DE3923698A1 - Kapazitive zuendelektroden fuer hid-lampen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft elektrodenlose Entladungslampen hoher Inten­ sität (HID-Lampen), und sie betrifft besonders neue Elektroden zum Initiieren einer Plasmaentladung innerhalb des Bogenraumes der elektrodenlosen HID-Lampe.

Es ist bekannt, ein ringförmiges lichtemittierendes Plasma inner­ halb der Kolben einer HID-Lampe zu schaffen. Das Induktions-Bogen­ plasma hängt für seine Aufrechterhaltung von einem solenoidalen divergenzfreien elektrischen Feld ab. Das Feld wird geschaffen durch das sich ändernde Magnetfeld einer Anregungsspule, die üb­ licherweise die Form eines Solenoids hat. Es ist erforderlich, einen sehr hohen Gradienten des elektrischen Feldes über das Bo­ genrohr zu entwickeln, um die Plasmaentladung zu zünden. Es ist schwierig, einen genügend steilen Gradienten des elektrischen Feldes zu entwickeln, insbesondere in der dazugehörigen Anregungs­ spule, da der Spulenstrom unannehmbar hoch sein mag, selbst wenn auf einer Impulsbasis gearbeitet wird. Das Schaffen eines sehr steilen Gradienten des elektrischen Feldes mag wegen der erforder­ lichen Feldstärke pro Wicklung der Anregungsspule unmöglich sein, weil diese den Wert des elektrischen Durchbruches der Spule von Wicklung zu Wicklung übersteigt. Es ist daher schwierig, eine Einrichtung zum Zünden induktionsgetriebener HID-Lampen zu schaf­ fen, und es ist ebenfalls schwierig, für das heiße Neuzünden der gleichen Lampenart zu sorgen. Es ist daher sehr erwünscht, eine Einrichtung zum Zünden der Plasmaentladung in HID-Lampen zu schaf­ fen, die unter normalen Umgebungsbedingungen leicht bei üblichen HID-Lampen benutzt werden kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine elektrodenlose Entla­ dungslampe hoher Intensität geschaffen, deren Kolben im Inneren einer Anregungsspule angeordnet ist, wobei im Inneren des Kolbens eine Plasma-Bogenentladung geschaffen werden soll, die durch die Anregungsspule angetrieben wird. Eine solche Lampe wird nun mit einem Paar von Zündelektroden versehen, die jeweils leitende Rin­ ge sind, die benachbart einer dazugehörigen Oberfläche eines ge­ genüberliegenden Paares von Kolben-Endoberflächen angeordnet sind und die man jeweils mit einem gegenüberliegenden Ende der Anregungsspule verbunden hat. Das Koppeln eines Hochspannungs­ signales zwischen dem Paar von Zündelektroden verursacht die Schaffung eines elektrischen Feldes zwischen dem Paar von Elek­ troden von einer Größe und einer Position, die ausreichen, damit das Material innerhalb des Lampenkolbens eine Glimmentladung im Bogenkolben aufgrund der Wandkapazität des Bogenrohres verursacht. Die Glimmentladung erzeugt eine genügende Ionisation an einer geeigneten Stelle, so daß ein nahezu augenblicklicher Übergang zu einer solenoidalen (quellenfreien) Hochstromentladung stattfinden und das Ent­ ladungsplasma bilden wird, das auf das normale Feld, das durch die Anregungsspule geliefert wird, anspricht.

Gemäß derzeit bevorzugten Ausführungsformen ist die Ringgestalt jeder kapazitiven Zündelektrode unterbrochen, vorzugsweise über einen Bogenabschnitt gegenüber dem Abschnitt der Ringelektrode, der mit dem dazugehörigen Ende der Anregungsspule verbunden ist, um zu verhindern, daß die Ringelektrode als Einwicklungs-Sekun­ därspule mit hohen Kreisströmen wirkt. Eine Bimetalleinrichtung zum Bewegen der Zündelektroden weg von dem Entladungsrohr, die anspricht auf den Empfang thermischer Energie vom Entladungsrohr, kann benutzt werden, um die Lebensdauer des Entladungsrohres zu verlängern.

Es ist demgemäß eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, neue ka­ pazitive Zündelektroden für eine elektrodenlose HID-Lampe zu schaffen.

Diese und andere Aufgaben der Erfindung werden beim Lesen der fol­ genden detaillierten Beschreibung deutlich, die auf die Zeichnung Bezug nimmt. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1a und 1b Seiten- bzw. Draufsichten einer elektroden­ losen HID-Lampe, einer Anregungsspule dafür und einer ersten Ausführungsform der neuen kapazitiven Zündelektroden gemäß der Erfin­ dung und

Fig. 2a und 2b Seitenansichten einer anderen derzeit be­ vorzugten Ausführungsform der kapazitiven Zündelektrode zur Verwendung mit einer HID- Lampe und einer Anregungsspule dafür, die die jeweilige Position der Elektroden beim Kaltstart und beim Warmbetrieb wiedergibt.

In den Fig. 1a und 1b ist eine Induktions- oder elektrodenlose Entladungslampe 10 hoher Intensität (HID-Lampe) gezeigt, die ein Bogenrohr oder einen Kolben 11 umfaßt, der eine im wesentlichen zylindrische Gestalt hat und im wesentlichen gasförmiges Material 11 a einschließt, das ein Zündgas, wie Argon, Xenon, Krypton und ähnliche sowie ein Metallhalogenid, wie Natriumjodid, Cerjodid und ähnliche, einschließt. Eine im wesentlichen ringförmige Bogen­ entladung 12 ist zu erzeugen und wird innerhalb des Kolbens 11 durch ein elektrisches Feld aufrechterhalten, das durch eine An­ regungsspule 14 erzeugt wird, die auf ein Hochfrequenz-Signal an­ spricht, das an die entgegengesetzten Enden 14 a und 14 b der Spule gelegt wird. Der Kolben 11 ist mit seiner Achse im wesentlichen längs der Achse der Spule 14 angeordnet.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird jede eines Paares von Zünd­ elektroden 20 a und 20 b mit einem allgemein ringförmigen leitenden Teil versehen, das benachbart dem Äußeren der oberen und unteren Oberfläche 11 b und 11 c des Bogenrohres angeordnet ist und sich jeweils in einer Ebene im wesentlichen parallel zu der benachbar­ ten Oberfläche erstreckt und somit im wesentlichen senkrecht zur im wesentlichen übereinstimmenden Achse von Kolben 11 und Spule 14. Ein zentraler Abschnitt 20 c jedes Ringteiles 20 a und 20 b ist durch ein leitendes Teil 22 a bzw. 22 b mit einem benachbarten Ab­ schnitt 14 c bzw. 14 d der Anregungsspule verbunden, die sich je­ weils benachbart einem der gegenüberliegenden Enden 14 a oder 14 b davon befindet. Da sich jedes der ringförmigen leitenden Teile 20 a oder 20 b innerhalb des elektrischen Feldes befindet, wird ein einen Spalt 20 g schaffendes Teil davon entfernt, um die Bil­ dung einer vollständigen Wicklung zu verhindern, so daß das Ring­ teil keine Sekundärspule mit einem hohen Kreisstrom darin bildet. Vorteilhafterweise liegt der Spalt 20 g im wesentlichen gegenüber dem Abschnitt 20 c, an dem das leitende Teil 22 a oder 22 b an dem Ringteil 20 a bzw. 20 b befestigt ist. Durch diese Art der Anord­ nung des Spaltes 20 g wird die Masse des Ringteiles 20 bezüglich des leitenden Abschnittes 22 ausgeglichen, was für die Bewegung sehr wichtig sein mag, wie bei der im Zusammenhang mit den Fig. 2a und 2b noch zu erläuternden Ausführungsform deutlicher wird.

Die Zündelektroden sind jeweils in großer Nähe zur äußeren Ober­ fläche des Bogenrohres angeordnet, doch haben sie keinen Kontakt mit dem Kolben. An eine auf hohe Spannung und hohen Strom (in der Größenordnung von 2500 V und 15 A) ansprechende Anregungsspule 14 wird eine Hochspannung von der oberen Zündelektrode 20 a zur unteren Zündelektrode 20 b über das Bogenrohr 11 gelegt, was zur Bildung einer ringförmigen Glimmentladung 24 führt. Das Volumen der Glimmentladung 24 erzeugt ausreichend Ionisation an einem sehr günstigen Ort hinsichtlich des erwünschten Entladungsplasma- Ringes 12, so daß der Übergang zur Hochstrom-Plasma-Bogenentla­ dung nahezu augenblicklich stattfindet. Die Größe des kapazitiven Stromes über die Wand des Bogenrohres 11 kann abgeschätzt werden, wenn man annimmt, daß die kapazitiven Zünd-Ringteile einen inne­ ren Durchmesser D von etwa 14 mm, eine Breite W von etwa 1 mm und eine Gesamtfläche von etwa 47 mm² haben. Hat die Wand des Bogenrohres eine Dicke T von etwa 1 mm und besteht sie aus Quarz mit einer Dielektrizitätskonstanten ε _r=3,8 bei 13,56 MHz, dann kann die Kapazität über jede Wand des Bogenrohres zu etwa 1,6 pF errechnet werden. Mit etwa 1000 V bei 13,56 MHz, die über jede Bogenrohrwand gelegt sind, beträgt der kapazitive Strom etwa 140 mA. Ein derart hoher Strom unterstützt das Zünden merklich. Es ist darauf hinzuweisen, daß die leitenden Teile 22 entfernt oder durch isolierende Teile ersetzt werden können und die kapa­ zitiven Zündteile 20 dann mit einer separaten Hochfrequenz-Lei­ stungsquelle statt mit der Anregungsspule 14 zum Anlegen einer Hochspannung verbunden werden. Eine separate Leistungsquelle muß nicht bei der gleichen Frequenz wie die Anregungsspule arbeiten, und es mag ausreichen, wenn sie nur während des Zündens mit Ener­ gie versehen wird. Eine separate Zündquelle gestattet mehr Flexi­ bilität bei der Ausführung der Anregungsspule 14 und der nicht dargestellten Hochfrequenz-Leistungsquelle dafür, obwohl eine solche separate Zündquelle zu den Kosten und der Komplexizität der Schaltung zum Antrieb der Lampe beitragen mag.

Stationäre, allgemein ringförmige Zündteile 20 haben jedoch ver­ schiedene Nachteile: Durch die enge Nachbarschaft zum Bogenrohr 11 beeinträchtigen die Zündelektroden 20 die Temperatursteuerung des Bogenrohres und blockieren die Lichtemission daraus. Aufgrund des Ionenbeschusses des Bogenrohres 11 von den kontinuierlichen kapazitiven Strömen, die selbst während des normalen Lampenbe­ triebes fließen, kann eine frühe Lampenbeeinträchtigung verur­ sacht werden. Um die vorgenannten Nachteile zu beheben, benutzt die derzeit bevorzugte Ausführungsform 10′ der Fig. 2a und 2b bewegbare kapazitive Zündelektroden 30. Die Zündelektroden werden nach dem Zünden der Lampe aus der Nähe des Bogenrohres 11′ weg bewegt, so daß diese Zündelektroden die Lichtemission nicht we­ sentlich blockieren, den thermischen Ausgleich des Bogenrohres 11′ nicht beeinträchtigen und zur Lampenverschlechterung nicht beitra­ gen. Es ist ersichtlich, daß die HID-Lampe 10′ einen Bogenrohr- Kolben 11′ aufweist, der im wesentlichen gasförmiges Material 11′a enthält. Der Kolben 11′ weist eine obere und eine untere Oberflä­ che 11′b und 11′c auf und kann mit einem geneigten Peripherie­ abschnitt 11′d ausgebildet sein, um einen rauten- bzw. rhombus­ förmigen Querschnitt zu haben. Die mehrere Windungen aufweisende Anregungsspule 14′ ist als nicht-solenoidale, ringförmige Anre­ gungsspule mit einem V-förmigen Querschnitt dargestellt, wie in der älteren Patentanmeldung P 38 42 971.3 offenbart, auf die hier­ mit Bezug genommen wird.

Es ist ersichtlich, daß die obere und untere kapazitive Zündelek­ trode 30 a und 30 b so ausgebildet werden kann, daß sie einen Quer­ schnitt haben, der es gestattet, daß die leitenden, mit Spalt versehenen Ringteile dicht benachbart der oberen und unteren äuße­ ren Oberfläche des Kolbens angeordnet werden. Für einen Kolben 11′ mit rautenförmigem Querschnitt haben die Teile 30 eine flache konische Bandgestalt. Es können auch andere Querschnittsgestal­ ten mit Bogenrohren benutzt werden, die andere Querschnittskonfi­ gurationen aufweisen.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung sind leitende Befestigun­ gen 40 a und 40 b, die die zentralen Abschnitte 30 c der Zündelek­ troden mit benachbarten Befestigungspunkten 14′c oder 14′d der Anregungsspule verbinden, wärmeempfindlich, z.B. Bimetallstrei­ fen, die, wie in Fig. 2a gezeigt, bei normalen Umgebungstempe­ raturen geeignet gekrümmt ausgebildet sind, um die Zündelektro­ den 30 benachbart der Oberfläche des Lampenkolbens 11′ liegen zu lassen. Die Bereiche 34′ der Glimmentladung werden gebildet, wenn die Spule 14′ anfänglich mit Energie versehen wird, und sie unterstützen das Zünden des Ringes 12 der Bogenplasmaentladung innerhalb des Kolbens. Auf die von der betriebenen Lampe emittier­ te Energie ansprechend, dehnen sich die bimetallischen Streifen verschieden aus und ändern die Krümmung, so daß die Streifen 40 a′ und 40 b′ die Zündelektroden 30 a und 30 b weg vom Bogenrohr bewe­ gen, wie in Fig. 2b gezeigt. Wird die Lampe abgeschaltet, dann kühlen sich die bimetallischen Verbindungsteile 40 ab und kehren in die in Fig. 2a gezeigte Ausgangsposition zurück. Eine bei­ spielhafte Ausführungsform einer bewegbaren kapazitiven Zündelek­ trode benutzte 10 Millizoll dicke Folienteile 30 aus korrosions­ beständigem Stahl, die befestigt waren an 10 Millizoll dicken Bimetallfolien, erhältlich von der Polymetallurgical Corp., Attleboro Falls, Massachusetts unter der Katalog-Nr. PMC223-1. Die nicht an den aus korrosionsbeständigem Stahl und mit Spalt versehenen Ringelektroden befestigten Enden der Bimetallfolie waren an das dazugehörige Ende einer V-förmigen Anregungsspule mit 10 Windungen aus Kupferrohr mit einem Durchmesser von 1/8 Zoll befestigt. Ein wiederholtes Zünden einer HID-Lampe, die Cer- und Natriumjodide und ein Krypton-Puffergas bei 250 Torr enthielt, erfolgte durch Anlegen von Strömen von 10 A oder weni­ ger mit einer Frequenz von 13,56 MHz an die Spule. Nachdem der Lampenbetrieb begonnen hatte, bewegten sich die Zündelektroden in weniger als 1 Minute von dem Bogenrohr weg. Nach dem Beenden des Lampenbetriebes bewegten sich die Zündelektroden langsam zu­ rück in die Zündposition, was ein nachfolgendes Neuzünden der Lampe gestattet.

Claims (16)

1. Zündelektroden für eine elektrodenlose Entladungslampe hoher Intensität (HID-Lampe) der Art mit einem Bogen­ rohr, das innerhalb der Öffnung einer Anregungsspule angeordnet ist und in der eine Plasma-Bogenentladung zu bilden und durch die Anregungsspule anzutreiben ist, gekennzeichnet durch
ein Paar von Zündelektroden, die jeweils, zumindest während des Beginns der Plasma-Bogenentladung benachbart der äußeren Oberfläche eines Paares gegenüberliegender Oberflächen des Bogenrohres angeordnet sind und
eine Einrichtung zum Koppeln eines Hochspannungssignals zwischen dem Paar von Zündelektroden, um, zumindest während des Beginns der Plasma-Bogenentladung, eine Glimm­ entladung innerhalb des Bogenrohres aufgrund des von den Zündelektroden ausgehenden kapazitiven Stromflusses durch das Bogenrohr zu verursachen.

2. Zündelektroden nach Anspruch 1, worin mindestens eine der Elektroden ein im wesentlichen ringförmiges leiten­ des Teil ist.

3. Zündelektroden nach Anspruch 2, worin jede ringförmige Elektrode einen Spalt aufweist, der kein leitendes Mate­ rial enthält.

4. Zündelektroden nach Anspruch 1, worin mindestens eine der Zündelektroden eine Querschnittsgestalt hat, die ausgewählt ist im wesentlichen ähnlich der Gestalt der äuße­ ren Bogenrohroberfläche zu sein, benachbart der die Elek­ trode zumindest während des Beginns der Plasma-Bogenent­ ladung angeordnet sein wird.

5. Zündelektroden nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsgestalt die eines konischen Ab­ schnittes ist.

6. Zündelektroden nach Anspruch 1, worin die Kopplungsein­ richtung ein leitendes Teil umfaßt, das einen ausgewähl­ ten Abschnitt der Elektrode mit einem benachbarten Ab­ schnitt der Anregungsspule verbindet.

7. Zündelektroden nach Anspruch 6, worin das leitende Teil die Elektrode mit einem benachbarten Endteil der Anre­ gungsspule verbindet.

8. Zündelektroden nach Anspruch 7, worin mindestens eine der Elektroden ein im wesentlichen ringförmiges leitendes Teil ist.

9. Zündelektroden nach Anspruch 8, worin jede ringförmige Elektrode einen Spalt aufweist, der frei von leitendem Material ist.

10. Zündelektroden nach Anspruch 1, worin die Kopplungsein­ richtung eine Einrichtung einschließt, die auf die Ein­ richtung der Entladung anspricht, um die Zündelektroden zu einer Stelle weiter weg von dem Bogenrohr zu bewegen, als die Stelle, die die Elektroden während des Beginns der Entladung einnehmen.

11. Zündelektroden nach Anspruch 10, worin die Bewegungsein­ richtung eine Einrichtung zum Bewegen der Zündelektro­ den umfaßt, die anspricht auf den Empfang von Wärme­ energie vom Bogenrohr.

12. Zündelektroden nach Anspruch 11, worin die auf Wärme­ energie ansprechende Bewegungseinrichtung eingerichtet ist, die Zündelektroden zurück zum Bogenrohr zu bewegen, wenn die Aufnahme von Wärmeenergie vom Bogenrohr auf­ hört.

13. Zündelektroden nach Anspruch 12, worin die Bewegungs­ einrichtung ein leitendes flexibles Teil umfaßt, das einen ausgewählten Abschnitt jeder Elektrode mit einem Gegenstand verbindet, der im wesentlichen fest bezüglich des Bogenrohres angeordnet ist.

14. Zündelektroden nach Anspruch 13, worin der Gegenstand die Anregungsspule ist.

15. Zündelektroden nach Anspruch 14, worin das flexible lei­ tende Teil ein Bimetallteil ist.

16. Zündelektroden nach Anspruch 12, worin das flexible lei­ tende Teil ein Bimetallteil ist.