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Quecksilberhochdrucklampe für Gleichstrombetrieb Die Erfindung betrifft
eine Quecksilherhochdrucklampe für Gleichstrombetrieb mit Edelgasgrundfüllung und
einer festen, durch die Entladung geheizten Gliihelektrode. Es bereitet große Schwierigkeiten,
Entladungsröhren dieser Art mit niedrigen Spannungen, beispielsweise von
30 V oder gar 24 V, zu betreiben. Diese Schwierigl@eiten sind auch dann groß,
wenn es zur Erzielung großer Leuchtdichte notwendig ist, den Elektrodenabstand klein,
z. B. kleiner als .f mm, zu wählen, weil einerseits die Entladung an nichtaktivierten
Elektroden sehr schwer zündet, aktivierte Elektroden jedoch bei dem kleinen Elektrodenabstand
und der durch die benachbarte Anode bewirkten zusätzlichen Erwärmung sehr schnell
zerstört werden. Erfindungsgemäß wird deshalb für die Zündung eine aktivierte Hilfselektrode
vorgesehen, die mit einer nicht oder nur schwach aktivierten Hauptelektrode in unmittelbarer
leitender Verbindung steht. Die Hauptkathode besteht aus einem dünnen Draht, der
an der Hilfskathode oder in deren unmittelbarer Nähe befestigt ist und dessen Länge
so groß, vorzugsweise gräßer als das Zwanzigfache des Drahtdurchmessers gewählt
wird, daß einerseits seine Spitze i.m Betrieb die für die Elektronenemission erforderliche
hohe Temperatur annimmt, während gleichzeitig das der Hilfskathode benachharte Ende
des Kathodendrahtes eine niedrigere Temperatur als iooo° annimmt. Wenn der Kathodendraht
nicht oder nur schwach aktiviert ist,
muß am Lichtbo :genansatzpunkt
eine Temperatur von mehr als 2oöo° eireicht werden,- damit eine genügende Elektronenemission
stattfindet. Es muß aber andererseits durch die erfindungsgemäße Bemessung .des
Kathodendrahtes verhindert werden, da ß die Hilfskathode durch die ihr von der Hauptkathode
zugeführte Wärme im normalen Betrieb so hoch erhitzt wird, daß ihre Aktivierung
verdampft. Beim Anlegen der Netzspannung an Anode und Kathode soll sich eine Bogenentladung
zwischen der Hilfskathode und der Anode ausbilden. Mit zunehmender Brenndauer steigt
die Dampfdichte und damit der Spannungsverbrauch je Zentimeter Entladungsbahn. Dies
hat zur Folge, daß der Kathodenansatzpunkt - in Richtung auf die Anode zu wandern
beginnt, so daß fortschreitend die Lichtbogenlänge verkürzt wird. Durch die beiden
Maß-.nahmen nach der Erfindung,- nämlich einerseits durch die Bemessung des Querschnitts
des Katho:dendrahtes und andererseits seiner Länge, wird erreicht, .daß jeder Punkt
des Kathodendrahtes zwischen seiner Spitze und der Hilfskathode als sich selbst
aufheizende Glühkathode arbeiten kann.
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Sofern .der Kathodendraht aus einem einzigen Draht gleichmäßigen Querschnitts
besteht, ist diese Bedingung bei _ der erfindungsgemäßen Bemessung erfüllt. In manchen
Fällen wird es aus mechanischen Gründen zweckmäßig sein, den Querschnitt des Kathodendrahtes
in der Nähe der Befestigungsstelle größer zu wählen, damit sich seine Stellung gegenüber
der Anode nicht bei den Erschütterungen des Transportes oder im Betrieb durch etwaige
Schwingungen der Unterlage vorübergehend oder bleibend ändert. Zu diesem Zweck kann
der Glühdraht, beispielsweise an der der Hilfskathode benachbarten Hälfte, einen
größeren Querschnitt aufweisen.. Zu diesem Zweck können auch zwei Einzeldrähte geringeren
Querschnitts miteinander verdrillt werden. Der eine dieser beiden Drähte wird bei
einer solchen Ausführung zweckmäßig bis in die Nähe der Anode geführt. Es sind bei
einer solchen Anordnung infolge der geringeren Temperatur des der Hilfskathode benachbarten
Endes des Kaf'hodendrahte,s die B,etrie"bsbedingungen für den Lichtbogen.ansatz
weniger,günstig als in der Nähe der Spitze. Die Anordnung hat aber den Vorteil der
größeren mechanischen Festigkeit. Der Nachteil, daß bei ihr infolge der niedrigeren
Temperatur des Kathodendrahtes in der Nähe der Hilfskathode eine stärkere Zerstäubung
auftritt, solange der Lichtbogen an diesem Teil ansetzt, wirkt sich praktisch nicht
aus, da der Lichtbogen ari diesen Stellen nur sehr kurze Zeit verweilt.
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Damit -der Lichtbogenansatzpunkt von .der Hilfskathode möglichst rasch
und betriebssicher zu der der Anode gegenüberliegenden Spitze des Kathodendrahtes
wandert, ist es zweckmäßig, den Kafhodendra'ht so zu führen, daß der Abstand eines
jeden seiner Punkte von der Anode um so, kleiner ist, je näher dieser Punkt der
Spitze des Kathodendra:htes liegt, oder, mit anderen Worten, den Kathodendraht so
zu führen, daß der Abstand der Kathode von der Anode in Richtung von der Hilfskathode
zur Spitze der Kathode beständig abnimmt. Auf diese Weise wird erreicht, daß der
Lichtbogen, ö'hne an irgendeiner Stelle sich sprunghaft weiterbewegen zu müssen
und ohne stehenzubleiben, von der Hilfskathode zur Kathodenspitze wandert.
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Die Figuren zeigen in zum Teil schematischer Darstellung Ausführungsbeispiele
der Quecksilberhoehdrueklampe nach der Erfindung. Die kugelförmige Anode i sitzt
bei- der Anordnung nach Fig. i auf .der Einschmelzung 2 auf. Die Kathode besteht
aus zwei Teilen, nämlich der aktivierten Hilfselektrode 3, die in der Nähe der Einschmelzung
angebracht ist, und dem vorzugsweise nichtaktiviertep Kathodendrabt 4, der bis in
die Nähe der zum Lichtboa nansatz dienenden Spitze 5 der Anode geführt ist. Das
Entladungsgefäß enthält einen im- Betrieb zweckmäßig vollständig verdampfenden Quecksilbervorrat
und eine Edelgasgrundfüllung, z. B. Argon. Beim Anlegen der Spannung geht zunächst
eine Lichtbngenentla.dung von der aktivierten Hilfselektrode 3 zu den benachbarten
Teilen der Anode i. Infolge der Aktivierung erfolgt die Zündung schon bei Spannungen
von weniger als 3o V, z. B. 24 V, ohne daß die Kathode zu diesem Zweck vorgeheizt
zu werden braucht. Die Kathode 4, an der der Lichtbogen während des Dauerbetriebes
ansetzt, heizt sich von selbst auf die erforderliche Temperatur auf. Mit zune'hme'nder
Temperatur des Entladungsgefäßes nimmt auch die Dampfdichte zu und bewirkt eine
Erhöhung des Lichbogenabfalls. Dieser wiederum hat zur Folge., daß die Entladungsbahn
sich verkürzt, obgleich die Austrittsarbeit an der aktivierten Elektrod,e 3 merklich
kleiner ist als an dem nichtaktivierten Kathodendraht 4. Der Lichtbogenansatzpunkt
wandert daher schon nach kurzer Zeit von der Hilfskathode 3 fort zur Spitze des
Kathodendrahtes 4.
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Um zu erreichen, daß dieser Vorgang mit Sicherheit eintritt, ist es
zweckmäßig; den Kathodendraht 4 und .die Hilfselektrode 3 so auszubilden bzw. anzuordnen,
daß der Abstand jedes Punktes der Kathodenoberfläche der Anode um so näher liegt,
je geringer sein Abstand von der Spitze des Kathodendrahtes 4 ist.
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In manchen Fällen bietet es Vorteile, den. Kathodendraht selbst so
dünn zu wählen, daß er infolge der Entladung überall bis auf die Temperatur aufgeheizt
werden kann, die zur Aufrechter'hältung des Kathodenflecks notwendig ist. In diesem
Fall wird nämlich der Übergang des Lichtbogenansatzpunktes von der Hilfselektrode
3 zur Spitze -des Kathodendrahtes 4 erleichtert, ohne daß die Gefahr besteht, daß
der Lichtbogen auf seiner Wanderung erlischt. Der dünne Kathodendraht wirkt dabei
als selbstaufheizende Glühkathode.
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Um -auch den anodischen Ansatzpunkt festzulegen, ist an der Anode
eine hervorstehende Spitze angebracht, .die beispielsweise aus einem dünnen oder
zugespitzten Draht 5 bestehen kann. Die Größe der Anode ergibt sich aus der Stromstärke,
die die Quecksilberhochdrucklampe führen soll. Bei einer
Stromstärke
von 2,5 A empfiehlt es sich, den Durchmesser etwa gleich 5 bis 6 mm zu wählen.
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Da eine Kugel von den angegebenen Abmessungen bereits einen erheblichen
Teil des Ausstrahlungswinkels des Lichtbogens abschirmt, ist es für manche Zwecke
günstig, an ihrer Stelle einen Zylinder als Anode. zu verwenden. Eine derartige
Anode ist in Fig.2 dargestellt. Ihre Anwendung erweist sich besonders bei Benutzung
optischer Systeme mit großem Öffnungsverhältnis der Anordnung mit kugelförmiger
Anode als überlegen. Die Anode besteht aus einem zylindrischen Stab 6,
der
fest auf der Einschmelzung 2 aufsitzt. Am freien Ende der zylindrischen Anode ist
ein kleiner Vorsprung 7 angebracht. Zu diesem Zweck kann z. B. der Zylinder mit
einem Schlitz versehen werden, in den ein dünner Wolframdraht eingeklemmt ist. Die
Entladung setzt dann im normalen Betriebszustand nicht am Teil 6, sondern nur an
der Spitze 7 an. Bei dieser Anordnung des anodischen Ansatzpunktes steht ein viel
größerer Ausstrahlungswinl,e1 zur Verfügung als bei der Anordnung nach Fig. i. Bei
einem Durchmesser der Anode von 3 mm und einer Gesamtlänge von 9 mm beträgt die
Oberfläche der Anode etwa 9o mm2. Die Stromzuführungen zur Anode sind .in den Einschmelzfuß
eingeschmolzen. Zu diesem Zweck werden vorteilhaft dünne Molybdänfolien 9 von beispielsweise
io li Dicke benutzt. Als Stromanschluß sind an diese Folien dünne Zuleitungsdrähte
io an-, g# zu den EIel,-schlossen, während als Zuleitun., troden die mit
den Folien verbundenen Drähte i i dienen. In der Zeichnung sind d.ie beiden Folien
als in einer Ebene liegend dargestellt. Bei der praktischen Ausführung ist -es in
der Regel vorteilhafter, sie parallel zueinander anzuordnen. Am inneren Ende des
Einschmelzfußes gabelt sich dieser in zweieinzelne Röhren 12. Dadurch wird erreicht,
daß die Zerstäuliungsprodukt-e keinen Kontakt zwischen den beiden Stromzuführungen
i i herbeiführen können. Damit der Lichtbogen genau in der Symmetrieachse der Röhre
seinen optischen Schwerpunkt hat, ist es unter Umständen zweckmäßig, den Anodenzylinder
6, wi-e Fig. 2 zeigt, ein wenig zu neigen gegen die Symmetrieachse.
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Die den Entladungsraum begrenzende Glocke 13., die vorzugsweise aus
Ouarzglas hergestellt wird, besitzt nahezu die Form einer Kugel mit einem Außendurchmesser
von etwa io bis 15 mm. Sie .ist mit dem elektrodennahen Ende des Einschmelzfußes
ä verschmolzen.
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Die in der Röhre umgesetzte Leistung ist verhältnismäßig klein. Sie
erwärmt sich daher, da ihre Abmessungen das Zehnfache der Lichtbogenlänge meist
übertreffen werden, nur schwer. Zur Erzielung eines hohen Druckes ist es deshalb
bei den üblichen Raumtemperaturen in der Regel vorteilhaft, das Entladungsgefäß
mit einem Mantel 1d. zu umgeben und den Zwischenraum zwischen beiden Teilen zu entlüften
oder mit einem Gas geringen Wärmeleitvermögens und geringen Druckes zu füllen. Bei
der dargestellten Anordnung findet eine äußerst rasch; Aufheizung des Entladungsgefäßes
statt, da ein verhältnismäßig großer Teil der Anodenwärme durch Wä.rm-eleitung der
Einschmelzstelle zugeführt wird. Diese Stelle des Entladungsgefäß@es heizt sich
daher schneller auf als ohne diese Wärmezufuhr, so daß die Lampe nach der Erfindung
schon in kurzer Zeit die Betriebstemperatur auch an den kältesten Stellen des Gefäßes
annimmt.
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Die Entladungslampe nach der Erfindung benötigt bei i mm Ele;ktrodenabstand
und 2,5 A Belastung eine Klemmenspannung von etwa 2o V, so daß die ganze Leistungsaufnahme
nur rund 50W beträgt. Von dieser Leistung wird etwa die Hälfte in der Anode oder
in ihrer unmittelbaren Nähe umgesetzt. Daraus erklärt es sich, daß der Wärmeabführung
von der Anode eine erhebliche Bedeutung zukommt. Bei der erfindungsgemäßen großflächigen
Ausbildung der Anode wird der wesentliche Teil dieser anodischen Wärme durch Strahlung
abgegeben.
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Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausfii@hrungsbeisp,iel der Kathode für die
Quecksilberdamp-flampe nach der Erfindung. Die Hauptkathode besteht an ihrem der
Hilfskathode benachbarten Ende aus zwei bis drei miteinander verdrillten Drähten,
während sein anodennahes Ende 4. nur aus einem einfachen dünnen Draht besteht. Diese
Anordnung bietet den Vorteil, daß der Kathodendraht infolge der Verdrillung bedeutend
steifer ist. Man könnte auch die Hauptkathode ,a. auf der ganzen Länge durch Verdrillen
von zwei oder mehr Drähten versteifen. Es ist in diesem Fall jedoch dafür Sorge
zu tragen, daß in der Nähe der Anode nur eine Spitze zum Ansetzen der kathodischen
Entladung vorhanden ist. Andernfalls würde der Lichtbogen geneigt sein. fortwährend
von der einen zur anderen Kathodenspitze zu springen.
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Bei der Aktivierung der Plättchen, aus denen die Hilfskathode 3 zusammengesetzt
ist, können auch auf dem Kathodendraht .4 selbst Aktivierungsmittel aufgebracht
"verden. Sie verbleiben jedoch infolge der hohen Temperatur nicht lange auf dem
Kathodendraht. Die Verunreinigung führt, falls nur eine au13erord-,ntlich dünne
Schicht auf dem Kathodendraht d. aufgebracht wird, nicht zu einer die Durchsichtigkeit
des Entladungsgefäßes wesentlich störenden Verunreinigung.
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Auch bei der Anordnung nach Fig. 3 geht der Lichtbogen in Richtung
der Achse über. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die Röhre in fast allen Richtungen
gleichmäßig stark strahlt. Die Schattenwirkung des Kathodendrahtes d. kann wegen
seines geringen Durchmessers außer Betracht bleiben..
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Die Hilfskathode 3 besteht bei den dargestellten Ausführungsbeispielen
aus einem Stift, auf dem mehrere Plättchen von einigen Millimetern Durchmesser aus
schwer schmelzbarem Metall aufgeschoben sind. Der Zwischenraum zwischen den Plättchen
und ihre Oberfläche dient zur Aufnahme der Aktiv ierungsmasse. Der Kathodendraht
.4 kann an der Hilfskathode beispielsweise derart befestigt werden, daß er um .den
Stift, der die Plättchen
trägt, geschlungen ist- und, wie die Fig.
i und 3 zeigen., auf beiden .Seiten. von den Plättchen umgeben ist.
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Bei den Ausführungsformen nach Fig. i bis 3 .war angenommen, daß der
Kathodendraht in einer Ebene gebogen war;-die-.durch die Achse des Entladungsgefäßes
geht. Unter Umständen ist es jedoch zweckmäßiger, den Draht in einer dazu senkrechten
Ebene anzuordnen, wie Fig. q. zeigt. Die zylindrische Anode 1 besitzt zum Festhalten
des Lichtbobenansatzpunl<:tes :einen Stift 5. Der Kathodendraht 4, der von -der
aktivierten Hilfskathode ausgeht, liegt senkrecht zur Achse der zylindrischen Anode
i: Sein- Abstand von, der Oberfläche der Anode wird von seiner Befestigungsstelle
am der Hilfskathode 3 fortschreitend kleiner und? erreicht den- kleinsten Wert an
der der Spitze 5 der Anode gegenüberliegenden Spitze des Kathodendraihtes q.. Der
Kathodendraht kann auch in Form einer nicht ebenen, sondern räumlichen, vorzugswe.s-e
koni-@schen Spirale. gebogen sein. Auch in diesem Fall ist es zweckmäßig, die Anordnung
so zu treffen:; daß der Abstand zwischen der Anode und dem Kafhod-endraht bei allen
Punkten des Kathödendrahtes von der Hilfskathode' 3 bis zur. Spitze des Kathodendrahtes
fortschreitend mehr und mehr abnimmt, damit der Kathodenfleck auf seiner Wanderung
=von der Hilfskathode zur Spitze des Kathodendrahtes nicht stehenbleibt.
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Für eine S"trom.s'tärke von 2,5 Aempfiehlt es sich, den- Kathodendraht
etwa o,2 mm stark und die Länge, gemessen von der Hilfskathode aus, etwa gleich
10 mm zu wählen.
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Bei einer Stromstärke von 2,5 A erhitzt sich die Anode`höchstens auf
helle Rotglut, wenn ihre Oberfläche, wie bei dem angeführten Beispiel, etwa 9o Mm2
beträgt.
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Die Flächenhelligkeit der Lampe beträgt bei den angegebenen Betriebsdaten
und bei etwa i mm -Lichtibogenlänge rund 15000 Stilb. Sie läßt sich auf ein
Vielfaches des angegebenen Wertes steigern durch Verringerung des Abstandes von
Hauptkathode und Anode auf o,5 mm und weniger bei gleichzeitiger Steigerung des:
Hg-Druckes und damit des spezifischen Spannungsabfalls im Lichtbogen. Die Dampfdruckerbdhung
ist dabei, so zu bemessen, daß die Gesamtbrennspannung der Röhre übereinstimmend
mit der im oben angeführten Beispiel wird; dann entfällt derselbe Anteil der Gesamtstrahlung
auf den Lichtbogen. Mit ihr ausgerüstete' Scheinwerfer zeichnen sich daher trotz
der kleinen Leistung der- Lampe durch .eine sehr große Reichweite aus. Da die Quecksilberhochdruckentladung
zudem mit Niederfrequenz moduliert werden kann, kann die Lampe auch für Lichttelefonie
verwendet werden.