DE19911727A1 - Natriumhochdrucklampe mit Zündhilfe - Google Patents

Abstract

Bei einer Natriumhochdrucklampe mit einem keramischen, rohrförmigen Entladungsgefäß (1) ist außen am Entladungsgefäß eine elektrisch leitende Zündhilfe angebracht. Sie besteht aus einem achsparallelen Längsstreifen (4) vorgegebener Breite B, dem etwa in Höhe jeder Elektrode (2) ein das Entladungsgefäß umgebender Teilkreis (6) angesetzt ist.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung geht aus von einer Natriumhochdrucklampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es handelt sich dabei insbesondere um Natriumhochdrucklampen mit einer außen am keramischen Entladungsgefäß angebrachten Zündhilfe.

Stand der Technik

Aus der EP-A 592 040 ist bereits eine Natriumhochdrucklampe mit äußerer Zünd­ hilfe bekannt. Beim Zünden von Natriumhochdrucklampen erfolgt der elektrische Durchschlag durch einen Hochspannungsimpuls, der zwischen den beiden im ke­ ramischen Entladungsgefäß befindlichen Elektroden angelegt wird. Der Absolutwert dieser Hochspannung wird bestimmt durch die geometrischen Abmessungen des Entladungsgefäßes und insbesondere durch den Kaltfülldruck des darin befindlichen Edelgases (meist Xenon). Ein hoher Kaltfülldruck führt einerseits zu hohen Licht­ ausbeuten und guter Maintenance, erfordert aber andererseits entsprechend große Zündspannungen, die nicht ohne weiteres zur Verfügung stehen.

Man behilft sich durch eine außen am Entladungsgefäß angebrachte elektrisch lei­ tende, metallische Zündhilfe. Sie ist entweder ein separates Teil oder ein Streifen, der auf das keramische Entladungsgefäß aufgesintert ist. Das separate Teil kann die Gestalt eines am Entladungsgefäß anliegenden Drahtes oder einer Wendel aus hochschmelzendem Metall haben. Es wird mittels eines Bimetalls angedrückt. Im laufenden Betrieb hebt das Bimetall diese Zündhilfe vom Entladungsgefäß ab. Dies ist nötig, da die Zündhilfe elektrisch mit einer der beiden Elektroden verbunden ist und so zwischen der Zündhilfe und der zweiten Elektrode eine hohe elektrische Feldstärke vorliegt, die zur Diffusion des Natriums durch die Wand des Entladungs­ gefäßes führt. Das Bimetall hat allerdings den Nachteil, daß es schwierig zu montie­ ren ist. Außerdem kann es nach einiger Zeit ermüden oder sich lösen und so zu vorzeitigen Lampenausfällen führen.

Bei Zündhilfen ohne direkten elektrischen Kontakt zur Netzspannung wird auf ein Bimetall verzichtet. Es werden statt dessen axiale Zündstreifen und ein geschlosse­ ner Ring um jede Elektrode verwendet. Die Zündhilfe ist hierbei nur kapazitiv an den Zündimpuls gekoppelt, wobei diese Kopplung von der Fläche der Zündhilfe und dem Abstand zwischen Zündhilfe und Elektrode abhängt. Da sie auf freischwebendem Potential liegt, wird die Natriumdiffusion verhindert.

Bei nicht kontaktierter, kapazitiver Zündhilfe hängt das Potential der Zündhilfe von dem Spannungsteiler ab, den die Kapazitäten zwischen der Zündhilfe und den Elektroden bilden. Eine Rolle spielen auch hochohmige, galvanische Verbindungen zwischen der Zündhilfe und den Elektroden durch die endliche Leitfähigkeit der Ke­ ramik und entlang der Keramik. Bei symmetrischem Aufbau wird das Potential der Zündhilfe in der Mitte zwischen Masse und dem Potential des Zündimpulses liegen. Es steht dann also nur der halbe Spannungswert für den Durchschlag zwischen Elektrode und Wand des Entladungsgefäßes zur Verfügung. Der Durchschlag kann sowohl zwischen der Masse-Elektrode und der Wand mit Zündhilfe als auch zwi­ schen der auf Hochspannung liegenden Elektrode und der Wand mit Zündhilfe er­ folgen. Denn in beiden Fällen liegt ein ähnlicher Potentialunterschied vor.

Der Durchschlag bildet sich in beiden Fällen, also sowohl bei direkter als auch bei kapzitiver Kopplung, gleichermaßen aus. Zunächst entsteht eine Entladung zwi­ schen der ersten Elektrode, an der der Hochspannungsimpuls anliegt, und der nächstgelegenen Stelle der Keramikwand, an der außen die Zündhilfe sitzt. Die Entladung breitet sich entlang der Zündhilfe an der Keramikwand aus, bis es schließlich zum Durchschlag zur zweiten Elektrode hin kommt.

Ohne direkten elektrischen Kontakt zur Netzspannung stellt sich an der Zündhilfe wegen der kapazitiven Kopplung ein Potential ein, das zwischen dem des Hoch­ spannungsimpulses an der ersten Elektrode und dem Nullpotential der zweiten Elektrode liegt. Die Potentialdifferenz zwischen dem Hochspannungsimpuls und der Zündhilfe ist demzufolge geringer, als wenn die Zündhilfe auf dem Potential einer der Elektroden liegt. Das heißt, daß der Zündspannungsbedarf sich bei nicht kon­ taktierter Zündhilfe deutlich erhöht.

Ein spezieller Nachteil der aus EP-A 592 040 bekannten aufgesinterten, kapazitiven Zündhilfe mit zwei Ringen liegt darin, daß die Ringe fertigungstechnisch umständlich aufzubringen sind, was hohe Kosten verursacht. Außerdem ist der erforderliche Ab­ solutwert der Zündspannung relativ hoch. Andererseits zündet ein einfacher, ko­ stengünstiger Zündstreifen nicht zuverlässig genug und der erforderliche Absolut­ wert der Zündspannung ist noch deutlich höher als bei der Ringlösung.

Darstellung der Erfindung

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Natriumhochdrucklampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die unproblematisch zündet und deren Zündhilfe einfach und kostengünstig herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.

Die Erfindung verzichtet auf einen geschlossenen Ring (Vollkreis) um die Elektrode am Ende des Zündstreifens.

Statt dessen ist ein längsgestreckter Zündstreifen in Höhe jeder Elektrode durch eine Kopplungsfläche verbreitert, so daß die Kapazität, die die Elektrode mit der Kopplungsfläche bildet, deutlich vergrößert wird. Dadurch erhöht sich die Ladungs­ menge beträchtlich, die beim Anlegen des Zündimpulses zwischen der Elektrode und der Innenfläche des Keramikrohres fließt, und es entsteht eine stärkere Ionisa­ tion des Gases. Die Kopplungsfläche hat eine maximale Querausdehnung entspre­ chend einem Zentriwinkel α von höchstens 180°, insbesondere 50° bis 120°.

Diese Konstruktion hat gegenüber dem Zündstreifen mit den beiden leitfähigen Rin­ gen den Vorteil, auf der Elektrode eine unsymmetrische Feldstärkeverteilung zu erzeugen. Aus diesem Grunde ist die für einen Durchschlag erforderliche Spannung deutlich geringer als bei der symmetrischen Ringanordnung. Die zweite Ausführung mit den Querstreifen soll den Verlust an Feldstärke vermeiden, der durch eine im Fertigungsprozeß nicht vollständig auszuschließende Schieflage der Elektroden entstehen kann: Der für die auf der Elektrode erzeugte Feldstärke verantwortliche minimale Abstand Elektrode - Querstreifen vergrößert sich auch bei einer außera­ xialen Lage der Elektrode nur unwesentlich, so daß die dadurch verursachte Streu­ ung der Zündspannung verkleinert wird.

Eine vorteilhafte Gestaltung der Zündhilfe besteht darin, daß die Kopplungsflächen an beiden Enden des Zündstreifens als leitfähige Querstreifen ausgebildet sind, die sich über weniger als den halben Umfang des Entladungsrohres erstrecken.

Die Elektrode besteht vorteilhaft aus einem Schaft mit gegebenem Durchmesser D und einem breiteren Teil, insbesondere einer Wendel oder Kugel, mit größerer Querabmessung, wobei die Kopplungsfläche im Bereich des breiteren Teils ange­ bracht ist.

Die erfindungsgemäße Kopplungsfläche erhöht die Kapazität gegenüber der Elek­ trode und erzeugt einen besonders kräftigen Zündfunken. Überdies ist sie erheblich leichter aufzubringen als ein Vollkreis. Detaillierte Untersuchungen haben ergeben, daß bei gleicher Größe der Fläche die benötigte Zündspannung bei einem Vollkreis größer ist als bei einem Teilkreis, insbesondere mit einem Zentriwinkel α von weni­ ger als 180°. Es ist zu vermuten, daß die fehlende Symmetrie dieser Anordnung von Zündhilfe und Elektrode eine inhomogene Feldverteilung mit besonders hohen Spit­ zenfeldstärken auf der Elektrode hervorruft, die die Spitzenfeldstärken der symme­ trischen Anordnung (mit Ringen) um einige Prozent (bis zu 5%) übersteigen. Die größeren Spitzenfeldstärken erleichtern einen Durchschlag und damit wird die erfor­ derliche Zündspannung niedriger. Je kleiner der Zentriwinkel gewählt wird, desto größer ist die Asymmetrie und daher die Spitzenfeldstärke. Bei sehr kleinen Zentri­ winkeln unter 45° läßt allerdings die kapazitive Kopplung wieder nach. Optimal ist daher ein Zentriwinkel von 50 bis 120°. Die Kopplungsfläche kann bevorzugt eine quadratische, elliptische oder kreisförmige Fläche besitzen und insbesondere ein Querstreifen in Gestalt eines Teilkreises sein.

Grundsätzlich gilt: Je größer die kapazitive Fläche in der Nähe einer ersten Elektro­ de ist, desto leichter kommt es zum Durchschlag zwischen dieser Elektrode und der Wand des Entladungsgefäßes.

Die hier vorgestellt Zündhilfe ist einfach und kostengünstig herstellbar, beispielswei­ se durch ein Siebdruck- oder Stempeldruckverfahren, ohne daß eine aufwendige Manipulation bzw. ein Drehen des Entladungsgefäßes notwendig wäre. Zudem ist die Zündspannung niedriger bei gleicher Kopplungsfläche an den Streifenenden im Vergleich zum Stand der Technik. Ursache dafür ist die Inhomogenität der elektri­ schen Feldstärke zwischen der Kopplungsfläche und der Elektrode. Dagegen bez wirkt die bekannte ringförmige Anordnung wegen ihrer Radialsymmetrie insgesamt ein niedrigeres elektrisches Feld an der Elektrode. Dementsprechend kann die an­ gelegte Zündspannung bei der vorliegenden Erfindung niedriger sein, um an der Elektrode die für den Durchschlag erforderliche Feldstärke zu erzeugen.

Figuren

Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher er­ läutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein Entladungsgefäß für eine Natriumhochdrucklampe, in Seitenan­ sicht (Fig. 1a, geschnitten), in Draufsicht (Fig. 1b) und im Quer­ schnitt (Fig. 1c), wobei die Zündhilfe eine quadratische Kopplungs­ fläche besitzt;

Fig. 2 eine Darstellung des Standes der Technik;

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Entladungsgefäßes mit Quer­ streifen an den Enden des Längsstreifens als Kopplungsfläche;

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel von Kopplungsflächen;

Fig. 5 zwei weitere Ausführungsbeispiele von Kopplungsflächen.

Beschreibung der Zeichnungen

In Fig. 1 ist ein Entladungsgefäß 1 aus Aluminiumoxid-Keramik für eine Natrium­ hochdrucklampe mit 70 W Leistung gezeigt, das einen Abstand zwischen den bei­ den Elektroden 2 von 37 mm hat, mit einer Wandstärke von 0,6 mm und mit einer Füllung aus Xenon von 150 mbar Kaltfülldruck sowie Natrium. Dabei wird ein stab­ förmiger Zündstreifen 4 von 40 mm Länge und mit einer Breite B von 0,8 mm ver­ wendet. Seine Fläche F beträgt 32 mm². An den beiden Enden 5 des Zündstreifens 4 ist in Höhe jeder Elektrode 2 quer zum Zündstreifen eine Kopplungsfläche 6 an­ gebracht, und zwar in Höhe der auf den Schaft 11 der Elektrode aufgeschobenen Wendel 3.

In diesem ersten Ausführungsbeispiel sind zwei im wesentlichen quadratische Kopplungsflächen 6 mit 3 mm Kantenlänge an beiden Enden des Zündstreifens an­ gebracht. Sie entsprechen in etwa einem Teilkreis mit einem Zentriwinkel α = 50% Die Zündspannung dieser Anordnung (Messungen C1, C2 in Tabelle 1) wurde mit dem Stand der Technik verglichen, bei dem zum einen bei einem identischen Entla­ dungsgefäß auf eine Zündhilfe verzichtet wurde (Messung A), oder als Zündhilfe nur der gleich große Zündstreifen verwendet wurde (Messung B) oder zusätzlich ein ringförmiger Querstreifen 10 am Ende des gleich großen Zündstreifens 4 gemäß Fig. 2 gelegt ist (Messungen D1, D2).

In einem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 wurde die Kopplungsfläche 16 an jedem Ende des Zündstreifens 4 so gestaltet, daß sie einen schmalen Quer­ streifen bildet. Er bildet in etwa einen Teilkreis 6 mit einem Zentriwinkel von α = 120°.

Die Abmessungen der Systeme wurden jeweils so gewählt, daß die Kopplungsflä­ che der Zündhilfe in beiden Fällen gleich groß war. Die Zündhilfe ist hier in allen Fällen nur kapazitiv gekoppelt. Der Zündimpuls wird an die erste Elektrode angelegt, während die zweite Elektrode auf Nullpotential liegt. Meßergebnisse der Zündhilfe mit Teilkreis an den Enden sind in Tabelle 1 mit den anderen Versionen aus dem Stand der Technik verglichen.

Das Ergebnis läßt sich so interpretieren, daß bei kleiner Kopplungsfläche das Quer­ streifens (4 bis 20 mm²) der zündfördernde Effekt so klein ist, daß keine Unterschie­ de zwischen Teilkreis und Ring erkennbar sind. Bei größerer Fläche (mehr als 20 mm²) des Querstreifens ist der Teilkreis dem Ring überlegen, da sich die Zünd­ spannung merklich verringert.

Tabelle 1

Zündverhalten für verschiedene Zündhilfskonstruktionen

In einem anderen Ausführungsbeispiel (Fig. 4) ist die Fläche des Teilkreises 15 am zweiten Ende 16 des Zündstreifens 4 nur halb so groß wie die Fläche des Teilkrei­ ses 17 am ersten Ende 18, da am zweiten Ende 16 eine kleinere Zündspannung für den Überschlag genügt, nachdem die Lampe an der ersten Elektrode gezündet hat. Somit ist die optische Abschattung geringer.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 5 gezeigt. Hier ist der Querstreifen nicht rechteckig, sondern als Kreis 20 bzw. als Ellipse 21 (gestrichelt gezeichnet) geformt. In beiden Fällen liegt das Zentrum des Querstreifens 20 bzw. 21 am Ende des Zündstreifens 4.

Insbesondere bei speziellen optischen Anforderungen kann der Querstreifen auch asymmetrisch zum Zündstreifen angeordnet sein.

Claims (10)

1. Natriumhochdrucklampe mit einem keramischen, rohrförmigen Entladungsgefäß (1), in dem zwei Elektroden (2) einander gegenüberliegen, wobei außen am Entla­ dungsgefäß (1) eine elektrisch leitende Zündhilfe angebracht ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zündhilfe aus einem achsparallelen Längsstreifen (4) vorgegebe­ ner Breite B besteht, dem etwa in Höhe jeder Elektrode (2) eine das Entladungsge­ fäß (1) umgebende Kopplungsfläche (6; 15; 17) mit einer maximalen Querausdeh­ nung entsprechend einem Zentriwinkel α von höchstens 180°, insbesondere 50° bis 120°, angesetzt ist.

2. Natriumhochdrucklampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopp­ lungsfläche mindestens 4 mm² umfaßt.

3. Natriumhochdrucklampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopp­ lungsfläche als ein Querstreifen (6; 15; 17) mit gegebener Länge und Breite ausge­ bildet ist.

4. Natriumhochdrucklampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopp­ lungsfläche mindestens etwa so groß ist wie die Fläche F eines das Entladungsge­ fäß umgebenden Vollkreises der Breite B, insbesondere bis zum Doppelten der Flä­ che F.

5. Natriumhochdrucklampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopp­ lungsfläche höchstens 70 mm² umfaßt.

6. Natriumhochdrucklampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopp­ lungsfläche die Gestalt eines Teil- oder Vollkreises (20) oder einer Ellipse (21) hat.

7. Natriumhochdrucklampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopp­ lungsfläche (6; 15; 17) symmetrisch zum Längsstreifen angeordnet ist.

8. Natriumhochdrucklampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopp­ lungsfläche (6; 15; 17) jeweils am Ende des Längsstreifens (4) angebracht ist.

9. Natriumhochdrucklampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fül­ lung im Entladungsgefäß Natrium und Xenon enthält, wobei der Kaltfülldruck des Xenons mindestens 100 mbar beträgt.

10. Natriumhochdrucklampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elek­ trode (2) aus einem Schaft (11) mit gegebenem Durchmesser D und einem Teil (3), insbesondere einer Wendel oder Kugel, mit größerer Querabmessung als der Schaft besteht, wobei die Kopplungsfläche (6) im Bereich des breiteren Teils (3) ange­ bracht ist.