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Elektrische Entladungslampe mit wenigstens einer indirekt beheizten
Kathode Die Erfindung bezieht sich auf die bekannten Entladungslampen mit bogenartiger
kathodischer Lichterscheinung, also Entladungslampen mit zumindest ein Edelgas,
gegebenenfalls auch Metalldampf oder Metalldämpfe enthaltender Gasfüllung und zumindest
einer indirekt beheizten Kathode, bei denen die positive Säule infblge des geringen
Druckes der Füllung und des geringen Abstandes der Elektroden oder eines dieser
beiden Unistände nur mit unbedeutender Leuchtwirkung im Verhältnis zum kathodischen
Licht zur Geltung kommt.
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Zweck der Erfindung ist einerseits die Verbesserung der Wirtschaftlichkeit
und der Lichtausbeute, andererseits die Erweiterung des Anwendungsgebietes solcher
Lampen.
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Es war bekannt, daß die Intensität des kathodischen Lichtes durch
Erhöhung der Emission der Glühkathode bzw. Erhöhung der Entladungsstromdichte gesteigert
werden kann. Dieser Steigerung hat jedoch die beschränkte Belastungsfähigkeit der
Elektroden Grenzen gelegt. Insbesondere wird die emittierend.: Schicht bei übermäßiger
Erhitzung oder allzu heftigem Ionenaufprall bald zerstäubt oder verdampft und schließlich
zerstört. Deshalb galt es 'bisher, die mittlere Stromdichte nicht wesentlich über
0,4 bis 0,5 A/cm= hinaus zu steigern, um die Betriebs- und Lebensfähigkeit der Lampe
nicht zu gefährden.
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Der Erfindung-liegt nun die Erkenntnis zugrunde, daß die Belastbarkeit
der emittierenden Schicht in Lampen der oben angegebenen Gattung über ihren bisher
geltenden Grenzwert ganz wesentlich gesteigert werden kann, wenn man .dafürsorgt,
daß ,im Betrieb die ganze emissionsfähige Oberfläche sich gleichmäßig erhitzt. Bei
ungleichmäßiger Erhitzung ist nämlich auch dieEmission ungleichmäßig und, dä die
zulässige Temperaturgrenze auch an der heißesten Stelle nicht überschritten werden
darf, so werden die übrigen Stellen der Emissionsfläche für die Belastung nicht
voll ausgenützt und der Mittelwert der Stromdichte muß hinter dem bei gleichmäßiger
Erhitzung zulässigen zurückbleiben, und zwar um so mehr, je größer die Differenz
zwischen der Temperatur der heißesten Stelle und der der übrigen Stellen ist. In
dieser Beziehung kommt noch der folgenden Erscheinung eine besondere Bedeutung zu.
Eine stärker erhitzte Stelle der Kathodenoberfläche sendet mehr Elektronenaus als
die weniger erhitzten Stellen. Durch die größere Stromdichte an der heißeren Stelle
wird aber die Temperatur dieser Stelle noch weiter erhöht, was eine weitere Steigerung,
der Stromdichte zur Folge hat
usw. Eine lokale Temperaturerhöhung
hat also die Tendenz, weit über das anfängliche Maß hinauszuwachsen. Da, sobald
man mit einer ungleichmäßigen Verteilung der Temperatur zu rechnen hat, die auf
die gesamte Kathodenoberfläche bezogene mittlere Stromdichte so niedrig bemessen
werden muß, daß auch die Selbststeigerung der Temperatur an der heißesten Stelle
nicht zum Überschreiten der zulässigen Grenztemperatur führt, hängt also die Belastbarkeit
der Kathode ganz wesentlich von der Gleichmäßigkeit ihrer Erhitzung ab.
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Mit einer ungleichmäßigen Verteilung der Temperatur geht aber nicht
nur die Verringerung der Entladungsstromstärke und damit der Lichtstärke, sondern
noch ein weiterer Nachteil einher. Infolge der beschriebenen Selbststeigerung der
Emission an der heißeren Stelle auf Kosten der übrigen Stellen sinkt die Temperatur
der letzten unter die Emissionstemperatur, so daß die Kernzone (Lichtwolke) des
kathodischen Lichtes nicht die ganze Kathode. sondern nur einen Teil derselben umhüllt.
Mit der Zeit wird aber die Emmissionsschicht an der Stelle der konzentrierten Emission
zerstört und die Leuchtwolke wird sich an einer anderen Stelle ansetzen. Es stellt
sich also- ein unerwünschtes Wandern der Leuchtwolke ein.
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An sich stehen zur Lösung dieser Aufgabe mehrere Wege offen. So bestünde
eine Methode beispielsweise darin, der emissionsfähigen Substanz Beimengungen mit
hohem Wärmeleitfähigkeitsvermögen zuzumischen und so für schnellen Ausgleich der
auftretenden Temperaturunterschiede zu sorgen, so daß eine Wärmestauung bzw. eine
Konzentration der Emission nicht eintreten könnte. Da man jedoch vor allem auf die
Emissionseigenschaften der Kathodensubstanzen bei der Wahl des Materials für den
Emitter und seinen Träger Bedacht nehmen muß, gestattet dieser Weg eine Verbesserung
der thermischen Verhältnisse nur bis zu einer bestimmten Grenze. Die Erfindung sucht
also eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung auf der Kathodenoberfläche
auf anderem Wege zu erzielen. Erfindungsgemäß wird bei Entladungslampen der in der
Einleitung angegebenen Gattung diese Forderung derart erfüllt, daß die emissionsfähige
Oberfläche der als Röhrchen ausgebildeten Glühkathoden weniger als 6o ntm=, vorzugsweise
nur 2o bis 35 mm°- oder noch weniger, beträgt und im normalen Betrieb die mittlere
Stromdichte der Entladung an der Oberfläche der Glühelektroden mehr als 2,5 Amp./em2,
vorzugsweise 2,8 Amp.;@cm' oder noch. mehr, beträgt, so,daß dieTemperaturverteilung
auf der Oberfläche in Betrieb genügend gleichmäßig ist, um die gesamte emissionsfähige
Oberfläche an der Bildung der kathodischen Leuchterscheinung teilnehmen zu lassen.
Die Erfindung ermöglicht somit durch Herabsetzung der Stromdichtenunterschiede,
die Entladungsstromdichte und damit die Intensität des kathodischen Lichtes und
den Nutzeffekt der Lampen wesentlich zu steigern.
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Bei rohrförmigen Elektroden empfiehlt sich, vor allem die aktive Länge
des Röhrchens zu verringern, und zwar auf einen Wert kleiner als 20 mm, vorzugsweise
aber kleiner als 15 mm. Besonders günstige Verhältnisse ergeben sich bei
einer aktiven Glühröhrchenlänge von etwa 1o min, aber auch eine Unterschreitung
dieser Länge kann häufig noch von Vorteil sein.
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Bei der Wahl der hier angegebenen Größen der Oberfläche und der Länge
des Glühkathodenröhrchens wird sich meistens ein Röhrchendurchmesser ergeben, der
gleichfalls beträchtlich unterhalb jenes Wertes liegt, den man bisher bei Gasentladungslampen
zu verwenden gewöhnt war. Der Röhrchendurchmesser wird beispielsweise in vielen
Fällen etwa i tnm oder etwas weniger sein.
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So ergeben sich erfindungsgemäß Abmessungen der indirekt beheizten
Elektrode, die bisher nur bei den Hochvakuumröhren der Rundfunktechnik Eingang gefunden
haben.
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Die gemäß der Erfindung vorgesehenen hohen Stromdichtenwerte an der
Oberfläche einer indirekt beheizten Glühelektrode hat man bisher für möglich gehalten,
sofern die Betriebs- und Lebensfähigkeit der Lampe gewahrt bleiben sollte. Die Versuche,
die zur Erfindung geführt haben, haben aber bewiesen, daß diese hohen Stromdichten
durchaus zulässig sind, wenn die Elektrodenoberfläche bzw. -länge im Sinne der Erfindung
genügend klein gewählt wird.
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Die Entladungsstromstärke nimmt daher Werte an, die eine den praktischen
Bedürfnissen reichlich genügende Lichterzeugung ermöglichen. Dazu kommt noch, daß
in den erfindungsgemäß gebauten Lampen die intensive leuchtwolkenartige Kernzone
des kathodischen Lichtes die emissionsfähige Kathodenoberfläche vollkommen und restlos
einhüllt. Da die Kathodenoberfläche klein ist, konzentriert sich auch der. Kern
der Lichterscheinung auf einen verhältnismäßig kleinenRaum, und die so gesteigerte
Leuchtdichte erhöht auch in subjektiver Beziehung den günstigen Eindruck, den die
Lampe dem Beschauer bietet.
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Außer der Steigerung der Intensität des kathodischen Lichtes durch
Erhöhung der Entladungsstromdichte bringt die Erfindung . eine weitere Erhöhung
des Nutzeffektes durch Verringerung des Anteiles der Fremdheizung an der Aufh.eizung
der Glühkathode. Bisher
war man der Ansicht; daß der Anteil der
Fremdheizung an der Gesamtleistung um so größer sein müsse, je kleiner die Abmessungen
der geheizten Elektrode sind. Die der Erfindung zugrunde liegendeErkenntnis der
grö:-ßeren Belastbarkeit kleinflächiger Glühkathoden führte im Wege einer entsprechenden
Würdigung der durch die erhöhte Emissi3n erzielten erhöhten Entladungsbeheizung
zur Aufstellung der entgegengesetzten Regel, wenigstens für Lampen, auf die sich
die Erfindung bezieht, und zu einer Weiterbildung der Erfindung in dem Sinne, daß
der Heizkreis und Entladungsstromkreis derart bemessen werden, daß im normalen Betrieb
der Verbrauch der Entladung an elektrischer Leistung mindestens ebenso groß, vorzugsweise
aber bedeutend größer ist als der der Fremdheizung. Überraschenderweise°hat sich
gezeigt, daß die Fremdheizungsleistung infolge der starken und wegen der erfindungsgemäßen
Kleinheit der Kathodenoberfläche genügend gleichmäßigen Selbstaufheizung ohne Gefährdung
des Betriebes auf weniger als die Hälfte, sogar auf ein Drittel oder noch weniger
der Entladungsleistung herabgesetzt werden kann.
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Die Verringerung der emittierenden Fläche, insbesondere ihres Längenmaßes,
führte auch zu einer für Lampen der in Rede stehenden Gattung neuartigen Anordnung
des als. Kathode und Anode zusammenwirkenden Elektrodenpaares. Zwei Elektrodenröhrchen
werden gleichachsig über- bzw. nacheinander angeordnet, unddadurch läßt sich der
Lampenkolben als schmale Röhre gestalten.
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Auf Grund der bedeutenden Erhöhung der Stromdichte ermöglicht die
Erfindung, Entladungen mit bogenartiger Lichterscheinung durch derart geringe elektrische
Leistungen herbeizuführen, die bisher höchstens für Glimmentladungen genügten. Lampen
nach der Erfindung lassen sich also an Stelle der bisher üblichen kleinen oder mittleren
Glühr Lampen für Illuminationszwecke, Reklamebeleuchtungen o. dgl. gut verwenden,
und zwar um so: vorteilhafter, als sie wirtschaftlicher sind als die kleineren Glühlampen.
Bei Reklamebeleuchtungseinrichtungen, die mit Blinkeffekten oder rasch wechselnden
Leuchterscheinungen arbeiten, kommt ihnen gegenüber den Glühlampen auch -das raschere
Zünden und Erlöschen zugute.
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Die Zeichnung zeigt drei Ausführungsbeispiele der Lampen nach der
Erfindung. Abb. i und 2 sind Vorder- und Seitenansicht einer Lampe mit zwei indirekt
beheizten Elektroden, Abb. 3 zeigt eine Gleichstromlampe mit im Lampenhals angeordneter
Anode und einem erfindungsgemäß angeordneten Blinkschalter, Abb.4 stellt eine Wechselstromlampe
mit gleichachsig übereinander angeordneten Elektroden schematisch dar. ' Die Lampe
nach den Abb. i und z hat zwei m gleicher Weise ausgebildete, indirekt beheizte.
und an ihrer Oberfläche mit einer Emissionsschicht versehene Elektroden i, i, ,deren
Aufbau ,an sieh bekannt ist. Die Heizdrähte 2, 2 der Elektroden sind im Innern der
Lampe durch einen Leiter 3 in Reihe miteinander verbunden, so daß in bekannter Weise
nach Einsetzen der Entladung der Strom im Innern der Lampe in zwei zueinander parallelen
Stromzweigen fließt, von denen einer die Gasentladungsstrecke und der andere die
beiden Heizwicklungen 2, 2 enthält. Die Verzweigungsstellen 4, 4 liegen von den
Lampenpolen aus gesehen vor den Heizwicklungen, eine bekannte Schaltung, die den
Vorteil hat, daß die Fremdheizung der Elektroden während des Betriebes von Schwankungen
der Netzspannung frei bleibt, da an den Punkten 4 4 stets eine Spannung liegt, die
dein konstanten Spannungsverbrauch der . Entladung gleich ist.
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Im Sinne der Erfindung hat die Lampe des soeben beschriebenen Ausführungsbeispiels
folgende Abmessungen und elektrische Betriebsgrößen, wobei Neon als vorwiegende
Lampenfüllung angenommen ist: Durchmesser des Elektrodenröhrchens = o,8 bis x mm;
aktive Länge des Elektrodenröhrchens = io mm; emissionsfähige Oberfläche an einem
Röhr= chen = 25 bis 30 mm; Ballondurchmesser = 5o mm; betriebsmäßige mittlere
Stromdichte der Entladung an der Oberfläche der Elektrodenröhrchen = 2,8 bis 3 A/cm2;
Spannungsverbrauch der Entladung = etwa 14 bis 18 V; Leistungsverbrauch der Lampe
= etwa 15 W; Fremdheizungsleistung = ungefähr 114 der gesamten aufgenommenen Leistung.
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Lichtstärke und Ökonomie dieser 15-Watt-Lampe sind erstaunlich hoch.
Rein subjektiv ist der Eindruck der i5-Watt-Lampe derselbe wie der einer ballonförmigen
Gasentladungs-Lampe von etwa 35 W, aber auch die photometrische Lichtstärke' erreicht
ungefähr 7o v. H. jener der 35-Watt-Lampe. Während letztere etwa 8 Lumen pro Watt
ausstrahlt, liefert die i5-Watt-Lampe des Ausführungsbeispieles 15 Lumen pro Watt,
unter Umständen sogar noch mehr. Zum Vergleich sei auch angeführt, daß in dem angegebenen
Leistungsbereich eine niedrigwattige Glühlampe nur 6 bis 8 Lumen pro Watt ausstrahlt.
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Die angeführten Werte zeigen, daß die Lampe nach der Erfindung nicht
nur eine praktisch brauchbare, mit Bogen arbeitende Gasentladungslampe für kleine
Leistungen ist, sondern daß sie auch einen Fortschritt gegenüber den kleinen Glühlampen
bedeutet. Die Lampe nach der Erfindung wird daher vor
allem überall
dort Anwendung finden, wo man bisher kleine oder mittlere Glühlampen verwendet hat,
also insbesondere zu Illuminationszwecken, Reklamebeleuchtungen o. dgl. Dabei kann
auch die Eigenschaft der Entladungslampe, augenblicklich zu zünden und zu erlöschen,
von Nutzen sein. Werden z. B. Lampen mit kathodischem Licht in Reklamebeleuchtungseinrichtungen
verwendet, die mit Blinkeffekten oder rasch wechselnden Leuchterscheinungen arbeiten
sollen, so empfiehlt es sich zwecks voller Ausnutzung der angeführten Lampeneigenschaft,
den für die Lampe vorgesehenen selbsttätigen Blink- oder Steuerschalter derart anzuordnen,
daß er das Zünden und Auslöschen der leuchtenden Entladung ohne Zu- oder Abschaltung
des Fremdheizung5kreises bewirkt. Bei einer solchen Anordnung des Schalters ist
die Lampe ständig zünd- und löschbereit. Abb. 3 zeigt das Ausführungsbeispiel einer
für Blink- oder Lichtwechselwirkungen bestimmten Lampe bzw. Lampenschaltung. Die
Lampe ist beispielsweise als Gleichstromlampe ausgebildet, wobei der Durchmesser
des Lampenkolbens dadurch noch weiter vermindert ist, da.ß: die indirekt beheizte
Kathode 6 in der Mittelachse des Kolbens und die Anode fi nicht, wie üblich, parallel
zur Kathode, sondern im Lampenhals angeordnet ist, wo sie nicht nur die Lichtausstrahlung
nicht stört, sondern außerdem noch infolge der Beheizung durch die Entladung das
dort befindliche Gas oder Dampf oder Kondensat eines solchen erwärmt. Die Bemessung
der Kathode kann jener der Elektroden der Abb. i bis 3 entsprechen. In der Zuleitung
8 für die Kathode 6 und gegebenenfalls, wie in Abb. d. angedeutet, auch in der Anodenzuleitung
io wird der bekannte selbsttätige Blink- oder Steuerschalter 9 der Reklamebeleuchtungseinrichtung
angeordnet. Der Heizkreis i i der Kathode bleibt dauernd eingeschaltet, die Lampe
aber brennt nur dann. wenn der Schalter 9 geschlossen wird. Jedes Schließen und
öffnen des Schalters bewirkt aber augenblicklich das Zünden bzw. Erlöschen der Lampe.
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In der Ausführung nach Abb. .4 sind bei einer Wechselstromlampe die
beiden Elektrodenröhrchen i, i gleichachsig übereinander angeordnet. Die vom Heizstrom
in Serie durchflossenen Heizdrähte 2, 2 verlaufen in der Mittelachse des Lampengefäßes,
das sich dank der neuen Anordnung der Elektroden als eine schmale Röhre gestalten
läßt. Durch diese Formgebung läßt sich die kathodische Leuchterscheinung auf eine
Kernzone von einer einzigen Farbe' zusammendrängen, da sich das Außenzonenlicht
wegen Mangels an Raum nicht entfalten kann. Solche Lampen lassen sich ferner beispielsweise
als Lichtquellen bei Vorrichtungen zur Aufzeichnung tonfrequenter Vorgänge und in
allen optischen Systemen vorteilhaft verwenden, wo eine geringe Ausdehnung der Lichtquelle
erwünscht ist. Die ganz kleinen Abmessungen, in denen sich solche Lampen herstellen
lassen, ermöglichen auch die Verwendung für gewisse therapeutische Zwecke, für die
bisher Lampen mit bogenartiger kalhodischer Leuchterscheinung wegen ihrer Kugelform
und deren Abmessungen nicht in Betracht-kamen.
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Die Erfindung ist selbstverständlich auch bei Lampen anwendbar, die
unsichtbare, insbesondere ultraviolette Strahlung aussenden.