DE2160960A1 - Hochdruck-Metalldampfentladungslampe - Google Patents

Description

ThOMSEN « TlEDTKE - BüHLING TEL. (0811) 53 0211 TELEX: S-24 303 lopat

630212

PATENTANWÄLTE

München: Frankfurt/M.:

Dipl.-Chem. Dr. D. Thomsen Dipl.-Ing. W. Welnkauff Dipl.-Ing. H. Tiedtke (Fuchshohl 71)

Dipl.-Chem. G. Bühling Dipl.-Ing. R. Kinne Dipl.-Chem. Dr. U. Eggers

8000 München 2

Kalser-Ludwlg-Platz β Β. Dezember 1971

Matsushita Electronics Corporation Osaka (Japan)

Hochdruck-Metalldampfentladungslampe

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Hochdruck-Metalldampfentladungslampe unter Verwendung eines keramischen, durchscheinenden Rohres aus polykristallinem Aluminiumoxyd, innerhalb v/elchen Rohres sich Iletall zur Erzeugung von Strahlungsaussendung, Puffergas und inertes Startergas befinden; insbesondere bezieht sich die Erfindung auf den Aufbau einer solchen Lampe, mit welcher der Metalldampf in der Lampe bei hohem Druck gehalten werden kann.

Da keramische Substanz aus polykristallinen Aluminiumoxyd, welche für den Leuchtröhrenkolben verwendet wird, dem Metalldampfangriff bei hohen Temperaturen und hohen Drucken widerstehen kann, wie dies beispielsweise in der USA-

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Mündlich· Abreden. Insbeionder· durch Telefon, bedürfen schriftlicher Bestätigung Pottscheck (München) Kto. 111874 Dresdner Bsnf: (MGnohen} KSo. 8S307G3

BAD ORIGINAL

Patentschrift 3 248 590 beschrieben ist, hat eine Hochdruckmetalldampf entladungslampe mit einem Kolben aus keramischem, polykristallinem Aluminiumoxyd, auf praktischem Gebiet weit verbreitete Anwendung gefunden.

Ein typisches Beispiel solcher Hochdruck-Metalldarapfentladungslampen ist eine .Hochdruck-Natriumlampe, welche Natrium als Metall zur Erzeugung von Strahlungsemission ausnutzt. Die Hochdruck-Natriumlampe erzeugt eine golblich-weiße Strahlungsemission, welche aus einem kontinuierlichen Spektrum besteht, das den gesamten sichtbaren Bereich überdeckt, während die herkömmliche Niederdruck-Natriumlampe hauptsächlich ein gelbes Licht ausstrahlt, welch-s den Natrium-D-Linien entspricht. Daher mag die erstere vom Standpunkt der Farbwidergabe die letztere übertreffen, doch wird sie noch übertroffen durch die herkömmliche Fluoreszenzlampe oder die itetallhalogenidlampen.

Die spektralen Verteilungen der Strahlungsemission von einer Natriumdampf-Entladungslampe neigen dazu, sich mit steigendem Natriumdampfdruck allmählich über den gesamten sichtbaren Bereich auszubreiten, so daß die Farbwiedergabe ebenfalls verbessert wird. Eine herkömmliche Hochdruck-Natriumlampe, welche mit einem Natriumdampfdruck von 100 bis 200 Torr arbeitet, besitzt eine Farbtemperatur von etwa 2100°K und einen allgemeinen Farbwidergabeindex von etwa 30. Ferner erzielt eine Natriumdampf-Entladungslampe, welche bei einer höheren Energie-

von mehr als 300 Torr be-

zufuhr und einem Natriumdampfdruck

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trieben wird, Farbtemperaturen von 23oo bis 35oo°K und allgemeine Farbwiedergabeindizes von etwa Jo bis 9o. Darüberhinaus wird auch beobachtet, daß die Farbeignung der Entladungslampe mit höherem Natriumdampfdruck, über l,o liegt. Jedoch kann das Ansteigen des Natriumdampfdruckes die Reaktion zwischen Natrium und dem Aluminiumoxydkolben beschleunigen, was zu einer schlechden Lebensdauer der Lampe führt. Außerdem muß die Lampenspannung gesteigert werden, so daß zum Betreiben der Lampe ein unwirtschaftlicher Widerstand und eine sehr hohe Offenspannung benötigt wird. Daher besitzt eine solche Natrimdampf-Entladungslampe hinsichtlich der Lebensdauer und der Wirtschaftlichkeit wesentliche Nachteile gegenüber einer herkömmlichen Hochdruck-Hatriumlampe.

Mit der Erfindung wird daher eine Hochdruck-Metalldampf entladungslampe geschaffen_s welche eine gute Farbwiedergabe und einen relativ hohen Leuchtwirkungsgrad bei Beibehaltung einer guten Lebensdauer liefern kann. Ferner wird mit der Erfindung ein spezieller Leuchtröhrenaufbau der Lampe geschaffen, mit dem eine gute Farbwiedergabe verwirklicht werden kann, und zwar selbst mit einer solch niedrigen Lampenspannung, daß die Lampe bei einem wirtschaftlichen Widerstand betrieben werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer

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Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Ansicht, teilweise im Schnitt einer Metalldampf-Entladungslampe, welche eine beispielhafte Ausfuhrungsform eines erfindungsgemäßen Lampenaufbaus veranschaulicht;

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung der Kennlinie der erfindungsgemäßen Lampe, die eine Funktion darstellt, die den mittleren Potentialgradienten in der Leuchtröhre und dem Innendurchmesser der Leuchtröhre verknüpft;

Fig. 3 veranschaulicht graphisch die Besiehung

zwischen den Innendurchmesser der Leuchtröhre und dem Leuchtwirkungsgrad;

Fig. 4 veranschaulicht graphisch die Besiehung swi· sehen Lampenleistung (in Watt) je Längeneinheit der Gasstrecke zwischen den Elektroden und dem Leuchtwirkungsgrad einer erfindungsgemäßen Metalldampf-Entladungslampe;

Fig. 5 veranschaulicht graphisch die Besiehung zwischen dem Innendurchmesser der Leuchtröhre und der Lampenleistung (in Watt) je Längeneinheit des Elektrodenabstandes bei einer erfindungsgemäßen Metalldampf-Entladungslampe; und

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mm VZ mm

Pig. 6 zeigt die Beziehung zwischen dem Innendurchmesser der Leuchtröhre und der Gasstrecke zwischen den Elektroden, bei einer erfindungsgemäßen Metalldampf-Entladungslampe, wobei der schraffierte Bereich das Gebiet geeigneter Lampenform gemäß der Erfindung zeigt.

Es wurden nun eine Reihe von Tests mit Entladungslampen unter Verwendung von Natrium als lichterzeugendes Medium, d.h. bei einer Hochdruck-Natriumlampe, durchgeführt, bei der durch Veränderung von Durchmesser und Länge der Leuchtröhre verschiedene Lampeneigenschaften erforscht wurden, wobei jedoch die Mengen an Natrium, Quecksilber und inertem Gas in der Leuchtröhre konstant blieben. Als Ergebnis offenbarten sich allgemeine Tendenzen, welche im folgenden beschrieben sind.

(1) Bei einer konstanten Parbtemperatur steigt der Leuchtwirkungsgrad mit abnehmendem Lampendurchmesser an, wobei der Leuchtwirkungsgrad auch mit zunehmender Lampenleistung (in Watt) je Längeneinheit der Leuchtröhre ansteigt.

(2) Die über einer bestimmten Grenzhöhe liegende Lampenleistung (in Watt) je Längeneinheit beeinträchtigt die Lampenlebensdauer nachteilig. Die Lampenspannung steigt

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nämlich an und der Leuchtstrom zeigt während der Lebenszeit eine relativ starke Abnahme. In einigen extremen Fällen tritt eine Schwärzung des Leuchtröhrenkolbens und eine Farbverschiebung des ausgesandten Lichtes infolge Natriumverlust in dem Leuchtröhrenkolben ein.

(3) Bei einer konstanten Farbtemperatur, steigt der ψ mittlere Potentialgradient der Leuchtröhre, der den Dampfdruck in der Leuchtröhre indirekt darstellt, mit abnehmendem Lampendxirchmesser an, was zu einer schlechten Lebensdauer der Lampe führt.

Die Betrachtung der Ergebnisse, welche durch wiederholte Versuche erzielt werden, haben zu dem Schluß geführt, daß durch angemessenes Steuern der Beziehung der Lampenleistung (in Watt) zum Elektrodenabstand der Leuchtröhre und k des Lampendurchmessers ein vorteilhafter Lampenaufbau erzielbar ist, welcher hinsichtlich der oben erwähnten Tendenzen gut ausgeglichen ist. Wählt man die Werte für den mittleren Potentialgradienten E (Volt/cm), für den Elektrodenabstand der Leuchtröhre L (mm), für den Innendurchmesser des Leuchtröhrenkolbens d (mm) und für die Lampenleistung W (Watt) mit:

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E^ 37,7 - 2,05 d (I),

^L * i6d°-^W58 ■ ^{(II) Und}

^L* <^IXI> ^ist'

so kann man das Erfindungsziel erreichen.

Pig. 1 zeigt den Aufbau einer Leuchtröhre der erfindungsgemäßen Lampe. In die Enden eines keramischen Rohres 1 aus polykristallinem Aluminiumoxyd, welches als Leuchtröhre dient, sind zur hermetischen Abdichtung keramische Endkappen 2 eingesetzt. Niobrohre 3, welche als Elektrodenzuführungsdrähte verwendet werden, gehen durch zentrale öffnungen der Kappen 2 an den Enden der Lampe hindurch, und Elektroden Ί sind an die inneren Enden der Niobrohre 3 angelötet.

Es wurden Messungen verschiedener Lampeneigenschaften durchgeführt unter Annahme etlicher Kombinationen von Werten für den Innendurchmesser d der Leuchtröhre für den Elektrodenabstand der Leuchtröhre L und für die Mengen an Natrium und Quecksilber oder Cadmium als Puffergas, wobei diese Werte der folgenden Tabelle zu entnehmen sind. In allen Fällen ist in der Lampe Xenon enthalten, welches als inertes Startergas dient.

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	d · (mm)	6,3,	7,	ο,	7,6,	9,7,	11/5,	13,5
	L (mm)	40,			60,		82,
Menge	Natrium (mg)	15,
Menge	Quecksilber (mg)	3,	7,	5,	30,	40,	50,	60,
Menge	Cadmium (mg)	10,	20,		30,	40,	60,	80,

Die Fig. 2 bis 6 veranschaulichen in graphischer Darstellung die verschiedenen Lampenkennwerte für Lampen, welche für Probemessungen auf der Basis der oben erwähnten, möglichen Kombinationen konstruiert wurden. Die gründliche und synthetische Betrachtung dieser Kennwerte führt zu den folgenden Ergebnissen.

(A) Der mittlere Potentialgradient E des Lampenlichtbogens, d.h. die Lampenspannung dividiert durch den Elektrodenabstand, vermindert sich mit ansteigendem Leuchtröhrendurchmesser d, wenn die Farbeignung auf dem gleichen Pegel gehalten wird. Um eine Farbeignung größer als i₃o zu erhalten, muß folgende Beziehung zwischen dem mittleren Potentialgradienten E und dem Leuchtröhrendui^chmesser d vorliegen:

E > 37,7 - 2,o5 d, wie dies aus Fig. 2 ersichtlich ist. Dies ist identisch mit der obigen Formel (I), welche durch sorgfältige Versuche erhalten worden ist.

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Die Formel (I) bedeutet, daß die Lampe mit dem größeren Innendurchmesser der Leuchtröhre, d.h. mit dem geringeren Anstieg des Natriumdampfdruckes in der Leuchtröhre, eine gute Farbwiedergabe durch die niedrigere Lampenspannung schaffen kann. Die Vergrößerung des RohrInnendurchmessers ermöglicht es andererseits, die Wiederzündspannung der Lampe und daher die Offenspannung des Ballastwiderstandes herabzusetzen, mit welchem die Lampe betrieben wird. Demzufolge kann durch Verwendung des Leuchtröhrenkolbens mit einem gegenüber einer herkömmlichen Hochdruck-Natriumlampe größeren Innendurchmesser, die Lebensdauer der Lampe verbessert werden, und darüberhinaus kann die Lampe bei solchem wirtschaftlichen Ballast-oder Vorwiderstand wie herkömmliche Hochdruck-Entladungslampen betrieben werden.

Zum besseren Verständnis sei der hier gebrauchte Ausdruck "Farbeignung" kurz erklärt. Die Farbstärken von mittels der Testquelle wiedergegebenen Farben von 8 CIE-Test-Proben werden auf der Färb stärken-(U⁺, V⁺) -Ebene unter Bildung eines Achtecks, dessen Fläche mit St bezeichnet wird durch Liniensegmente miteinander verbunden. In gleicher Weise wird durch die Bezugslichtquelle mit angegebener Farbtemperatur ein anderes, gleiches Achteck gebildet, dessen Fläche mit Sr bezeichnet wird. Die Farbeignung wird definiert als das Verhältnis von St zu Sr, d.h. St/Sr. Eine Farbeignung größer als l,o bedeutet, daß die erfindungsgemäße Testlampe ein Licht mit mehr gesättigtem Spektrum erzeugt als die

Bezugslichtqueue. 209826/0701

- Io -

(B) Für Lampen, welche eine Parbtemperatur von 2500 K geben und einen konstanter) Elektrodenabstand und eine konstante Lampeneingangsleistung von 4oo Watt besitzen, ist die Beziehung zwischen dem Lampendurchmesser und dem Leuchtungswirkungsgrad (Lichtausbeute) in Fig. 3 gezeigt, d.h. der Leuchtwirkungsgrad steigert sich mit der Abnahme des Leuchtröhrendurchmessers.

(C) Für Lampen, welche eine Farbtemperatur von 2500 K geben und welche einen konstanten Leuchtröhrendurchmesser besitzen, ist die Beziehung zwischen Leuchtwirkungsgrad und Lampenleistung (in Watt) je Längeneinheit des Elektrodenabstandes (d.h. Lampenleistung in W, dividiert durch den Elektrodenabstand)in Fig. 4 veranschaulicht. In diesem Falle ist die Lampenleistung in Watt so bemessen, daß sie konstant gehalten wird. Wie aus Fig. ersichtlich ist, vergrößert sich daher der Leuchtwirkungsgrad mit abnehmendem Elektrodenabstand, d.h. mit zunehmender Lampenleistung in Watt je Längeneinheit. Durch genaue Prüfung einer Kurvenschar in Fig. 4 für Lampen mit der gleichen Farbtemperatur von 25oo°K, jedoch mit unterschiedlichen LeuchtröTirendurchmessern, sind die Lampenleistungen je Längeneinheit W_ (Watt/cm) mit denen ein Leuchtwirkungsgrad von mehr als 60 Lumen je Watt erzielt wird, annähernd gegeben durch den Ausdruck:

W_e > 13,3d - 76,1» (IV)

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- li -

was der Kurve a in Pig. 5 entspricht.

(D) Andererseits ist das übersteigen eines bestimmten Grenzwertes durch die Lampenleistung (in Watt) je Längeneinheit des Elektrodenabstandes von einer relativ star ken Leuchtstärkenverringerung der Lampe und dem Anstieg der Lampenspannung während der Lebensdauer begleitet, was auf die beschleunigte Reaktion zwischen Natrium und dem Aluminiumkolben zurückzuführen ist. Als Ergebnis einer Reihe durchgeführter Lebensdauertests, wird ein solcher hier als Wa bezeichneter Grenzwert für Lampen mit unterschiedlichen Lampendurchmessern durch die Beziehung:

= 16d - 58 ——— (V)

annähernd wiedergegeben, wobei W\ in Watt je cm (Watt/cm) alisgedrückt ist, was der Kurve b in Fig. 5 entspricht. Der Grenzwert W entspricht jenen Lampenleistungen je Längeneinheit, welche über etwa 6ooo Stunden eine Aufrechterhaltung der Leuchtstärke von mehr als 7o % sicherstellen und das Ansteigen der Lampenspannung innerhalb von 15 % des anfänglichen Wertes halten.

Durch die harmonische Korabination der oben beschriebenen Ergebnisse (A) bis (D) kann eine elektrische Entladungslampe geschaffen werden, welche das Erfindungsziel erreicht. Der Prozeß des Äbleitens der wesentlichen Bedingungen für eine Lampe, welche dem Erfindungsziel entspricht, sei nunmehr

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nachstehend beschrieben.

Um eine gute Farbwiedergabe zu erzielen, sollte aus der Formel (I) folgen, daß

E - 37,7 - 2,O5d

ist.

^ Vom Standpunkt der Lampenleistung (in Watt), sollte der Leuchtwirkungsgrad und die Lampenlebensdauer so in Betracht gezogen werden, daß die obige Beziehung (IV) und (V) eingehalten sein raus sen·

Aus der Beziehung (V) folgt nämlich, daf.

W = W ·§ * (16d - 5G)*~ . oder _T > 10 W

16d - 58 ist,

™ was mit der vorher erwähnten Beziehung (II) identisch ist. Darüber hinaus folgt aus der Beziehung (IV), daß

'^3d " ⁷⁶'^4)#TÜ ' ^oder

TÜ

13,3d - 76,4

ist, was der vorher erwähnten Beziehung (III) äquivalent ist.

Um eine Hochdruck-Met al ldarnpf entladungslampe mit einem hohen Leuchtwirkungsgrad, einer guten Lebensdauer, und einer

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Farbeignung größer als l,o zu verwirklichen, sollte die Lampe, wie vorstehend beschrieben, so gebaut sein, daß sie den oben gegebenen Beziehungen (I), (II) und (III) gleichzeitig gerecht werden kann.

Die Bedingung, welche es ermöglicht, die Lampe mit wirtschaftlichem Vorwiderstand mit relativ geringer Offenspannung zu betreiben, kann durch Modifizierung der Formel (I) erzielt werden. Es folgt nämlich, daß

⁽³⁷'⁷ " ²f^05d)' i

^vlo * ^Ε'ϊΐΡ ⁽³⁷'⁷ " ²f^05d)'T5 ^oder

37,7 - 2,O5d

ist, wobei V_LQ der Wert einer kritischen Lampenspannung in Volt ist, unterhalb welcher ein wirtschaftlicher Lampenwiderstand gebildet werden kann.

Der wirtschaftlichste Vorwiderstand ist eine einzige Drosselspule, welche gewöhnlich für allgemeine Hochdruck-Dampf entladungslampen verwendet wird.

Zur Nutzung eines induktiven Vorwiderstandes für die erfindungsgemäße Lampe sollte V^₀ etwa 6o % der Versorgungsspannung Vs betragen. Die Formel (IV) kann nämlich x^rieder wie folgt modifiziert werden:

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^L " 37_#7^V-"2,O5d^r '

führt die Energiezufuhrleitung die Spannung von 23o oder 2¹Io Volt, dann ist:

37,7 - 2,O5d

Wenn die Leit'ungs spannung der Energiezufuhr 220 Volt W beträgt, so ist:

^U 37_;7 - 2_fO5d

Wenn ferner die Leitungsspannung der Energiezufuhr einen der Werte 220 Volt, 230 Volt und 240 Volt annimmt, so kann Vs in der Formel (VII) als Ilinimalwert von 220 genommen v/erden, und dann ist:

τ < 1300
¹

37,7 - 2,O5d .

Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich, kann eine vielversprechende Hochdruck-Natriumlampe aus den Lampenkennwerten und in wirtschaftlicher Hinsicht nicht geschaffen werden, ohne der Beziehung (VI), insbesondere (VII), ausgenommen (II) und (III) gerecht au werden.

Fig. 6 zeigt die Beziehung zwischen dem Rohrinnendurchmesser d und der Länge L des Elektrodenabstandes, hergeleitet aus den Gleichungen (II), (IH), (VII)¹ und

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(VII)" für die Lampen, welche mit einer Lainpenleistung einer konstanten Höhe von 400 Watt betrieben v/erden. Der schraffierte Bezirk dieser Figur gibt geeignete Kombinationen von d und L wieder.

Die Merkmale des Erfindungsgegenstandes sind neu.

Lrfindungsgemäß kann eine elektrische Entladungslampe mit ausgezeichneter Farbwiedergabe und mit einer Farbeignung von höher als 1,0, mit relativ hohen Leuchtwirkungsgrad und guter Lebensdauer geschaffen werden, inden man bei einer Hochuruck-IIetalldampflampe unter Vervyendung eines keramischen Rohres aus polykristallinem Aluminiumoxyd als Leuchtröhrenkolgen » in welcheri]natrium als Metall zum Erzeugen von Strahlungsemission, Quecksilber oder Cadmium als Puffergas und Xenon als inertes Sfcartergas enthalten sind, solche variablen Konstruktionsgrößen der Hochdruck-Metalldampfentladungslampe wie die Lampenleistung in Watt, den Innendurchmesser des Leuchtröhrenkolbens der Lampe d in mm, den Elektrodenabstand L in mm, \ind den mittleren Potentialgradienten der Leuchtröhre E in Volt je cm, in solcher Weise steuert, daß man den

Beziehungen:

E^ 37,7 - 2.05d, und

10 U > τ > ¹O W

13_r3d - 76,4 " 16d - 50 Cj α recht wird.

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Claims (6)

1. Patentansprüche

   iJHochdruck-Metalldampentladungslampe mit einem Keramikrohr aus polykristallinem Aluminiumoxyd als Leuchtröhrenkolben, in dem Metall zum E !zeugen von Strahlungsemission, Puffergas und inertes Startergas enthalten sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampenleistung W in Watt, der Lampendurchmesser d in mm, der Elektrodenabstand L in mm, und der mittlere Potentialgradient E in Volt je cm, gleichzeitig den Bedingungen:

   H ^ 37,7 - 2,O5d,

   _T ;>. IO VJ ,

   ^L - 16d - 58 ' ^Und

   L^ ^{10 W}

   ** 13,3d - 76,4 '
   entsprechen.
2. 2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das rietall zur Erzeugung von Strahlungsemission Natrium ist, aar. das Puffergas Quecksilber und/oder Cadmium ist, und daß clas inerte Startergas Xenon ist.
3. 3. Lampe insbesondere nach Anspruch 1 mit einem keramischen Rohr aus durchscheinendem, polykristallinem Aluminiumoxyd als Lampenkolben, in dem Natrium als Metall

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   zum· Erzeugen von Strahlungsemission, Quecksilber und/oder Cadmium als Puffergasquelle, und Xenon als inertes Startergas enthalten sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsspannung der Lampe geringer ist als ein solcher kritischer Lampenspannungswert in Volt, daß ein wirtschaftlicher Ballastwiderstand gebildet werden kann, und daß die Lampenleistung W in Watt, der Lampendurchmesser d in mm und der Elektrodenabstand L in mm gleichzeitig den Bedingungen:

   τ < 10 ^VL0 53 ,Od ' Ij 37,7 — 0 W τ _> 10 W Lt 16d - T 4 10

   13,3d - 76,4
   gerecht werden.
4. 4. Lampe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der kritische Viert V_Tr. = 0,6 Vs ist, wobei Vs ein Spannungswert in Volt der Energiezufuhrleitung ist.
5. 5. Lampe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der kritische Wert V_LQ =140 Volt ist.
6. 6. Lampe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der kritische Wert V_Tr. = 130 Volt ist.

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