DE102008031257A1

DE102008031257A1 - Hochdruckentladungslampe

Info

Publication number: DE102008031257A1
Application number: DE102008031257A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Kloss; Bernhard Schalk
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2008-07-02
Filing date: 2008-07-02
Publication date: 2010-01-07
Also published as: WO2010000562A1; CN102084457A; EP2294605A1; US20110095680A1; JP2011526411A

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

Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einer Hochdruckentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Lampen sind insbesondere Hochdruckentladungslampen mit keramischem 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 DE 10 2005 009 940 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 ausgelegten Vorschaltgerät möglich ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Die Verringerung der Leistung bei gattungsgemäßen Lampen wird üblicherweise mittels einer Leistungsaustastung realisiert. Eine übliche Maßnahme ist dafür eine Phasenabschnittssteuerung. Dazu wird eine mehr oder weniger lange Stromnullphase in die zeitlich variable Leistungseinspeisung 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 elektrische Leitfähigkeit verringert oder mehr oder weniger verliert, stellt dies einen permanenten Widerzündvorgang dar. Dieser ist mit einer entsprechenden Wiederzündspitze in der Spannung verbunden. Ist diese Wiederzündspannung 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 Verringerung 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. Bevorzugt 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 Wärmekapazität des Plasmas deutlich zu erhöhen und dabei gleichzeitig die Wärmeleitfähigkeit nur in geringem Umfang zu erhöhen.
Mit dieser Maßnahme wird die Abkühlung des Plasmas während der Stromnullphase verringert. Somit kommt es zu einer geringeren Erniedrigung der elektrischen Leitfähigkeit. Die Wiederzündspannung am Ende der Stromnullphase wird verringert.
Damit ist es möglich, Metallhalogenidlampen bereitzustellen, die als Retrofitlösung für konventionelle Quecksilberhochdrucklampen 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 aluminiumhaltiger Keramik wie PCA oder auch YAG, AlN, oder AlYO₃. 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 kung. Typische Metalle sind Seltenerdmetalle, Na und Thallium.
Das neu vorgestellte Konzept eignet sich auch für Mischlichtlampen mit einem Entladungsgefäß, das eine Metallhalogenidfüllung 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 bevorzugt eine Phasenabschnittsteuerung eingesetzt, aber auch andere Konzepte sind nicht ausgeschlossen. Die bereitgestellte Spannung ist eine übliche Wechselspannung, typisch sind Sinus- und Rechteckspannungen. Das Konzept eignet sich außerdem für eine Sicherung gegen kurzzeitige Netzunterbrechungen, wie sie in weniger entwickelten Ländern 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 zeigen:
1 eine Hochdruckentladungslampe mit Entladungsgefäß;
2 ein Diagramm, das das Prinzip der Phasenabschnittssteuerung zeigt;
3 ein Diagramm, das die Widerzündspitze in Abhängigkeit von der Dauer der Phasenabschnittsteuerung zeigt;
4 ein Diagramm, das die Wiederzündspannung als Funktion der Austastzeit für verschiedene Lampentypen (4a) und (4b) zeigt.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
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 Entladungsgefäß und die Abdichtungen integral aus einem Material wie PCA hergestellt.
Das Entladungsgefäß 2 ist von einem Außenkolben 7 umgeben. Das Entladungsgefäß 2 ist im Außenkolben mittels eines Gestells, das eine kurze und lange Stromzuführung 11a und 11b beinhaltet, gehaltert.
Das Entladungsgefäß enthält eine Füllung, die typisch Hg (15 mg/cm³) und 5 bis 30 mg/cm³ Jodide von Metallen umfasst. 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.
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 dabei mit zunehmender Dauer des Phasenabschnitts und ist am größten bei Kurve a, so dass keine Einbuße im Lichtstrom hingenommen werden muss.
3 zeigt exemplarisch für die Verhältnisse der 2 den Einfluss der Dauer der Nullstromphase auf das Wiederzündverhalten 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 zunehmender Nullstromphase, die im Bereich von etwa 0 bis 50 der gesamten Phasendauer liegt, nimmt die Wiederzündspitze U_max deutlich zu (Kurve b und a).
Absolute Zeitdauern der Nullstromphase bis etwa 5 ms lassen sich jedoch gut durch einen hohen Kaltfülldruck an Edelgas überbrücken. Trotz langer Nullstromphase bildet sich keine Wiederzündspitze aus (Kurve f).
4 zeigt das Ansteigen der Wiederzündspannung (in V) als Funktion der Austastzeit (in ms) für verschiedene Lampentypen. Dabei ist in 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 bereits nach knapp 2 ms den kritischen Wert von 330 V, der bei Netzspannung die Schwelle für das Wiederzünden darstellt.
4a zeigt außerdem die Verhältnisse für eine typische Natriumhochdrucklampe (Kurve NAH), die das Problem mangels halogenhaltiger Füllung nicht kennt. Dort ist erwartungsgemäß praktisch gar kein Anstieg der Wiederzündspannung festzustellen.
Bei einer erfindungsgemäßen Füllung (Kurve MH 35 Watt, 6 bar Argon) in 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 Argon).
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 zuverlässige Wiederzündung in der nächsten Phase sichergestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 98/25294 [0002]
- DE 102005009940 [0003]

Claims

Hochdruckentladungslampe, die für den Betrieb an Netzspannung bestimmt ist, mit einem Entladungsgefäß, das ein Entladungsvolumen umgibt, wobei eine Füllung, die Metallhalogenide, Quecksilber und Edelgas 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 Edelgases im Bereich 4 bis 8 bar gewählt ist.
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.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsaustastung durch eine Phasenabschnittssteuerung erzielt wird.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Edelgas Argon, Krypton oder Neon ist.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kaltfülldruck des Edelgases im Bereich 5 bis 7 bar gewählt ist.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Hg im Bereich 5 bis 40 mg/cm³ gewählt ist.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Entladungsgefäß aus Keramik gefertigt ist,
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lampe eine Retrofitlampe für Straßenbeleuchtung ist.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nullstromphase sich über eine Zeitdauer von bis zu 5 ms erstreckt.