DE19913867A1

DE19913867A1 - Dielektrische Keramik und dieselbe verwendender Kondensator

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Publication number: DE19913867A1
Application number: DE19913867A
Authority: DE
Inventors: Harunobu Sano; Kazuhiro Harada; Osamu Yamaoka; Shinichi Kobayashi; Toshiya Esumi; Yoshitaka Kageyama
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1998-04-08
Filing date: 1999-03-26
Publication date: 1999-10-14
Anticipated expiration: 2019-03-27
Also published as: US6356037B1; JPH11297563A; CN1171256C; JP3344314B2; DE19913867B4; CN1236961A

Abstract

Günstiger Kondensator zur Pulserzeugung, dessen Charakteristika sich selbst dann nicht verschlechtern, wenn der Kondensator in einer eine hohe Temperatur und ein hohes Vakuum aufweisenden reduzierbaren Atmosphäre verwendet wird, und welcher die Erzeugung von Hochspannungspulsen über einen breiten Temperaturbereich ermöglicht. Ein dielektrischer Körper 1 eines Kondensators A ist aus einer nicht-linearen dielektrischen Keramik aufgebaut, die Beständigkeit gegenüber Reduktion zeigt. Die nicht-lineare dielektrische Keramik umfaßt eine polykirstalline Substanz, welche Bariumtitanat als eine primäre Komponente enthält, und wenn die polykristalline Substanz durch (1-a-b) ABO¶3¶ + aM + bR angegeben wird, worin ABO¶3¶ eine Bariumtitanat-Komponente ist und eine Perovskit-Struktur darstellt, M ein Oxid von mindestens einem Element ist, das aus der Gruppe gewählt wird, die aus Mn, Ni und Co besteht, R ein Oxid von mindestens einem Element ist, das aus der Gruppe gewählt wird, die aus La, Ce, Nd, Pr, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er und Yb besteht, und a und b Mol-Fraktionen bedeuten, A, B, a und b die folgenden Beziehungen erfüllen: 1,000 A/B 1,006 (Molverhältnis), 0,3 b/a 3, 0,0015 a 0,0050 und 0,0015 b 0,0050, und der Gesamtgehalt an M und R, der durch Ad angegeben wird, 0,3 < Ad 1,0 (Gew.-%) erfüllt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine dielektrische Keramik und einen dieselbe verwendenden Kondensator. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Puls-erzeugenden Konden sator, welcher als ein Starter einer Entladungslampe, unter anderem einer Hochdruck-Dampf-Ent ladungslampe, welche einen Starter innerhalb eines äußeren Kolbens der Lampe beherbergt, verwendet wird.

Eine normale handelsgängige Stromversorgung bzw. ein normaler kommerzieller Netzanschluß ist zum Starten einer Hochdruck-Dampf-Entladungslampe, wie einer Hochdruck-Natrium-Lampe, unzureichend, und mithin muß ein Hochspannungspuls an die Lampe angelegt werden. Es kam eine Hochdruck-Dampf-Entladungslampe zum breiten Einsatz, in der ein Starter zur Erzeugung eines Hochspannungspulses in einen äußeren Kolben eingebaut ist, und welcher in Kombination mit einem Ballast(widerstand) für gängige Hochdruck-Quecksilber-Lampen verwendet wird. Solch eine Hochdruck-Dampf-Entladungslampe hat eine derartige Grundstruktur, daß ein aus einer nicht-linearen dielektrischen Keramik gebildeter Kondensator parallel zu einer Bogen entladungsröhre gelegt wird, in welchem ein Halbleiterschalter (SSS) eingebracht ist, um einen Hochspannungspuls zu erzeugen. Der derart erzeugte Hochspannungspuls wird an die Bogen entladungsröhre zusammen mit einer Stromquellenspannung angelegt, um die Entladungslampe zu starten.

Als ein Kondensator, der als Mittel zur stabilen Erzeugung eines solchen Hochspannungspulses dient, wurde ein nicht-linearer dielektrischer Keramikkondensator, der aus einer polykristallinen Bariumtitanat-Substanz gemacht ist, verwendet.

Wie in Fig. 1 gezeigt, zeigt ein solcher nicht-linearer dielektrischer Keramikkondensator eine D-E-Hysterese, in der sich die dielektrische Verformung (D) stark mit der Spannung (E) ändert, und wenn eine Spannung, die größer als das koerzive Feld des dielektrischen Keramikkondensators ist, an den Kondensator angelegt wird, erreicht die Ladungsmenge schnell einen Sättigungswert in der Nähe einer Polarisations-Umkehrspannung. Eine Veränderung des Stroms zu diesem Zeitpunkt verursacht eine Änderung im Ballastwiderstand, so daß ein Puls einer hohen Spannung, die -L.di/dt entspricht, aufgrund der Induktivität des Ballastwiderstandes erzeugt wird.

Ein nicht-linearer dielektrischer Keramikkondensator, der für eine Hochdruck-Dampf-Ent ladungslampe, wie eine Hochdruck-Natrium-Lampe, verwendet wird, muß eine steile D-E-Hysterese aufweisen, welche über einen großen Temperaturbereich stabil ist. Nicht-lineare di elektrische Keramikkondensatoren, welche ein solches Anfordernis erfüllen, sind z. B. in der offengelegten japanischen Patentanmeldung (kokai) Nr. 63-221504, 63-221505, 1-136323 und 1-136324 beschrieben.

Nebenbei gesagt, wird das innere des äußeren Kolbens einer Hochdruck-Dampf-Entladungslampe, wie einer Hochdruck-Natrium-Lampe, im allgemeinen bei einem hohen Vakuum von 1×10^-5 Torr gehalten, und während eines Zeitraums, in dem Licht an ist, wird das Innere des äußeren Kolbens einer hohen Temperatur (300°C) und einem hohen Vakuum (1×10^-5 Torr) ausgesetzt. Ferner wird ein Bariumgetter innerhalb des äußeren Kolbens angebracht, um die Adsorption von Sauerstoffs der erzeugt wird, wenn die Entladungslampe betrieben wird, zu verursachen, so daß der Vakuumgrad innerhalb des äußeren Kolbens aufrechterhalten wird. Wenn jedoch die Entladungslampe während eines langen Zeitraums betrieben wird, wird das Innere des äußeren Kolbens eine reduzierende Atmosphäre aufgrund von auf der Bogenentladungsröhre, einem Metallträger zur Unterstützung der Bogenentladungsröhre, Glas oder einem ähnlichen Bauteil, welcher den äußeren Kolben aufbaut, adsorbiertem Wasserstoff, oder aufgrund von als einem Ergebnis der Zersetzung von adsorbiertem Wasser erzeugtem Wasserstoff.

Deshalb wird, wenn eine Hochdruck-Dampf-Entladungslampe für einen längeren Zeitraum in einem Zustand verwendet wird, in dem ein nicht-linearer dielektrischer Keramikkondensator, der z. B. in der offengelegten japanischen Patentanmeldung (kokai) Nr. 63-221504, 63-221505, 1-136323 oder 1-136324 beschrieben ist, in den äußeren Kolben eingebaut ist, welcher zur Pulser zeugung verwendet wird, die dielektrische Keramik reduziert, und somit nimmt der Isolations widerstand ab, was zu dem Problem führt, daß die Spannung von erzeugten Pulsen abnimmt oder kein Puls erzeugt wird, mit dem Ergebnis, daß die Entladungslampe nicht startet.

Um dieses Problem zu lösen, wurde eine in der offengelegten japanischen Patentanmeldung (kokai) Nr. 60-52006 beschriebene Maßnahme vorgeschlagen, bei der ein dielektrischer Kera mikkondensator vollständig mit anorganischem Glas beschichtet wird, mit Ausnahme von den Elektrizitätszuführbereichen, und es wurde eine in der offengelegten japanischen Patentanmeldung (kokai) Nr. 4-34832 beschriebene Maßnahme vorgeschlagen, bei der ein Wasser stoff-Adsorptionsgetter innerhalb des äußeren Kolbens angebracht ist. Gleichwohl können diese Maß nahmen die Verschlechterung des nicht-linearen dielektrischen Keramikkondensators nicht unterdrücken. Darüber hinaus werden die Strukturen eines Kondensators zur Pulserzeugung und einer Entladungslampe komplex, was zu erhöhten Kosten führt. Wenn ferner der dielektrische Keramikkondensator vollständig mit anorganischem Glas beschichtet wird, wie in der offenge legten japanischen Patentanmeldung (kokai) Nr. 60-52006, verschlechtern sich die D-E-Hyste rese-Charakteristika des dielektrischen Keramikkondensators aufgrund von Glas, so daß die Hochspannungspulse in einigen Fällen nicht erzeugt werden können.

Im Hinblick auf das Vorstehende ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung eines günstigen Kondensators für die Pulserzeugung (nachfolgend kann er als ein Puls erzeugender Kondensator bezeichnet werden), dessen Charakteristika sich selbst dann nicht verschlechtern, wenn der Kondensator in einer reduzierenden Atmosphäre mit hoher Temperatur und hohem Vakuum verwendet wird, und welcher die Erzeugung von Hochspannungspulsen über einen breiten Temperaturbereich ermöglicht.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Puls erzeugender Kondensator bereitgestellt, welcher innerhalb eines äußeren Kolbens einer Hochdruck-Dampf-Entladungslampe verwendet wird, wobei der Kondensator ein dielektrisches Element beinhaltet, welches aus einer nicht-linearen dielektrischen Keramik aufgebaut ist, welche Beständigkeit gegenüber Reduktion zeigt.

Vorzugsweise umfaßt die nicht-lineare dielektrische Keramik, welche Beständigkeit gegenüber Reduktion zeigt, eine polykristalline Substanz, welche Bariumtitanat als eine primäre Komponente enthält, und wenn die polykristalline Substanz durch die folgende Formel angegeben wird:

(1-a-b) ABO₃ + aM + bR

worin ABO₃ eine Bariumtitanat-Komponente ist und eine Perovskit-Struktur darstellt, M ein Oxid von mindestens einem Element ist, das aus der Gruppe gewählt wird, die aus Mn, Ni und Co besteht, R ein Oxid von mindestens einem Element ist, das aus der Gruppe gewählt wird, die aus La, Ce, Nd, Pr, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er und Yb besteht, und a und b Mol-Fraktionen bedeuten,
erfüllen A, B, a und b die folgenden Beziehungen:

1,000 ≦ A/B ≦ 1,006 (Molverhältnis)
0,3 ≦ b/a ≦ 3
0,0015 ≦ a ≦ 0,0050 und
0,0015 ≦ b ≦ 0,0050

und erfüllt der Gesamtgehalt an M und R, der durch Ad angegeben wird, folgendes:

0,3 < Ad ≦ 1,0 (Gew.-%).

Diese Bereiche werden zusammen als ein erster bevorzugter Bereich bezeichnet.

Ebenfalls ist bevorzugt, daß die nicht-lineare dielektrische Keramik ferner ein Oxid, das Si als eine Hauptkomponente enthält, in einer Menge von 0,005-0,1 Gew.-Teilen mit bezug auf 100 Gew.-Teile der polykristallinen Substanz umfaßt.

Dieser Bereich für das Si-haltige Oxid und die vorstehenden Bereiche, d. h. 1,000 ≦ A/B ≦ 1,006 (Molverhältnis), 0,3 ≦ b/a ≦ 3, 0,0015 ≦ a ≦ 0,0050 und 0,0015 ≦ b ≦ 0,0050 und 0,3 < Ad ≦ 1,0 (Gew.-%), werden hierin zusammen als ein zweiter bevorzugter Bereich bezeichnet.

Auch ist bevorzugt, daß das oben beschriebene ABO₃, wenn es durch {(Ba_1-x-y-zSr_xCa_yMg_z)O}_m- (Ti_1-o-pZr_oHf_p)O₂ angegeben wird, dergestalt ist, daß x, y, z, o, p und m die folgenden Beziehungen erfüllen:

0 ≦ x ≦ 0,05
0 ≦ y ≦ 0,02
0 ≦ z ≦ 0,005
0,0035 ≦ o+p ≦ 0,12

(vorausgesetzt, daß 0 ≦ o ≦ 0,12 und 0 ≦ p ≦ 0,12) und

1,000 ≦ m ≦ 1,006.

Diese Bereiche werden zusammen als ein dritter bevorzugter Bereich bezeichnet.

In einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine dielektrische Keramik bereitge stellt, welche eine polykristalline Substanz, die Bariumtitanat als eine primäre Komponente ent hält, umfaßt, wobei, wenn die polykristalline Substanz durch die folgende Formel angegeben wird:

(1-a-b) ABO₃ + aM + bR

worin ABO₃ eine Bariumtitanat-Komponente ist und eine Perovskit-Struktur darstellt, M ein Oxid von mindestens einem Element, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus Mn, Ni und Co besteht, R ein Oxid von mindestens einem Element ist, das aus der Gruppe gewählt wird, die aus La, Ce, Nd, Pr, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er und Yb besteht, und a und b Molfraktionen bedeuten,
A, B, a und b die folgenden Beziehungen erfüllen:

und der Gesamtgehalt an M und R, angegeben durch Ad, folgendes erfüllt:

0,3 < Ad ≦ 1,0(Gew.-%).

In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine dielektrische Keramik vorge sehen, welche eine polykristalline Substanz umfaßt, die Bariumtitanat als eine primäre Kompo nente enthält, und wenn die polykristalline Substanz durch die folgende Formel angegeben wird:

(1-a-b) ABO₃ + aM + bR

worin ABO₃ eine Bariumtitanat-Komponente ist und eine Perovskit-Struktur darstellt, M ein Oxid von mindestens einem Element ist, das aus der Gruppe gewählt wird, die aus Mn, Ni und Co besteht, R ein Oxid von mindestens einem Element ist, das aus der Gruppe gewählt wird, die aus La, Ce, Nd, Pr, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er und Yb besteht, und a und b Molfraktionen bedeuten, erfüllen A, B, a und b die folgenden Beziehungen:

und erfüllt der Gesamtgehalt an M und R, angegeben durch Ad, folgendes:

0,3 < Ad ≦ 1,0 (Gew.-%), und

umfaßt die dielektrische Keramik ferner ein Oxid, das Si als eine Hauptkomponente enthält, in einer Menge von 0,005-0,1 Gew.-Teilen in bezug auf 100 Gew.-Teile der polykristallinen Sub stanz.

Vorzugsweise ist das oben beschriebene ABO₃, welches durch {(Ba_1-x-y-zSr_xCa_yMg_z)O}_m(Ti_1-o-p- Zr_oHf_p)O₂ angegeben wird, dergestalt, daß x, y, z, o, p und m die folgenden Beziehungen erfüllen:

0 ≦ x ≦ 0,05
0 ≦ y ≦ 0,02
0 ≦ z ≦ 0,005
0,0035 ≦ o + p ≦ 0,12

(mit der Maßgabe, daß 0 ≦ o ≦ 0,12 und 0 ≦ p ≦ 0,12) und

1,000 ≦ m ≦ 1,006.

In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Hochdruck-Metalldampf-Ent ladungslampe vorgesehen, die einen Kondensator der vorliegenden Erfindung als einen Starter verwendet.

Verschiedene andere Ziele, Merkmale und viele begleitende Vorteile der vorliegenden Erfindung werden leicht erkannt werden, wenn dieselben mit bezug auf die folgende genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen besser verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet werden, in denen:

Fig. 1 ein exemplarisches Profil mit D-E-Hysterese-Charakteristik einer nicht-linearen dielektri schen Keramik ist, welche in einen Kondensator der vorliegenden Erfindung eingebracht ist;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines exemplarisches Puls erzeugenden Kondensators der vorlie genden Erfindung ist;

Fig. 3 (STAND DER TECHNIK) eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Puls erzeugen den Kondensators ist;

Fig. 4 ein Diagramm ist, das einen Puls erzeugenden Schaltkreis und einen Puls messenden Schaltkreis zeigt;

Fig. 5 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen der erzeugten Pulsspannung und der Betriebszeit der Lampe, erhalten von einem Puls erzeugenden Kondensator, zeigt;

Fig. 6 eine Skizze ist, die die Struktur eines Beispiels einer Hochdruck-Natrium-Lampe zeigt, in die ein Kondensator der vorliegenden Erfindung eingebracht ist; und

Fig. 7 ein Schaltkreisdiagramm der in Fig. 6 gezeigten Lampe ist.

Der Puls erzeugende Kondensator der vorliegenden Erfindung wird mit bezug auf die Zeichnun gen beschrieben.

Die Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht eines Puls erzeugenden Kondensators A gemäß einer Aus führungsform der vorliegenden Erfindung. Der Puls erzeugende Kondensator A wird wie folgt erzeugt. Als erstes wird ein Keramikpulver als Ausgangsmaterial, das aus verschiedenen Kom ponenten in vorbestimmten Verhältnissen besteht, mit einem Bindemittel vermischt. Das resul tierende Material wird gemischt, getrocknet, granuliert und dann zu einem scheibenförmigen Formprodukt z. B. durch Preßformen gebildet. Das Formprodukt wird so gebrannt, daß eine nicht lineare dielektrische Keramik 1 erhalten wird, welche als ein dielektrisches Element dient. Anschließend werden Elektroden 2 auf den zwei Hauptflächen der nicht-linearen dielektrischen Keramik 1 z. B. durch Brennen gebildet. Anschließend werden Ringe aus Isolationsglas 3 zur Isolation vorgesehen. Leitungsenden 5 werden mit den Elektroden durch die Verwendung eines leitenden Haftstoffes 6 verbunden, so daß eine elektrische Verbindung erreicht wird, um dadurch einen Puls erzeugenden Kondensator A zu erhalten.

Die nicht-lineare dielektrische Keramik, wird aus einer polykristallinen Substanz aufgebaut, die Bariumtitanat als eine primäre Komponente enthält. Das Bariumtitanat wird durch ABO₃ ange geben, welche eine Formel ist, die eine Perovskit-Struktur darstellt. In der vorliegenden Erfindung wird das A/B-Molverhältnis reguliert, und außerdem werden ein Oxid von mindestens einem Element, das aus der Gruppe gewählt wird, die aus Mn, Ni und Co besteht, und ein Oxid von mindestens einem Element, das aus der Gruppe gewählt wird, die aus La, Ce, Nd, Pr, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er und Yb besteht, in spezifischen Mengen hinzugesetzt und eingebracht, so daß eine Beständigkeit gegenüber Reduktion sichergestellt wird und eine steile D-E-Hystere erhalten wird. Somit kann sogar, wenn der Kondensator einer reduzierenden Atmosphäre mit hoher Temperatur und hohem Vakuum ausgesetzt wird, eine hohe Puls- bzw. Impulsspannung erhalten werden, während keine Abnahme im Isolationswiderstand erlaubt wird.

Die geeignete Auswahl des A/B-Verhältnisses und Zugabe eines Oxids von Mn, Ni oder Co sind wirksam zur Verbesserung der Beständigkeit gegenüber Reduktion. Gleichwohl sollte festgestellt werden, daß diese zwei allein keine steile D-E-Hysterese vorsehen können und keine hohe Puls spannung sicherstellen können. Deshalb wird entsprechend einem charakteristischen Merkmal der vorliegenden Erfindung ein Oxid eines Elementes, das aus La, Ce, Nd, Pr, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er und Yb gewählt wird, ebenfalls hinzugesetzt, und das Verhältnis der Menge davon zu der des Oxids von Mn, Ni oder Co wird eingestellt, um dadurch sowohl eine ausreichende Beständigkeit gegenüber Reduktion als auch befriedigende Pulsspannungs-Charakteristika sicherzustellen.

Durch eine weitere Einbringung eines Oxids, das Si als eine Hauptkomponente enthält, kann eine ausgezeichnete Reproduzierbarkeit von mit dem Sintern in Verbindung stehenden Eigenschaften der nicht-linearen dielektrischen Keramik erhalten werden, was zu Keramiken führt, deren auf bauende Körnchen eine Größe mit kleiner Schwankung aufweisen. Dies liefert eine hohe Span nung von erzeugten Pulsen und eine Zunahme der Durchschlagspannung.

BEISPIELE

Die vorliegende Erfindung wird als nächstes genau mit Hilfe von Beispielen beschrieben. Gleichwohl ist die Erfindung nicht nur auf diese Beispiele beschränkt.

Beispiel 1

BaCO₃, CaCO₃, SrCO₃, MgCO₃, TiO₂, ZrO₂ und Hf₂O₃, jeweils mit einer Reinheit von 99% oder mehr, wurden als Ausgangsmaterialien vorgelegt.

Diese Ausgangsmaterialien wurden gemischt, um Zusammensetzungen zu erzeugen, welche durch {(Ba_1-x-y-zSr_xCa_yMg_z)O}m (Ti_1-o-pZr_oHf_p)O₂ angegeben werden, in denen x, y, z, o, p und in die in Tabelle 1 gezeigten Werte annehmen. Jede Zusammensetzung wurde unter Verwendung einer Kugelmühle naß gemischt, zerkleinert, getrocknet und in Luft bei 1120°C 2 Stunden lang kalziniert, um eine kompakte Masse zu erhalten. Die resultierende kompakte Masse wurde unter Verwendung eines Trockenzerkleinerers zerkleinert, um ein zerkleinertes Material mit einem Teilchendurchmesser von 1 µm oder weniger zu erhalten.

Tabelle 1

(1) Probe Nr.

Zu dem zerkleinerten Material wurden MnCO₃, NiO, CoO, La₂O₃, CeO₂, Nd₂O₃, Pr₆0₁₁, Sm₂O₃, Eu₂O₃, Gd₂O₃, Tb₂O₃, Dy₂O₃, Ho₂O₃, Er₂O₃, Yb₂O₃ und SiO₂ hinzugesetzt, um die Zusammen setzungen zu erhalten, wie sie in den Tabellen 2 und 3 gezeigt sind. Ferner wurden Polyvinyl alkohol (3 Gew.-%) und reines Wasser hinzugesetzt, und jede der resultierenden Mischungen wurde durch die Verwendung einer Kugelmühle naß gemischt, getrocknet, einer Granulierung unterzogen und unter einem Druck von 2 Tonne/cm² geformt, um dadurch scheibenförmig geformte Produkte zu erhalten.

Tabelle 2

(1) Probe Nr.
(2) Gesamtwert von "a"
(3) Gesamtwert von "b"
(4) (Gew.-Teile)

Tabelle 3

(1) Probe Nr.
(2) Gesamtwert von "a"
(3) Gesamtwert von "b"
(4) (Gew.-Teile)

Anschließend wurden die resultierenden geformten Produkte bei den in Tabelle 4 gezeigten Temperaturen 2 Stunden lang gebrannt, um nicht-lineare dielektrische Keramiken mit jeweils einem Durchmesser von 18 mm und einer Dicke von 0,6 mm zu erhalten.

Wie in Fig. 2 gezeigt, wurden Elektroden aus Silber und einem Durchmesser von 16 mm auf den zwei Hauptflächen jeder dielektrischen Keramik durch Brennen gebildet. Ferner wurden Isolie rungsglasringe aus Glaskeramik und einem Außendurchmesser von 17 mm und einem Innen durchmesser von 14 mm vorgesehen. Anschließend wurden Leitungsenden aus Nickel an die oben beschriebenen Elektroden unter Verwendung eines leitenden Klebstoffes gelegt, um dadurch einen Puls-erzeugenden Kondensator A zu erhalten.

Die Spannung von erzeugten Pulsen wurde für den resultierenden Kondensator bei -40°C, bei Raumtemperatur (20°C) und bei 50°C unter Verwendung eines Puls-erzeugenden Schaltkreises und eines Puls-messenden Schaltkreises, gezeigt in Fig. 4, gemessen. Wie in Fig. 4 gezeigt, wurde der wie oben beschrieben erzeugte Puls-erzeugende Kondensator A in ein Thermogefaß gestellt. Ein Halbleiterschalter C mit einer Kipp- bzw. Überschlagspannung von 150 V und einem Ballast widerstand D zur Verwendung mit einer 400-Watt-Hochdruck-Quecksilber-Lampe (Stromquelle: 220 V, 60 Hz) wurde in Reihe mit dem Kondensator A geschaltet. Der dadurch gebildete Reihen-Schaltkreis wurde an eine Wechselstromquelle E (100-Vac, 60 Hz) gelegt, um dadurch den Puls erzeugenden Schaltkreis zu vervollständigen. Die Spannung von erzeugten Pulsen (nachfolgend einfach als Pulsspannung bezeichnet) wurde durch die Verwendung eines Oszilloskops F gemessen, weicher zwischen die gegenüberliegenden Enden eines Reihen-Schaltkreises, ein schließend den Kondensator A und den Halbleiter C, angelegt wurde.

Tabelle 1

Dann wurde der Isolationswiderstand durch Anlegen von 100 Vdc während 2 Minuten unter Verwendung eines Isolationswiderstandsmeßgerätes gemessen, und der spezifische Durch gangswiderstand (ρ) wurde berechnet.

Um die Zeit-Verlaufs-Änderung von Eigenschaften unter hoher Temperatur und in einer redu zierenden Atmosphäre zu messen, wurde jeder Kondensator 1000 Stunden in einer Vakuum kammer (400°C, 1 × 10^-5 Torr, Wasserstoffkonzentration: 0,5%) stehengelassen. Die Puls spannung der Kondensatoren, nachdem sie stehengelassen wurden, wurden bei Raumtemperatur (20°C) unter Verwendung des Puls erzeugenden Schaltkreises und des Puls messenden Schaltkreises, gezeigt in Fig. 4, gemessen. Der Isolationswiderstand wurde gemessen, und der spezifische Durchgangswiderstand (ρ) wurde berechnet.

Die Durchschlags-Wechselspannung wurde wie folgt gemessen. Silberelektroden mit einem Durchmesser von 14 mm wurden gebildet durch Brennen auf zwei Hauptflächen jeder nicht linearer dielektrischer Keramik mit einem Durchmesser von 18 mm und einer Dicke von 0,6 mm, welche erhalten worden war durch Brennen bei Temperaturen, wie sie in Tabelle 4 gezeigt sind, um dadurch Probenkondensatoren herzustellen. Die Spannung jeder Probe wurde beim Brechen bzw. Durchschlagen der Probe gemessen, nachdem sie einer Erhöhung der Spannung, die mit 60 Hz, 100 Vrms/s in einem Siliconölbad angelegt wurde, unterzogen wurden.

Die vollständigen Ergebnisse der Tests sind in Tabelle 4 gezeigt. Die Proben Nrs. 6 bis 15 in den Tabellen 1 bis 4 liegen außerhalb des ersten bevorzugten Bereiches (welcher dem Umfang von Anspruch 2 entspricht). Proben Nrs. 6 bis 17 fallen außerhalb des zweiten bevorzugten Bereiches welcher dem Umfang von Anspruch 3 entspricht). Die Proben Nrs. 1 bis 17 fallen außerhalb des dritten bevorzugten Bereiches (welcher dem Umfang von Anspruch 4 entspricht) und sind mit einem "*" markiert sind. Das heißt, die Proben Nrs. 18 bis 41 liegen innerhalb der am meisten bevorzugten Bereiche gemäß der vorliegenden Erfindung.

Tabelle 4

(1) Probe Nr.
(2) Brenntemperatur (°C)
(3) Spannung von erzeugten Pulsen (kV)
(4) Raumtemperatur
(5) Spezifischer Durchgangswiderstand ρ (Ω.m)
(6) Spannung von erzeugten Pulsen (kV)
(7) Spezifischer Durchgangswiderstand ρ (Ω.m)
(8) Durchschlag-Wechselspannung (kV/mm).

Wie aus den Tabellen 1 bis 4 ersichtlich ist, haben die Puls-erzeugenden Kondensatoren der vor liegenden Erfindung, welche innerhalb der am meisten bevorzugten Bereiche liegen, d. h. einem dritten bevorzugten Bereich (welcher dem Umfang von Anspruch 4 entspricht), eine Pulsspan nung von gar 1,8 kV oder mehr innerhalb des Temperaturbereiches von -40 bis 50°C. Wenn die Kondensatoren einer Hochtemperatur-Reduktions-Atmosphäre ausgesetzt werden, verschlechtern sich außerdem deren Durchschlagspannungen nicht, und außerdem nehmen ebenfalls die Puls spannungen nicht ab. Ferner zeigen die Kondensatoren eine Durchschlag-Wechselspannung von gar 6 kVrms/mm oder mehr.

Wie oben beschrieben, besitzt die dielektrische Keramik der vorliegenden Erfindung, welche zum Aufbau eines Puls-erzeugenden Kondensators verwendet wird, eine Zusammensetzung der Formel, (1-a-b) ABO₃ + aM + bR, worin ABO₃ eine Bariumtitanat-Komponente ist und eine Perovskit-Struktur darstellt; M ein Oxid mindestens eines Elementes ist, das aus der Gruppe gewählt wird, die aus Mn, Ni und Co besteht; R ein Oxid von mindestens einem Element ist, welches aus der Gruppe gewählt wird, die aus La, Ce, Nd, Pr, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er und Yb besteht; und a und b Molfraktionen bedeuten. Der Grund, warum die Beschränkungen in der Zusammensetzung der dielektrischen Keramik festgelegt wurden, wird unten beschrieben.

Tabelle 4

Ein Puls-erzeugender Kondensator mit der Zusammensetzung von Probe Nr. 6, bei dem das A/B-Ver hältnis - nämlich der Wert von m, wenn die Formel ABO₃ durch die Formel {(Ba_1-z-y-zSr_x- Ca_yMg_z)O}_m(Ti_1-o-pZr_o-Hf_pO₂ angegeben wird - geringer als 1,000 ist, hat schlechte Eigen schaften. Das heißt, der Kondensator weist eine drastisch gesenkte Pulsspannung auf, und zwar aufgrund einer Abnahme im Isolationswiderstand, bedingt durch die Reduktion der dielektrischen Keramik bei dem Ausgesetztsein durch eine Hochtemperatur-Reduktions-Atmosphäre. Ein Kondensator mit der Zusammensetzung von Probe Nr. 7, worin das A/B-Verhältnis größer als 1,006 ist, besitzt ebenfalls schlechte Eigenschaften aufgrund der Abnahme in der Pulsspannung.

In dem Fall, in dem "a" (d. h. die Molfraktion von M) geringer als 0,0015 ist - wie im Fall von Probe Nr. 8 - ergibt sich nachteiligerweise eine signifikante Abnahme in der Pulsspannung bei dem Ausgesetztsein einer Hochtemperatur-Reduktions-Atmosphäre. Auch in dem Fall, worin "a" (d. h. die Molfraktion von M) über 0,0050 liegt - wie im Fall von Probe Nr. 9 - ergibt sich nach teiligerweise eine Abnahme in der Pulsspannung innerhalb des Betriebstemperaturbereiches von - 40°C bis 50°C.

In dem Fall, wo "b" (d. h. die Molfraktion von R) geringer als 0,0015 ist - wie im Fall von Probe Nr. 10 - oder über 0,0050 liegt - wie im Fall von Probe Nr. 11 - kann keine Pulsspannung von mehr als 1,8 kV erhalten werden.

In dem Fall, wo "b/a" (d. h. das Verhältnis der Molfraktionen von M und R) geringer als 0,3 ist - wie im Fall von Probe Nr. 12 - ergibt sich nachteiligerweise eine signifikante Abnahme in der Pulsspannung. Auch in dem Fall, wo das Verhältnis über 3 liegt - wie im Fall von Probe Nr. 13 - ergibt sich nachteiligerweise eine Abnahme in der Pulsspannung bei dem Ausgesetztsein einer Hochtemperatur-Reduktions-Atmosphäre.

In dem Fall, wo "Ad" (d. h. der Gesamtgehalt an M und R) 0,3 Gew.-% oder weniger beträgt - wie im Fall von Probe Nr. 14 - ergeben sich eine Abnahme in dem spezifischen Durchgangs widerstand und eine signifikante Abnahme in der Pulsspannung in nachteiliger Weise bei dem Ausgesetztsein einer Hochtemperatur-Reduktions-Atmosphäre. Auch in dem Fall, wo der Gesamtgehalt an "Ad" über 1,0 Gew.-% liegt - wie im Fall von Probe NR. 15 - kann keine Puls spannung von mehr als 1,8 kV erhalten werden.

In dem Fall, wo die Menge des Oxids, das Si als eine Hauptkomponente enthält (d. h. der Gehalt an SiO₂), geringer als 0,005 Gew.-Teile beträgt - wie im Fall von Probe Nr. 16 - kann keine Puls spannung von mehr als 1,8 kV erhalten werden, und ergibt sich eine Abnahme in der Durch schlag-Wechselspannung in nachteiliger Weise. Wenn die Lampe, in der der Kondensator enthalten ist, wiederholt betrieben wird, neigt der Kondensator dazu, einen Durchschlag zu verursachen. Auch in dem Fall, wo der SiO₂-Gehalt über 0,1 Gew.-Teile liegt - wie im Fall von Probe Nr. 17 - kann eine Abnahme in der Pulsspannung resultieren.

In dem Fall, wo das ABO₃ durch {(Ba_1-x-y-zSr_x-Ca_yMg_z)O}_m(Ti_1-o-pZr_oHf_p)O₂ angegeben wird, kann, wenn "x" (d. h. der Parameter von Sr) über 0,05 liegt - wie im Fall von Probe Nr. 1 - keine Pulsspannung von mehr als 1,8 kV bei 50°C erhalten werden. Gleichwohl kann die Pulsspannung durch die Einbringung von Sr erhöht werden, so daß "x" 0,05 oder weniger beträgt.

In dem Fall, wo "y" (der Parameter von Ca) über 0,02 liegt - wie im Fall von Probe Nr. 2 - ergibt sich eine nachteilige Abnahme in der Pulsspannung. Wenn jedoch "y" 0,02 oder weniger beträgt, fällt die Pulsspannung nicht unter einer Hochtemperatur-Reduktions-Atmosphäre.

In dem Fall, wo "z" (der Parameter von Mg) über 0,005 liegt - wie im Fall von Probe Nr. 3 - kann keine Pulsspannung von mehr als 1,8 kV erhalten werden. Gleichwohl erhöht die Einbringung von Mg, so daß "z" 0,005 oder weniger beträgt, die Beständigkeit gegenüber einer Reduktion und verhindert die Absenkung der Pulsspannung unter einer Hochtemperatur-Re duktions-Atmosphäre.

In dem Fall, wo "o+p" ("o" ist der Parameter von Zr und "p" ist der Parameter von Hf) geringer als 0,035 ist - wie im Fall von Probe Nr. 4 - ergibt sich nachteiligerweise eine Abnahme in der Pulsspannung. In dem Fall, wo "o+p" über 0, 12 liegt - wie im Fall von Probe Nr. 5 - kann keine Pulsspannung von mehr als 1,8 kV bei Raumtemperatur oder 50°C erhalten werden.

Beispiel 2

Ein Puls erzeugender Kondensator A, der Probe Nr. 26 in Beispiel 1 entspricht, welcher innerhalb des dritten bevorzugten Bereiches (der dem Umfang von Anspruch 4 entspricht) der vorliegenden Erfindung fällt, wurde hergestellt, und es wurde eine Hochdruck-Natrium-Lampe, welche den Kondensator A innerhalb ihres äußeren Kolbens beherbergte, erzeugt.

Die Fig. 6 ist eine schematische Draufsicht von einer Hochdruck-Natrium-Lampe, die einen nicht linearen Kondensator der vorliegenden Erfindung verwendet. Die Fig. 7 ist ein Schaltkreis dafür.

Die Bezugsziffer 102 gibt eine Bogenentladungsröhre der Hochdruck-Natrium-Lampe an, und 101 bedeutet einen Starter. Als Starter wird der nicht-lineare Kondensator der vorliegenden Erfindung verwendet. Der Kondensator wird parallel zu der Bogenentladungsröhre 102 geschaltet. Der Starter und die Bogenentladungsröhre werden innerhalb eines äußeren Kolbens 110 aus Hartglas beherbergt. Innerhalb des äußeren Kolbens 110 wird ein Getter, z. B. ein Bariumgetter 112, eingeschlossen, und das Innere des äußeren Kolbens wird auf ein Hochvakuum evakuiert. Eine Kappe 111 wird am Ende des Kolbens 110 angebracht, zur Hervorrufung einer elektrischen Verbindung mit den inneren Leitern 122 und 121.

Die Hochdruck-Natrium-Lampe wird unter Verwendung eines Ballastwiderstandes 104, der an eine Wechselstromquelle 105 geschaltet ist, betrieben.

Zum Vergleich wurde eine nicht-lineare dielektrische Keramik, die zur Herstellung eines Kon densators von Probe Nr. 14 in Beispiel 1 verwendet wurde, in ähnlicher Weise zu der in Beispiel 1 beschriebenen hergestellt. Der Kondensator liegt außerhalb des ersten bevorzugten Bereiches (welcher dem Umfang von Anspruch 2 entspricht) der vorliegenden Erfindung. Wie in Fig. 3 (Stand der Technik) gezeigt, wurden Elektroden aus Silber mit einem Durchmesser von 16 mm auf den zwei Hauptoberflächen der nicht-linearen dielektrischen Keramik 11 gebrannt. Ferner wurde Isolationsglas 13, das Glaskeramik enthielt, auf den gesamten Flächen der zwei Haupt oberflächen der nicht-linearen dielektrischen Keramik 11 vorgesehen, außer bei den Elektrizi tätszuführbereichen 14. Anschließend wurden Leitungsenden 15 aus Nickel an die Elektrizitäts zuführbereiche 14 mit Hilfe eines leitenden Klebstoffes 16 gelegt, so daß die Führungsenden 15 elektrisch mit den Elektroden 12 über die Elektrizitätszuführbereiche 14 verbunden sind, um dadurch einen Puls-erzeugenden Kondensator B zu vervollständigen. Auch wurde eine Hoch druck-Natrium-Lampe, bei der der Kondensator B innerhalb des äußeren Kolbens liegt, herge stellt.

Gesondert wurde als eine andere Vergleichslampe eine Hochdruck-Natrium-Lampe hergestellt, die sowohl Kondensator B als auch ein Wasserstoff-Adsorptionsgetter innerhalb des äußeren Kolbens aufweist. Das Wasserstoff-Adsorptionsgetter basierte auf Zr/Al mit einem Gewichts verhältnis von 87/13.

Unter Verwendung dieser drei Typen von Lampen wurde ein Leuchttest durchgeführt. Ein Ballastwiderstand zur Verwendung mit einer 400-W-Hochdruck-Quecksilber-Lampe (Strom versorgung: 220 V, 60 Hz) wurde im Test verwendet. Der Leuchtzyklus bestand aus 10 h Licht an und 1 h Licht aus.

Die Fig. 5 zeigt die Änderung in der erzeugten Pulsspannung gegenüber der Leuchtzeit der Lampe. Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, ermöglicht der Kondensator A, welcher in den dritten bevorzugten Bereich der vorliegenden Erfindung fällt (welcher dem Umfang von Anspruch 4 entspricht), nur eine kleine Abnahme in der Pulsspannung; wohingegen der Kondensator B, wel cher außerhalb des ersten bevorzugten Bereichs der vorliegenden Erfindung fällt (welcher dem Umfang von Anspruch 2 entspricht) eine merkliche Abnahme in der Pulsspannung ermöglicht, selbst wenn er in Kombination mit einem Wasserstoff-Adsorptionsgetter verwendet wird.

Wie oben beschrieben, wird der Puls-erzeugende Kondensator der vorliegenden Erfindung aus einer nicht-linearen dielektrischen Keramik mit Beständigkeit gegenüber einer reduzierenden Atmosphäre und einer steilen D-E-Hystere-Charakteristik über einen breiten Temperaturbereich aufgebaut. Da der Puls-erzeugende Kondensator der vorliegenden Erfindung darüber hinaus auch nicht vollständig mit Isolationsglas bedeckt werden muß, wird eine Verschlechterung bezüglich der durch eine solche Glasbeschichtung hervorgerufenen Charakteristik vermieden. Außerdem besitzt der Kondensator eine hohe dielektrische Durchschlags-Wechselspannung.

Somit kann die vorliegende Erfindung einen günstigen Puls-erzeugenden Kondensator bereit stellen, dessen Charakteristika sich nicht verschlechtern, selbst wenn der Kondensator in einer reduzierenden Atmosphäre mit hoher Temperatur und hohem Vakuum verwendet wird, und welcher die Erzeugung eines Hochspannungspulses über einen breiten Temperaturbereich ermöglicht.

Auch eliminiert die Verwendung des Puls-erzeugenden Kondensators der vorliegenden Erfindung das Anfordernis nach einem Wasserstoff-Adsorptionsgetter in einem äußeren Kolben. Deshalb ist es möglich, eine verläßliche Hochdruck-Dampf-Entladungsröhre des Typs mit "darin enthaltenem Starter" zu erhalten, welche einen Starter innerhalb des äußeren Kolbens der Entladungsröhre einschließt, und zwar bei niedrigen Kosten.

Claims

1. Kondensator zur Pulserzeugung, welcher innerhalb eines äußeren Kolbens einer Hoch druck-Dampf-Entladungslampe verwendet wird, wobei der Kondensator, welcher ein aus einer nicht-linearen dielektrischen Keramik aufgebautes dielektrisches Element umfaßt, Beständig keit gegenüber Reduktion zeigt.

2. Kondensator zur Pulserzeugung gemaß Anspruch 1, wobei die nicht-lineare dielektrische Keramik, die Beständigkeit gegenüber Reduktion zeigt, eine polykristalline Substanz, welche Bariumtitanat als eine primäre Komponente enthält, umfaßt, und wenn die polykristalline Substanz durch die folgende Formel angegeben wird:
(1-a-b) ABO₃ + aM + bR
worin ABO₃ eine Bariumtitanat-Komponente ist und eine Perovskit-Struktur darstellt, M ein Oxid von mindestens einem Element ist, das aus der Gruppe gewählt wird, die aus Mn, Ni und Co besteht, R ein Oxid von mindestens einem Element ist, das aus der Gruppe gewählt wird, die aus La, Ce, Nd, Pr, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er und Yb besteht, und a und b Mol-Fraktionen bedeuten,
erfüllen A, B, a und b die folgenden Beziehungen:
1,000 ≦ A/B ≦ 1,006 (Molverhältnis)
0,3 ≦ b/a ≦ 3
0,0015 ≦ a ≦ 0,0050 und
0,0015 ≦ b ≦ 0,0050
und erfüllt der Gesamtgehalt an M und R, der durch Ad angegeben wird, folgendes:
0,3 < Ad ≦ 1,0 (Gew.-%).

3. Kondensator zur Pulserzeugung gemäß Anspruch 1, wobei die nicht-lineare dielektrische Keramik, die Beständigkeit gegenüber Reduktion zeigt, eine polykristalline Substanz, welche Bariumtitanat als eine primäre Komponente enthält, umfaßt, und wenn die polykristalline Substanz durch die folgende Formel angegeben wird:
(1-a-b) ABO₃ + aM + bR
worin ABO₃ eine Bariumtitanat-Komponente ist und eine Perovskit-Struktur darstellt, M ein Oxid von mindestens einem Element ist, das aus der Gruppe gewählt wird, die aus Mn, Ni und Co besteht, R ein Oxid von mindestens einem Element ist, das aus der Gruppe gewählt wird, die aus La, Ce, Nd, Pr, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er und Yb besteht, und a und b Molfraktionen bedeuten, erfüllen A, B, a und b die folgenden Beziehungen:
1,000 ≦ A/B ≦ 1 006 (Molverhältnis)
0,3 ≦ b/a ≦ 3
0,0015 ≦ a ≦ 0,0050 und
0,0015 ≦ b ≦ 0,0050
und erfüllt der Gesamtgehalt an M und R, angegeben durch Ad, folgendes:
0,3 < Ad ≦ 1,0 (Gew.-%), und
die dielektrische Keramik ferner ein Oxid, das Si als eine Hauptkomponente enthält, in einer Menge von 0,005-0,1 Gew.-Teilen in bezug auf 100 Gew.-Teile der polykristallinen Sub stanz umfaßt.

4. Kondensator zur Pulserzeugung gemaß Anspruch 2 oder 3, worin, wenn ABO₃ durch {(Ba_1-x-y-zSr_xCa_yMg_z)O}_m(Ti_1-o-pZr_oHf_p)O₂ angegeben wird, x, y, z, o, p und in die folgenden Beziehungen erfüllen:
0 ≦ x ≦ 0,05
0 ≦ y ≦ 0,02
0 ≦ z ≦ 0,005
0,0035 ≦ o+p ≦ 0,12
(mit der Maßgabe, daß 0 ≦ o ≦ 0,12 und 0 ≦ p ≦ 0,12) und
1,000 ≦ m ≦ 1,006.

5. Dielektrische Keramik, die eine polykristalline Substanz, welche Bariumtitanat als eine primäre Komponente enthält, umfaßt, worin, wenn die polykristalline Substanz durch die folgende Formel angegeben wird:
(1-a-b) ABO₃ + aM + bR
worin ABO₃ eine Bariumtitanat-Komponente ist und eine Perovskit-Struktur darstellt, M ein Oxid von mindestens einem Element ist, das aus der Gruppe gewählt wird, die aus Mn, Ni und Co besteht, R ein Oxid von mindestens einem Element ist, das aus der Gruppe gewählt wird, die aus La, Ce, Nd, Pr, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er und Yb besteht, und a und b Mol-Fraktionen bedeuten,
A, B, a und b die folgenden Beziehungen erfüllen:
1,000 ≦ A/B ≦ 1,006 (Molverhältnis)
0,3 ≦ b/a ≦ 3
0,0015 ≦ a ≦ 0,0050 und
0,0015 ≦ b ≦ 0,0050
und der Gesamtgehalt an M und R, der durch Ad angegeben wird, folgendes erfüllt:
0,3 < Ad ≦ 1,0(Gew.-%).

6. Dielektrische Keramik, die eine polykristalline Substanz, welche Bariumtitanat als eine primäre Komponente enthält, umfaßt, und, wenn die polykristalline Substanz durch die folgende Formel angegeben wird:
(1-a-b) ABO₃ + aM + bR
worin ABO₃ eine Bariumtitanat-Komponente ist und eine Perovskit-Struktur darstellt, M ein Oxid von mindestens einem Element ist, das aus der Gruppe gewählt wird, die aus Mn, Ni und Co besteht, R ein Oxid von mindestens einem Element ist, das aus der Gruppe gewählt wird, die aus La, Ce, Nd, Pr, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er und Yb besteht, und a und b Molfraktionen bedeuten,
erfüllen A, B, a und b die folgenden Beziehungen:
1,000 ≦ A/B ≦ 1,006 (Molverhältnis)
0,3 ≦ b/a ≦ 3
0,0015 ≦ a ≦ 0,0050 und
0,0015 ≦ b ≦ 0,0050
und erfüllt der Gesamtgehalt an M und R, angegeben durch Ad, folgendes:
0,3 < Ad ≦ 1,0 (Gew.-%), und
umfaßt die dielektrische Keramik ferner ein Oxid, das Si als eine Hauptkomponente enthält, in einer Menge von 0,005-0,1 Gew.-Teilen in bezug auf 100 Gew.-Teile der polykristallinen Substanz.

7. Dielektrische Keramik gemäß Anspruch 5 oder 6, worin, wenn ABO₃ durch {(Ba_1-x-y-zSr_x Ca_yMg_z)O}_m(Ti_1-o-pZr_oHf_p)O₂ angegeben wird, x, y, z, o, p und in die folgenden Beziehungen erfüllen:
0 ≦ x ≦ 0,05
0 ≦ y ≦ 0,02
0 ≦ z ≦ 0,005
0,0035 ≦ o+p ≦ 0,12
(mit der Maßgabe, daß 0 ≦ o ≦ 0,12 und 0 ≦ p ≦ 0,12) und
1,000 ≦ m ≦ 1006.

8. Hochdruck-Metalldampf-Entladungslampe, die einen Kondensator, wie in Anspruch 2 oder 3 beschrieben, als einen Starter verwendet.