EP1118100B1

EP1118100B1 - Dimmbare entladungslampe für dielektrisch behinderte entladungen

Info

Publication number: EP1118100B1
Application number: EP99969836A
Authority: EP
Inventors: Frank Vollkommer; Lothar Hitzschke
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 1998-09-29
Filing date: 1999-09-13
Publication date: 2009-12-09
Anticipated expiration: 2019-09-13
Also published as: ATE451714T1; DE59915110D1; KR20010075479A; TW469474B; US6376989B1; HUP0104436A2; EP1118100A1; CA2345747C; WO2000019485A1; DE19844720A1; HUP0104436A3; CA2345747A1; CN1279574C; JP2002526893A; KR100456351B1; JP4934842B2; CN1320272A

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Betriebsverfahren für eine Entladungslampe, die für dielektrisch behinderte Entladungen ausgelegt ist. Dazu weist die Entladungslampe ein Entladungsgefäß gefüllt mit einem Entladungsmedium und zumindest einer Anode sowie zumindest einer Kathode auf. Zumindest zwischen der Anode und dem Entladungsmedium ist eine dielektrische Schicht vorgesehen, um dielektrisch behinderte Entladungen zu erzeugen.
Die Begriffe Anode und Kathode sind in dieser Anmeldung nicht so zu verstehen, daß sie die Erfindung auf einen unipolaren Betrieb einschränken. Im bipolaren Fall besteht zwischen Anoden und Kathoden zumindest elektrisch kein Unterschied, so daß die Aussagen für eine der beiden Elektrodengruppen dann für alle Elektroden gelten.

Stand der Technik

Als vielversprechende Anwendungsbereiche für die hier betrachteten Entladungslampen seien beispielhaft genannt die Hinterleuchtung von Flachbildschirmsystemen oder die Hinterleuchtung von Signaleinrichtungen sowie Signallampen selbst. Zu den beiden letztgenannten Punkten wird ergänzend verwiesen auf den hiermit in Bezug genommenen Offenbarungsgehalt der EP-A-0 926 705 . Ferner eignet sich diese Erfindung auch für Lampen wie die in der DE-A-19718 395 dargestellte Kopierlampe mit innenliegenden Elektroden sowie die in der deutschen Anmeldung 198 17 475.6 beschriebene Stablampe mit außenliegenden Elektroden.
Aufgrund der Tatsache, daß Entladungslampen für dielektrisch behinderte Entladungen in einer sehr großen Vielzahl verschiedenster Größen und Geometrien ausgeführt werden können und darüber hinaus bei einer relativ hohen Effizienz die typischen Nachteile klassischer Entladungslampen mit quecksilberhaltiger Füllung vermeiden, ist eine zunehmende Verwendung solcher Entladungslampen sowohl hinsichtlich ihrer quantitativen Verbreitung als auch hinsichtlich ihrer Einsatzgebiete zu erwarten.
Hingewiesen wird auf folgende Dokumente aus dem Stand der Technik:
Die DE 196 36 965 A1 zeigt Entladungslampen für dielektrisch behinderte Entladungen, die demzufolge eine dielektrische Schicht zwischen zumindest der Anode und dem Entladungsmedium zeigen. Gemäß diesem Dokument werden durch lokalisierte Feldverstärkungen definierte Ansatzpunkte für Einzelentladungen geschaffen. Dadurch soll die Homogenität in der Leistungsverteilung sowohl in zeitlicher als auch in räumlicher Hinsicht verbessert werden.
Die DE 197 11 893 A1 entspricht weitgehend dem eben zitierten Dokument und führt dessen Lehre dadurch weiter, daß durch dichtere Anordnung der Ansatzpunkte im Randbereich der Lampe oder alternativ Erhöhung der Stromdichte durch dort brennende Einzelentladungen durch Verbreiterung der Anoden einer Randverdunkelung entgegengewirkt wird.
Die DE 41 40 497 C2 zeigt einen Ultravioletthochleistungsstrahler mit dielektrisch behinderten Entladungen, bei dem zur Verbesserung der Homogenität der UV-Abstrahlung die im Randbereich umgesetzte elektrische Leistung durch Veränderung des Entladungsabstandes oder der Dielektrikumskapazität erhöht wird.
Die DE 42 22 130 A1 beschäftigt sich im Rahmen dielektrisch behinderter Entladungen mit der Zündhilfsfunktion von lokalen Feldverzerrungsstrukturen, etwa an Entladungsgefäßwänden angeschmolzenen Quarztropfen oder Dellen oder Buckel in den Wänden.
Die US 5 760 541 beschreibt eine Entladungslampe mit streifenförmigen Elektroden, deren geometrische Gestalt durch sinusförmige Kanten, Aussparungen und andere Möglichkeiten zu einer Feldmodulation in der Entladungslampe führt. Dadurch sollen zeitliche Schwankungen einer Hell/Dunkelverteilung in der Entladungslampe behoben werden, um eine zeitlich unveränderliche örtliche Korrektur dieser Heterogenitäten zugunsten von Anwendungen bei Scaneinrichtungen für transparente Medien zu erlauben.
Die DE 196 28 770 bezieht sich auf Maßnahmen zur Optimierung der Leistungsabgabe eines Wanderfeldröhrenverstärkerelements auf Transponderebene für Satellitenanwendungen, um die Ausgangsleistung des Gesamtverstärkersystems im Hinblick auf Änderungen des Arbeitspunkts, Alterung, Frequenzänderungen, Temperaturschwankungen usw. zu stabilisieren.
Die GB 2 139 416 beschreibt die örtliche Modulation der Strahlungsabgabe einer Elektronenbestrahlungseinrichtung durch bestimmte räumliche Anordnungen von Dauermagneten und magnetischen Materialien.
Die US 4 584 501 beschreibt ein Entladungsdisplay, in dem verschiedene Entladungspfade durch mechanisch betätigte Klappen geschaltet werden und durch Verwendung von semipermeablen Spiegeln optische Effekte durch Vielfachreflektionen erzeugt werden.
Die nachveröffentlichte DE 198 17 479 bezieht sich auf die Aufteilung der Elektrodenanordnung in einer stillen Entladungslampe in verschiedene getrennt betreibbare Gruppen.
Die DE 43 11 197 beschreibt das für die hier betrachteten Entladungslampen wesentliche gepulste Betriebsverfahren und die Parameterabstimmung zur Erzeugung eines bestimmten Entladungstypus.

Darstellung der Erfindung

Dieser Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, einen weiteren Beitrag zur Erweiterung und Verbesserung der Einsatzmöglichkeiten von Entladungslampen für dielektrisch behinderte Entladungen zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem gelöst durch ein Betriebsverfahren für eine Entladungslampe mit einem ein Entladungsmedium enthaltenden Entladungsgefäß, einer Elektrodenanordnung mit einer Anode und einer Kathode und mit einer dielektrischen Schicht zwischen zumindest der Anode und dem Entladungsmedium, wobei die Elektrodenanordnung entlang einer Steuerlänge in einer eine Brennspannung verändernden Art inhomogen ist, indem sie entlang der Steuerlänge einen sich zumindest in einem lokalen Mittelwert monoton verändernden Entladungsabstand definiert, und für das quantitative Verhältnis zwischen einer Differenz zwischen einer maximalen Schlagweite d_max zwischen den Elektroden in der Steuerlänge und einer minimalen Schlagweite d_min zwischen den Elektroden in der Steuerlänge zu dieser Steuerlänge gilt: (d_max - d_min)/SL ≤ 0,6, und im Betrieb ein elektrischer Parameter der Leistungsversorgung der Entladungslampe verändert wird, um die Leistung der Entladungslampe zu steuern.
Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein Beleuchtungssystem mit der beschriebenen Entladungslampe sowie mit einem für das soeben erwähnte Verfahren ausgelegten Vorschaltgerät.
Bevorzugte Ausführungsvarianten zu dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren und dem erfindungsgemäßen Beleuchtungssystem sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Einige dieser Ausgestaltungen der Erfindung sind auch mit weiteren technischen Merkmalen der Entladungslampe verknüpft. In diesem Umfang bezieht sich die Erfindung ebenfalls auf die entsprechend ausgestaltete Entladungslampe.
Wie der vorstehenden allgemeinen Formulierung der Erfindung bereits zu entnehmen ist, richtet sich die Erfindung auf die Leistungssteuerung bei Entladungslampen mit dielektrisch behinderten Entladungen. Sie sieht hierzu vor, entlang des Elektrodenverlaufs in der Entladungslampe zumindest eine Steuerlänge zu schaffen. Mit diesem Begriff ist ein Streckenabschnitt der Elektrodenstruktur bezeichnet, entlang dem inhomogene Entladungsvoraussetzungen bestehen. Durch diese Inhomogenität der Entladungsvoraussetzungen soll sich entlang der Steuerlänge eine Brennspannung der Entladung monoton verändern, zumindest jedoch in einem effektiven Mittelwert monoton verändern. Auf eine besondere diskontinuierliche Möglichkeit zur monotonen Veränderung der Brennspannung wird weiter unten noch eingegangen werden.
Der Begriff Brennspannung betrifft dabei insbesondere eine Mindestbrennspannung, die nicht der Zündspannung einer einzelnen Entladung entspricht, sondern der minimalen Spannung, mit der eine Entladungsstruktur an einer bestimmten Stelle der Elektrodenanordnung aufrechterhalten werden kann.
Bei dieser Erfindung wird bevorzugt ein Betriebsverfahren betrachtet, bei dem die Wirkleistung in gepulster Weise in die Entladungslampe eingekoppelt wird. Hierzu wird verwiesen auf die WO 94/ 23 442 bzw. die DE-P 4311197.1 .
In Zusammenhang mit dieser gepulsten Wirkleistungseinkopplung ist dabei das Neuzünden einer einzelnen Entladung bei einer noch verbliebenen Restionisation nach einer der regulären Unterbrechungen bzw. Totzeiten der Wirkleistungseinkopplung, die im kontinuierlichen Leuchtbetrieb dem Pulsprinzip entsprechend auftreten, nicht als Neuzündung gemeint. Mit der für eine Neuzündung erforderlichen Zündspannung ist vielmehr die Situation gemeint, in der die Entladungslampe gänzlich neu eingeschaltet wird, also ohne in dem Entladungsmedium noch vorliegende Restionisation.
Eine in Zusammenhang mit dieser Erfindung wesentliche Eigenschaft von Entladungslampen für dielektrische behinderte Entladungen ist die positive Strom-Spannungs-Charakteristik. Durch den ein-eindeutigen Zusammenhang zwischen Strom und Spannung in dieser Charakteristik kann damit durch Veränderung der Versorgungsspannung auch der Lampenstrom durch die dielektrisch behinderten Entladungen verändert werden. Bei konventionellen Entladungslampen steht dem ein negativer differentieller Widerstand entgegen.
In Zusammenhang mit dieser Veränderung des Lampenstroms liegt der Erfindung folgende Beobachtung zugrunde. Ein wesentlicher Vorteil der hier in Bezug genommenen gepulsten Betriebsweise liegt darin, daß die dielektrische Behinderung in soweit günstig ausgenutzt wird, daß Entladungsstrukturen mit vor dem behindernden Dielektrikum relativ breit aufgefächerter Form entstehen. In diesen typischen Entladungsstrukturen herrschen, jedenfalls zum überwiegenden Anteil, relativ niedrige Ladungsträgerkonzentrationen, die für die Effizienz des Entladungslampenbetriebs von ganz wesentlicher Bedeutung sind.
Daher sind Lampenstromsteigerungen bei konventionellen Strukturen unmittelbar mit einer Erhöhung der Ladungsträgerkonzentrationen in den einzelnen Entladungsstrukturen verbunden und verschlechtern damit die Effizienz der Lichterzeugung.
Bei zu großen Lampenströmen kommt es ferner zu einer erheblichen thermischen Belastung an den Kathoden (bzw. momentanen Kathoden beim bipolaren Betrieb), bei denen die Entladungsstrukturen relativ konzentrierte Ansatzpunkte zeigen. Dementsprechend werden die betroffenen Kathodenstellen punktuell thermisch belastet. Darüber hinaus erhöht ein verstärkter Lampenstrom auch die Erosionswirkung durch den Ionenbeschuß an den Kathoden, d. h. die Sputterwirkung der Entladungen.
Andererseits ist es jedoch auch mit Nachteilen verbunden, den Lampenstrom unter einen optimalen Wert absinken zu lassen, weil dann Instabilitäten auftreten können, und einzelne Ladungsstrukturen erlöschen oder zwischen verschiedenen Stellen hin und her springen können. Dadurch wird die örtliche und zeitliche Homogenität der Lichterzeugung verschlechtert.
Wird in konventioneller Weise der Lampenstrom über einen optimalen Wert hinaus erhöht oder unter diesen optimalen Wert abgesenkt, so ist dies in jedem Fall mit erheblichen Nachteilen verbunden. Die Erfindung geht nun von dem Grundgedanken aus, eine Stromerhöhung in der Entladungslampe dadurch durchzuführen, daß das Gesamtvolumen der Entladungen verändert wird, so daß die Stromdichte in den einzelnen Entladungsstrukturen im wesentlichen gleich bleiben kann. Diese Volumenänderung der Entladungen kann innerhalb der Steuerlänge grundsätzlich in zwei verschiedenen Weisen geschehen. In dem einen Fall wird eine Vergrößerung einer einzigen Entladungsstruktur zu einer vorhangartig breit ausgedehnten Entladungsstruktur vorgenommen. In dem anderen Fall werden innerhalb der Steuerlänge mehrere Teilentladungsstrukturen aneinander gereiht, so daß eine Variation der Zahl dieser Teilentladungsstrukturen innerhalb der Steuerlänge das Gesamtvolumen der Entladungen verändert. Der Übergang zwischen den beiden geschilderten Fällen kann unter Umständen auch fließend sein.
Jedenfalls überspannen die Entladungsstrukturen zumindest auf der Anode einen endlichen Längenbereich, entlang dem sich die Endladungsvoraussetzungen im Sinne der erfindungsgemäß ortsabhängigen Brennspannung ändern. Man kann sich dabei für den Fall der sich aufreihenden Einzelentladungsstrukturen jeweils eine lokale Mittelwertbildung durch jede Entladungsstruktur vorstellen, so daß die Mittelwerte die Ortsabhängigkeit der Entladungsstrukturen widerspiegeln. In dem Fall einer sich vorhangartig verbreiternden Entladungsstruktur ist die Ortsabhängigkeit der Entladungsvoraussetzungen dafür verantwortlich, daß sich die entsprechende Grenze der Entladungsstruktur innerhalb der Steuerlänge entlang den Elektroden verschieben kann.
Wenn die örtliche Homogenität der Lichterzeugung in der Entladungslampe eine wesentliche Rolle spielt, so kann die Steuerlänge relativ klein bemessen werden im Verhältnis zu der Gesamtgröße der Entladungslampe, d.h. die Entladungslampe kann in eine Mehrzahl von einzelnen Steuerlängen aufgeteilt werden. Eine Veränderung des Entladungsvolumens innerhalb der einzelnen Steuerlängen kann dann in geeigneter Weise durch eine Mittelung der Lichterzeugung, beispielsweise durch Diffusoren, Prismenfolien oder dergleichen, ausgeglichen werden. Damit ergibt sich insgesamt ein homogener Charakter der Lichterzeugung, wobei die Leistungsveränderung durch Stromerhöhung oder -erniedrigung - beispielsweise infolge einer Erhöhung oder Erniedrigung der Spannungseinkopplung - nicht mit einer deutlich sichtbaren Veränderung der Entladungsstrukturen verbunden sein muß.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten einer solchen inhomogenen Elektrodenanordnung für eine monotone Ortsabhängigkeit der Mindestbrennspannung innerhalb der Steuerlänge. Die wichtigste und erfindungsgemäß jedenfalls vorgesehene besteht in einer Veränderung des für die Entladung maßgeblichen Abstands, der sogenannten Schlagweite, zwischen den Elektroden. Je größer die Schlagweite wird, um so größer ist die Mindestbrennspannung für eine Entladung über diesen Abstand.
Soweit richtet sich die Erfindung also auf eine Elektrodenanordnung, bei der entlang der Steuerlänge die Schlagweite zumindest in einem lokalen Mittelwert monoton verändert wird.
Im Rahmen der Erfindung gilt ferner eine quantitative Einschränkung für die Beziehung zwischen den Schwankungen der Schlagweite, d. h. der Differenz zwischen der innerhalb einer Steuerlänge auftretenden maximalen Schlagweite d_max und minimalen Schlagweite d_min, und der Steuerlänge SL selbst als Streckenlänge. Die Obergrenze für dieses Verhältnis liegt bei 0,6, vorzugsweise bei 0,5. Besonders bevorzugt ist hier der Wert 0,4.
Das soeben beschriebene Verhältnis kann im Rahmen der Erfindung auch sehr kleine Werte annehmen, solange es von Null verschieden ist. Spürbare Wirkungen der Erfindung sind bereits bei Werten ab z. B. 0,01 erzielbar.
In diesem Zusammenhang kann man sich den Unterschied zwischen der bereits erwähnten Zündspannung und der Mindestbrennspannung insoweit verdeutlichen, daß eine Entladung an einer bestimmten Stelle der Steuerlänge mit dem sich monoton verändernden Elektrodenabstand durchaus einem benachbarten Bereich mit geringerem Abstand zünden und dann in den Bereich hineinwandern kann, in dem die momentan zur Verfügung stehende Brennspannung gerade noch für die Entladung ausreicht. Dies geht auf das grundsätzliche Phänomen zurück, daß sich die Entladungsstrukturen nach Möglichkeit über die zur Verfügung stehenden Elektrodenflächen verteilen, weil sich lokal Raumladungen aufbauen, die das elektrische Feld im Entladungsmedium zunehmend abschirmen und durch die Beeinflussung der Feldverteilung die Entladungsstruktur verbreitern.
Es ist bei der Erfindung jedoch auch durchaus möglich, die Elektroden mit (an sich vorbekannten) Stellen zur örtlichen Feldverstärkung und damit zur Lokalisation von Einzelentladungen zu versehen. Bei solchen Strukturen ist die Bewegung einzelner Eniladungsstrukturen zwischen diesen Stellen mit jeweils für eine Entladungszündung ausreichend kurzem Entladungsabstand und anderen Stellen, bei denen der Abstand nur noch für die Aufrechterhaltung einer Entladung ausreicht, nicht ohne weiteres möglich. Es kann nämlich vorkommen, daß der Bereich zwischen den Stellen lokaler Feldverstärkung auch eine Aufrechterhaltung der Entladung nicht mehr ermöglicht.
In dem hier diskutierten Zusammenhang der Schlagweite bzw. des Entladungsabstandes als maßgebliche Größe für die Brennspannung können solche lokalen Feldverstärkungen z. B. durch kleine Vorsprünge oder Nasen an einer oder beiden Elektroden sein. Der maßgebliche Entladungsabstand bemißt sich dann von der jeweiligen Spitze eines solchen Vorsprungs ab. In diesem Zusammenhang kann es also auch zu einer diskontinuierlichen Reihe von Brennspannungen an den jeweiligen Stellen kommen, wobei sich die Erfindung dabei bevorzugt auf den Fall richtet, daß diese Stellen lokaler Feldverstärkung eine monoton gestaffelte Reihe unterschiedlicher Brennspannungen innerhalb der Steuerlänge definieren.
In diesem Fall läßt sich veranschaulichen, daß die in Anspruch 1 genannte Brennspannung auch der Zündspannung für eine Entladung entsprechen kann und nicht der Mindestbrennspannung für ihre Aufrechterhaltung. Natürlich sind auch Übergänge zwischen diesen Extremfällen bei der Erfindung denkbar. In diesem Sinn muß der Begriff Brennspannung auf die jeweilige Situation der Elektrodenanordnung angepaßt verstanden werden.
Neben der soeben diskutierten Variation des Entladungsabstandes zur Beeinflussung der Brennspannung besteht eine zusätzliche Möglichkeit in einer Veränderung der Anodenbreite. Zum einen bestimmt die Anodenbreite die für die Entladung zur Verfügung stehende lokale Anodenoberfläche und damit den Entladungsstrom. Von dem Entladungsstrom hängt wiederum die am Ende eines Totzeitintervalls zwischen zwei Wirkleistungspulsen verbleibende Restionisation des Entladungsmediums ab, die die Wiederzündwahrscheinlichkeit und auch die Wiederzündspannung bestimmt. Zusätzlich ergibt sich bei einer größeren Anodenfläche und damit einer großflächigeren Verteilung des Entladungsstroms ein geringerer Spannungsabfall am Dielektrikum und damit ein größeres elektrisches Feld in dem Entladungsmedium.
Eine Veränderung der Anodenbreite kann dabei natürlich auch in Zusammenhang mit den beschriebenen Kathodenvorsprüngen vorliegen und setzt nicht notwendigerweise im wesentlichen glatte Kathoden voraus.
Schließlich besteht auch noch die Möglichkeit, die Dicke des Dielektrikums zu verändern, um in analoger Weise zu der vorstehenden Erklärung den Entladungsstrom und damit das elektrische Feld in der Gasfüllung zu beeinflussen. Auch in dieser Weise kann eine Inhomogenität der Elektrodenstruktur eine Brennspannung der Entladungen lokal verändern.
Es ist also bei der Erfindung einerseits möglich, innerhalb einer Steuerlänge eine steuerbare Anzahl von Einzelentladungen vorzusehen oder eine jeweils einer Steuerlänge zugeordnete Entladungsstruktur in ihrer individuellen Volumenausdehnung zu beeinflussen. Im letzten Fall bezieht sich die Erfindung auf eine vorhangartige Verbreiterung einer Entladungsstruktur in der Steuerlänge durch eine geeignete Elektrodenstruktur mit monoton ortsabhängiger Brennspannung.
Vorstehend wurden Varianten der Erfindung mit kontinuierlichem Verlauf der Brennspannung entlang der Steuerlänge und mit eher diskontinuierlicher Ortsabhängigkeit erläutert. Der Begriff der Leistungssteuerung ist bei der Erfindung dementsprechend allgemein zu verstehen. Es kann sich also durchaus um ein Schalten der Entladungslampe zwischen verschiedenen diskreten Leistungsstufen handeln, wobei die Leistungsstufen einerseits durch die bereits beschriebenen diskontinuierlichen Elektrodenstrukturen mit Stellen lokaler Feldverstärkung mit jeweils zugeordneten Einzelentladungen als auch durch elektrische Stufen eines entsprechenden Vorschaltgeräts vorgegeben sein können.
Bevorzugt richtet sich die Erfindung jedoch auf eine Dimmschaltung für eine Entladungslampe mit dielektrisch behinderten Entladungen. Mit dem Begriff "Dimmen" ist dabei eine Leistungssteuerung gemeint, bei der ein bestimmter Dimmbereich in kontinuierlicher Weise oder in zumindest angenähert kontinuierlicher Weise von der Leistungssteuerung durchfahren werden kann. Für den beschriebenen Fall einer "diskontinuierlichen Lösung" bedeutet dies, daß eine größere Zahl von Stellen lokaler Feldverstärkung innerhalb der Steuerlängen vorliegen muß, um eine zumindest angenähert kontinuierliche Einstellung der Leistung innerhalb dieser Auswahl von Leistungsstufen vornehmen zu können.
Bislang wurde in Zusammenhang mit der Einstellung des Entladungsstromes und des Entladungsvolumens beispielhaft von einer Steuerung durch die Spannung an der Entladungslampe gesprochen. Die Erfindung ist jedoch allgemeiner zu verstehen; grundsätzlich ist von einem "elektrischen Parameter" zur Einstellung oder Steuerung der Leistung die Rede. Bei der gepulsten Wirkleistungseinkopplung kommen dabei neben der an der Entladungslampe anliegenden Spannung vorzugsweise folgende Varianten in Betracht:
Zunächst kann die Steilheit eines Flankenanstiegs bei der gepulsten Wirkleistungseinkopplung beeinflußt werden. Diese Variante bezieht sich gewissermaßen auf die Zeitableitung der an der Lampe anliegenden Spannung im Bereich des Anstiegs des einzelnen Pulses. Es handelt sich hierbei zunächst ein empirisches Resultat der Entwicklungsarbeit, die dieser Erfindung zugrunde liegt. Eine mögliche Erklärung für diese Steuermöglichkeit besteht jedoch darin, daß bei einem steileren Spannungsanstieg und damit bei einer stärkeren Beteiligung hochfrequenter Fourierkomponenten an dem Spannungsverlauf die Hochfrequenzleitfähigkeit insbesondere des Dielektrikums gegenüber einer Niederfrequenz oder Gleichstromleitfähigkeit verbessert ist und damit das in der Gasfüllung bestehende elektrische Feld erhöht wird, wie bereits in anderem Zusammenhang erläutert. Ferner spielt hier eine Veränderung der Elektronenenergieverteilung durch die Zeitableitung des elektrischen Feldes eine Rolle.
Ein weiterer Zeitparameter der Wirkleistungsversorgung zur Beeinflussung der Brennspannung in der Entladungslampe ist die sogenannte Totzeit zwischen den einzelnen Wirkleistungspulsen, d. h. die Zeit, in der zwischen einzelnen Pulsen keine Entladung brennt. Je länger diese Totzeit ausfällt, um so geringer ist natürlich die am Ende der Totzeit verbliebene Restionisation in dem Entladungsmedium. Von dem Umfang der Restionisation hängt wiederum die Wahrscheinlichkeit einer Wiederzündung bzw. die zum Wiederzünden erforderliche Spannung ab.
Schließlich sind als weitere zeitliche Parameter der Wirkleistungsversorgung noch die Pulsdauer sowie die Wiederholfrequenz der Pulse zu nennen, die in ähnlicher Weise wie vorstehend erläutert zur Steuerung der Leistung gemäß dieser Erfindung herangezogen werden können.
Zur Variation des Entladungsabstandes ist es erfindungsgemäß bevorzugt, mit einer Sinusform zumindest einer der Elektroden oder mit einer Sägezahnform zumindest einer der Elektroden zu arbeiten. Die Sinusform ist von Spitzen frei, d. h. durchgängig rund geformt. Solche Spitzen können zu einer lokalen Feldverstärkung führen. Das kann in manchen Fällen unerwünscht sein. Einerseits können die Feldverstärkungen eine anfängliche Zündung erleichtern. Andererseits führen sie - auf einer Anode - zu erhöhten Stromdichten und können damit die Effizienz der Entladung verschlechtern.
Weiterhin hat die Sinusform den Vorteil, daß sie von einem Extremum ausgehend nach zwei Seiten symmetrisch verläuft, d. h. ein vorhangartiges Aufziehen einer Entladungsstruktur in zwei Richtungen gleichzeitig erlaubt. Dabei bleibt insbesondere der Schwerpunkt der Entladungsstruktur konstant, was hinsichtlich des äußeren Erscheinungsbildes der Entladungslampe von Vorteil sein kann.
Die Sägezahnform wiederum kann im Hinblick auf die soeben als möglicher Nachteil angesprochene Spitze des Sägezahns natürlich auch abgerundet sein. Auch kann sie zweiseitig symmetrisch sein, aber auch asymmetrisch, d.h. die Sägezahnform besteht beispielsweise aus einer kurzen steilen und einer langen aber weniger steilen Rampe. Ein wesentlicher Punkt der Sägezahnform ist die Linearität der Rampe, d. h. die Linearität der Ortsabhängigkeit des Entladungsabstandes. Damit liegen - von dem genauen mathematischen Zusammenhang zwischen dem veränderten elektrischen Parameter und dem Entladungsabstand abgesehen - über die Steuerlänge weitgehend gleiche Beziehungen zwischen dem äußeren Eingriff in einen elektrischen Parameter und der resultierenden Verbreiterung der Entladungsstruktur vor.
Es kann jedoch auch gerade gewünscht sein, die Spitze einer Sägezahnform nicht abgerundet auszuführen. Durch die bereits angesprochene lokale Feldverstärkung wird vor einer auf die entsprechende Gegenelektrode hin gerichteten Spitze damit eine Situation geschaffen, die das erstmalige Zünden einer Entladung erleichtert. Dennoch bleibt ein vorhangartiges Aufziehen einer Entladungsstruktur von dieser Spitze ausgehend möglich. Entsprechendes gilt auch für eine Aneinanderreihung mehrerer Einzelentladungsstrukturen innerhalb der Steuerlänge.
Eine weitere bevorzugte quantitative Beziehung zwischen der minimalen Schlagweite d_min und der maximalen Schlagweite d_max innerhalb derselben Steuerlänge kann wie folgt angegeben werden. Günstig ist ein Verhältnis der minimalen Schlagweite zur maximalen Schlagweite von über 0,3, vorzugsweise 0,4 und 0,5, sowie unterhalb von 0,9.
In Zusammenhang mit der Definition der Steuerlänge ist es wichtig zu erwähnen, daß die Steuerlänge nicht unbedingt der maximal möglichen Strecke zwischen einem durch die geometrische Elektrodenstruktur vorgegebenen minimalen Elektrodenabstand und maximalen Elektrodenabstand entsprechen muß. Mit Steuerlänge ist hierbei die tatsächlich durch die erfindungsgemäße Leistungssteuerung ausgenutzte Strecke der Elektrodenanordnung gemeint.
Wesentlich ist diese Unterscheidung vor allem bei Elektrodenstrukturen, beispielsweise den bereits angesprochenen Sinus- oder Sägezahnformen, die von zwei entgegengesetzten Seiten aus "genutzt werden können". Es kann nämlich bei einer hier bevorzugt in Betracht gezogenen Streifenanordnung von Elektroden auf einer Wand oder auf gegenüberliegenden Wänden eines Entladungsgefäßes eine alternierende Abfolge von Elektroden in der Weise vorliegen, daß zumindest einige der Elektroden für Entladungen nach zwei Seiten, insbesondere nach entgegengesetzten Seiten, genutzt werden. Da sich die nach den beiden Seiten brennenden Entladungen gegenseitig auf dem Elektrodenstreifen stören, kann dabei z. B. bei einer Sinusform ein bestimmter Teil des Sinus der einen möglichen Entladungsseite und ein anderer Teil der anderen möglichen Entladungsseite zugeordnet sein, im allgemeinen natürlich der jeweils nächstliegende Teil. Insbesondere kann dabei auch eine gewisse Zwischenstrecke zwischen den jeweils anderen Entladungsseiten zugeordneten Bereichen vorgesehen sein, von der aus grundsätzlich keine Entladungen ausgehen sollen.
Im Hinblick auf das erfindungsgemäße Aufziehen einer Entladungsstruktur in die Breite hat es sich als wesentlich herausgestellt, daß etwaige auf den Elektroden, insbesondere auf der Kathode befindliche Schichten relativ glatt sind. Insbesondere bei Leuchtstoffen, die gewöhnlich nach einem Druckverfahren relativ flächig abgeschieden werden, und somit durchaus auch auf den Elektroden liegen können, kann es dabei zu hinderlichen Körnigkeiten kommen. Eine vernünftige quantitative Grenze ist eine Körnigkeit von 8 µm, ab der abwärts ein Aufziehen einer Entladungsstruktur in die Breite auf einer solchen Schicht möglich ist. Besser geeignet sind natürlich kleinere Körnigkeiten von 5, 3 oder 1 µm und darunter. Es ist davon auszugehen, daß die Körnigkeit ein Grundproblem aller Schichten darstellt und insoweit nicht auf Leuchtstoffschichten beschränkt ist. Andererseits sind bei dem gegenwärtigen technischen Stand insbesondere die Leuchtstoffschichten gelegentlich relativ grobkörnig. Wenn aus bestimmten Gründen keine ausreichend feinkörnige Alternative zu einer Leuchtstoffschicht besteht, ist es dabei erfindungsgemäß bevorzugt, die Kathode völlig leuchtstofffrei zu lassen, d. h. bei der Abscheidung des Leuchtstoffes auszusparen. Andere Schichten, etwa feinkörnige Reflexionsschichten aus TiO₂ oder Al₂O₃, sind davon nicht notwendigerweise betroffen.
Diese Ausführungen sind jedoch nicht dahingehend zu verstehen, daß das erfindungsgemäße Verfahren mit einer körnigen Leuchtstoffschicht oder einer anderen körnigen Schicht auf einer Kathode nicht funktionsfähig wäre. Hier spielen noch andere Parameter eine Rolle, beispielsweise die Steilheit des Anstiegs des Entladungsabstandes über die Steuerlänge, mit denen ein entsprechendes Aufziehen auch bei körnigeren Schichten ermöglicht werden kann.
In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens wird eine Lampe mit bipolaren Spannungspulsen angesteuert, d.h. einem vom Vorschaltgerät erzeugten Spannungspuls folgt ein solcher mit inversem Vorzeichen (Polarität). Die Lampe weist hier eine zweiseitige dielektrische Behinderung auf, d.h. sämtliche Elektroden sind mit einer dielektrischen Schicht bedeckt. Das bipolaren Betriebsverfahren eignet sich insbesondere für die hier beschriebenen und aus entladungsphysikalischer Sicht gleichartigen Elektroden, die zeitlich alternierend sowohl die Rolle einer temporären Anode als auch Kathode übernehmen können.
Ein Vorteil des bipolaren Betriebsverfahrens kann beispielsweise in einer Symmetrisierung der Entladungsverhältnisse in der Lampe liegen. Damit werden durch asymmetrische Entladungsverhältnisse hervorgerufene Probleme besonders wirkungsvoll vermieden, z. B. Ionenwanderungen im Dielektrikum, die zu einer Schwärzung führen können, oder die Effizienz der Entladung verschlechternde Raumladungsakkumulationen.
Als Vorschaltgerät für das bipolaren Betriebsverfahren kommt beispielsweise ein modifizierter Flußwandler in Betracht. Die Modifikationen zielen darauf ab, für eine Richtungsumkehr des den Spannungspuls im Sekundärkreis bewirkenden primärkreisseitigen Stromes in dem Transformator des Flußwandlers zu sorgen. Dies ist im allgemeinen einfacher als entsprechende elektrotechnische Maßnahmen zur Richtungsumkehr auf der Sekundärkreisseite zu treffen.
Insbesondere kann der Transformator hierzu zwei primärkreisseitige Wicklungen aufweisen, die jeweils einer der beiden Stromrichtungen zugeordnet sind, also für einen Primärkreisstrom nur einer der beiden Richtungen verwendet werden. Das bedeutet, daß die beiden primärkreisseitigen Wicklungen alternierend mit Strom beaufschlagt werden. Beispielsweise kann dies durch Verwendung zweier taktender Schalter in dem Primärkreis geschehen, die jeweils den Strom durch eine zugeordnete der beiden Wicklungen takten. Damit ist jeder der beiden Stromrichtungen ein eigener Taktschalter und eine eigene primärkreisseitige Wicklung des Transformators zugeordnet.
Wenn ein erfindungsgemäßes Vorschaltgerät an einer Wechselstromquelle verwendet wird, kann es von Vorteil sein, im Hinblick auf die beiden primärkreisseitigen Stromrichtungen zwei Speicherkondensatoren zu verwenden, die halbperiodenweise alternierend aus der Wechselstromquelle aufgeladen werden. Es werden also die Wechselstromhalbperioden eines Vorzeichens für einen der Speicherkondensatoren und die Wechselstromhalbperioden des anderen Vorzeichens für den anderen Speicherkondensator verwendet. Aus diesen beiden Speicherkondensatoren können dann die Ströme für jeweils eine Richtung entnommen werden. Dies kann zusammen mit der geschilderten doppelten Ausführung der Primärkreiswicklung des Transformators geschehen, jedoch ist eine solche hier eigentlich nicht notwendig. Vielmehr kann eine einzige primärkreisseitige Wicklung durch entsprechende Schalter alternierend von den beiden Speicherkondensatoren versorgt werden, wobei jeder Speicherkondensator jeweils einer Stromrichtung zugeordnet ist. Zur Speisung der Speicherkondensatoren aus der Wechselstromquelle kann eine entsprechende Gleichrichterschaltung verwendet werden, deren Einzelheiten dem Fachmann ohne weiteres klar sind.
Wie bereits ausgeführt, richtet sich die Erfindung nicht nur auf ein Betriebsverfahren für eine entsprechende Entladungslampe sondern auch auf ein Beleuchtungssystem, womit ein passender Satz aus einer Entladungslampe und einem Vorschaltgerät bezeichnet ist. Dabei ist das Vorschaltgerät im Hinblick auf das erfindungsgemäße Verfahren ausgelegt, d. h. daß das Vorschaltgerät eine Leistungssteuereinrichtung aufweist, mit der ein geeigneter elektrischer Parameter der Leistungsversorgung der Entladungslampe durch das Vorschaltgerät beeinflußt werden kann, um die entsprechend gestaltete Elektrodenstruktur in der Entladungslampe für eine Veränderung des Entladungsvolumens auszunutzen.
Insoweit gelten die vorstehenden Ausführungen zu den verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung gleichermaßen auch für das Beleuchtungssystem, d. h. jeweils für die Elektrodenstruktur in der Entladungslampe sowie für die Leistungssteuereinrichtung im Vorschaltgerät.
Im Hinblick auf die in der vorstehenden Schilderung dargelegten besonderen Merkmale der Elektrodenstruktur wird ferner Schutz beansprucht für eine entsprechend gestaltete Entladungslampe, wozu auf die entsprechenden Erläuterungen in der bisherigen Beschreibung verwiesen wird.

Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele in weiteren Einzelheiten erläutert. Dabei offenbarte Merkmale können auch in anderen Kombinationen oder für sich erfindungswesentlich sein. Im einzelnen zeigt:

Figur 1: eine schematische Draufsicht auf eine Elektrodenstruktur mit sägezahnförmigen Anoden, die übereinander in vier Leistungsstufen dargestellt ist;
Figur 2: eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt aus einer Elektrodenstruktur mit sinusförmigen Anoden;
Figur 3: die Struktur aus Figur 2 in einer anderen Leistungsstufe;
Figur 4: eine alternative Ausführungsform zu den Figuren 2 und 3;
Figur 5: eine weitere alternative Ausführungsform zu den Figuren 2, 3 und 4 mit sinusförmigen Kathoden und Anoden;
Figur 6: eine Draufsicht auf eine Bodenplatte eines erfindungsgemäß gestalteten Flachstrahlers;
Figur 7: ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems;
Figur 8: ein Figur 7 entsprechendes Diagramm mit Meßkurven für die äußere Spannung an und den Strom durch die Entladungslampe beim Beleuchtungssystem nach Figur 7;
Figur 9: ein schematisches Schaltdiagramm eines Vorschaltgeräts, das für die bipolare Betriebsverfahrensvariante geeignet ist, mit Entladungslampe; und
Figur 10: ein Diagramm mit Meßkurven für die äußere Spannung an und den Strom durch die Entladungslampe beim Beleuchtungssystem nach Figur 9.

Figur 1 zeigt übereinander viermal dieselbe Elektrodenanordnung aus einer geraden streifenförmigen Kathode 1 und einer sägezahnstreifenförmigen Anode 2. Im oberen Bereich ist schematisch eine dielektrische Abdeckung 4 auf der Anode 2 dargestellt. Ferner ist eine Periodenlänge der Streifenstruktur der Anode 2 als Steuerlänge SL eingezeichnet.
Zwischen den Elektroden befinden sich die für die unipolare gepulste Betriebsweise einer Entladungslampe mit dielektrisch behinderten Entladungen charakteristischen dreieckförmigen Entladungsstrukturen 3. In dem ganz oben dargestellten Fall a) enthält jede Steuerlänge eine Entladungsstruktur 3. In dem darunterliegenden Fall b) ist eine zweite Entladungsstruktur 3 innerhalb jeder Steuerlänge hinzugekommen. Entsprechendes gilt für die beiden weiteren Stufen c) und d) in Figur 1, wobei in der untersten Stufe jede Steuerlänge SL durch vier einzelne dreieckförmige Entladungen 3 praktisch vollständig ausgefüllt ist. Diese vier Darstellungen a) bis d) veranschaulichen einen Dimmbereich der Entladungslampe von einem Zustand mit minimaler einstellbarer Leistung im obersten Fall bis zu einem Zustand mit maximaler einstellbarer Leistung im untersten Fall, wobei jede Leistungsschaltstufe einer bestimmten Zahl von Einzelentladungen 3 innerhalb einer Steuerlänge SL entspricht. Es handelt sich hierbei um eine Leistungssteuerung mit einer diskontinuierlichen Veränderung der Zahl von einzelnen Entladungsstrukturen. Dies entspricht jedoch nicht notwendigerweise einer diskontinuierlichen Leistungssteuerung ohne Möglichkeit eines kontinuierlichen Dimmbetriebs, weil in den Abständen zwischen den Leistungsstufen mit jeweils unterschiedlicher Entladungsstrukturanzahl durchaus auch eine kontinuierliche Veränderung der Leistung jeder Entladungsstruktur für sich möglich ist.
Es wird ferner anschaulich, daß die einzelnen Entladungen 3 zunächst, also bei kleinster angelegter Versorgungsspannung, in dem Bereich mit den kleinsten Abständen zwischen der Kathode 1 und der Anode 2 brennen, also in der Figur jeweils am linken Rand jeder Steuerlänge. Der ganz am linken Rand jeder Steuerlänge auftretende minimale Entladungsabstand bzw. die minimale Schlagweite ist mit d_min bezeichnet.
Die jeweils größte Schlagweite d_max liegt innerhalb jeder Steuerlänge SL am rechten Rand vor und wird erst von der letzten der sich innerhalb einer Steuerlänge aufreihenden Einzelentladungen 3 in der Figur 1 im unteren Beispiel erreicht.
Zu dem ganz oben dargestellten Beispiel mit jeweils einer Entladungsstruktur ist noch festzustellen, daß diese Entladungsstruktur 3 jeweils an eine Spitze der Sägezahnform "angreift", weswegen ihre Zündung zum anfänglichen Betriebsbeginn der Entladungslampe durch die dortige Feldüberhöhung erleichtert ist. Wenn erst einmal eine der Entladungsstrukturen 3 vorgegeben ist und damit eine gewisse Restionisation in der Nachbarschaft vorliegt, ist die entsprechende Zündung der weiteren dargestellten Entladungsstrukturen 3 schon dadurch erleichtert.
Wichtig zum Verständnis dieser Figur 1 ist, daß die untereinander liegenden vier Elektrodenpaare nicht als ein Gesamtelektrodenmuster zu verstehen sind, weil dann jeweils zwischen den sägezahnförmigen Anoden 2 und der streifenförmigen Kathode 1 der Nachbarstruktur ebenfalls Entladungen brennen würden. Es handelt sich vielmehr um vier Einzeldarstellungen eines zur Veranschaulichung stark vereinfachten Ausführungsbeispiels.
Figur 2 zeigt demgegenüber dahingehend eine Alternative, daß die Anoden 2 in diesem Beispiel sinusförmig verlaufen. Auch hier bilden sich im Bereich des minimalen Entladungsabstandes zunächst dreieckförmige Einzelentladungen 3 heraus.
Figur 3 zeigt im Vergleich zu Figur 2 die gleiche Elektrodenanordnung aus einer Kathode 1 und zwei Anoden 2, jedoch ist hier eine höhere Leistungsstufe dargestellt. Bei dem in den Figuren 2 und 3 dargestellten Beispiel hat sich nun nicht eine zweite oder dritte einzelne Entladungsstruktur 3 neben die bereits in Figur 2 erkennbare hinzuaddiert. Vielmehr hat sich die in Figur 2 relativ schmale Entladungsstruktur 3 vorhangartig in die Breite gezogen und überstreicht nun sowohl einen größeren Längenabschnitt auf den sinusförmigen Anoden 2 als auch auf der streifenförmigen Kathode 1.
In Figur 3 erkennt man, daß die hier dargestellten einzelnen Entladungsstrukturen 3 auf der Anode 2 bereits annähernd die im linken Bereich eingezeichnete Steuerlänge SL erreicht haben. Hingegen ist die gleiche Steuerlänge SL in Figur 2 nur zu einem kleinen Teil von der Anodenseite der Entladungsstruktur 3 ausgefüllt. Figur 2 und Figur 3 zeigen jeweils nur einen Ausschnitt aus einer größeren Elektrodenanordnung aus alternierend nebeneinander liegenden Kathodenstreifen 1 und Anodenstreifen 2. Deswegen entspricht die eingezeichnete Steuerlänge SL nicht der gesamten Periodenlänge der Sinusform sondern nur der halben Periodenlänge. Die jeweilige Periodenhälften mit über den eingezeichneten maximalen Entladungsabstand d_max hinausgehenden Abständen zu den hier dargestellten Kathoden 1 sind Entladungsstrukturen zu einer nicht dargestellten weiteren Kathode 1 zugeordnet.
Im Laufe der dieser Erfindung zugrunde liegende Entwicklungsarbeit hat es sich als günstig herausgestellt, zur Erleichterung des vorhangartigen Auseinanderziehen der einzelnen Entladungsstrukturen innerhalb einer Steuerlänge einen relativ niedrigen Druck eines gasförmigen Entladungsmediums, insbesondere einer Xe-Entladungsfüllung einzustellen. Ein niedriger Druck kann dabei beispielsweise ein Druck unter 80 Torr oder auch unter 60 Torr sein. Bei den hier dargestellten Ausführungsbeispielen hat sich eine Xe-Füllung von 50 Torr für das vorhangartige Auseinanderziehen bewährt. Hingegen wurde für Beispiele, bei denen eine Aneinanderreihung in ihrer Zahl veränderlichen Einzelentladungen ohne Veränderung des Volumens der Einzelentladungen gezeigt wird, ein Xenondruck von 100 Torr gewählt.
Ein weiteres Beispiel zeigt Figur 4, wobei jedoch gegenüber den Figuren 2 und 3 insoweit eine Vertauschung vorgenommen worden ist, als hier die Kathoden 1 eine Sinusform aufweisen. Diese Sinusform ist wiederum jeweils zu halben Periodenlängen zwei auf entgegengesetzten Seiten einer sinusförmigen Kathode 1 liegenden Anoden 2 zugeordnet. Dabei treten die in diesem Beispiel geraden streifenförmigen Anoden 2 jeweils doppelt auf, so daß jede Anode 2 nur jeweils zu einer Seite Entladungen trägt. Die geometrischen Größen Steuerlänge SL, minimale Schlagweite d_min und maximale Schlagweite d_max entsprechen dem Beispiel in Figur 2 und 3. Zu der Technik der doppelten Anodenausführung wird verwiesen auf die deutsche Anmeldung 197 11 892.5 , deren Offenbarungsgehalt hier in Bezug genommen ist.
Eine weitere Variante zeigt Figur 5, wobei sowohl die Kathoden 1 als auch die Anoden 2 sinusförmig sind. Dabei sind die jeweils benachbarten Sinuswellenstreifen zueinander um eine halbe Periode phasenverschoben, so daß sie jeweils mit ihren Maxima bzw. Minima einander zugewandt sind, sich also durch die Sinusform jeweils eine Modulation des Entladungsabstandes zwischen den benachbarten Elektroden ergibt.
Dabei gilt wieder, daß durch die "zweiseitige Funktion" jeder Elektrode jeweils nur eine halbe Periodenlänge als Steuerlänge SL auftritt, so daß die maximale Schlagweite d_max nicht dem tatsächlich geometrisch auftretenden maximalen Abstand entspricht.
Diese Struktur hat den Vorteil, daß die in Figur 4 dargestellte Zwillingsanode 2 eingespart werden kann und durch eine Sinusanode 2 ersetzt werden kann. Zu dieser Ausgestaltung der Erfindung wird auf die Parallelanmeldung "Entladungslampen für dielektrisch behinderte Entladungen mit verbesserter Elektrodenkonfiguration" verwiesen, die am selben Arnmeldetag von derselben Anmelderin eingereicht wurde.
Ein der Struktur aus Figur 4 entsprechendes konkreteres Ausführungsbeispiel zeigt schließlich Figur 6. Dabei ist zunächst mit 6 eine Glasgrundplatte eines Flachstrahlers, d. h. einer flach gestalteten Entladungslampe mit dielektrisch behinderten Entladungen mit zwei Glasplatten als Hauptbegrenzungswänden, dargestellt. Auf dieser Bodenplatte 6 des Flachstrahlers ist ein Elektrodenmuster gemäß Figur 4 als Metall-Siebdruckmuster aufgebracht. Die eigentlichen Elektroden 1 und 2 befinden sich dabei innerhalb eines Rahmens 7, der die dargestellte Bodenplatte 6 mit einer nicht dargestellten Deckplatte verbindet und das Entladungsvolumen nach außen abdichtet. Dabei sind die Elektrodenstreifen in einer Verlängerung gegenüber ihren Abschnitten innerhalb ihres Entladungsvolumens einfach unter der Dichtung 7 des Glaslotrahmens hindurchgeführt.
Innerhalb des Rahmens 7 entsprechen die Elektrodenformen Figur 4, d. h. die Zwillingsanoden 2 sind gerade Streifen und die Kathoden 1 haben eine Sinuswellenform. Auf der äußeren Seite des Rahmens 7 ist jede der Elektrodensorten 1 und 2 gemeinschaftlich angeschlossen an einen busartigen äußeren Leiter 8 bei den Kathoden und 9 bei den Anoden.
Bei dem Ausführungsbeispiel in Figur 1 wurde ein Dielektrikum von 0,6 mm Dicke verwendet, nämlich eine Weichglasschicht. 250 µm Dicke wurden verwendet bei den Beispielen aus den Figuren 2-6, wobei es sich hier um Glaslot handelte. Für die minimalen Schlagweiten d_min, die maximalen Schlagweiten d_max und die Steuerlänge galten in den Ausführungsbeispielen gemäß Figur 1, gemäß den Figuren 2 und 3, gemäß den Figuren 4 und 6 und gemäß der Figur 5 folgende Werte (in mm):

Beispiel d_min d_max SL

Figur 1 10 12 31

Figur 2 und 3 5 8 8

Figur 4 und 6 4 6 9

Figur 5 5 9 9
Die Steuerung der Leistung in den entsprechenden Entladungslampen geschah durch Variation der Spannungsamplitude der pulsartigen Leistungsversorgung.
Im Fall der Struktur aus Figur 1 wurden zur Veranschaulichung parallel zwei Versuchsreihen durchgeführt mit einer Veränderung der Spannung bzw. der Pulswiederholfrequenz bei fester Spannungsamplitude. Die jeweiligen Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle dargestellt, wobei die Reihen der Tabelle in der Reihenfolge den vier Einzeldarstellungen a) bis d) in Figur 1 entsprechen.

Anzahl der Einzelentladungen pro Steuerebene Spannung U (V)
bei f = 55 kHz Frequenz f (kHz)
bei U = 2,8 kV Figur

1 2,35 - 1a)

2 2,40 15 1b)

3 2,45 17 1c)

4 2,49 18 1d)
In den in den Figuren 2-6 dargestellten Fällen war ein vorhangartiges Aufziehen der Einzelentladungsstrukturen 3 beabsichtigt, deswegen wurden dort in den Leuchtstoffschichten an den Stellen der Kathoden 1 Aussparungen vorgesehen. Durch diese Glättung der Kathodenoberfläche ist auch bei etwas höheren Drücken ein vorhangartiges Aufziehen möglich. Daher wurden bei diesen Fällen auch Drücke von 10 kPa mit dem Füllgas Xe verwendet.
Figur 7 zeigt schematisch die Elektrodenstruktur eines weiteren erfindungsgemäßen Flachstrahlers, der auch für die bipolare Betriebsverfahrensvariante ausgelegt ist. Deshalb ist die gesamte Elektrodenstruktur, bestehend aus einer ersten Sorte Elektroden 10 einer ersten Polarität und einer zweiten Sorte Elektroden 11 einer zweiten Polarität, mit einer Glaslotschicht (nicht dargestellt) der Dicke ca. 150 µm abgedeckt (zweiseitig dielektrisch behinderte Entladung). Die erste Sorte Elektroden 10 besteht aus einer Folge von paarweise angeordneten Elektrodenstreifen, wobei sämtliche Elektrodenpaare miteinander verbunden sind, d.h. auf gleichem elektrischen Potential liegen. Dabei besteht jedes Paar aus zwei zueinander spiegelbildlichen sägezahnartigen Elektrodenstreifen. Jeder "Sägezahn" dieser Elektroden weist eine lange flache und eine kurze steile Rampe auf. Die lange Rampe fungiert als Steuerlänge. Die zweite Sorte Elektroden 11 umfaßt linienartige Elektrodenstreifen, die ebenfalls paarweise zwischen den Elektrodenpaaren der ersten Sorte angeordnet sind. Außerdem sind sämtliche linienartige Elektrodenstreifen parallel zueinander orientiert und miteinander verbunden, d.h. sie liegen auf gleichem elektrischen Potential. Der minimale Abstand zwischen sägezahnartigem Elektrodenstreifen und nächstbenachbartem linienartigen Elektrodenstreifen, d.h. zwischen einem "Sägezahn" und der nächstbenachbarten Linienelektrode, beträgt ca. 3 mm, der maximale Abstand, d.h. zwischen einer "Kerbe" und der nächstbenachbarten Linienelektrode, ca. 5 mm. Das Entladungsgefäß (nicht dargestellt) des Flachstrahlers ist ähnlich wie das Ausführungsbeispiel in Figur 6 aus einer Boden- und einer Frontplatte sowie einem Rahmen gebildet. Die Platten bestehen aus Glas der Dicke 2 mm und den Abmessungen 105 mm mal 137 mm. Die Rahmenhöhe sowie -breite betragen jeweils 5 mm. Auf der Bodenplatte und dem Rahmen ist eine lichtreflektierende Schicht aus Al₂O₃ oder TiO₂ aufgebracht. Danach folgt auf sämtlichen inneren Oberflächen eine Dreibanden-Leuchtstoffschicht. Bei u-nipolarer Betriebsweise und eine Spannungsimpulsfrequenz von 80 kHz läßt sich mit der Spitzenspannung als Steuergröße die Anzahl der deltaförmigen Teilentladungen zwischen jedem "Sägezahn" und der nächstbenachbarten Linienelektrode steuern. Bei einer Spitzenspannung von 1,35 kV, entsprechend einer mittleren Leistungsaufnahme von 3,5 W brennt jeweils eine Teilentladung zwischen der Spitze jedes Sägezahns und der nächstbenachbarten Linienelektrode. Bei einer Spitzenspannung von 1,39 kV, entsprechend einer mittleren Leistungsaufnahme von 8 W brennen je Sägezahn zwei Teilentladungen, die nebeneinander, beginnend bei der Spitze eines Sägezahns, längs der längeren Rampe des Sägezahns, d.h. der Steuerlänge, angeordnet sind.
Figur 8 zeigt schematisch eine Variante der Elektrodenstruktur aus Figur 7. Sie unterscheidet sich von derjenigen in Figur 7 im wesentlichen dadurch, daß hier die zweite Elektrodensorte, d.h. die linienartigen Elektrodenstreifen, fehlen. Die sägezahnartigen Elektrodenstreifen sind so zu zwei Gruppen 12, 13 zusammengefaßt, daß sich jeweils paarweise zwei spiegelbildliche Elektroden unterschiedlicher Polarität gegenüberstehen. Bei einer Leistungserhöhung, wie in der Beschreibung zu Figur 7 beschrieben, d.h. mit der Spitzenspannung als Steuergröße, beispielsweise erhöht von 1,48 kV auf 1,5 kV und schließlich auf 1,53 kV, entsprechend einer Leistungserhöhung von 2,5 W auf 3,6 W bzw. 5 W, verbreitert sich die anfängliche an der Spitze jedes "Sägezahns" ansetzende deltaförmige Teilentladung längs der längeren Rampe des Sägezahns zu einer vorhangartig verbreiterten Struktur, in der einzelne deltaförmige Teilentladungen jedenfalls nicht mehr eindeutig visuell erkennbar sind. Dieser Effekt läßt sich bei der Elektrodenstruktur von Figur 8 übrigens auch mit der Betriebsfrequenz als Steuergröße erzielen, beispielsweise mit einer Erhöhung von 50 kHz auf 111 kHz. Bemerkenswert ist, daß hier die Spitzenspannung sogar abnimmt, nämlich von 1,53 kV auf 1,46 kV. Die Leistungsaufnahme erhöht sich von 2 W auf 5 W.
Weitere Details zu der Form und Struktur der durch den gepulsten Betrieb dielektrisch behinderter Entladungen erzeugten charakteristischen Teilentladungen unter verschiedenen Betriebsbedingungen finden sich in der bereits zitierten WO 94/23 442 .
Hinsichtlich weiterer technischer Einzelheiten der hier dargestellten Entladungslampen wird auf die bereits zitierte deutsche Anmeldung 197 11 892.5 verwiesen.
Figur 9 zeigt ein schematisches Schaltdiagramm eines Vorschaltgeräts, das für die bipolare Betriebsverfahrensvariante ausgelegt ist. Es werden also äußere Spannungspulse alternierender Polarität an die dielektrisch behinderte Entladungslampe L, beispielsweise von dem in Figur 7 oder 8 beschriebenen Typ, angelegt. Dazu weist der Transformator T zwei Primärwicklungen auf, die in Figur 9 mit entgegengesetztem Wicklungssinn eingezeichnet sind. Jede der Primärwicklungen liegt elektrisch in Reihe mit einem zugeordneten Schalttransistor T_Q mit einer eigenen Steuereinrichtung SE. Natürlich können die beiden Steuereinrichtungen auch als zwei Funktionen einer einheitlichen Steuereinrichtung verstanden werden; symbolisiert werden soll nur, daß die beiden Primärwicklungen nicht gemeinsam, sondern alternierend getaktet werden. Durch die Wicklungssinnumkehr zwischen den beiden Primärwicklungen erzeugt der Transformator T bei Taktung der Primärwicklungen jeweils Spannungspulse entgegengesetzter Polarität im Sekundärkreis S. Zusammenfassend gesagt, ist bei der Schaltung aus Figur 1 die Baugruppe aus der Primärwicklung W1, dem Schalter T_Q und der Steuereinrichtung SE doppelt ausgeführt, wobei durch den Wicklungssinn eine Vorzeichenumkehr bewirkt ist.
Figur 10 zeigt entsprechende reale Meßkurven der äußeren Lampenspannung U_L und des Lampenstromes I_L. Hier ist zu beachten, daß die gemessene äußere Lampenspannung U_L sich zusammensetzt aus der Spannung des eigentlichen Pulses und der Spannung der Eigenschwingung des Sekundärkreises. Letztere hat allerdings zumindest keinen entscheidenden Einfluß auf die Entladung. Entscheidend sind vielmehr die eigentlichen Spannungspulse, die die korrespondierenden Lampenstrompulse der Hinzündung und der Rückzündung bewirken und schließlich in dem bereits in der WO 94/23442 offenbarten Wirkleistungspulsbetrieb resultieren. Sowohl an den Zündpulsen der äußeren Lampenspannung als auch an den Lampenstrompulsen der Hinzündung und der Rückzündung ist erkennbar, daß es sich um ein bipolares Betriebsverfahren handelt.

Claims

Betriebsverfahren für eine Entladungslampe mit einem ein Entladungsmedium enthaltenden Entladungsgefäß, einer Elektrodenanordnung mit einer Anode (2) und einer Kathode (1) und mit einer dielektrischen Schicht (4) zwischen zumindest der Anode (2) und dem Entladungsmedium,
wobei die Elektrodenanordnung (1, 2) entlang einer Steuerlänge (SL) in einer eine Brennspannung verändernden Art inhomogen ist, indem sie entlang der Steuerlänge (SL) einen sich zumindest in einem lokalen Mittelwert monoton verändernden Entladungsabstand definiert,
dadurch gekennzeichnet, daß für das quantitative Verhältnis zwischen einer Differenz zwischen einer maximalen Schlagweite d_max zwischen den Elektroden (1, 2) in der Steuerlänge (SL) und einer minimalen Schlagweite d_min zwischen den Elektroden (1, 2) in der Steuerlänge (SL) zu dieser Steuerlänge (SL) gilt: (d_max - d_min)/SL ≤ 0,6,
und im Betrieb ein elektrischer Parameter der Leistungsversorgung der Entladungslampe verändert wird, um die Leistung der Entladungslampe zu steuern.
Betriebsverfahren nach Anspruch 1, bei dem die Inhomogenität zusätzlich in einer Veränderung der Anodenbreite besteht.
Betriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Inhomogenität zusätzlich in einer Veränderung der Dicke der dielektrischen Schicht (4) besteht.
Betriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem sich bei der Leistungssteuerung innerhalb der Steuerlänge (SL) das Entladungsvolumen verändert.
Betriebsverfahren nach Anspruch 4, bei dem die Entladungsvolumenänderung bei der Leistungssteuerung dadurch realisiert ist, daß sich innerhalb der Steuerlänge (SL) eine Entladungsstruktur (3) vorhangartig verbreitert.
Betriebsverfahren nach Anspruch 4, bei dem die Entladungsvolumenänderung bei der Leistungssteuerung dadurch realisiert ist, daß innerhalb der Steuerlänge eine steuerbare Anzahl von Einzelentladungen entsteht.
Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 1-6, bei dem entlang der Steuerlänge (SL) eine Anzahl von Kathodenstellen zur lokalen Feldverstärkung vorliegen, wobei diese Stellen lokaler Feldverstärkung eine monoton gestaffelte Reihe unterschiedlicher Brennspannungen definieren.
Betriebsverfahren nach Anspruch 7, bei dem sich bei der Leistungssteuerung in der Steuerlänge (SL) die Anzahl einzelner Entladungsstrukturen (3) verändert, wobei jede der Entladungsstrukturen (3) jeweils an einer der Stellen lokaler Feldverstärkung angeordnet ist.
Betriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Elektroden (1, 2) der Entladungslampe eine Anzahl Steuerlängen (SL) in Reihe aufweisen.
Betriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der elektrische Parameter der Leistungsversorgung in kontinuierlicher Weise verändert wird, um die Entladungslampe zu dimmen.
Betriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der elektrische Parameter eine Spannungsamplitude einer gepulsten Wirkleistungseinkopplung ist.
Betriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der elektrische Parameter eine Flankenanstiegssteilheit einer gepulsten Wirkleistungseinkopplung ist.
Betriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der elektrische Parameter eine Totzeit einer gepulsten Wirkleistungseinkopplung ist.
Betriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der elektrische Parameter eine Pulsdauer einer gepulsten Wirkleistungseinkopplung ist.
Betriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der elektrische Parameter eine Pulswiederholfrequenz einer gepulsten Wirkleistungseinkopplung ist.
Betriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem zumindest eine der Elektroden (1, 2) eine Sinusform aufweist.
Betriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem zumindest eine der Elektroden (2; 10; 12; 13) eine Sägezahnform aufweist.
Betriebsverfahren nach Anspruch 17, bei dem die Sägezahnform der Elektroden (10; 12; 13) durch eine alternierende Folge von kurzen steilen und langen entsprechend weniger steilen Rampen gebildet ist.
Betriebsverfahren nach Anspruch 17 oder 18, bei dem eine Elektrode mit Sägezahnform und eine dazu spiegelbildliche Elektrode paarweise und zueinander parallel angeordnet sind.
Betriebsverfahren nach Anspruch 19, bei dem zwischen zwei benachbarten Elektrodenpaaren (10) mit Sägezahnform zwei parallele linienförmige Elektroden (11) angeordnet sind.
Betriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem gilt: (d_max - d_min)/SL ≤ 0,5, besonders bevorzugterweise (d_max - d_min)/SL ≤0,4.
Betriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem für das quantitative Verhältnis der minimalen Schlagweite d_min und der maximalen Schlagweite d_max zwischen den Elektroden (1, 2) in derselben Steuerlänge (SL) gilt: 0,3 < d_min/d_max < 0,9, vorzugsweise 0,4 < d_min/d_max < 0,9, besonders bevorzugterweise 0,5 < d_min/d_max < 0,9.
Betriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Kathode (1) bedeckende Schichten eine Körnigkeit von 8 µm oder weniger haben.
Betriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Kathode (1) leuchtstoffschichtfrei ist.
Betriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, unter Verwendung eines Vorschaltgeräts mit einem leistungsversorgten Primärkreis (P), einem die Entladungslampe (L) enthaltenden Sekundärkreis (S) sowie einem den Primärkreis (P) mit dem Sekundärkreis (S) verbindenden Transformator (T), wobei das Vorschaltgerät dazu ausgelegt ist, an die Entladungslampe (L) äußere Spannungen (U_L) mit von Spannungspuls zu Spannungspuls alternierendem Vorzeichen anzulegen.
Betriebsverfahren nach Anspruch 25, bei dem die Richtung des primärkreisseitigen Stromes (I_W1) in dem Transformator (T) von Spannungspuls zu Spannungspuls alterniert.
Betriebsverfahren nach Anspruch 26, bei dem der Transformator zwei primärkreisseitige Wicklungen (W1) aufweist, die jeweils einer der beiden Stromrichtungen zugeordnet sind.
Betriebsverfahren nach Anspruch 27, bei dem der Primärkreis zwei Schalter (T_Q) aufweist, die jeweils den Strom durch eine der beiden Wicklungen (W1) takten.
Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 28, bei dem der Primärkreis aus einer Wechselstromquelle versorgt wird, die zwei Speicherkondensatoren halbperiodenweise alternierend lädt, wobei jeder Speicherkondensator jeweils einer der beiden Stromrichtungen zugeordnet ist.
Beleuchtungssystem mit einer Entladungslampe mit einem ein Entladungsmedium enthaltenden Entladungsgefäß, einer Elektrodenanordnung mit einer Anode (2) und einer Kathode (1) und mit einer dielektrischen Schicht (4) zwischen zumindest der Anode (2) und dem Entladungsmedium,
wobei die Elektrodenanordnung (1, 2) entlang einer Steuerlänge (SL) in einer eine Brennspannung verändernden Form inhomogen sind, indem sie entlang der Steuerlänge (SL) einen sich zumindest in einem lokalen Mittelwert monoton verändernden Entladungsabstand definiert,
und mit einem Vorschaltgerät,
dadurch gekennzeichnet, daß für das quantitative Verhältnis zwischen einer Differenz zwischen einer maximalen Schlagweite d_max zwischen den Elektroden (1, 2) in der Steuerlänge (SL) und einer minimalen Schlagweite d_min zwischen den Elektroden (1, 2) in der Steuerlänge (SL) zu dieser Steuerlänge (SL) gilt (d_max - d_min)/SL ≤ 0,6,
und das Vorschaltgerät eine Leistungssteuereinrichtung zum Steuern der Leistung der Entladungslampe durch Veränderung eines elektrischen Parameters der Leistungsversorgung der Entladungslampe aufweist.