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EP1118100A1 - Dimmbare entladungslampe für dielektrisch behinderte entladungen - Google Patents

Dimmbare entladungslampe für dielektrisch behinderte entladungen

Info

Publication number
EP1118100A1
EP1118100A1 EP99969836A EP99969836A EP1118100A1 EP 1118100 A1 EP1118100 A1 EP 1118100A1 EP 99969836 A EP99969836 A EP 99969836A EP 99969836 A EP99969836 A EP 99969836A EP 1118100 A1 EP1118100 A1 EP 1118100A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
discharge
operating method
discharge lamp
control
electrodes
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP99969836A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1118100B1 (de
Inventor
Frank Vollkommer
Lothar Hitzschke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Osram GmbH
Original Assignee
Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH filed Critical Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Publication of EP1118100A1 publication Critical patent/EP1118100A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1118100B1 publication Critical patent/EP1118100B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/02—Details
    • H01J61/04—Electrodes; Screens; Shields
    • H01J61/06—Main electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/02—Details
    • H01J61/04—Electrodes; Screens; Shields
    • H01J61/06—Main electrodes
    • H01J61/067—Main electrodes for low-pressure discharge lamps
    • H01J61/0672—Main electrodes for low-pressure discharge lamps characterised by the construction of the electrode
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S315/00—Electric lamp and discharge devices: systems
    • Y10S315/07—Starting and control circuits for gas discharge lamp using transistors

Definitions

  • the present invention relates to an operating method for a discharge lamp which is designed for dielectrically impeded discharges.
  • the discharge lamp has a discharge vessel filled with a discharge medium and at least one anode and at least one cathode.
  • a dielectric layer is provided at least between the anode and the discharge medium in order to generate dielectrically impeded discharges.
  • anode and cathode are not to be understood as restricting the invention to unipolar operation.
  • bipolar there is at least no electrical difference between anodes and cathodes, so that the statements for one of the two electrode groups then apply to all electrodes.
  • Promising areas of application for the discharge lamps considered here are, for example, the backlighting of flat-screen systems or the backlighting of signaling devices and signal lamps themselves. For the latter two points, reference is also made to the disclosure content of EP-A-0 926 705, which is referred to here. Furthermore, this invention is also suitable for lamps like that copying lamp shown in DE-A-19718 395 with internal electrodes and the rod lamp described in German application 198 17 475.6 with external electrodes. The disclosure content of the cited applications is hereby incorporated by reference.
  • discharge lamps for dielectrically impeded discharges can be produced in a very large variety of different sizes and geometries and, moreover, with a relatively high efficiency avoid the typical disadvantages of classic discharge lamps with a mercury-containing filling, an increasing use of such discharge lamps is both in terms of their quantitative Distribution as well as expected with regard to their areas of application.
  • DE 196 36 965 AI shows discharge lamps for dielectrically impeded discharges, which consequently show a dielectric layer between at least the anode and the discharge medium.
  • defined starting points for individual discharges are created by localized field reinforcements. The aim is to improve the homogeneity of the power distribution in terms of both time and space.
  • DE 41 40 497 C2 shows an ultraviolet high-power radiator with dielectrically impeded discharges, in which, in order to improve the homogeneity of the UV radiation, the electrical conductors converted in the edge region power is increased by changing the discharge distance or the dielectric capacity.
  • This invention is based on the technical problem of making a further contribution to expanding and improving the possible uses of discharge lamps for dielectrically impeded discharges.
  • this problem is solved by an operating method for a discharge lamp with a discharge vessel containing a discharge medium, an electrode arrangement with an anode and a cathode and with a dielectric layer between at least the anode and the discharge medium, the electrode arrangement being in one along a control length
  • Firing voltage changing type is inhomogeneous, in which method an electrical parameter of the power supply of the discharge lamp is changed in operation in order to control the power of the discharge lamp.
  • the invention also relates to a lighting system with the described discharge lamp and with a ballast designed for the method just mentioned.
  • the invention is directed to the power control in discharge lamps with dielectrically impeded discharges.
  • it provides for at least one control length to be created along the course of the electrodes in the discharge lamp.
  • This term denotes a section of the electrode structure along which inhomogeneous discharge requirements exist. Due to this inhomogeneity of the discharge requirements, an operating voltage of the discharge should change monotonically along the control length, or at least change monotonically in an effective mean value. A special discontinuous option for monotonous change in the operating voltage will be discussed further below.
  • operating voltage relates in particular to a minimum operating voltage which does not correspond to the starting voltage of an individual discharge, but rather to the minimum voltage with which a discharge structure can be maintained at a specific point in the electrode arrangement.
  • an operating method is preferably considered in which the active power is coupled into the discharge lamp in a pulsed manner.
  • the re-ignition of an individual discharge in the case of a remaining restionization after one of the regular interruptions or dead times of the active power coupling, which occur in continuous lighting operation according to the pulse principle is not meant as a new ignition. Rather, the ignition voltage required for a re-ignition means the situation in which the discharge lamp is switched on again completely, that is to say without restionization still present in the discharge medium.
  • An essential property of discharge lamps for dielectric disabled discharges in connection with this invention is the positive current-voltage characteristic. Due to the unambiguous relationship between current and voltage in this characteristic, the lamp current can also be changed by the dielectrically impeded discharges by changing the supply voltage. In the case of conventional discharge lamps, this is countered by a negative differential resistance.
  • the invention is based on the following observation.
  • a major advantage of the pulsed mode of operation referred to here is that the dielectric hindrance is exploited to such an extent that discharge structures with a relatively wide shape in front of the obstructing dielectric arise.
  • these typical discharge structures at least for the most part, there are relatively low charge carrier concentrations, which are very important for the efficiency of the discharge lamp operation.
  • lamp current increases in conventional structures are directly associated with an increase in the charge carrier concentrations in the individual discharge structures connected and thus deteriorate the efficiency of light generation.
  • the invention is based on the basic idea of increasing the current in the discharge lamp by changing the total volume of the discharges so that the current density in the individual discharge structures can remain essentially the same.
  • This change in volume of the discharges can basically occur in two different ways within the control length. In the one case, a single discharge structure is enlarged to form a curtain-like broad discharge structure. In the other case, several partial discharge structures are strung together within the control length, so that a variation in the number of these partial discharge structures within the control length results in the total volume of discharges changed.
  • the transition between the two cases described can also be fluid under certain circumstances.
  • the discharge structures span, at least on the anode, a finite length range along which the discharge requirements change in the sense of the location-dependent operating voltage according to the invention.
  • the lined up individual discharge structures one can imagine local averaging through each discharge structure, so that the mean values reflect the location dependence of the discharge structures.
  • the location dependence of the discharge requirements is responsible for the corresponding limit of the discharge structure being able to move along the electrodes within the control length.
  • the control length can be dimensioned relatively small in relation to the overall size of the discharge lamp, i.e. the discharge lamp can be divided into a plurality of individual control lengths.
  • a change in the discharge volume within the individual control lengths can then be compensated in a suitable manner by averaging the light generation, for example by means of diffusers, prism foils or the like. This results overall in a homogeneous character of the light generation, the change in power due to an increase or decrease in current - for example as a result of an increase or decrease in the voltage coupling - not having to be associated with a clearly visible change in the discharge structures.
  • the invention is preferably directed to an electrode arrangement in which the stroke length is changed monotonically along the control length at least in a local mean value.
  • the difference between the ignition voltage already mentioned and the minimum burning voltage can be clarified to the extent that a discharge at a certain point in the control length with the monotonically changing electrode distance ignites an adjacent area with a smaller distance and then migrates into the area can, in which the burning voltage currently available is just sufficient for the discharge.
  • This is due to the fundamental phenomenon that the discharge structures are distributed over the available electrode areas if possible, because space charges build up locally, which increasingly shield the electric field in the discharge medium and broaden the discharge structure by influencing the field distribution.
  • the electrodes with (known per se) locations for local field strengthening and thus for the localization of individual discharges.
  • the movement of individual discharge structures between these locations, each with a sufficiently short discharge distance for a discharge ignition and other locations at which the distance is only sufficient to maintain a discharge is not readily possible. It can happen that the area between the points of local field strengthening no longer enables the discharge to be maintained.
  • such local field reinforcements can be e.g. B. by small projections or lugs on one or both electrodes. The relevant discharge distance is then measured from the respective tip of such a projection.
  • the operating voltage mentioned in claim 1 can also correspond to the ignition voltage for a discharge and not to the minimum operating voltage for maintaining it.
  • the term operating voltage must be understood to be adapted to the particular situation of the electrode arrangement.
  • the anode width determines the local anode surface available for the discharge and thus the discharge current.
  • the restionization of the discharge medium remaining between two active power pulses at the end of a dead time interval depends on the discharge current and determines the probability of re-ignition and also the re-ignition voltage.
  • a change in the anode width can of course also be present in connection with the described cathode projections and does not necessarily require essentially smooth cathodes.
  • the invention relates to a curtain-like widening of a discharge structure in the control length by means of a suitable electrode structure with a monotonically location-dependent operating voltage.
  • the invention is preferably directed to a dimming circuit for a discharge lamp with dielectrically impeded discharges.
  • Dimming here means a power control in which a specific dimming range can be passed through by the power control in a continuous manner or at least approximately continuously. In the case of a “discontinuous solution” described, this means that a larger number of points of local field amplification must exist within the control lengths in order to be able to make an at least approximately continuous adjustment of the power within this selection of power levels.
  • the steepness of an edge rise in the pulsed active power coupling can be influenced.
  • this variant relates to the time derivative of the voltage applied to the lamp in the region of the rise of the individual pulse.
  • This is initially an empirical result of the development work on which this invention is based.
  • one possible explanation for this control possibility is that with a steeper voltage rise and thus with a greater involvement of high-frequency Fourier components in the voltage profile, the high-frequency conductivity, in particular of the dielectric, is improved compared to a low frequency or direct current conductivity, and thus the electric field existing in the gas filling is increased, as already explained in another context.
  • a Change in the electron energy distribution due to the time derivative of the electric field plays a role.
  • Another time parameter of the active power supply for influencing the burning voltage in the discharge lamp is the so-called dead time between the individual active power pulses, i. H. the time in which no discharge burns between individual pulses.
  • the longer this dead time the lower the restionization remaining in the discharge medium at the end of the dead time.
  • the probability of re-ignition or the voltage required for re-ignition depends on the extent of the restionization.
  • pulse duration and the repetition frequency of the pulses can be mentioned as further temporal parameters of the active power supply, which can be used in a manner similar to that explained above for controlling the power according to this invention.
  • the invention In the area of the continuous variations of the discharge distance, it is preferred according to the invention to work with a sinusoidal shape of at least one of the electrodes or with a sawzal shape of at least one of the electrodes.
  • the sinus shape is free of peaks, i.e. H. consistently round. Such peaks can lead to local field amplification. This can be undesirable in some cases.
  • the field reinforcements can facilitate initial ignition. On the other hand, they lead to increased current densities - on an anode - and can therefore impair the efficiency of the discharge.
  • the sinusoidal shape has the advantage that, starting from one extreme, it runs symmetrically on two sides, ie it allows a discharge structure to be drawn up in two directions simultaneously.
  • the focus of the discharge structure remains constant, which can be advantageous with regard to the external appearance of the discharge lamp.
  • the sawtooth shape in turn, can of course also be rounded off in view of the tip of the sawtooth just mentioned as a possible disadvantage. It can also be symmetrical on both sides, but also asymmetrical, i.e. the sawtooth shape consists for example of a short steep and a long but less steep ramp.
  • An essential point of the sawtooth shape is the linearity of the ramp, i. H. the linearity of the location dependence of the discharge distance.
  • a relationship is considered between the fluctuations of the field distance, ie the difference between the within a control length occurring maximum stroke distance d max and minimum stroke distance dmm, and the control length SL itself as the route length.
  • a favorable upper limit for this ratio is 0.6, preferably 0.5.
  • the value 0.4 is particularly preferred here.
  • Another quantitative relationship between the minimum stroke length drmn and the maximum stroke distance d ma ⁇ within the same control length can be given as follows. A ratio of the minimum stroke length to the maximum stroke distance of more than 0.3, preferably 0.4 and 0.5, and below 0.9 is favorable.
  • control length does not necessarily have to correspond to the maximum possible distance between a minimum electrode distance and the maximum electrode distance specified by the geometric electrode structure.
  • Control length here means the distance of the electrode arrangement actually used by the power control according to the invention.
  • electrode structures for example the sinusoidal or sawtooth shapes already mentioned, which can be “used” from two opposite sides.
  • a strip arrangement of electrodes on a wall or on opposite walls which is preferably considered here an alternating sequence of electrodes are present in such a way that at least some of the electrodes are used for discharges on two sides, in particular on opposite sides the discharges burning on both sides interfere with each other on the electrode strip.
  • a certain part of the sinus can be assigned to one possible discharge side and another part to the other possible discharge side, in general, of course, the closest part in each case.
  • a certain intermediate route can also be provided between the areas assigned to the other discharge sides, from which no discharges should in principle originate.
  • any layers located on the electrodes, in particular on the cathode are relatively smooth.
  • luminescent materials which are usually deposited over a relatively large area by a printing process and can therefore also lie on the electrodes, there can be cumbersome granularities.
  • a reasonable quantitative limit is a grain size of 8 ⁇ m, from which it is possible to expand a discharge structure downwards on such a layer. Smaller grain sizes of 5, 3 or 1 ⁇ m and below are of course more suitable. It can be assumed that granularity is a basic problem of all layers and is not limited to phosphor layers.
  • the phosphor layers in particular are sometimes relatively coarse-grained. If, for certain reasons, there is no sufficiently fine-grained alternative to a phosphor layer, it is preferred according to the invention to leave the cathode completely free of phosphor, ie to leave it out when the phosphor is deposited. Other layers, such as fine-grained reflection layers made of Ti0 2 or A1 2 0 3 , are not necessarily affected. However, these statements are not to be understood in such a way that the method according to the invention would not work with a granular phosphor layer or another granular layer on a cathode. Other parameters also play a role here, for example the steepness of the increase in the discharge distance over the control length, with which a corresponding mounting can also be made possible with granular layers.
  • a lamp is driven with bipolar voltage pulses, i.e. a voltage pulse generated by the ballast is followed by a voltage pulse with an inverse sign (polarity).
  • the lamp here has a double-sided dielectric barrier, i.e. all electrodes are covered with a dielectric layer.
  • the bipolar operating method is particularly suitable for the electrodes described here, which are of the same type from the point of view of discharge physics and which can alternately take on the role of a temporary anode and a cathode.
  • An advantage of the bipolar operating method can be, for example, a symmetrization of the discharge conditions in the lamp. Problems caused by asymmetrical discharge conditions are thus avoided particularly effectively, for example: B. ion migration in the dielectric, which can lead to blackening, or the efficiency of the discharge deteriorating space charge accumulations.
  • a modified flux converter for example, can be used as the ballast for the bipolar operating method.
  • the modifications aim to reverse the direction of the primary circuit-side current in the transformer of the forward converter which causes the voltage pulse in the secondary circuit. This is generally easier than the corresponding one to take electro-technical measures to reverse the direction on the secondary circuit side.
  • the transformer can have two windings on the primary circuit side, which are each assigned to one of the two current directions, that is to say only one of the two directions can be used for a primary circuit current.
  • Each of the two current directions is thus assigned its own cycle switch and its own primary circuit winding on the transformer.
  • ballast according to the invention is used on an alternating current source, it can be advantageous to use two storage capacitors with regard to the two primary circuit-side current directions, which are alternately charged from the alternating current source every half period.
  • the AC half-periods of one sign are used for one of the storage capacitors and the AC half-periods of the other sign are used for the other storage capacitor.
  • the currents for each direction can then be taken from these two storage capacitors. This can be done together with the described double design of the primary circuit winding of the transformer, but such is actually not necessary here. Rather, a single winding on the primary circuit side can be supplied alternately by the two storage capacitors by means of corresponding switches, each storage capacitor being assigned to a respective current direction.
  • a suitable rectifier circuit can be used to supply the storage capacitors from the AC source, the details of which are readily apparent to the person skilled in the art.
  • the invention is directed not only to an operating method for a corresponding discharge lamp, but also to a lighting system, by which a suitable set of a discharge lamp and a ballast is designated.
  • the ballast is designed with regard to the method according to the invention, ie that the ballast has a power control device with which a suitable electrical parameter of the power supply of the discharge lamp can be influenced by the ballast to the correspondingly designed electrode structure in the discharge lamp for a change in the discharge - to exploit the volume of the
  • Figure 1 is a schematic plan view of an electrode structure with sawtooth-shaped anodes, which is shown one above the other in four power levels;
  • Figure 2 is a schematic plan view of a section of an electrode structure with sinusoidal anodes;
  • Figure 3 shows the structure of Figure 2 in a different power level
  • Figure 4 shows an alternative embodiment to Figures 2 and 3;
  • Figure 5 shows a further alternative embodiment to Figures 2, 3 and 4 with sinusoidal cathodes and anodes;
  • FIG. 6 shows a plan view of a base plate of a flat radiator designed according to the invention
  • FIG. 7 shows a schematic block diagram of an illumination system according to the invention.
  • FIG. 8 shows a diagram corresponding to FIG. 7 with measurement curves for the external voltage and the current through the discharge lamp in the lighting system according to FIG. 7;
  • FIG. 9 shows a schematic circuit diagram of a ballast which is suitable for the bipolar operating method variant with a discharge lamp.
  • FIG. 10 shows a diagram with measurement curves for the external voltage and the current through the discharge lamp in the lighting system according to FIG. 9.
  • FIG. 1 shows the same electrode arrangement four times above one another, consisting of a straight strip-shaped cathode 1 and a saw-toothed strip-shaped anode 2.
  • a dielectric cover 4 on the anode 2 is shown schematically.
  • a period length of the stripe structure of the anode 2 is shown as the control length SL.
  • the triangular discharge structures 3 which are characteristic of the unipolar pulsed operating mode of a discharge lamp with dielectrically impeded discharges.
  • each control length contains a discharge structure 3.
  • each control length SL is practically completely filled by four individual triangular discharges 3.
  • These four representations a) to d) illustrate a dimming range of the discharge lamp from a state with a minimum adjustable power in the uppermost case to a state with a maximum adjustable power in the lowest case, each power switching stage having a specific number of individual discharges 3 within a control length SL corresponds.
  • This is a power control with a discontinuous change in the number of individual discharge structures.
  • this does not necessarily correspond to a discontinuous power control without the possibility of continuous dimming operation, because in the intervals between the power stages, each with a different number of discharge structures, a continuous change in the power of each discharge structure is also possible in itself.
  • this discharge structure 3 "engages" in each case with a tip of the sawtooth shape, which is why its ignition at the start of the discharge lamp is made easier by the field increase there is specified and thus there is a certain restionization in the neighborhood, the corresponding ignition of the further discharge structures 3 shown is already facilitated thereby.
  • FIG. 1 It is important for understanding this FIG. 1 that the four electrode pairs lying one below the other are not to be understood as an overall electrode pattern, because then discharges would likewise burn between the sawtooth-shaped anodes 2 and the strip-shaped cathode 1 of the neighboring structure. Rather, there are four individual representations of an exemplary embodiment that is greatly simplified for illustration.
  • FIG. 2 shows an alternative in that the anodes 2 run sinusoidally in this example.
  • triangular individual discharges 3 initially form in the region of the minimum discharge distance.
  • FIG. 3 shows, compared to FIG. 2, the same electrode arrangement consisting of a cathode 1 and two anodes 2, but a higher power level is shown here.
  • a second or third individual discharge structure 3 has not been added in addition to the one that can already be seen in FIG. Rather, the figure 2 relatively narrow discharge structure 3 drawn in the width of a curtain and now sweeps over both a larger length section on the sinusoidal anodes 2 and on the strip-shaped cathode 1.
  • FIG. 3 it can be seen that the individual discharge structures 3 shown here on the anode 2 have already approximately reached the control length SL shown in the left area.
  • the same control length SL in FIG. 2 is only partially filled from the anode side of the discharge structure 3.
  • FIG. 2 and FIG. 3 each show only a section of a larger electrode arrangement consisting of alternately adjacent cathode strips 1 and anode strips 2. Therefore, the control length SL shown does not correspond to the entire period length of the sinusoidal shape, but only to half the period length.
  • the respective halves of the period with distances from the cathodes 1 shown here that exceed the maximum discharge distance d ma ⁇ are assigned discharge structures to a further cathode 1, not shown.
  • a relatively low pressure of a gaseous discharge medium in particular a Xe discharge charge
  • a low pressure can be, for example, a pressure below 80 torr or also below 60 torr.
  • a Xe filling of 50 torr has proven itself for the curtain-like pulling apart.
  • a xenon pressure of 100 Torr was chosen for examples in which a series of variable individual discharges is shown without changing the volume of the individual discharges. A further example is shown in FIG. 4, however, in contrast to FIGS.
  • an exchange has been made insofar as the cathodes 1 here have a sinusoidal shape.
  • This sinusoidal shape is in turn assigned to half an period length of two anodes 2 lying on opposite sides of a sinusoidal cathode 1.
  • the straight, strip-shaped anodes 2 occur twice, so that each anode 2 only carries discharges to one side.
  • the geometric variables control length SL, minimum stroke length d m m and maximum stroke distance dmax correspond to the example in FIGS. 2 and 3.
  • FIG. 5 shows a further variant, both the cathodes 1 and the anodes 2 being sinusoidal.
  • the respective adjacent sine wave strips are phase-shifted from each other by half a period, so that their maxima or minima face each other, that is, the sinusoidal shape results in a modulation of the discharge distance between the adjacent electrodes.
  • each electrode means that only half a period length occurs as the control length SL, so that the maximum stroke length d max does not correspond to the actually geometrically occurring maximum distance.
  • FIG. 4 shows a more specific exemplary embodiment corresponding to the structure from FIG. 4.
  • a glass base plate of a flat radiator ie a flat discharge lamp with dielectrically impeded discharges with two glass plates as main boundary walls, is initially shown at 6.
  • An electrode pattern according to FIG. 4 is applied as a metal screen printing pattern to this base plate 6 of the flat radiator.
  • the actual electrodes 1 and 2 are located within a frame 7, which connects the base plate 6 shown with a cover plate, not shown, and seals the discharge volume to the outside.
  • the electrode strips are simply passed under the seal 7 of the glass solder frame in an extension relative to their sections within their discharge volume.
  • the electrode shapes correspond to FIG. H.
  • the twin anodes 2 are straight strips and the cathodes 1 have a sine wave shape.
  • each of the electrode types 1 and 2 is connected in common to a bus-like outer conductor 8 for the cathodes and 9 for the anodes.
  • a dielectric of 0.6 mm thickness was used, namely a soft glass layer.
  • a thickness of 250 ⁇ m was used in the examples from FIGS. 2-6, this being glass solder.
  • the power in the corresponding discharge lamps was controlled by varying the voltage amplitude of the pulsed power supply.
  • FIG. 7 schematically shows the electrode structure of a further flat radiator according to the invention, which is also designed for the bipolar operating method variant. Therefore, the entire electrode structure, consisting of a first type of electrodes 10, is of a first polarity and a second type Electrodes 11 of a second polarity, covered with a glass solder layer (not shown) with a thickness of approximately 150 ⁇ m (two-sided dielectric barrier discharge).
  • the first type of electrodes 10 consists of a sequence of electrode strips arranged in pairs, all of the electrode pairs being connected to one another, ie having the same electrical potential. Each pair consists of two sawtooth-like electrode strips that are mirror images of each other. Each "saw tooth" of these electrodes has a long, flat and a short, steep ramp.
  • the long ramp acts as a control length.
  • the second type of electrodes 11 comprises line-like electrode strips which are also arranged in pairs between the electrode pairs of the first type line-like electrode strips oriented parallel to each other and connected to each other, ie they have the same electrical potential.
  • the minimum distance between sawtooth-like electrode strips and the next adjacent line-like electrode strip, ie between a "sawtooth” and the next adjacent line electrode is approx. 3 mm, the maximum distance, ie between a "notch" and the next adjacent line electrode, approx. 5 mm.
  • the discharge vessel (not shown) of the flat radiator is formed, similarly to the exemplary embodiment in FIG. 6, from a base plate and a front plate and a frame.
  • the plates consist of G read the thickness 2 mm and the dimensions 105 mm by 137 mm.
  • the frame height and width are 5 mm each.
  • a light-reflecting layer of A1 2 0 3 or Ti0 is applied to the base plate and the frame. This is followed by a three-band phosphor layer on all inner surfaces.
  • the number of delta-shaped partial discharges between each “sawtooth” and the next adjacent line electrode can be controlled with the peak voltage as a control variable. With a peak voltage of 1.35 kV, corresponding to an average power consumption of 3, 5 W each burns a partial discharge between the tip of each sawtooth and the next adjacent line electrode.
  • Figure 8 shows schematically a variant of the electrode structure from Figure 7. It differs from that in Figure 7 essentially in that here the second type of electrode, i.e. the line-like electrode strips are missing.
  • the sawtooth-like electrode strips are combined into two groups 12, 13 in such a way that two mirror-image electrodes of different polarity face each other in pairs.
  • the peak voltage as a control variable, for example increased from 1.48 kV to 1.5 kV and finally to 1.53 kV, corresponding to a power increase from 2.5 W to 3.6 W or 5 W, the initial widened at the tip of each "sawtooth" delta-shaped partial discharge along the longer ramp of the sawtooth to a curtain-like structure in which individual delta-shaped partial discharges are no longer clearly recognizable.
  • This effect can also be seen with the operating frequency in the electrode structure of FIG as a control variable, for example with an increase from 50 kHz to 111 kHz. It is noteworthy that the peak voltage even decreases here, namely from 1.53 kV to 1.46 kV.
  • the power consumption increases from 2 W to 5 W.
  • FIG. 9 shows a schematic circuit diagram of a ballast which is designed for the bipolar operating method variant. External voltage pulses of alternating polarity are thus applied to the dielectric barrier discharge lamp L, for example of the type described in FIG. 7 or 8.
  • the transformer T has two primary windings, which are shown in FIG. 9 with the opposite winding sense. Each of the primary windings is electrically connected in series with an associated switching transistor TQ with its own control device SE.
  • the two control devices can also be understood as two functions of a uniform control device; It should only be symbolized that the two primary windings are not clocked together, but alternately.
  • the transformer T Due to the reversal of the winding sense between the two primary windings, the transformer T generates voltage pulses of opposite polarity in the secondary circuit S when the primary windings are clocked.
  • the assembly comprising the primary winding W1, the switch TQ and the control device SE is designed in duplicate, whereby a reversal of the sign is effected by the winding sense.
  • FIG. 10 shows corresponding real measurement curves of the external lamp voltage U L and the lamp current I.
  • the measured external lamp voltage UL is composed of the voltage of the actual pulse and the voltage of the natural oscillation of the secondary circuit. The latter, however, has at least no decisive influence on the discharge.
  • the decisive factor is rather the actual voltage pulses, which correspond to the corresponding lamp current pulses of the ignition and the Backfire and finally result in the active power pulse operation already disclosed in WO 94/23442. It can be seen from the ignition pulses of the external lamp voltage as well as from the lamp current pulses of the pre-ignition and the re-ignition that this is a bipolar operating method.

Landscapes

  • Vessels And Coating Films For Discharge Lamps (AREA)
  • Circuit Arrangements For Discharge Lamps (AREA)
  • Discharge-Lamp Control Circuits And Pulse- Feed Circuits (AREA)
  • Lighting Device Outwards From Vehicle And Optical Signal (AREA)

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zum Dimmen von Entladungslampen mit dielektrisch behinderten Entladungen. Durch Beeinflussung eines elektrischen Parameters einer gepulsten Wirkleistungsversorgung und durch eine geeignete Elektrodenstruktur kann eine kontinuierliche oder diskontinuierliche Leistungssteuerung bewirkt werden.

Description

Dimmbare Entladungslampe für dielektrisch behinderte Entladungen
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Betriebsverfahren für eine Entladungslampe, die für dielektrisch behinderte Entladungen ausgelegt ist. Dazu weist die Entladungslampe ein Entladungsgefäß gefüllt mit einem Entladungsmedium und zumindest einer Anode sowie zumindest einer Kathode auf. Zumindest zwischen der Anode und dem Entladungsmedium ist eine dielektrische Schicht vorgesehen, um dielektrisch behinderte Entladungen zu erzeugen.
Die Begriffe Anode und Kathode sind in dieser Anmeldung nicht so zu ver- stehen, daß sie die Erfindung auf einen unipolaren Betrieb einschränken. Im bipolaren Fall besteht zwischen Anoden und Kathoden zumindest elektrisch kein Unterschied, so daß die Aussagen für eine der beiden Elektrodengruppen dann für alle Elektroden gelten.
Stand der Technik
Als vielversprechende Anwendungsbereiche für die hier betrachteten Entla- dungslampen seien beispielhaft genannt die Hinterleuchtung von Flachbildschirmsystemen oder die Hinterleuchtung von Signaleiruϊchtungen sowie Signallampen selbst. Zu den beiden letztgenannten Punkten wird ergänzend verwiesen auf den hiermit in Bezug genommenen Offenbarungsgehalt der EP-A-0 926 705. Ferner eignet sich diese Erfindung auch für Lampen wie die in der DE-A-19718 395 dargestellte Kopierlampe mit innenliegenden Elektroden sowie die in der deutschen Anmeldung 198 17 475.6 beschriebene Stablampe mit außenliegenden Elektroden. Der Offenbarungsgehalt der zitierten Anmeldungen ist jeweils hiermit in Bezug genommen.
Aufgrund der Tatsache, daß Entladungslampen für dielektrisch behinderte Entladungen in einer sehr großen Vielzahl verschiedenster Größen und Geometrien ausgeführt werden können und darüber hinaus bei einer relativ hohen Effizienz die typischen Nachteile klassischer Entladungslampen mit quecksilberhaltiger Füllung vermeiden, ist eine zunehmende Verwendung solcher Entladungslampen sowohl hinsichtlich ihrer quantitativen Verbreitung als auch hinsichtlich ihrer Einsatzgebiete zu erwarten.
Hingewiesen wird auf folgende Dokumente aus dem Stand der Technik:
Die DE 196 36 965 AI zeigt Entladungslampen für dielektrisch behinderte Entladungen, die demzufolge eine dielektrische Schicht zwischen zumindest der Anode und dem Entladungsmedium zeigen. Gemäß diesem Dokument werden durch lokalisierte Feldverstärkungen definierte Ansatzpunkte für Einzelentladungen geschaffen. Dadurch soll die Homogenität in der Leistungsverteilung sowohl in zeitlicher als auch in räumlicher Hinsicht verbessert werden.
Die DE 197 11 893 AI entspricht weitgehend dem eben zitierten Dokument und führt dessen Lehre dadurch weiter, daß durch dichtere Anordnung der Ansatzpunkte im Randbereich der Lampe oder alternativ Erhöhung der Stromdichte durch dort brennende Einzelentladungen durch Verbreiterung der Anoden einer Randverdunkelung entgegengewirkt wird.
Die DE 41 40 497 C2 zeigt einen Ultravioletthochleistungsstrahler mit dielektrisch behinderten Entladungen, bei dem zur Verbesserung der Homogenität der UV-Abstrahlung die im Randbereich umgesetzte elektrische Lei- stung durch Veränderung des Entladungsabstandes oder der Dielektrikumskapazität erhöht wird.
Die DE 42 22 130 AI beschäftigt sich im Rahmen dielektrisch behinderter Entladungen mit der Zündhilfsfunktion von lokalen Feldverzerrungsstruk- turen, etwa an Entladungsgefäßwänden angeschmolzenen Quarztropfen oder Dellen oder Buckel in den Wänden.
Darstellung der Erfindung
Dieser Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, einen weiteren Beitrag zur Erweiterung und Verbesserung der Einsatzmöglichkeiten von Entladungslampen für dielektrisch behinderte Entladungen zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem gelöst durch ein Betriebsverfahren für eine Entladungslampe mit einem ein Entladungsmedium enthaltenden Entladungsgefäß, einer Elektrodenanordnung mit einer Anode und einer Kathode und mit einer dielektrischen Schicht zwischen zumindest der Anode und dem Entladungsmedium, wobei die Elektrodenanord- nung entlang einer Steuerlänge in einer eine Brennspannung verändernden Art inhomogen ist, bei welchem Verfahren im Betrieb ein elektrischer Parameter der Leistungsversorgung der Entladungslampe verändert wird, um die Leistung der Entladungslampe zu steuern.
Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein Beleuchtungssystem mit der be- schriebenen Entladungslampe sowie mit einem für das soeben erwähnte Verfahren ausgelegten Vorschaltgerät.
Bevorzugte Ausführungsvarianten zu dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren und dem erfindungsgemäßen Beleuchtungssystem sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Einige dieser Ausgestaltungen der Erfindung sind auch mit weiteren technischen Merkmalen der Entladungslampe verknüpft. In diesem Umfang bezieht sich die Erfindung ebenfalls auf die entsprechend ausgestaltete Entladungslampe.
Wie der vorstehenden allgemeinen Formulierung der Erfindung bereits zu entnehmen ist, richtet sich die Erfindung auf die Leistungssteuerung bei Entladungslampen mit dielektrisch behinderten Entladungen. Sie sieht hierzu vor, entlang des Elektrodenverlaufs in der Entladungslampe zumindest eine Steuerlänge zu schaffen. Mit diesem Begriff ist ein Streckenabschnitt der Elektrodenstruktur bezeichnet, entlang dem inhomogene Entladungsvoraussetzungen bestehen. Durch diese Inhomogenität der Entladungsvoraussetzungen soll sich entlang der Steuerlänge eine Brennspannung der Entladung monoton verändern, zumindest jedoch in einem effektiven Mittelwert monoton verändern. Auf eine besondere diskontinuierliche Möglichkeit zur mono- tonen Veränderung der Brennspannung wird weiter unten noch eingegangen werden.
Der Begriff Brennspannung betrifft dabei insbesondere eine Mindestbrenn- spannung, die nicht der Zündspannung einer einzelnen Entladung entspricht, sondern der minimalen Spannung, mit der eine Entladungsstruktur an einer bestimmten Stelle der Elektrodenanordnung aufrechterhalten werden kann.
Bei dieser Erfindung wird bevorzugt ein Betriebsverfahren betrachtet, bei dem die Wirkleistung in gepulster Weise in die Entladungslampe eingekoppelt wird. Hierzu wird verwiesen auf die
WO 94/23442 bzw. die DE-P 43 11 197.1.
Der Offenbarungsgehalt dieser Anmeldungen wird hiermit in Bezug genommen. In Zusammenhang mit dieser gepulsten Wirkleistungseinkopplung ist dabei das Neuzünden einer einzelnen Entladung bei einer noch verbliebenen Restionisation nach einer der regulären Unterbrechungen bzw. Totzeiten der Wirkleistungseinkopplung, die im kontinuierlichen Leuchtbetrieb dem Pul- sprinzip entsprechend auftreten, nicht als Neuzündung gemeint. Mit der für eine Neuzündung erforderlichen Zündspannung ist vielmehr die Situation gemeint, in der die Entladungslampe gänzlich neu eingeschaltet wird, also ohne in dem Entladungsmedium noch vorliegende Restionisation.
Eine in Zusammenhang mit dieser Erfindung wesentliche Eigenschaft von Entladungslampen für dielektrische behinderte Entladungen ist die positive Strom-Spa nungs-Charakteristik. Durch den ein-eindeutigen Zusammenhang zwischen Strom und Spannung in dieser Charakteristik kann damit durch Veränderung der Versorgungsspannung auch der Lampenstrom durch die dielektrisch behinderten Entladungen verändert werden. Bei kon- ventionellen Entladungslampen steht dem ein negativer differentieller Widerstand entgegen.
In Zusammenhang mit dieser Veränderung des Lampenstroms liegt der Erfindung folgende Beobachtung zugrunde. Ein wesentlicher Vorteil der hier in Bezug genommenen gepulsten Betriebsweise liegt darin, daß die dielektri- sehe Behinderung in soweit günstig ausgenutzt wird, daß Entladungsstrukturen mit vor dem behindernden Dielektrikum relativ breit aufgefächerter Form entstehen. In diesen typischen Entladungsstrukturen herrschen, jedenfalls zum überwiegenden Anteil, relativ niedrige Ladungsträgerkonzentrationen, die für die Effizienz des Entladungslampenbetriebs von ganz wesentlicher Bedeutung sind.
Daher sind Lampenstromsteigerungen bei konventionellen Strukturen unmittelbar mit einer Erhöhung der Ladungsträgerkonzentrationen in den ein- zelnen Entladungsstrukturen verbunden und verschlechtern damit die Effizienz der Lichterzeugung.
Bei zu großen Lampenströmen kommt es ferner zu einer erheblichen thermischen Belastung an den Kathoden (bzw. momentanen Kathoden beim bipo- laren Betrieb), bei denen die Entladungsstrukturen relativ konzentrierte Ansatzpunkte zeigen. Dementsprechend werden die betroffenen Kathodenstellen punktuell thermisch belastet. Darüber hinaus erhöht ein verstärkter Lampenstrom auch die Erosionswirkung durch den Ionenbeschuß an den Kathoden, d. h. die Sputterwirkung der Entladungen.
Andererseits ist es jedoch auch mit Nachteilen verbunden, den Lampenstrom unter einen optimalen Wert absinken zu lassen, weil dann Instabilitäten auftreten können, und einzelne Ladungsstrukturen erlöschen oder zwischen verschiedenen Stellen hin und her springen können. Dadurch wird die örtliche und zeitliche Homogenität der Lichterzeugung verschlechtert.
Wird in konventioneller Weise der Lampenstrom über einen optimalen Wert hinaus erhöht oder unter diesen optimalen Wert abgesenkt, so ist dies in jedem Fall mit erheblichen Nachteilen verbunden. Die Erfindung geht nun von dem Grundgedanken aus, eine Stromerhöhung in der Entladungslampe dadurch durchzuführen, daß das Gesamtvolumen der Entladungen verändert wird, so daß die Stromdichte in den einzelnen Entladungsstrukturen im wesentlichen gleich bleiben kann. Diese Volumenänderung der Entladungen kann innerhalb der Steuerlänge grundsätzlich in zwei verschiedenen Weisen geschehen. In dem einen Fall wird eine Vergrößerung einer einzigen Entladungsstruktur zu einer vorhangartig breit ausgedehnten Entladungsstruktur vorgenommen. In dem anderen Fall werden innerhalb der Steuerlänge mehrere Teilentladungsstrukturen aneinander gereiht, so daß eine Variation der Zahl dieser Teilentladungsstrukturen innerhalb der Steuerlänge das Gesamt- volumen der Entladungen verändert. Der Übergang zwischen den beiden geschilderten Fällen kann unter Umständen auch fließend sein.
Jedenfalls überspannen die Entladungsstrukturen, zumindest auf der Anode einen endlichen Längenbereich, entlang dem sich die Endladungsvorausset- zungen im Sinne der erfindungsgemäß ortsabhängigen Brennspannung ändern. Man kann sich dabei für den Fall der sich aufreihenden Einzelentladungsstrukturen jeweils eine lokale Mittelwertbildung durch jede Entladungsstruktur vorstellen, so daß die Mittelwerte die Ortsabhängigkeit der Entladungsstrukturen widerspiegeln. In dem Fall einer sich vorhangartig verbreiternden Entladungsstruktur ist die Ortsabhängigkeit der Entladungsvoraussetzungen dafür verantwortlich, daß sich die entsprechende Grenze der Entladungsstruktur innerhalb der Steuerlänge entlang den Elektroden verschieben kann.
Wenn die örtliche Homogenität der Lichterzeugung in der Entladungslampe eine wesentliche Rolle spielt, so kann die Steuerlänge relativ klein bemessen werden im Verhältnis zu der Gesamtgröße der Entladungslampe, d.h. die Entladungslampe kann in eine Mehrzahl von einzelnen Steuerlängen aufgeteilt werden. Eine Veränderung des Entladungsvolumens innerhalb der einzelnen Steuerlängen kann dann in geeigneter Weise durch eine Mittelung der Lichterzeugung, beispielsweise durch Diffusoren, Prismenfolien oder dergleichen, ausgeglichen werden. Damit ergibt sich insgesamt ein homogener Charakter der Lichterzeugung, wobei die Leistungsveränderung durch Stromerhöhung oder -erniedrigung - beispielsweise infolge einer Erhöhung oder Erniedrigung der Spannungseinkopplung - nicht mit einer deutlich sichtbaren Veränderung der Entladungsstrukturen verbunden sein muß.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten einer solchen inhomogenen Elektrodenanordnung für eine monotone Ortsabhängigkeit der Mindestbrennspannung innerhalb der Steuerlänge. Die wichtigste besteht in einer Veränderung des für die Entladung maßgeblichen Abstands, der sogenannten Schlagweite, zwischen den Elektroden. Je größer die Schlagweite wird, um so größer ist die Mindestbrennspannung für eine Entladung über diesen Abstand.
Soweit richtet sich die Erfindung bevorzugt auf eine Elektrodenanordnung, bei der entlang der Steuerlänge die Schlagweite zumindest in einem lokalen Mittelwert monoton verändert wird.
In diesem Zusammenhang kann man sich den Unterschied zwischen der bereits erwähnten Zündspannung und der Mindestbrennspannung insoweit verdeutlichen, daß eine Entladung an einer bestimmten Stelle der Steuerlän- ge mit dem sich monoton verändernden Elektrodenabstand durchaus einem benachbarten Bereich mit geringerem Abstand zünden und dann in den Bereich hineinwandern kann, in dem die momentan zur Verfügung stehende Brennspannung gerade noch für die Entladung ausreicht. Dies geht auf das grundsätzliche Phänomen zurück, daß sich die Entladungsstrukturen nach Möglichkeit über die zur Verfügung stehenden Elektrodenf lachen verteilen, weil sich lokal Raumladungen aufbauen, die das elektrische Feld im Entladungsmedium zunehmend abschirmen und durch die Beeinflussung der Feldverteilung die Entladungsstruktur verbreitern.
Es ist bei der Erfindung jedoch auch durchaus möglich, die Elektroden mit (an sich vorbekannten) Stellen zur örtlichen Feldverstärkung und damit zur Lokalisation von Einzelentladungen zu versehen. Bei solchen Strukturen ist die Bewegung einzelner Entladungsstrukturen zwischen diesen Stellen mit jeweils für eine Entladungszündung ausreichend kurzem Entladungsabstand und anderen Stellen, bei denen der Abstand nur noch für die Aufrechterhal- tung einer Entladung ausreicht, nicht ohne weiteres möglich. Es kann nämlich vorkommen, daß der Bereich zwischen den Stellen lokaler Feldverstärkung auch eine Aufrechterhaltung der Entladung nicht mehr ermöglicht. In dem hier diskutierten Zusammenhang der Schlagweite bzw. des Entladungsabstandes als maßgebliche Größe für die Brennspannung können solche lokalen Feldverstärkungen z. B. durch kleine Vorsprünge oder Nasen an einer oder beiden Elektroden sein. Der maßgebliche Entladungsabstand be- mißt sich dann von der jeweiligen Spitze eines solchen Vorsprungs ab. In diesem Zusammenhang kann es also auch zu einer diskontinuierlichen Reihe von Brennspannungen an den jeweiligen Stellen kommen, wobei sich die Erfindung dabei bevorzugt auf den Fall richtet, daß diese Stellen lokaler Feldverstärkung eine monoton gestaffelte Reihe unterschiedlicher Brenn- Spannungen innerhalb der Steuerlänge definieren.
In diesem Fall läßt sich veranschaulichen, daß die in Anspruch 1 genannte Brennspannung auch der Zündspannung für eine Entladung entsprechen kann und nicht der Mindestbrennspannung für ihre Aufrechterhaltung. Natürlich sind auch Übergänge zwischen diesen Extremfällen bei der Erfindung denkbar. In diesem Sinn muß der Begriff Brennspannung auf die jeweilige Situation der Elektrodenanordnung angepaßt verstanden werden.
Neben dem soeben diskutierten Fall einer Variation des Entladungsabstan- des zur Beeinflussung der Brennspannung besteht eine weitere Möglichkeit in einer Veränderung der Anodenbreite. Zum einen bestimmt die Anoden- breite die für die Entladung zur Verfügung stehende lokale Anodenoberfläche und damit den Entladungsstrom. Von dem Entladungsstrom hängt wiederum die am Ende eines Totzeitintervalls zwischen zwei Wirkleistungspulsen verbleibende Restionisation des Entladungsmediums ab, die die Wieder- Zündwahrscheinlichkeit und auch die Wiederzündspannung bestimmt. Zu- sätzlich ergibt sich bei einer größeren Anodenfläche und damit einer großflächigeren Verteilung des Entladungsstroms ein geringerer Spannungsabfall am Dielektrikum und damit ein größeres elektrisches Feld in dem Entladungsmedium. Eine Veränderung der Anodenbreite kann dabei natürlich auch in Zusammenhang mit den beschriebenen Kathodenvorsprüngen vorliegen und setzt nicht notwendigerweise im wesentlichen glatte Kathoden voraus.
Schließlich besteht auch noch die Möglichkeit, die Dicke des Dielektrikums zu verändern, um in analoger Weise zu der vorstehenden Erklärung den Entladungsstrom und damit das elektrische Feld in der Gasfüllung zu beeinflussen. Auch in dieser Weise kann eine Inhomogenität der Elektrodenstruktur eine Brennspannung der Entladungen lokal verändern.
Es ist also bei der Erfindung einerseits möglich, innerhalb einer Steuerlänge eine steuerbare Anzahl von Einzelentladungen vorzusehen oder eine jeweils einer Steuerlänge zugeordnete Entladungsstruktur in ihrer individuellen Volumenausdehnung zu beeinflussen. Im letzten Fall bezieht sich die Erfindung auf eine vorhangartige Verbreiterung einer Entladungsstruktur in der Steuerlänge durch eine geeignete Elektrodenstruktur mit monoton ortsab- hängiger Brennspannung.
Vorstehend wurden Varianten der Erfindung mit kontinuierlichem Verlauf der Brennspannung entlang der Steuerlänge und mit eher diskontinuierlicher Ortsabhängigkeit erläutert. Der Begriff der Leistungssteuerung ist bei der Erfindung dementsprechend allgemein zu verstehen. Es kann sich also durchaus um ein Schalten der Entladungslampe zwischen verschiedenen diskreten Leistungsstufen handeln, wobei die Leistungsstufen einerseits durch die bereits beschriebenen diskontinuierlichen Elektrodenstrukturen mit Stellen lokaler Feldverstärkung mit jeweils zugeordneten Einzelentladungen als auch durch elektrische Stufen eines entsprechenden Vorschaltge- räts vorgegeben sein können.
Bevorzugt richtet sich die Erfindung jedoch auf eine Dimmschaltung für eine Entladungslampe mit dielektrisch behinderten Entladungen. Mit dem Begriff „Dimmen" ist dabei eine Leistungssteuerung gemeint, bei der ein bestimmter Dimmbereich in kontinuierlicher Weise oder in zumindest angenähert kontinuierlicher Weise von der Leistungssteuerung durchfahren werden kann. Für den beschriebenen Fall einer „diskontinuierlichen Lösung" bedeutet dies, daß eine größere Zahl von Stellen lokaler Feldverstärkung innerhalb der Steuerlängen vorliegen muß, um eine zumindest angenähert kontinuierliche Einstellung der Leistung innerhalb dieser Auswahl von Leistungsstufen vornehmen zu können.
Bislang wurde in Zusammenhang mit der Einstellung des Entladungsstro- mes und des Entladungsvolumens beispielhaft von einer Steuerung durch die Spannung an der Entladungslampe gesprochen. Die Erfindung ist jedoch allgemeiner zu verstehen; grundsätzlich ist von einem „elektrischen Parameter" zur Einstellung oder Steuerung der Leistung die Rede. Bei der gepulsten Wirkleistungseinkopplung kommen dabei neben der an der Entladungslam- pe anliegenden Spannung vorzugsweise folgende Varianten in Betracht:
Zunächst kann die Steilheit eines Flankenanstiegs bei der gepulsten Wirkleistungseinkopplung beeinflußt werden. Diese Variante bezieht sich gewissermaßen auf die Zeitableitung der an der Lampe anliegenden Spannung im Bereich des Anstiegs des einzelnen Pulses. Es handelt sich hierbei zunächst ein empirisches Resultat der Entwicklungsarbeit, die dieser Erfindung zugrunde liegt. Eine mögliche Erklärung für diese Steuermöglichkeit besteht jedoch darin, daß bei einem steileren Spannungsanstieg und damit bei einer stärkeren Beteiligung hochfrequenter Fourierkomponenten an dem Spannungsverlauf die Hochfrequenzleitfähigkeit insbesondere des Dielektrikums gegenüber einer Niederfrequenz oder Gleichstromleitfähigkeit verbessert ist und damit das in der Gasfüllung bestehende elektrische Feld erhöht wird, wie bereits in anderem Zusammenhang erläutert. Ferner spielt hier eine Ver- änderung der Elektronenenergieverteilung durch die Zeitableitung des elektrischen Feldes eine Rolle.
Ein weiterer Zeitparameter der Wirkleistungsversorgung zur Beeinflussung der Brennspannung in der Entladungslampe ist die sogenannte Totzeit zwi- sehen den einzelnen Wirkleistungspulsen, d. h. die Zeit, in der zwischen einzelnen Pulsen keine Entladung brennt. Je länger diese Totzeit ausfällt, um so geringer ist natürlich die am Ende der Totzeit verbliebene Restionisation in dem Entladungsmedium. Von dem Umfang der Restionisation hängt wiederum die Wahrscheinlichkeit einer Wiederzündung bzw. die zum Wieder- zünden erforderliche Spannung ab.
Schließlich sind als weitere zeitliche Parameter der Wirkleistungsversorgung noch die Pulsdauer sowie die Wiederholfrequenz der Pulse zu nennen, die in ähnlicher Weise wie vorstehend erläutert zur Steuerung der Leistung gemäß dieser Erfindung herangezogen werden können.
Im Bereich der kontinuierlichen Variationen des Entladungsabstandes ist es erfindungsgemäß bevorzugt, mit einer Sinusform zumindest einer der Elektroden oder mit einer Sägezal form zumindest einer der Elektroden zu arbeiten. Die Sinusform ist von Spitzen frei, d. h. durchgängig rund geformt. Solche Spitzen können zu einer lokalen Feldverstärkung führen. Das kann in manchen Fällen unerwünscht sein. Einerseits können die Feldverstärkungen eine anfängliche Zündung erleichtern. Andererseits führen sie - auf einer Anode - zu erhöhten Stromdichten und können damit die Effizienz der Entladung verschlechtern.
Weiterhin hat die Sinusform den Vorteil, daß sie von einem Extremum aus- gehend nach zwei Seiten symmetrisch verläuft, d. h. ein vorhangartiges Aufziehen einer Entladungsstruktur in zwei Richtungen gleichzeitig erlaubt. Dabei bleibt insbesondere der Schwerpunkt der Entladungsstruktur konstant, was hinsichtlich des äußeren Erscheinungsbildes der Entladungslampe von Vorteil sein kann.
Die Sägezahnform wiederum kann im Hinblick auf die soeben als möglicher Nachteil angesprochene Spitze des Sägezahns natürlich auch abgerundet sein. Auch kann sie zweiseitig symmetrisch sein, aber auch asymmetrisch, d.h. die Sägezahnform besteht beispielsweise aus einer kurzen steilen und einer langen aber weniger steilen Rampe. Ein wesentlicher Punkt der Sägezahnform ist die Linearität der Rampe, d. h. die Linearität der Ortsabhängigkeit des Entladungsabstandes. Damit liegen - von dem genauen mathemati- sehen Zusammenhang zwischen dem veränderten elektrischen Parameter und dem Entladungsabstand abgesehen - über die Steuerlänge weitgehend gleiche Beziehungen zwischen dem äußeren Eingriff in einen elektrischen Parameter und der resultierenden Verbreiterung der Entladungsstruktur vor.
Es kann jedoch auch gerade gewünscht sein, die Spitze einer Sägezahnform nicht abgerundet auszuführen. Durch die bereits angesprochene lokale Feldverstärkung wird vor einer auf die entsprechende Gegenelektrode hin gerichteten Spitze damit eine Situation geschaffen, die das erstmalige Zünden einer Entladung erleichtert. Dennoch bleibt ein vorhangartiges Aufziehen einer Entladungsstruktur von dieser Spitze ausgehend möglich. Entsprechendes gilt auch für eine Aneinanderreihung mehrerer Einzelentladungsstrukturen innerhalb der Steuerlänge.
Es haben sich folgende quantitative Einschränkungen für charakteristische geometrische Größen für die Elektrodenanordnung als günstig herausge- stellt:
Zunächst wird dabei eine Beziehung betrachtet zwischen den Schwankungen der Schlagweite, d. h. der Differenz zwischen der innerhalb einer Steuerlänge auftretenden maximalen Schlagweite dmax und minimalen Schlagweite dmm, und der Steuerlänge SL selbst als Streckenlänge. Eine günstige Ober grenze für dieses Verhältnis liegt bei 0,6, vorzugsweise bei 0,5. Besonders bevorzugt ist hier der Wert 0,4.
Das soeben beschriebene Verhältnis kann im Rahmen der Erfindung auch sehr kleine Werte annehmen, solange es von Null verschieden ist. Spürbare Wirkungen der Erfindung sind bereits bei Werten ab z. B. 0,01 erzielbar.
Eine weitere quantitative Beziehung zwischen der minimalen Schlagweite drmn und der maximalen Schlagweite dmaχ innerhalb derselben Steuerlänge kann wie folgt angegeben werden. Günstig ist ein Verhältnis cier minimalen Schlagweite zur maximalen Schlagweite von über 0,3, vorzugsweise 0,4 und 0,5, sowie unterhalb von 0,9.
In Zusammenhang mit der Definition der Steuerlänge ist es wichtig zu erwähnen, daß die Steuerlänge nicht unbedingt der maximal möglichen Strek- ke zwischen einem durch die geometrische Elektrodenstruktur vorgegebenen minimalen Elektrodenabstand und maximalen Elektrodenabstand entsprechen muß. Mit Steuerlänge ist hierbei die tatsächlich durch die erfindungsgemäße Leistungssteuerung ausgenutzte Strecke der Elektrodenanordnung gemeint.
Wesentlich ist diese Unterscheidung vor allem bei Elektrodenstrukturen, beispielsweise den bereits angesprochenen Sinus- oder Sägezahnformen, die von zwei entgegengesetzten Seiten aus „genutzt werden können". Es kann nämlich bei einer hier bevorzugt in Betracht gezogenen Streifenanordnung von Elektroden auf einer Wand oder auf gegenüberliegenden Wänden eines Entladungsgefäßes eine alternierende Abfolge von Elektroden in der Weise vorliegen, daß zumindest einige der Elektroden für Entladungen nach zwei Seiten, insbesondere nach entgegengesetzten Seiten, genutzt werden. Da sich die nach den beiden Seiten brennenden Entladungen gegenseitig auf dem Elektrodenstreifen stören, kann dabei z. B. bei einer Sinusform ein bestimmter Teil des Sinus der einen möglichen Entladungsseite und ein anderer Teil der anderen möglichen Entladungsseite zugeordnet sein, im allgemeinen natürlich der jeweils nächstliegende Teil. Insbesondere kann dabei auch eine gewisse Zwischenstrecke zwischen den jeweils anderen Entladungsseiten zugeordneten Bereichen vorgesehen sein, von der aus grundsätzlich keine Entladungen ausgehen sollen.
Im Hinblick auf das erfindungsgemäße Aufziehen einer Entladungsstruktur in die Breite hat es sich als wesentlich herausgestellt, daß etwaige auf den Elektroden, insbesondere auf der Kathode befindliche Schichten relativ glatt sind. Insbesondere bei Leuchtstoffen, die gewöhnlich nach einem Druckverfahren relativ flächig abgeschieden werden, und somit durchaus auch auf den Elektroden liegen können, kann es dabei zu hinderlichen Körnigkeiten kommen. Eine vernünftige quantitative Grenze ist eine Körnigkeit von 8 μm, ab der abwärts ein Aufziehen einer Entladungsstruktur in die Breite auf einer solchen Schicht möglich ist. Besser geeignet sind natürlich kleinere Körnigkeiten von 5, 3 oder 1 μm und darunter. Es ist davon auszugehen, daß die Körnigkeit ein Grundproblem aller Schichten darstellt und insoweit nicht auf Leuchtstoffschichten beschränkt ist. Andererseits sind bei dem gegenwärtigen technischen Stand insbesondere die Leuchtstoffschichten gelegentlich relativ grobkörnig. Wenn aus bestimmten Gründen keine ausreichend feinkörnige Alternative zu einer Leuchtstoffschicht besteht, ist es dabei erfindungsgemäß bevorzugt, die Kathode völlig leuchtstofffrei zu lassen, d. h. bei der Abscheidung des Leuchtstoffes auszusparen. Andere Schichten, etwa feinkörnige Reflexionsschichten aus Ti02 oder A1203, sind davon nicht notwendigerweise betroffen. Diese Ausführungen sind jedoch nicht dahingehend zu verstehen, daß das erfindungsgemäße Verfahren mit einer körnigen Leuchtstoffschicht oder einer anderen körnigen Schicht auf einer Kathode nicht funktionsfähig wäre. Hier spielen noch andere Parameter eine Rolle, beispielsweise die Steilheit des Anstiegs des Entladungsabstandes über die Steuerlänge, mit denen ein entsprechendes Aufziehen auch bei körnigeren Schichten ermöglicht werden kann.
In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens wird eine Lampe mit bipolaren Spannungspulsen angesteuert, d.h. einem vom Vorschaltgerät erzeugten Spannungspuls folgt ein solcher mit inversem Vorzeichen (Polarität). Die Lampe weist hier eine zweiseitige dielektrische Behinderung auf, d.h. sämtliche Elektroden sind mit einer dielektrischen Schicht bedeckt. Das bipolaren Betriebsverfahren eignet sich insbesondere für die hier beschriebenen und aus entladungsphysikalischer Sicht gleichar- tigen Elektroden, die zeitlich alternierend sowohl die Rolle einer temporären Anode als auch Kathode übernehmen können.
Ein Vorteil des bipolaren Betriebsverfahrens kann beispielsweise in einer Symmetrisierung der Entladungsverhältnisse in der Lampe liegen. Damit werden durch asymmetrische Entladungsverhältnisse hervorgerufene Pro- bleme besonders wirkungsvoll vermieden, z. B. Ionenwanderungen im Dielektrikum, die zu einer Schwärzung führen können, oder die Effizienz der Entladung verschlechternde Raumladungsakkumulationen.
Als Vorschaltgerät für das bipolaren Betriebsverfahren kommt beispielsweise ein modifizierter Flußwandler in Betracht. Die Modifikationen zielen darauf ab, für eine Richtungsumkehr des den Spannungspuls im Sekundärkreis bewirkenden primärkreisseitigen Stromes in dem Transformator des Flußwandlers zu sorgen. Dies ist im allgemeinen einfacher als entsprechende elektiOtechnische Maßnahmen zur Richtungsumkehr auf der Sekundärkreisseite zu treffen.
Insbesondere kann der Transformator hierzu zwei primärkreisseitige Wicklungen aufweisen, die jeweils einer der beiden Stromrichtungen zugeordnet sind, also für einen PrimärkreisstiOm nur einer der beiden Richtungen verwendet werden. Das bedeutet, daß die beiden primärkreisseitigen Wicklungen alternierend mit Strom beaufschlagt werden. Beispielsweise kann dies durch Verwendung zweier taktender Schalter in dem Primärkreis geschehen, die jeweils den Strom durch eine zugeordnete der beiden Wicklungen takten. Damit ist jeder der beiden Stromrichtungen ein eigener Taktschalter und eine eigene primärkreisseitige Wicklung des Transformators zugeordnet.
Wenn ein erfindungsgemäßes Vorschaltgerät an einer Wechselstromquelle verwendet wird, kann es von Vorteil sein, im Hinblick auf die beiden primärkreisseitigen Stromrichtungen zwei Speicherkondensatoren zu verwen- den, die halbperiodenweise alternierend aus der Wechselstromquelle aufgeladen werden. Es werden also die Wechselstromhalbperioden eines Vorzeichens für einen der Speicherkondensatoren und die Wechselstromhalbperioden des anderen Vorzeichens für den anderen Speicherkondensator verwendet. Aus diesen beiden Speicherkondensatoren können dann die Ströme für jeweils eine Richtung entnommen werden. Dies kann zusammen mit der geschilderten doppelten Ausführung der Primärkreiswicklung des Transformators geschehen, jedoch ist eine solche hier eigentlich nicht notwendig. Vielmehr kann eine einzige primärkreisseitige Wicklung durch entsprechende Schalter alternierend von den beiden Speicherkondensatoren versorgt werden, wobei jeder Speicherkondensator jeweils einer Stromrichtung zugeordnet ist. Zur Speisung der Speicherkondensatoren aus der Wechselstromquelle kann eine entsprechende Gleichrichterschaltung verwendet werden, deren Einzelheiten dem Fachmann ohne weiteres klar sind. Wie bereits ausgeführt, richtet sich die Erfindung nicht nur auf ein Betriebsverfahren für eine entsprechende Entladungslampe sondern auch auf ein Beleuchtungssystem, womit ein passender Satz aus einer Entladungslampe und einem Vorschaltgerät bezeichnet ist. Dabei ist das Vorschaltgerät im Hinblick auf das erfindungsgemäße Verfahren ausgelegt, d. h. daß das Vorschaltgerät eine Leistungssteuereinrichtung aufweist, mit der ein geeigneter elektrischer Parameter der Leistungsversorgung der Entladungslampe durch das Vorschaltgerät beeinflußt werden kann, um die entsprechend gestaltete Elektrodenstruktur in der Entladungslampe für eine Veränderung des Entla- dungsvolumens auszunutzen.
Insoweit gelten die vorstehenden Ausführungen zu den verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung gleichermaßen auch für das Beleuchtungssystem, d. h. jeweils für die Elektrodenstruktur in der Entladungslampe sowie für die Leistungssteuereinrichtung im Vorschaltgerät.
Im Hinblick auf die in der vorstehenden Schilderung dargelegten besonderen Merkmale der Elektrodenstruktur wird ferner Schutz beansprucht für eine entsprechend gestaltete Entladungslampe, wozu auf ciie entsprechenden Erläuterungen in der bisherigen Beschreibung verwiesen wird.
Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele in weiteren Einzelheiten erläutert. Dabei offenbarte Merkmale können auch in anderen Kombinationen oder für sich erfindungswesentlich sein. Im einzelnen zeigt:
Figur 1 eine schematische Draufsicht auf eine Elektrodenstruktur mit säge- zahnförmigen Anoden, die übereinander in vier Leistungsstufen dargestellt ist; Figur 2 eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt aus einer Elektrodenstruktur mit sinusförmigen Anoden;
Figur 3 die Struktur aus Figur 2 in einer anderen Leistungsstufe;
Figur 4 eine alternative Ausführungsform zu den Figuren 2 und 3;
Figur 5 eine weitere alternative Ausfüluungsform zu den Figuren 2, 3 und 4 mit sinusförmigen Kathoden und Anoden;
Figur 6 eine Draufsicht auf eine Bodenplatte eines erfindungsgemäß gestalteten Flachstrahlers;
Figur 7 ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Be- leuchtungssystems;
Figur 8 ein Figur 7 entsprechendes Diagramm mit Meßkurven für die äußere Spannung an und den Strom durch die Entladungslampe beim Beleuchtungssystem nach Figur 7;
Figur 9 ein schematisches Schaltdiagramm eines Vorschaltgeräts, das für die bipolare Betriebsverfahrensvariante geeignet ist, mit Entladungslampe; und
Figur 10 ein Diagramm mit Meßkurven für die äußere Spannung an und den Strom durch die Entladungslampe beim Beleuchtungssystem nach Figur 9.
Figur 1 zeigt übereinander viermal dieselbe Elektrodenanordnung aus einer geraden streifenförmigen Kathode 1 und einer sägezahnstreifenförmigen Anode 2. Im oberen Bereich ist schematisch eine dielektrische Abdeckung 4 auf der Anode 2 dargestellt. Ferner ist eine Periodenlänge der Streifenstruktur der Anode 2 als Steuerlänge SL eingezeichnet. Zwischen den Elektroden befinden sich die für die unipolare gepulste Betriebsweise einer Entladungslampe mit dielektrisch behinderten Entladungen charakteristischen dreieckförmigen Entladungsstrukturen 3. In dem ganz oben dargestellten Fall a) enthält jede Steuerlänge eine Entladungs- Struktur 3. In dem darunterliegenden Fall b) ist eine zweite Entladungsstruktur 3 innerhalb jeder Steuerlänge hinzugekommen. Entsprechendes gilt für die beiden weiteren Stufen c) und d) in Figur 1, wobei in der untersten Stufe jede Steuerlänge SL durch vier einzelne dreieckförmige Entladungen 3 praktisch vollständig ausgefüllt ist. Diese vier Darstellungen a) bis d) veran- schaulichen einen Dimmbereich der Entladungslampe von einem Zustand mit minimaler einstellbarer Leistung im obersten Fall bis zu einem Zustand mit maximaler einstellbarer Leistung im untersten Fall, wobei jede Leistungsschaltstufe einer bestimmten Zahl von Einzelentladungen 3 innerhalb einer Steuerlänge SL entspricht. Es handelt sich hierbei um eine Leistungs- Steuerung mit einer diskontinuierlichen Veränderung der Zahl von einzelnen Entladungsstrukturen. Dies entspricht jedoch nicht notwendigerweise einer diskontinuierlichen Leistungssteuerung ohne Möglichkeit eines kontinuierlichen Dimmbetriebs, weil in den Abständen zwischen den Leistungsstufen mit jeweils unterschiedlicher Entladungsstrukturanzahl durchaus auch eine kontinuierliche Veränderung der Leistung jeder Entladungsstruktur für sich möglich ist.
Es wird ferner anschaulich, daß die einzelnen Entladungen 3 zunächst, also bei kleinster angelegter Versorgungsspannung, in dem Bereich mit den kleinsten Abständen zwischen der Kathode 1 und der Anode 2 brennen, also in der Figur jeweils am linken Rand jeder Steuerlänge. Der ganz am linken Rand jeder Steuerlänge auftretende minimale Entladungsabstand bzw. die minimale Schlagweite ist mit dmin bezeichnet. Die jeweils größte Schlagweite dmaχ liegt innerhalb jeder Steuerlänge SL am rechten Rand vor und wird erst von der letzten der sich innerhalb einer Steuerlänge aufreihenden Einzelentladungen 3 in der Figur 1 im unteren Beispiel erreicht.
Zu dem ganz oben dargestellten Beispiel mit jeweils einer Entladungsstruktur ist noch festzustellen, daß diese Entladungsstruktur 3 jeweils an eine Spitze der Sägezahnform „angreift", weswegen ihre Zündung zum anfänglichen Betriebsbeginn der Entladungslampe durch die dortige Feldüberhöhung erleichtert ist. Wenn erst einmal eine der Entladungsstrukturen 3 vor- gegeben ist und damit eine gewisse Restionisation in der Nachbarschaft vorliegt, ist die entsprechende Zündung der weiteren dargestellten Entladungsstrukturen 3 schon dadurch erleichtert.
Wichtig zum Verständnis dieser Figur 1 ist, daß die untereinander liegenden vier Elektrodenpaare nicht als ein Gesamtelektrodenmuster zu verstehen sind, weil dann jeweils zwischen den sägezahnförmigen Anoden 2 und der streifenförmigen Kathode 1 der Nachbarstruktur ebenfalls Entladungen brennen würden. Es handelt sich vielmehr um vier Einzeldarstellungen eines zur Veranschaulichung stark vereinfachten Ausführungsbeispiels.
Figur 2 zeigt demgegenüber dahingehend eine Alternative, daß die Anoden 2 in diesem Beispiel sinusförmig verlaufen. Auch hier bilden sich im Bereich des minimalen Entladungsabstandes zunächst dreieckförmige Einzelentladungen 3 heraus.
Figur 3 zeigt im Vergleich zu Figur 2 die gleiche Elektrodenanordnung aus einer Kathode 1 und zwei Anoden 2, jedoch ist hier eine höhere Leistungs- stufe dargestellt. Bei dem in den Figuren 2 und 3 dargestellten Beispiel hat sich nun nicht eine zweite oder dritte einzelne Entladungsstruktur 3 neben die bereits in Figur 2 erkennbare hinzuaddiert. Vielmehr hat sich die in Figur 2 relativ schmale Entladungsstruktur 3 vorhangartig in die Breite gezogen und überstreicht nun sowohl einen größeren Längenabschnitt auf den sinusförmigen Anoden 2 als auch auf der streif enförmigen Kathode 1.
In Figur 3 erkennt man, daß die hier dargestellten einzelnen Entladungs- Strukturen 3 auf der Anode 2 bereits annähernd die im linken Bereich eingezeichnete Steuerlänge SL erreicht haben. Hingegen ist die gleiche Steuerlänge SL in Figur 2 nur zu einem kleinen Teil von der Anodenseite der Entladungsstruktur 3 ausgefüllt. Figur 2 und Figur 3 zeigen jeweils nur einen Ausschnitt aus einer größeren Elektrodenanordnung aus alternierend nebeneinander liegenden Kathodenstreifen 1 und Anodenstreifen 2. Deswegen entspricht die eingezeichnete Steuerlänge SL nicht der gesamten Periodenlänge der Sinusform sondern nur der halben Periodenlänge. Die jeweilige Periodenhälften mit über den eingezeichneten maximalen Entladungsabstand dmaχ hinausgehenden Abständen zu den hier dargestellten Kathoden 1 sind Entla- dungsstrukturen zu einer nicht dargestellten weiteren Kathode 1 zugeordnet.
Im Laufe der dieser Erfindung zugrunde liegende Entwicklungsarbeit hat es sich als günstig herausgestellt, zur Erleichterung des vorhangartigen Auseinanderziehen der einzelnen Entladungsstrukturen innerhalb einer Steuer- länge einen relativ niedrigen Druck eines gasförmigen Entladungsmediums, insbesondere einer Xe-Entladungsfüllung einzustellen. Ein niedriger Druck kann dabei beispielsweise ein Druck unter 80 Torr oder auch unter 60 Torr sein. Bei den hier dargestellten Ausführungsbeispielen hat sich eine Xe- Füllung von 50 Torr für das vorhangartige Auseinanderziehen bewährt. Hingegen wurde für Beispiele, bei denen eine Aneinanderreihung in ihrer Zahl veränderlichen Einzelentladungen ohne Veränderung des Volumens der Einzelentladungen gezeigt wird, ein Xenondruck von 100 Torr gewählt. Ein weiteres Beispiel zeigt Figur 4, wobei jedoch gegenüber den Figuren 2 und 3 insoweit eine Vertauschung vorgenommen worden ist, als hier die Kathoden 1 eine Sinusform aufweisen. Diese Sinusform ist wiederum jeweils zu halben Periodenlängen zwei auf entgegengesetzten Seiten einer sinusförmi- gen Kathode 1 liegenden Anoden 2 zugeordnet. Dabei treten die in diesem Beispiel geraden streifenförmigen Anoden 2 jeweils doppelt auf, so daß jede Anode 2 nur jeweils zu einer Seite Entladungen trägt. Die geometrischen Größen Steuerlänge SL, minimale Schlagweite dmm und maximale Schlagweite dmax entsprechen dem Beispiel in Figur 2 und 3. Zu der Technik der dop- pelten Anodenausführung wird verwiesen auf die deutsche Anmeldung 197 11 892.5, deren Offenbarungsgehalt hier in Bezug genommen ist.
Eine weitere Variante zeigt Figur 5, wobei sowohl die Kathoden 1 als auch die Anoden 2 sinusförmig sind. Dabei sind die jeweils benachbarten Sinuswellenstreifen zueinander um eine halbe Periode phasenverschoben, so daß sie jeweils mit ihren Maxima bzw. Minima einander zugewandt sind, sich also durch die Sinusform jeweils eine Modulation des Entladungsabstandes zwischen den benachbarten Elektroden ergibt.
Dabei gilt wieder, daß durch die „zweiseitige Funktion" jeder Elektrode jeweils nur eine halbe Periodenlänge als Steuerlänge SL auftritt, so daß die maximale Schlagweite dmax nicht dem tatsächlich geometrisch auftretenden maximalen Abstand entspricht.
Diese Struktur hat den Vorteil, daß die in Figur 4 dargestellte Zwillingsanode 2 eingespart werden kann und durch eine Sinusanode 2 ersetzt werden kann. Zu dieser Ausgestaltung der Erfindung wird auf die Parallelan- meidung „Entladungslampen für dielektrisch behinderte Entladungen mit verbesserter Elektrodenkonfiguration" verwiesen, die am selben Anmeldetag von derselben Anmelderin eingereicht wurde und deren diesbezüglicher Offenbarungsgehalt hier inbegriffen ist. Ein der Struktur aus Figur 4 entsprechendes konkreteres Ausführungsbeispiel zeigt schließlich Figur 6. Dabei ist zunächst mit 6 eine Glasgrundplatte eines Flachstrahlers, d. h. einer flach gestalteten Entladungslampe mit dielektrisch behinderten Entladungen mit zwei Glasplatten als Hauptbegrenzungswänden, dargestellt. Auf dieser Bodenplatte 6 des Flachstrahlers ist ein Elektrodenmuster gemäß Figur 4 als Metall-Siebdruckmuster aufgebracht. Die eigentlichen Elektroden 1 und 2 befinden sich dabei innerhalb eines Rahmens 7, der die dargestellte Bodenplatte 6 mit einer nicht dargestellten Deckplatte verbindet und das Entladungsvolumen nach außen abdichtet. Dabei sind die Elektrodenstreifen in einer Verlängerung gegenüber ihren Abschnitten innerhalb ihres Entladungsvolumens einfach unter der Dichtung 7 des Glaslotrahmens hindurchgeführt.
Innerhalb des Rahmens 7 entsprechen die Elektrodenformen Figur 4, d. h. die Zwillingsanoden 2 sind gerade Streifen und die Kathoden 1 haben eine Sinuswellenform. Auf der äußeren Seite des Rahmens 7 ist jede der Elektro- densorten 1 und 2 gemeinschaftlich angeschlossen an einen busartigen äußeren Leiter 8 bei den Kathoden und 9 bei den Anoden.
Bei dem Ausführungsbeispiel in Figur 1 wurde ein Dielektrikum von 0,6 mm Dicke verwendet, nämlich eine Weichglasschicht. 250 μm Dicke wurden verwendet bei den Beispielen aus den Figuren 2-6, wobei es sich hier um Glaslot handelte. Für die minimalen Schlagweiten dm , die maximalen Schlagweiten dmaχ und die Steuerlänge galten in den Ausführungsbeispielen gemäß Figur 1, gemäß den Figuren 2 und 3, gemäß den Figuren 4 und 6 und gemäß der Figur 5 folgende Werte (in mm):
Die Steuerung der Leistung in den entsprechenden Entladungslampen geschah durch Variation der Spannungsamplitude der pulsartigen Leistungsversorgung.
Im Fall der Struktur aus Figur 1 wurden zur Veranschaulichung parallel zwei Versuchsreihen durchgeführt mit einer Veränderung der Spannung bzw. der Pulswiederholfrequenz bei fester Spannungsamplitude. Die jeweiligen Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle dargestellt, wobei die Reihen der Tabelle in der Reihenfolge den vier Einzeldarstellungen a) bis d) in Figur 1 entsprechen.
In den in den Figuren 2-6 dargestellten Fällen war ein vorhangartiges Aufziehen der Einzelentladungsstrukturen 3 beabsichtigt, deswegen wurden dort in den Leuchtstoffschichten an den Stellen der Kathoden 1 Aussparun- gen vorgesehen. Durch diese Glättung der Kathodenoberfläche ist auch bei etwas höheren Drücken ein vorhangartiges Aufziehen möglich. Daher wurden bei diesen Fällen auch Drücke von 10 kPa mit dem Füllgas Xe verwendet.
Figur 7 zeigt schematisch die Elektrodenstruktur eines weiteren erfindungs- gemäßen Flachstrahlers, der auch für die bipolare Betriebsverfahrensvariante ausgelegt ist. Deshalb ist die gesamte Elektrodenstruktur, bestehend aus einer ersten Sorte Elektroden 10 einer ersten Polarität und einer zweiten Sorte Elektroden 11 einer zweiten Polarität, mit einer Glaslotschicht (nicht dargestellt) der Dicke ca. 150 μm abgedeckt (zweiseitig dielektrisch behinderte Entladung). Die erste Sorte Elektroden 10 besteht aus einer Folge von paarweise angeordneten Elektrodenstreifen, wobei sämtliche Elektrodenpaare miteinander verbunden sind, d.h. auf gleichem elektrischen Potential liegen. Dabei besteht jedes Paar aus zwei zueinander spiegelbildlichen sägezahnar- tigen Elektrodenstreifen. Jeder „Sägezahn" dieser Elektroden weist eine lange flache und eine kurze steile Rampe auf. Die lange Rampe fungiert als Steuerlänge. Die zweite Sorte Elektroden 11 umfaßt linienartige Elektroden- streifen, die ebenfalls paarweise zwischen den Elektrodenpaaren der ersten Sorte angeordnet sind. Außerdem sind sämtliche linienartige Elektrodenstreifen parallel zueinander orientiert und miteinander verbunden, d.h. sie liegen auf gleichem elektrischen Potential. Der minimale Abstand zwischen sägezahnartigem Elektrodenstreifen und nächstbenachbartem linienartigen Elektrodenstreifen, d.h. zwischen einem „Sägezahn" und der nächstbenachbarten Linienelektrode, beträgt ca. 3 mm, der maximale Abstand, d.h. zwischen einer „Kerbe" und der nächstbenachbarten Linienelektrode, ca. 5 mm. Das Entladungsgefäß (nicht dargestellt) des Flachstrahlers ist ähnlich wie das Ausführungsbeispiel in Figur 6 aus einer Boden- und einer Frontplatte sowie einem Rahmen gebildet. Die Platten bestehen aus Glas der Dicke 2 mm und den Abmessungen 105 mm mal 137 mm. Die Rahmenhöhe sowie -breite betragen jeweils 5 mm. Auf der Bodenplatte und dem Rahmen ist eine lichtreflektierende Schicht aus A1203 oder Ti0 aufgebracht. Danach folgt auf sämtlichen inneren Oberflächen eine Dreibanden-Leuchtstoffschicht. Bei unipola- rer Betriebsweise und eine Spannungsimpulsfrequenz von 80 kHz läßt sich mit der Spitzenspannung als Steuergröße die Anzahl der deltaförmigen Teilentladungen zwischen jedem „Sägezahn" und der nächstbenachbarten Linienelektrode steuern. Bei einer Spitzenspannung von 1,35 kV, entsprechend einer mittleren Leistungsaufnahme von 3,5 W brennt jeweils eine Teilentla- dung zwischen der Spitze jedes Sägezahns und der nächstbenachbarten Linienelektrode. Bei einer Spitzenspannung von 1,39 kV, entsprechend einer mittleren Leistungsaufnahme von 8 W brennen je Sägezahn zwei Teilentladungen, die nebeneinander, beginnend bei der Spitze eines Sägezahns, längs der längeren Rampe des Sägezahns, d.h. der Steuerlänge, angeordnet sind.
Figur 8 zeigt schematisch eine Variante der Elektrodenstruktur aus Figur 7. Sie unterscheidet sich von derjenigen in Figur 7 im wesentlichen dadurch, daß hier die zweite Elektrodensorte, d.h. die linienartigen Elektrodenstreifen, fehlen. Die sägezahnartigen Elektrodenstreifen sind so zu zwei Gruppen 12, 13 zusammengefaßt, daß sich jeweils paarweise zwei spiegelbildliche Elektroden unterschiedlicher Polarität gegenüberstehen. Bei einer Leistungserhöhung, wie in der Beschreibung zu Figur 7 beschrieben, d.h. mit der Spitzen- Spannung als Steuergröße, beispielsweise erhöht von 1,48 kV auf 1,5 kV und schließlich auf 1,53 kV, entsprechend einer Leistungserhöhung von 2,5 W auf 3,6 W bzw. 5 W, verbreitert sich die anfängliche an der Spitze jedes „Sägezahns" ansetzende deltaförmige Teilentladung längs der längeren Rampe des Sägezahns zu einer vorhangartig verbreiterten Struktur, in der einzelne deltaförmige Teilentladungen jedenfalls nicht mehr eindeutig visuell erkennbar sind. Dieser Effekt läßt sich bei der Elektrodenstruktur von Figur 8 übrigens auch mit der Betriebsfrequenz als Steuergröße erzielen, beispielsweise mit einer Erhöhung von 50 kHz auf 111 kHz. Bemerkenswert ist, daß hier die Spitzenspannung sogar abnimmt, nämlich von 1,53 kV auf 1,46 kV. Die Leistungsaufnahme erhöht sich von 2 W auf 5 W.
Weitere Details zu der Form und Struktur der durch den gepulsten Betrieb dielektrisch behinderter Entladungen erzeugten charakteristischen Teilentladungen unter verschiedenen Betriebsbedingungen finden sich in der bereits zitierten WO 94/ 23442. Hinsichtlich weiterer technischer Einzelheiten der hier dargestellten Entladungslampen wird auf die bereits zitierte deutsche Anmeldung 197 11 892.5 verwiesen.
Figur 9 zeigt ein schematisches Schaltdiagramm eines Vorschaltgeräts, das für die bipolare Betriebsverfahrensvariante ausgelegt ist. Es werden also äußere Spannungspulse alternierender Polarität an die dielektrisch behinderte Entladungslampe L, beispielsweise von dem in Figur 7 oder 8 beschriebenen Typ, angelegt. Dazu weist der Transformator T zwei Primärwicklungen auf, die in Figur 9 mit entgegengesetztem Wicklungssinn eingezeichnet sind. Jede der Primärwicklungen liegt elektrisch in Reihe mit einem zugeordneten Schalttransistor TQ mit einer eigenen Steuereinrichtung SE. Natürlich können die beiden Steuereinrichtungen auch als zwei Funktionen einer einheitlichen Steuereinrichtung verstanden werden; symbolisiert werden soll nur, daß die beiden Primärwicklungen nicht gemeinsam, sondern alternierend getaktet werden. Durch die Wicklungssinnumkehr zwischen den beiden Primärwicklungen erzeugt der Transformator T bei Taktung der Primärwicklungen jeweils Spannungspulse entgegengesetzter Polarität im Sekundärkreis S. Zusammenfassend gesagt, ist bei der Schaltung aus Figur 1 die Baugruppe aus der Primärwicklung Wl, dem Schalter TQ und der Steuereinrichtung SE doppelt ausgeführt, wobei durch den Wicklungssinn eine Vorzeichenumkehr bewirkt ist.
Figur 10 zeigt entsprechende reale Meßkurven der äußeren Lampenspannung UL und des Lampenstromes I . Hier ist zu beachten, daß die gemessene äußere Lampenspannung UL sich zusammensetzt aus der Spannung des ei- gentlichen Pulses und der Spannung der Eigenschwingung des Sekundärkreises. Letztere hat allerdings zumindest keinen entscheidenden Einfluß auf die Entladung. Entscheidend sind vielmehr die eigentlichen Spannungspulse, die die korrespondierenden Lampenstrompulse der Hinzündung und der Rückzündung bewirken und schließlich in dem bereits in der WO 94/23442 offenbarten Wirkleistungspulsbetrieb resultieren. Sowohl an den Zündpulsen der äußeren Lampenspannung als auch an den Lampenstrompulsen der Hinzündung und der Rückzündung ist erkennbar, daß es sich um ein bipola- res Betriebsverfahren handelt.

Claims

Patentansprüche
1. Betriebs verfahren für eine Entladungslampe mit einem ein Entladungsmedium enthaltenden Entladungsgefäß, einer Elektrodenanord- nung mit einer Anode (2) und einer Kathode (1) und mit einer dielektrischen Schicht (4) zwischen zumindest der Anode (2) und dem Entla- dungsmedium,
wobei die Elektrodenanordnung (1, 2) entlang einer Steuerlänge (SL) in einer eine Brennspannung verändernden Art inhomogen ist,
bei welchem Verfahren im Betrieb ein elektrischer Parameter der Leistungsversorgung der Entladungslampe verändert wird, um die Lei- stung der Entladungslampe zu steuern.
2. Betriebsverfahren nach Anspruch 1, bei dem die Elektrodenanordnung (1, 2) entlang der Steuerlänge einen sich zumindest in einem lokalen Mittelwert monoton verändernden Entladungsabstand definiert.
3. Betriebsverfahren, nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Inhomogenität in einer Veränderung der Anodenbreite besteht.
4. Betriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Inhomogenität in einer Veränderung der Dicke der dielektrischen Schicht (4) besteht.
5. Betriebs verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem sich bei der Leistungssteuerung innerhalb der Steuerlänge (SL) das
Entladungsvolumen verändert.
6. Betriebsverfahren nach Anspruch 5, bei dem die Entladungsvolumenänderung bei der Leistungssteuerung dadurch realisiert ist, daß sich innerhalb der Steuerlänge (SL) eine Entladungsstruktur (3) vor- hangartig verbreitert.
7. Betriebsverfahren nach Anspruch 5, bei dem die Entladungsvolumenänderung bei der Leistungssteuerung dadurch realisiert ist, daß innerhalb der Steuerlänge eine steuerbare Anzahl von Einzelentladungen entsteht.
8. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 1-7, bei dem entlang der
Steuerlänge (SL) eine Anzahl von Kathodenstellen zur lokalen Feldverstärkung vorliegen, wobei diese Stellen lokaler Feldverstärkung eine monoton gestaffelte Reihe unterschiedlicher Brennspannungen definieren.
9. Betriebsverfahren nach Anspruch 8, bei dem sich bei der Leistungssteuerung in der Steuerlänge (SL) die Anzahl einzelner Entladungsstrukturen (3) verändert, wobei jede der Entladungsstrukturen (3) jeweils an einer der Stellen lokaler Feldverstärkung angeordnet ist.
10. Betriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Elektroden (1, 2) der Entladungslampe eine Anzahl Steuerlängen
(SL) in Reihe aufweisen.
11. Betriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der elektrische Parameter der Leistungsversorgung in kontinuierlicher Weise verändert wird, um die Entladungslampe zu dimmen.
12. Betriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der elektrische Parameter eine Spannungsamplitude einer gepulsten Wirkleistungseinkopplung ist.
13. Betriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der elektrische Parameter eine Flankenanstiegssteilheit einer gepulsten Wirkleistungseinkopplung ist.
14. Betriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der elektrische Parameter eine Totzeit einer gepulsten Wirkleistungs- einkopplung ist.
15. Betriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der elektrische Parameter eine Pulsdauer einer gepulsten Wirkleistungseinkopplung ist.
16. Betriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der elektrische Parameter eine Pulswiederholfrequenz einer gepulsten Wirkleistungseinkopplung ist.
17. Betriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem zumindest eine der Elektroden (1, 2) eine Sinusform aufweist.
18. Betriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem zumindest eine der Elektroden (2; 10; 12; 13) eine Sägezahnform aufweist.
19. Betriebsverfahren nach Anspruch 18, bei dem die Sägezahnform der Elektroden (10; 12; 13) durch eine alternierende Folge von kurzen steilen und langen entsprechend weniger steilen Rampen gebildet ist.
20. Betriebsverfahren nach Anspruch 18 oder 19, bei dem eine Elektrode mit Sägezahnform und eine dazu spiegelbildliche Elektrode paarweise und zueinander parallel angeordnet sind.
21. Betriebsverfahren nach Anspruch 20, bei dem zwischen zwei benachbarten Elektrodenpaaren (10) mit Sägezahnform zwei parallele linien- förmige Elektroden (11) angeordnet sind.
22. Betriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem für das quantitative Verhältnis zwischen einer Differenz zwischen einer maximalen Schlagweite dmaχ zwischen den Elektroden (1, 2) in der Steuerlänge (SL) und einer minimalen Schlagweite dmm zwischen den Elektroden (1, 2) in der Steuerlänge (SL) zu dieser Steuerlänge (SL) gilt: (dmaχ - dmin)/SL < 0,6, vorzugsweise (dmaχ - dmm)/SL < 0,5, besonders bevorzugterweise (dmaχ - drmn)/SL < 0,4.
23. Betriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem für das quantitative Verhältnis einer minimalen Schlagweite dmm und einer maximalen Schlagweite dmaχ zwischen den Elektroden (1, 2) in derselben Steuerlänge (SL) gilt: 0,3 < dmm/dmaχ < 0,9, vorzugsweise 0,4 < dmm/dmax < 0,9, besonders bevorzugterweise 0,5 < dmm/dmax < 0,9.
24. Betriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Kathode (1) bedeckende Schichten eine Körnigkeit von 8 μm oder weniger haben.
25. Betriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Kathode (1) leuchtstoffschichtfrei ist.
26. Betriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, unter Verwendung eines Vorschaltgeräts mit einem leistungsversorgten Primärkreis (P), einem die Entladungslampe (L) enthaltenden Sekundärkreis (S) sowie einem den Primärkreis (P) mit dem Sekundärkreis (S) verbindenden Transformator (T), wobei das Vorschaltgerät dazu ausgelegt ist, an die Entladungslampe (L) äußere Spannungen (UL) mit von Spannungspuls zu Spannungspuls alternierendem Vorzeichen anzulegen.
27. Betriebsverfahren nach Anspruch 26, bei dem die Richtung des primär- kreisseitigen Stromes (Iwi) in dem Transformator (T) von Spannungspuls zu Spannungspuls alterniert.
28. Betriebsverfahren nach Anspruch 27, bei dem der Transformator zwei primärkreisseitige Wicklungen (Wl) aufweist, die jeweils einer der beiden Stromrichtungen zugeordnet sind.
29. Betriebsverfahren nach Anspruch 28, bei dem der Primärkreis zwei Schalter (TQ) aufweist, die jeweils den Strom durch eine der beiden
Wicklungen (Wl) takten.
30. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 29, bei dem der Primärkreis aus einer Wechselstromquelle versorgt wird, die zwei Speicherkondensatoren halbperiodenweise alternierend lädt, wobei jeder Speicherkondensator jeweils einer der beiden Stromrichtungen zugeordnet ist.
31. Beleuchtungssystem mit einer Entladungslampe mit einem ein Entladungsmedium enthaltenden Entladungsgefäß, einer Elektrodenanordnung mit einer Anode (2) und einer Kathode (1) und mit einer dielektri- sehen Schicht (4) zwischen zumindest der Anode (2) und dem Entladungsmedium,
wobei die Elektrodenanordnung (1, 2) entlang einer Steuerlänge (SL) in einer eine Brennspannung verändernden Form inhomogen sind, und mit einem Vorschaltgerät mit einer Leistungssteuereinrichtung zum Steuern der Leistung der Entladungslampe durch Veränderung eines elektrischen Parameters der Leistungsversorgung der Entladungslampe.
32. Beleuchtungssystem nach Anspruch 26 ausgelegt für ein Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 2-30.
33. Entladungslampe mit einem ein Entladungsmedium enthaltenden Entladungsgefäß, einer Elektrodenanordnung mit einer Anode (2) und ei- ner Kathode (1) und mit einer dielektrischen Schicht (4) zwischen zumindest der Anode (2) und dem Entladungsmedium, ausgelegt für ein Verfahren nach einem der Ansprüche 3-10, 17-25.
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