EP1118100B1 - Dimmbare entladungslampe für dielektrisch behinderte entladungen - Google Patents
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- Y10S315/07—Starting and control circuits for gas discharge lamp using transistors
Definitions
- the present invention relates to a method of operating a discharge lamp designed for dielectrically impeded discharges.
- the discharge lamp has a discharge vessel filled with a discharge medium and at least one anode and at least one cathode. At least between the anode and the discharge medium, a dielectric layer is provided to produce dielectrically impeded discharges.
- anode and cathode are not to be understood in this application as limiting the invention to a unipolar operation.
- bipolar case there is at least no electrical difference between the anodes and the cathodes, so that the statements for one of the two electrode groups then apply to all electrodes.
- discharge lamps for dielectrically impeded discharges can be made in a very wide variety of different sizes and geometries and also avoid the typical disadvantages of classical discharge lamps with mercury-containing filling at a relatively high efficiency, an increasing use of such discharge lamps both in terms of their quantitative To be expected as well as in terms of their fields of application.
- the DE 196 36 965 A1 shows discharge lamps for dielectrically impeded discharges, which consequently show a dielectric layer between at least the anode and the discharge medium.
- defined starting points for single discharges are created by localized field reinforcements. This is intended to improve the homogeneity in the power distribution, both in terms of time and in terms of space.
- the DE 197 11 893 A1 largely corresponds to the just cited document and continues its teaching that is counteracted by denser arrangement of the starting points in the edge region of the lamp or alternatively increasing the current density by there burning individual discharges by widening the anodes of a Randunkeling.
- the DE 41 40 497 C2 shows an ultraviolet high-power radiator with dielectrically impeded discharges, in which, in order to improve the homogeneity of the UV radiation, the electric power converted in the edge region is increased by changing the discharge distance or the dielectric capacity.
- the DE 42 22 130 A1 deals in the context of dielectrically impeded discharges with the Zündangesfunktion of local field distortion structures, such as at discharge vessel walls fused quartz drops or dents or humps in the walls.
- the US 5,760,541 describes a discharge lamp with strip-shaped electrodes, the geometric shape of which leads to sinusoidal edges, recesses and other possibilities for field modulation in the discharge lamp. Thereby temporal variations of a light / dark distribution in the discharge lamp are to be remedied, in order to allow a time-invariant local correction of these heterogeneities in favor of applications in scanning devices for transparent media.
- the DE 196 28 770 relates to measures for optimizing the power output of a traveling-wave tube amplifier element on transponder level for satellite applications in order to stabilize the output power of the overall amplifier system with respect to changes in the operating point, aging, frequency changes, temperature fluctuations, etc.
- the GB 2,139,416 describes the local modulation of the radiation output of an electron beam device by means of certain spatial arrangements of permanent magnets and magnetic materials.
- the US 4 584 501 describes a discharge display in which different discharge paths are switched by mechanically operated flaps and optical effects are generated by multiple reflections by using semipermeable mirrors.
- the post-published DE 198 17 479 refers to the division of the electrode arrangement in a silent discharge lamp into various separately operable groups.
- the DE 43 11 197 describes the pulsed operating methods essential to the discharge lamps considered here and the parameter tuning for the generation of a specific discharge type.
- This invention is based on the technical problem of creating a further contribution to the expansion and improvement of the possible uses of discharge lamps for dielectrically impeded discharges.
- this problem is solved by an operating method for a discharge lamp with a discharge vessel containing a discharge medium, an electrode arrangement with an anode and a cathode and with a dielectric layer between at least the anode and the discharge medium, wherein the electrode arrangement along a control length in a changing a burning voltage Is inhomogeneous by defining a discharge distance monotonically varying along the control length, at least at a local average, and the quantitative ratio between a difference between a maximum impact distance d max between the electrodes in the control length and a minimum impact distance d min between the electrodes in the control length to this control length is: (d max - d min ) / SL ⁇ 0.6, and in operation, an electric parameter of the power supply of the discharge lamp is changed to the output of the discharge lamp Taxes.
- the invention also relates to a lighting system with the described discharge lamp as well as with a designed for the just mentioned method ballast.
- the invention is directed to the power control in discharge lamps with dielectrically impeded discharges. It provides for this purpose, along the course of the electrode in the discharge lamp to provide at least one control length.
- This term refers to a section of the electrode structure along which inhomogeneous discharge conditions exist. Due to this inhomogeneity of the discharge prerequisites, a burning voltage of the discharge should change monotonously along the control length, but should at least monotonically change in an effective mean value. A particular discontinuous possibility for monotonous change in the burning voltage will be discussed below.
- firing voltage relates in particular to a minimum firing voltage which does not correspond to the firing voltage of a single discharge, but to the minimum voltage with which a discharge structure can be maintained at a specific point of the electrode arrangement.
- an operating method is preferably considered, in which the active power is coupled in a pulsed manner into the discharge lamp.
- Dielectric Discharge discharge lamps in the context of this invention is the positive current-voltage characteristic.
- the lamp current can also be changed by the dielectrically impeded discharges by changing the supply voltage. With conventional discharge lamps, this is counteracted by a negative differential resistance.
- the invention is based on the following observation.
- a significant advantage of the pulsed mode of operation referred to herein is that the dielectric hindrance is utilized to the extent that discharge structures are relatively widely fanned out with the obstructing dielectric Form arise. In these typical discharge structures prevail, at least predominantly, relatively low carrier concentrations, which are essential for the efficiency of the discharge lamp operation.
- lamp current increases in conventional structures are directly associated with an increase in the charge carrier concentrations in the individual discharge structures and thus worsen the efficiency of light generation.
- the invention is based on the basic idea of increasing the current in the discharge lamp by changing the total volume of the discharges, so that the current density in the individual discharge structures can remain essentially the same.
- This volume change of the discharges can basically be done in two different ways within the control length. In one case, an enlargement of a single discharge structure to a curtain-like wide-spread discharge structure is made. In the other case, several partial discharge structures are lined up within the control length, so that a variation of the number of these partial discharge structures within the control length changes the total volume of the discharges. The transition between the two described cases may also be fluent.
- the discharge structures span at least on the anode a finite length range along which the Endladungsausaus GmbHen change in the sense of the present invention location-dependent burning voltage.
- the strung individual discharge structures it is possible in each case to imagine a local mean value formation by each discharge structure, so that the mean values reflect the location dependence of the discharge structures.
- the location dependence of the discharge requirements is responsible for allowing the corresponding limit of the discharge structure to shift within the control length along the electrodes.
- the control length can be made relatively small in relation to the total size of the discharge lamp, ie the discharge lamp can be divided into a plurality of individual control lengths.
- a change in the discharge volume within the individual control lengths can then be compensated appropriately by averaging the generation of light, for example by diffusers, prism sheets or the like. This results in a total of a homogeneous character of the light generation, the change in performance by Current increase or decrease - for example, due to an increase or decrease in the voltage input - must not be associated with a clearly visible change in the discharge structures.
- the invention is directed to an electrode arrangement in which along the control length, the impact distance is changed monotonically at least in a local average.
- a quantitative restriction also applies to the relationship between the fluctuations of the impact distance, ie the difference between the maximum impact distance d max and minimum impact distance d min occurring within a control length, and the control length SL itself as the path length.
- the upper limit for this ratio is 0.6, preferably 0.5. Particularly preferred here is the value 0.4.
- the electrodes with sites (known per se) for local field amplification and thus localization of individual discharges.
- sites known per se
- the movement of individual Eniladungs devise between these locations, each with a discharge discharge for a sufficiently short discharge distance and other locations where the distance is sufficient only for the maintenance of a discharge, not readily possible. It may happen that the area between the locations of local field amplification also makes it impossible to maintain the discharge.
- the invention is preferably directed to the case that these local field amplification areas define a monotonously staggered series of different burning voltages within the control length.
- the firing voltage mentioned in claim 1 also correspond to the ignition voltage for a discharge can and not the minimum burn voltage for their maintenance.
- the term burning voltage must be understood adapted to the particular situation of the electrode assembly.
- the anode width determines the available for the discharge local anode surface and thus the discharge current.
- the discharge current depends on the residual ionization of the discharge medium remaining at the end of a dead time interval between two active power pulses, which determines the re-ignition probability and also the re-ignition voltage.
- a larger anode area and thus a larger-area distribution of the discharge current a smaller voltage drop on the dielectric and thus a larger electric field in the discharge medium result.
- anode width can also be present in connection with the described cathode projections and does not necessarily require substantially smooth cathodes.
- the invention relates to a curtain-like broadening of a discharge structure in the control length by a suitable electrode structure with monotonically location-dependent burning voltage.
- the invention is preferably directed to a dimming circuit for a discharge lamp with dielectrically impeded discharges.
- dimming is meant a power control, in which a certain dimming range can be passed through in a continuous manner or in at least approximately continuous manner by the power control.
- a discontinuous solution this means that there must be a greater number of local field amplification sites within the control lengths in order to make at least approximately continuous power adjustment within that selection of power levels.
- the steepness of an edge rise in pulsed active power injection can be influenced.
- This variant relates to a certain extent to the time derivative of the voltage applied to the lamp voltage in the region of the rise of the individual pulse.
- This is initially an empirical result of the development work that underlies this invention.
- a possible explanation for this control option is that with a steeper voltage increase and thus with a greater involvement of high-frequency Fourier components on the voltage curve, the high-frequency conductivity of the dielectric in particular over a low-frequency or DC conductivity is improved and thus the gas filling in the existing electric field is increased, as already explained in another context.
- a change in the electron energy distribution due to the time derivative of the electric field plays a role here.
- Another time parameter of the active power supply for influencing the burning voltage in the discharge lamp is the so-called dead time between the individual active power pulses, d. H. the time in which no discharge burns between individual pulses.
- d. H the time in which no discharge burns between individual pulses.
- the extent of the residual ionization in turn depends on the probability of re-ignition or the voltage required for re-ignition.
- pulse duration and the repetition frequency of the pulses to be mentioned as additional temporal parameters of the active power supply similar to that explained above can be used to control the power according to this invention.
- the discharge gap it is preferred according to the invention to work with a sinusoidal shape of at least one of the electrodes or with a sawtooth shape of at least one of the electrodes.
- the sinusoidal shape is free of peaks, d. H. consistently shaped around. Such spikes can lead to local field enhancement. This can be undesirable in some cases.
- the field reinforcements can facilitate an initial ignition. On the other hand, they lead - on an anode - to increased current densities and can thus worsen the efficiency of the discharge.
- the sinusoid has the advantage that it runs symmetrically from an extremum to two sides, d. H. allowing curtain-like mounting of a discharge structure in two directions simultaneously.
- the center of gravity of the discharge structure remains constant, which may be advantageous in terms of the external appearance of the discharge lamp.
- the sawtooth shape may of course also be rounded in view of the tip of the sawtooth which has just been mentioned as a possible disadvantage. Also, it may be symmetrical on both sides, but also asymmetrically, ie the sawtooth shape consists for example of a short steep and a long but less steep ramp. An essential point of the sawtooth shape is the linearity of the ramp, ie the linearity of the spatial dependence of the discharge distance.
- the control length has largely the same relationships between the outer engagement in an electrical parameter and the resulting widening of the discharge structure.
- Another preferred quantitative relationship between the minimum stroke distance d min and the maximum stroke distance d max within the same control length can be given as follows.
- a ratio of the minimum impact distance to the maximum impact distance of about 0.3, preferably 0.4 and 0.5, and below 0.9.
- control length does not necessarily have to correspond to the maximum possible distance between a minimum electrode spacing and maximum electrode spacing given by the geometric electrode structure.
- control length is meant in this case the actual extent of the electrode arrangement utilized by the power control according to the invention.
- electrode structures for example the already mentioned sine or sawtooth shapes, which can be "used” from two opposite sides.
- a particular portion of the sine of one possible discharge side and another portion of the other possible discharge side may be associated, generally of course the nearest portion, respectively.
- any layers located on the electrodes, in particular on the cathode are relatively smooth.
- any layers located on the electrodes, in particular on the cathode are relatively smooth.
- a reasonable quantitative limit is a granularity of 8 ⁇ m, from which it is possible to lower a discharge structure to the width on such a layer.
- smaller granularities of 5, 3 or 1 ⁇ m and below are more suitable. It can be assumed that the graininess is a fundamental problem of all layers and is not limited to phosphor layers.
- the phosphor layers are occasionally relatively coarse-grained. If, for certain reasons, there is no sufficiently fine-grained alternative to a phosphor layer, it is preferred in accordance with the invention to leave the cathode completely free of phosphorus, ie to omit it during the deposition of the phosphor. Other layers, such as fine-grained TiO 2 or Al 2 O 3 reflective layers, are not necessarily affected.
- a lamp is driven by bipolar voltage pulses, i. a voltage pulse generated by the ballast is followed by an inverse sign (polarity).
- the lamp here has a two-sided dielectric barrier, i. all electrodes are covered with a dielectric layer.
- the bipolar operating method is suitable in particular for the electrodes described here, which are similar in terms of their discharge physics and can take over the role of both a temporary anode and a cathode alternately in terms of time.
- An advantage of the bipolar operating method can be, for example, a symmetrization of the discharge conditions in the lamp.
- problems are particularly effectively avoided, for.
- ion migrations in the dielectric which can lead to blackening, or the efficiency of the discharge deteriorating space charge accumulations.
- ballast for the bipolar operating method is for example a modified flux converter into consideration.
- the modifications aim to provide direction reversal of the primary circuit current causing the voltage pulse in the secondary circuit in the transformer of the flux transformer. This is generally easier than corresponding electrotechnical Take measures to reverse direction on the secondary circuit side.
- the transformer can for this purpose have two primary-circuit side windings, which are each associated with one of the two current directions, that are used for a primary circuit current only one of the two directions.
- this can be done by using two clocking switches in the primary circuit, each clocking the current through an associated one of the two windings.
- each of the two current directions is assigned its own clock switch and its own primary-circuit-side winding of the transformer.
- ballast according to the invention When a ballast according to the invention is used on an AC power source, it may be advantageous to use two storage capacitors with respect to the two primary-circuit side current directions, which are alternately charged from the AC source in half-period fashion.
- the half-periods of one sign of one of the storage capacitors and the half-cycles of the other sign of the other storage capacitor are used. From these two storage capacitors then the currents for each direction can be removed. This can be done with the described double execution of the primary circuit winding of the transformer, but such is not really necessary here. Rather, a single primary-circuit side winding can be supplied alternately by respective switches of the two storage capacitors, each storage capacitor is associated with a respective current direction.
- a corresponding rectifier circuit can be used, the details of which are readily apparent to those skilled in the art.
- the invention is directed not only to an operating method for a corresponding discharge lamp but also to a lighting system, which designates a suitable set of a discharge lamp and a ballast.
- the ballast is designed with regard to the inventive method, d. H. in that the ballast has a power control device with which a suitable electrical parameter of the power supply of the discharge lamp can be influenced by the ballast in order to utilize the correspondingly designed electrode structure in the discharge lamp for a change of the discharge volume.
- FIG. 1 shows one above the other four times the same electrode arrangement of a straight strip-shaped cathode 1 and a sawtooth strip-shaped anode 2.
- a dielectric cover 4 is shown schematically on the anode 2.
- a period length of the strip structure of the anode 2 is shown as a control length SL.
- each control length contains a discharge structure 3.
- each control length SL is almost completely filled by four individual triangular discharges 3.
- this does not necessarily correspond to a discontinuous power control without the possibility of a continuous dimming operation, because in the intervals between the power stages, each with different discharge structure number also quite a continuous change in the performance of each discharge structure is possible.
- the largest impact distance d max is within each control length SL on the right edge and is only from the last of the strands within a control length stringing individual discharges 3 in the FIG. 1 reached in the example below.
- each with a discharge structure is still to be noted that this discharge structure 3 "attacks" each at a tip of the sawtooth, so their ignition is facilitated to the initial start of operation of the discharge lamp by the local field overshoot.
- the discharge structures 3 is predetermined and thus there is a certain Restionisation in the neighborhood, the corresponding ignition of the other illustrated discharge structures 3 is already facilitated.
- FIG. 1 Important for understanding this FIG. 1 is that the underlying four electrode pairs are not to be understood as a total electrode pattern, because then would also burn between the sawtooth anodes 2 and the strip-shaped cathode 1 of the neighboring structure also discharges. Rather, it is four individual representations of an illustrative greatly simplified embodiment.
- FIG. 2 On the other hand, there is an alternative in that the anodes 2 are sinusoidal in this example. In this case as well, initially triangular single discharges 3 are formed in the area of the minimum discharge gap.
- FIG. 3 shows in comparison to FIG. 2 the same electrode arrangement of a cathode 1 and two anodes 2, but here a higher power level is shown.
- FIGS. 2 and 3 As shown, there is no second or third individual discharge structure 3 besides those already in FIG. 2 identifiable added. Rather, the in figure 2 relatively narrow discharge structure 3 pulled like a curtain in the width and now covers both a larger length of the sinusoidal anode 2 and on the strip-shaped cathode first
- FIG. 3 it can be seen that the individual discharge structures 3 shown here on the anode 2 have already approximately reached the control length SL drawn in the left region.
- the same control length SL is in FIG. 2 only partially filled by the anode side of the discharge structure 3.
- FIG. 2 and FIG. 3 each show only a section of a larger electrode arrangement of alternating juxtaposed cathode strip 1 and anode strip 2. Therefore, the drawn control length SL does not correspond to the entire period length of the sine wave but only half the period length.
- the respective period halves with distances beyond the marked maximum discharge spacing d max to the cathodes 1 shown here are assigned to discharge structures to a further cathode 1, not shown.
- a low pressure can be, for example, a pressure below 80 Torr or below 60 Torr.
- a xenon pressure of 100 Torr was chosen.
- FIG. 4 Another example shows FIG. 4 , but with respect to the FIGS. 2 and 3 insofar as a permutation has been made, as here the cathodes 1 have a sinusoidal shape.
- This sinusoidal shape is in turn assigned to two anodes 2 lying on opposite sides of a sinusoidal cathode 1 at half-period lengths.
- the strip-shaped anodes 2 which are straight in this example each occur twice, so that each anode 2 carries discharges only on one side.
- the geometrical variables control length SL, minimum impact distance d min and maximum impact distance d max correspond to the example in FIGS. 2 and 3 ,
- FIG. 5 Another variant shows FIG. 5 wherein both the cathodes 1 and the anodes 2 are sinusoidal.
- the respective adjacent sine wave strips are phase-shifted from each other by half a period, so that they face each other with their maxima or minima, thus resulting in each case by the sinusoidal modulation of the discharge distance between the adjacent electrodes.
- each electrode in each case only half a period length occurs as a control length SL, so that the maximum impact distance d max does not correspond to the actually geometrically occurring maximum distance.
- FIG. 4 corresponding concrete embodiment finally shows FIG. 6 .
- 6 is a glass base plate of a flat radiator, ie a flat-shaped discharge lamp with dielectrically impeded discharges with two glass plates as Hauptbegrenzungshuntn shown.
- On this bottom plate 6 of the flat radiator is an electrode pattern according to FIG. 4 applied as a metal screen print pattern.
- the actual electrodes 1 and 2 are located within a frame 7, which connects the bottom plate 6 shown with a cover plate, not shown, and seals the discharge volume to the outside. In this case, the electrode strips are guided in an extension with respect to their sections within their discharge volume just below the seal 7 of the glass soldering frame.
- each of the electrode types 1 and 2 is commonly connected to a bus-type outer conductor 8 at the cathodes and 9 at the anodes.
- a dielectric of 0.6 mm thickness was used, namely a soft glass layer. 250 microns thickness were used in the examples of the Figures 2-6 , this being glass solder.
- the minimum impact widths d min the maximum impact widths d max and the control length were applied in the exemplary embodiments according to FIG FIG. 1 , according to the FIGS. 2 and 3 , according to the FIGS. 4 and 6 and according to the FIG. 5 the following values (in mm): example d min d max SL FIG. 1 10 12 31 FIGS. 2 and 3 5 8th 8th FIG. 4 and 6 4 6 9 FIG. 5 5 9 9
- the control of the power in the respective discharge lamps was done by varying the voltage amplitude of the pulsed power supply.
- FIG. 7 schematically shows the electrode structure of another flat radiator according to the invention, which is also designed for the bipolar Radiostage. Therefore, the entire electrode structure, consisting of a first type of electrodes 10 of a first polarity and a second type of electrodes 11 of a second polarity, covered with a glass solder layer (not shown) of thickness about 150 microns (two-sided dielectrically impeded discharge).
- the first type of electrodes 10 consists of a series of electrode strips arranged in pairs, with all electrode pairs being connected to one another, ie lying at the same electrical potential. Each pair consists of two mirror-image sawtooth-like electrode strips. Each "saw tooth" of these electrodes has a long flat and a short steep ramp.
- the long ramp acts as a control length.
- the second type of electrode 11 comprises line-like electrode strips, which are also arranged in pairs between the electrode pairs of the first kind. In addition, all line-like electrode strips are oriented parallel to each other and connected to each other, ie they are at the same electrical potential.
- the minimum distance between the sawtooth-like electrode strip and the next adjacent line-like electrode strip, ie between a "sawtooth” and the next adjacent line electrode is about 3 mm, the maximum distance, ie between a "notch” and the next adjacent line electrode, about 5 mm.
- the discharge vessel (not shown) of the flat radiator is similar to the embodiment in FIG FIG. 6 formed by a floor and a front plate and a frame.
- the plates are made of glass of thickness 2 mm and dimensions 105 mm by 137 mm.
- the frame height and width are each 5 mm.
- a light-reflecting layer of Al 2 O 3 or TiO 2 is applied on the bottom plate and the frame. This is followed by a three-band phosphor layer on all inner surfaces.
- a voltage pulse frequency of 80 kHz leaves control the number of delta-shaped partial discharges between each "sawtooth" and the next adjacent line electrode with the peak voltage as a control variable.
- a peak voltage of 1.35 kV corresponding to an average power consumption of 3.5 W, a partial discharge in each case burns between the tip of each sawtooth and the next adjacent line electrode.
- FIG. 8 schematically shows a variant of the electrode structure FIG. 7 , It is different from the one in FIG. 7 essentially in that the second type of electrode, ie the line-like electrode strips, is missing here.
- the sawtooth-like electrode strips are combined into two groups 12, 13 in such a way that, in pairs, two mirror-inverted electrodes of different polarity face one another.
- a power increase as in the description to FIG.
- FIG. 9 shows a schematic circuit diagram of a ballast, which is designed for the bipolar operating method variant.
- external voltage pulses of alternating polarity are applied to the dielectrically impeded discharge lamp L, for example from the one in FIG. 7 or 8 described type, created.
- the transformer T has two primary windings, which in FIG. 9 drawn with opposite winding sense. Each of the primary windings is electrically connected in series with an associated switching transistor T Q with its own control device SE.
- the two control devices can also be understood as two functions of a uniform control device; is to be symbolized only that the two primary windings are not clocked together, but alternately.
- FIG. 10 shows corresponding real curves of the outer lamp voltage U L and the lamp current I L.
- the measured external lamp voltage U L is composed of the voltage of the actual Pulse and the voltage of the natural oscillation of the secondary circuit. The latter, however, has at least no decisive influence on the discharge. Decisive are rather the actual voltage pulses, which cause the corresponding lamp current pulses of the ignition and the backfire and finally in the already in the WO 94/23442 revealed active power pulse operation result. Both the ignition pulses of the external lamp voltage and the lamp current pulses of the ignition and the reignition can be seen that it is a bipolar operating method.
Landscapes
- Vessels And Coating Films For Discharge Lamps (AREA)
- Circuit Arrangements For Discharge Lamps (AREA)
- Lighting Device Outwards From Vehicle And Optical Signal (AREA)
- Discharge-Lamp Control Circuits And Pulse- Feed Circuits (AREA)
Description
- 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.
- 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 derDE-A-19718 395 dargestellte Kopierlampe mit innenliegenden Elektroden sowie die in der deutschen Anmeldung198 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 - 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. - 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 dmax zwischen den Elektroden in der Steuerlänge und einer minimalen Schlagweite dmin zwischen den Elektroden in der Steuerlänge zu dieser Steuerlänge gilt: (dmax - dmin)/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 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 dmax und minimalen Schlagweite dmin, 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 dmin und der maximalen Schlagweite dmax 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.
- 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 nachFigur 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 dmin bezeichnet.
- Die jeweils größte Schlagweite dmax 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 zuFigur 2 die gleiche Elektrodenanordnung aus einer Kathode 1 und zwei Anoden 2, jedoch ist hier eine höhere Leistungsstufe dargestellt. Bei dem in denFiguren 2 und 3 dargestellten Beispiel hat sich nun nicht eine zweite oder dritte einzelne Entladungsstruktur 3 neben die bereits inFigur 2 erkennbare hinzuaddiert. Vielmehr hat sich die inFigur 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 inFigur 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 dmax 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 denFiguren 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 dmin und maximale Schlagweite dmax entsprechen dem Beispiel inFigur 2 und 3 . Zu der Technik der doppelten Anodenausführung wird verwiesen auf die deutsche Anmeldung197 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 dmax 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 schließlichFigur 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 gemäßFigur 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 denFiguren 2-6 , wobei es sich hier um Glaslot handelte. Für die minimalen Schlagweiten dmin, die maximalen Schlagweiten dmax und die Steuerlänge galten in den Ausführungsbeispielen gemäßFigur 1 , gemäß denFiguren 2 und 3 , gemäß denFiguren 4 und6 und gemäß derFigur 5 folgende Werte (in mm):Beispiel dmin dmax SL Figur 1 10 12 31 Figur 2 und 3 5 8 8 Figur 4 und6 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) inFigur 1 entsprechen.Anzahl der Einzelentladungen pro Steuerebene Spannung U (V)
bei f = 55 kHzFrequenz f (kHz)
bei U = 2,8 kVFigur 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 inFigur 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 ausFigur 7 . Sie unterscheidet sich von derjenigen inFigur 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 zuFigur 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 vonFigur 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 inFigur 7 oder 8 beschriebenen Typ, angelegt. Dazu weist der Transformator T zwei Primärwicklungen auf, die inFigur 9 mit entgegengesetztem Wicklungssinn eingezeichnet sind. Jede der Primärwicklungen liegt elektrisch in Reihe mit einem zugeordneten Schalttransistor TQ 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 ausFigur 1 die Baugruppe aus der Primärwicklung W1, dem Schalter TQ und der Steuereinrichtung SE doppelt ausgeführt, wobei durch den Wicklungssinn eine Vorzeichenumkehr bewirkt ist. -
Figur 10 zeigt entsprechende reale Meßkurven der äußeren Lampenspannung UL und des Lampenstromes IL. Hier ist zu beachten, daß die gemessene äußere Lampenspannung UL 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 derWO 94/23442
Claims (30)
- 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 dmax zwischen den Elektroden (1, 2) in der Steuerlänge (SL) und einer minimalen Schlagweite dmin zwischen den Elektroden (1, 2) in der Steuerlänge (SL) zu dieser Steuerlänge (SL) gilt: (dmax - dmin)/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: (dmax - dmin)/SL ≤ 0,5, besonders bevorzugterweise (dmax - dmin)/SL ≤0,4.
- Betriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem für das quantitative Verhältnis der minimalen Schlagweite dmin und der maximalen Schlagweite dmax zwischen den Elektroden (1, 2) in derselben Steuerlänge (SL) gilt: 0,3 < dmin/dmax < 0,9, vorzugsweise 0,4 < dmin/dmax < 0,9, besonders bevorzugterweise 0,5 < dmin/dmax < 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 (UL) mit von Spannungspuls zu Spannungspuls alternierendem Vorzeichen anzulegen.
- Betriebsverfahren nach Anspruch 25, bei dem die Richtung des primärkreisseitigen Stromes (IW1) 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 (TQ) 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 dmax zwischen den Elektroden (1, 2) in der Steuerlänge (SL) und einer minimalen Schlagweite dmin zwischen den Elektroden (1, 2) in der Steuerlänge (SL) zu dieser Steuerlänge (SL) gilt (dmax - dmin)/SL ≤ 0,6,
und das Vorschaltgerät eine Leistungssteuereinrichtung zum Steuern der Leistung der Entladungslampe durch Veränderung eines elektrischen Parameters der Leistungsversorgung der Entladungslampe aufweist.
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