dr. Käning; Ralf-Peter Dr. Methling; Bernhard Schalk; Hartmut Dr. Schneidenbach; Heinz Dr. Schöpp
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2006-07-27
Filing date: 2006-07-27
Publication date: 2008-01-31
Also published as: CN101496132B; US20090302784A1; EP2047499A1; WO2008012228A1; KR20090035725A; JP2009545110A; CN101496132A

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Hochdruckentladungslampe mit einem Entladungsgefäß (1), welches enthält: Elektroden (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 zumindest ein Seltenerdhalogenid, welche so ausgelegt ist, dass das erzeugte Licht von Molekülstrahlung dominiert wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Hochdruckentladungslampe.
Stand der Technik
Hochdruckentladungslampen, insbesondere HID-Lampen, sind seit langer Zeit bekannt. Sie dienen zu verschiedenen 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 Sci. Technol., 11, 2002, A55.
Einzelne Füllungskomponenten wurden auch in Mikrowellenentladungen untersucht, z. B. in BMBF-Projekt, Abschlußbericht, FKZ: 13N 7412/6, 2001, S. 3–8, S. 86–87 und S. 89–90. Mikrowellenentladungen zeigen dabei zu elektrodenbehafteten Entladungen den Unterschied, die Heizung des Entladungsgases vom Randbereich aus anstatt von innen heraus vorzunehmen. Damit werden andere Temperaturprofile eingestellt als mit elektrodenbehafteten Entladungen.
Darstellung der Erfindung
Hochdruckentladungslampen sind im Hinblick auf diese Eigenschaften seit geraumer Zeit Gegenstand ständiger Verbesserungen. Auch die vorliegende Erfindung hat zum Ziel eine im Hinblick auf eine gute Gesamtkombination von Lichtausbeute und Farbwiedergabeeigenschaften verbesserte Hochdruckentladungslampe anzugeben.
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.
Die Grundidee der Erfindung besteht darin, bei der Lichterzeugung der Hochdruckentladungslampe die von Molekülen im Entladungsmedium erzeugte Strahlung in stark dominierender Weise auszunutzen. Zu diesem Zweck wird das Seltenerdhalogenid für die Strahlungserzeugung vorgesehen, wobei natürlich auch andere Bestandteile des Entladungsplasmas an der Strahlungserzeugung beteiligt sein können.
Konventionelle Hochdruckentladungslampen werden von atomarer Strahlung dominiert. Molekulare Strahlung tritt konventioneller Weise untergeordnet auf und hat dabei im Vergleich zu atomarer Strahlung eine breitbandigere Spekt ralverteilung, 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 Linienstrahlung 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 Thermalisierung zu ermöglichen. Der Begriff der Thermalisierung ist dabei lokal zu verstehen. Man spricht vom lokalen thermodynamischen Gleichgewicht, weil tatsächlich natürlich keine homogene Temperaturverteilung existiert.
Eine erfindungsgemäße 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 vorliegenden Bogenübernahme- und Gefäßwandhei zungselemente. 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 Dampfphase 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 Gefäßwandheizungselemente, spielen für die Abstrahlung jetzt möglicherweise nur noch eine untergeordnete Rolle.
Im Unterschied zu konventionellen Hochdruckentladungslampen entsteht nun ein Bogen, der von der molekularen Abstrahlung 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 begrenzt. 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 traditionell 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 Tempe raturprofils 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 Zusammenhang 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 Spektralbereich 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 Emissionsfähigkeiten 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 Thermalisierung der Strahlung vor ihrem Austritt aus der Lampe gibt, die eine gewünschte Nähe zu einer Planck-ähnlichen Spektralverteilung herstellt. Die Plancksche Spektralverteilung 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 verschlechtern 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| < 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 aber 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 Ausgestaltung 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 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 elektronischen Vorschaltgerät bezieht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampe mit einem Keramikentladungsgefäß.
2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampe mit einem Quarzglasentladungsgefäß.
3 zeigt ein Prinzipschaltbild mit einem elektronischen Vorschaltgerät und einer Lampe nach den 1 und 2.
4–6 zeigen Abstrahlungsspektren der Lampen aus den 1 und 2.
7 zeigt ein Diagramm der spektralen Augenempfindlichkeitskurve.
8 zeigt das Abstrahlungsspektrum aus 4 im Vergleich mit einer Planckkurve.
9 zeigt in sechs Einzeldiagrammen verschiedene Kenndaten der Lampe aus 1 abhängig von der Lampenleistung.
10 + 11 zeigen Abstrahlungsspektren konventioneller Hochdruckentladungslampen.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
1 und 2 zeigen schematische Schnittansichten von erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampen. 1 zeigt eine Lampe mit einem Entladungsgefäß 1 aus Al₂O₃-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.
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 l, der Innendurchmesser d sowie der Elektrodenabstand 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 Stromzuführungen über Quetschungen, die den Außenkolben dicht verschließen, nach außen gebracht und dienen zum Anschluss der Lampe an das elektronische Vorschaltgerät (EVG). Dieses erzeugt aus der Netzspannung die für den Betrieb von Hochdruckentladungslampen typische Rechteckanregung 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 bezeichneten elektronischen Vorschaltgerät und der Lampe zeigt 3.
Das Entladungsgefäß enthält eine Füllung mit Xe als Startgas sowie AlI₃ und TlI als Bogenübernahme- und Wandheizungselemente sowie TmI₃.
Die Füllmengen sowie die charakteristischen Abmessungen des Entladungsgefäßes variieren je nach Ausführung der Lampe.
Drei typische Beispiele A1, A2 und A3 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 l, d, a aufgeführt. Die Angabe Δ C ist in Tausendstel (E-3) angegeben.

	Material des Entladungsgefäßes	Länge l	Durchmesser d	Elektrodenabstand a	Füllung	Atomlinienanteil AL	ΔC	Leistung P	Leistung pro Wandfläche
A1	Keramik	22	6	19	1 bar Xe, 2.2 mg AlI₃, 0.5 mg TlI, 3.9 mg TmI₃	4%	0,3E-3	180 W	43 W/cm²
A2	Keramik	13	9	10	1 bar Xe, 2 mg AlI₃, 0.5 mg TlI, 16 mg TmI₃	4%	-0,2E-3	150 W	41 W/cm²
A3	Quarz	24	8	18	1 bar Xe, 2 mg AlI₃, 0.5 mg TlI, 1.1 mg TmI₃	12 %	24E-3	150 W	25 W/cm²

Tabelle 1

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 Referenzen. Eine Anregung akustischer Resonanzen in dieser Form führt zur aktiven Stabilisierung des Entladungsbogens im Plasma, was insbesondere auch in Zusammenhang mit de vorliegenden Erfindung wegen der relativ eingeschnürten Form des Temperaturprofils von Vorteil sein kann.
Auf die vier letzten Spalten der Tabelle 1 wird im Folgenden näher eingegangen.
Zunächst werden Abstrahlungsspektren der Lampen zu den Ausführungsbeispielen A1, A2 und A3 dargestellt. Es wird dabei auch die Ermittlung des Atomlinienanteils AL erläutert. Die 4, 5 und 6 beziehen sich jeweils auf das Ausführungsbeispiel A1, 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 1 bzw. 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 bestimmte Kurve zur Bestimmung des kontinuierlichen Untergrunds. Besonders wird hierzu auf die zusätzlichen grafischen Erläuterungen in 5 verwiesen. Aus der Messung liegt eine Kurve I_m(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 I_h1(λ) in diesem Intervall zugeordnet. Damit ist eine geglättete und grundsätzlich unter der gemessenen Spektralverteilung I_m(λ) verlaufende Funktion I_h1(λ) gegeben.
Davon ausgehend wird eine weitere Funktion I_h2(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 I_h1(λ) in diesen Intervallen als Funktionswerte I_h2 verwendet. Es entsteht eine zweite Funktion, die dem gemessenen Verlauf etwas näher kommt, also zwischen dem gemessenen Verlauf I_m(λ) und der Funktion I_h1(λ) mit den Minima läuft.
Davon ausgehend wird eine dritte Funktion I_u(λ) bestimmt, wobei wiederum in den 30 nm Breitenintervallen um die jeweiligen Wellenlängenwerte diesmal die Mittelwerte von I_h2(λ) bestimmt werden. Dies glättet die Kurve I_h2 deutlich und führt bei diesem Beispiel auf die in den 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 Untergrundfunktion I_u(λ) und der gemessenen Spektralverteilung I_m(λ) kann dann der Atomlinienanteil AL bestimmt werden als:
Dabei wird die helladaptierte Empfindlichkeit des menschlichen Auges als Gewichtungsfunktion mit berücksichtigt und dadurch gleichzeitig auch die Integration auf den sichtbaren Spektralbereich beschränkt. Die spektrale Augenempfindlichkeit V(λ) zeigt 7.
Um die einzelnen Schritte zur Bestimmung von I_h1(λ), I_h2(λ) und I_u(λ) wie dargestellt mit der vollen Intervallbreite 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(λ), die außerhalb des Wellenlängenbereichs 380 nm bis 780 nm gleich Null ist, reicht es jedoch zur Bestimmung des Atomlinienanteils AL, die Messung nur zwischen 380 nm und 780 nm durchzuführen. Bei der Bestimmung von I_h1(λ), I_h2(λ) und I_u(λ) ist dann die Intervallgröße bei den einzelnen Schritten gegebenenfalls auf den in den Messwerten vorhandenen Bereich zu beschränken. Zur Bestimmung des Wertes von I_h1(390 nm), I_h2(390 nm) und I_u(390 nm) wird beispielsweise nicht das der Intervallbreite von 30 nm entsprechende Intervall 375 nm bis 405 nm verwendet, sondern nur das Intervall von 380 nm bis 405 nm.
Wie beispielsweise in 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 auftreten. 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 überhaupt sichtbar, je höher die spektrale Auflösung bei der Messung von I_m(λ) ist.
Liegen diese Einbrüche dichter als die Intervallbreite von 30 nm, so wird die auf die genannte Weise bestimmte Untergrundkurve I_u(λ) fälschlicher Weise nach unten gezogen. Um dies zu verhindern, ist die spektrale Auflösung bei der Messung von I_m(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 überhaupt aufgelöst werden können.
Wird mit höherer spektraler Auflösung als 0,25 nm gemessen, muss die Messung I_m(λ) vor der Bestimmung von I_h1(λ), I_h2(λ) und I_u(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 Atomlinienanteile bei 4 % für die Keramiklampen gemäß den Ausführungsbeispielen A1 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.
8 zeigt die Messkurve I_m(λ) aus 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 Planck-ähnlich verhält. Quantitativ bedeutet dies eine Größe des Farbartunterschieds ΔC von 3 × 10^-4. Die Lichtausbeute betrug 94 lm/W bei einem Farbwiedergabeindex von Ra = 92. Damit ist dieses Ausführungsbeispiel hervorragend für die Allgemeinbeleuchtung geeignet.
9 zeigt in sechs Einzeldiagrammen verschiedene Kenndaten der als Ausführungsbeispiel dienenden Lampe Al aus 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 unteren als Quadrate dargestellten Punkte der rechten Stromachse und die oberen Punkte der linken Spannungsachse zugeordnet sind, den Farbartunterschied ΔC und schließlich die ähnlichste Farbtemperatur T_n, 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 hinauszugehen. 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 Planckschen Strahlungsverhalten bis zu einer Farbtemperatur von 5000 K bzw. zu Tageslichtspektren oberhalb dieser Grenze. Es gibt Anwendungsfelder, in denen große Werte des Farb artunterschieds 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 × 10^-3 und noch besser unter 2 × 10^-3 aufweisen.
Die in dem Ausführungsbeispiel angesprochenen Bestandteile 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 Seltenerdhalogenid TmI₃ lässt sich ersetzen, insbesondere durch DyI₃, CeI₃, HoI₃ oder GdI₃ 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 TlI. Ti wird wegen seiner Resonanzlinie bei 535 nm konventionellerweise zur Effizienzerhöhung eingesetzt. Die 4 bis 6 zeigen, dass diese keinen wesentlichen 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 Ti 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 gefördert werden, insbesondere dadurch, dass eine Bogenkühlung 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 über 20 %. Ein Beispiel zeigt 10. Hier handelt es sich um eine Lampe mit keramischem Entladungsgefäß des Typs HCl-TS WDL 150W (Hersteller OSRAM), die nach zehn Stunden Brenndauer spektral in einer Ulbricht-Kugel vermessen wurde. Hier ergibt sich ein Wert AL von 35 % Atomlinienanteil. 10 zeigt die bereits beschriebene konstruierte Kurve für den Untergrund.
Eine andere Hochdruckentladungslampe mit keramischem Entladungsgefäß des Typs CDM-TD 942 150W (Hersteller Philips) mit Spektralverteilung gemäß 11 zeigt einen AL-Wert von 37 %.

Claims

Hochdruckentladungslampe mit einem Entladungsgefäß (1), welches enthält: – Elektroden (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 – zumindest ein Seltenerdhalogenid für die Strahlungserzeugung, welche so ausgelegt ist, dass das erzeugte Licht von Molekülstrahlung dominiert wird.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, bei der das Edelgas zumindest ein Edelgas ausgewählt aus der Gruppe aus Xe, Ar, Kr ist.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 2, bei der der Kaltfüllpartialdruck des Edelgases zwischen 500 mbar und 5 bar liegt.
Hochdruckentladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das Bogenübernahme- und Entladungsgefäßwandheizungselement zumindest eine Element ist ausgewählt aus der Gruppe aus Al, In, Mg.
Hochdruckentladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das Seltenerdhalogenid zumindest ein Element ausgewählt aus der Gruppe aus Tm, Dy, Ce, Ho, Gd enthält.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 4 oder 5, bei der das Bogenübernahme- und Entladungsgefäßwandheizungselement und/oder das Seltenerdelement in Form eines Iodids oder Bromids eingefüllt wurde.
Hochdruckentladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der in dem Entladungsgefäß (1) keine für die Abstrahlungseigenschaften relevante Menge Na enthalten ist.
Hochdruckentladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der in dem Entladungsgefäß (1) keine für die Abstrahlungseigenschaften relevante Menge Cal₂ oder K enthalten ist.
Hochdruckentladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das Entladungsgefäß (1) aus Keramik besteht und für den Farbartunterschied ΔC gilt: |ΔC| < 10^-2.
Hochdruckentladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der für die Lichtausbeute η gilt: η > 90 lm/W.
Hochdruckentladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der für den Farbwiedergabeindex Ra gilt: Ra ≥ 90.
Hochdruckentladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der für den Atomlinienanteil AL gilt: AL ≤ 40 %, wobei gilt:
worin: V(λ) die helladaptierte Augenempfindlichkeit des menschlichen Auges ist, I_m(λ) die bei einer Messung in einer Ulbricht-Kugel mit einer Auflösung zwischen einschließlich 0,35 nm und 0,25 nm gemessene oder bei hö herer Messauflösung auf eine Auflösung in diesem Bereich durch eine Mittelwertbildung umgerechnete spektrale Intensitätsverteilung der Hochdruckentladungslampe ist und I_u(λ) eine den kontinuierlichen Untergrund des gemessenen Intensitätsverlaufs I_m(λ) annähernde Modellfunktion ist, die bestimmt wird durch 1. Bestimmen einer Funktion I_h1(λ) mit den in Intervallen der Breite 30 nm um den jeweiligen Wellenlängenwert vorliegenden Minima von I_m(λ), 2. Bestimmen einer weiteren Funktion I_h2(λ) mit den in den Intervallen der Breite 30 nm um den jeweiligen Wellenlängenwert vorliegenden Maxima von I_h1(λ) und 3. Bestimmen der Funktion I_u(λ) mit den in den Intervallen der Breite 30 nm um den jeweiligen Wellenlängenwert vorliegenden jeweiligen arithmetischen Mittelwerten von I_h2(λ).
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 12, bei der das Entladungsgefäß (1) aus Keramik besteht und für AL gilt: AL ≤ 20 %.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 12, bei der das Entladungsgefäß (1) aus Quarzglas besteht und für AL gilt: AL ≤ 30 %.
Beleuchtungssystem mit einer Hochdruckentladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche und einem elektronischen Vorschaltgerät zum Betrieb der Hochdruckentladungslampe.