EP1647165A1 - Betriebsverfahren für eine hochdruckentladungslampe - Google Patents

Betriebsverfahren für eine hochdruckentladungslampe

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EP1647165A1
EP1647165A1 EP04762413A EP04762413A EP1647165A1 EP 1647165 A1 EP1647165 A1 EP 1647165A1 EP 04762413 A EP04762413 A EP 04762413A EP 04762413 A EP04762413 A EP 04762413A EP 1647165 A1 EP1647165 A1 EP 1647165A1
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EP
European Patent Office
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lamp
frequency
pressure discharge
operating method
discharge lamp
Prior art date
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Ceased
Application number
EP04762413A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus Günther
Thomas Hartmann
Günter HIRSCHMANN
Bernhard Siessegger
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Osram GmbH
Original Assignee
Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
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Publication date
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    • Y02B20/00—Energy efficient lighting technologies, e.g. halogen lamps or gas discharge lamps

Definitions

  • the invention relates to an operating method for a high-pressure discharge lamp according to the preamble of patent claim 1.
  • the published patent application EP 0 708 579 AI discloses an operating method for a high-pressure discharge lamp, in which the lamp is operated with a frequency-modulated alternating current.
  • a metal halide high-pressure discharge lamp is operated with a frequency-modulated alternating current in order to excite acoustic resonances in a controlled manner to straighten the discharge arc, which is caused by convection.
  • Patent specification EP 0 626 799 B1 describes the operation of a high-pressure discharge lamp with an alternating current, the frequency of which is tuned to a radial acoustic resonance in order to straighten the discharge arc which is curved due to convection.
  • the frequency modulation of the lamp current in accordance with the above-cited published documents requires a considerable amount of circuitry.
  • the operation of the high-pressure discharge lamp with an alternating current, the frequency of which is matched to a radial acoustic resonance, is also complex because, because of the manufacturing tolerances, a frequency tuning on the operating device is required for each lamp.
  • the operation of the high-pressure discharge lamp with a rectangular current has the disadvantage that at high lamp currents, such as those are required for the operation of mercury-free metal halide high-pressure discharge lamps, not inconsiderable power loss occurs in the transistor switches and a comparatively high amount of radio interference is required due to broadband interference signals that are caused by the lamp.
  • the operating method according to the invention is suitable for high-pressure discharge lamps, the discharge vessel of which surrounds a discharge space of essentially cylindrical geometry and in which electrodes and an ionizable filling for producing a light-emitting gas discharge are arranged, the aspect ratio, that is to say the quotient of the electrode spacing and inner diameter of the discharge vessel, preferably greater than 0.86 and particularly preferably even greater than 2.
  • a discharge space of essentially cylindrical geometry is understood to mean that the inner wall of the discharge vessel is cylindrical, at least in the region of the gas discharge. According to the invention, such a high-pressure discharge lamp is operated with an essentially sinusoidal current at a frequency which is in a frequency range above 30 kilohertz and which is free of acoustic resonances.
  • a high-pressure discharge lamp with the features described above in contrast to high-pressure discharge lamps with spherical or elliptical discharge vessels, have relatively large frequency ranges above 30 • kilohertz, which are free from acoustic resonances and for the stable Operation of the high pressure discharge lamp can be used.
  • the high-pressure discharge lamp is therefore operated according to the invention with an essentially sinusoidal alternating current at a predeterminable frequency in such a frequency window without frequency modulation of the lamp current.
  • the operating device can be considerably simplified by the operating method according to the invention. Compared to the operating method according to the published patent applications EP 0 708 579 AI and EP 0 386 990 A2, the part of the operating device required for frequency modulation is omitted.
  • the operating method according to the invention allows less effort in radio interference suppression and less power loss at higher lamp currents, because the lamp does not generate any significant broadband interference signals with a sinusoidal lamp current.
  • the high-pressure discharge lamp is preferably operated with a sinusoidal alternating current, the frequency of which lies in a frequency range between two adjacent acoustic resonances.
  • a frequency range between two adjacent basic frequencies of acoustic resonances is particularly preferred, since when operating with a frequency from a correspondingly low frequency range for the lamp current, the ignition circuit and the radio interference suppression of the operating device can be designed in a simple manner.
  • the aforementioned, resonance-free frequency range is wide enough to perform a power control of the high-pressure discharge lamp by changing the frequency of the lamp current.
  • the high-pressure discharge lamp is preferably operated immediately after the ignition of the gas discharge with a power which is higher than the rated power, by applying a sinusoidal alternating current to the high-pressure discharge lamp, the frequency of which is reduced in comparison with the frequency of the lamp alternating current during the stationary operating state.
  • a different, for example a higher, frequency is set for the lamp current than during the ignition phase.
  • the figure shows a schematic representation of a high-pressure discharge lamp which is suitable for the operating method according to the invention and on the basis of which the operating method according to the invention is described by way of example.
  • This lamp is a mercury-free high-pressure discharge lamp with a power consumption of 25 watts to 35 watts, which is intended for use in a motor vehicle headlight.
  • the discharge vessel 1 of this lamp has a tubular, cylindrical middle section 10, which consists of sapphire.
  • the open ends of section 10 are each closed by a ceramic closure piece 11 or 12 made of polycrystalline aluminum oxide.
  • the inner diameter of the circular cylindrical section 10 is 1.5 millimeters.
  • Two electrodes 2, 3 are arranged in the longitudinal axis of the discharge vessel 1, so that their discharge-side ends protrude into the interior of the central, cylindrical section 10 and are at a distance of 4.2 millimeters.
  • the ionizable filling enclosed in the discharge vessel 1 consists of xenon with a cold filling pressure of 5000 hectopascals and a total of 4 milligrams of the iodides of sodium, dysprosium, holmium, thulium and thallium.
  • the electrodes 2 and 3 are each connected to an electrical connection 16 and 17 of the lamp base 15 via a power supply 4 and 5, respectively.
  • the discharge vessel 1 is surrounded by a translucent outer bulb 14.
  • the acoustic resonance frequencies of the high-pressure discharge lamp can be calculated from the electrode spacing, the inner diameter of the cylindrical section 10 and from the speed of sound in the discharge medium, which is approximately 560 m / s.
  • the fundamental frequency of the longitudinal acoustic resonance is 70 kilohertz.
  • the basic frequency of the azimuthal acoustic resonance is 230 kilohertz and the basic frequency of the radial acoustic resonance is 476 kilohertz. This means that the fundamental frequency of the aforementioned acoustic resonances in the discharge space is in each case caused by an alternating current with a frequency frequency that is half as large as that of the aforementioned resonances would be excited.
  • the high-pressure discharge lamp is operated with a sinusoidal alternating current, the frequency of which lies either in the frequency range from 50 kilohertz to 100 kilohertz or in the frequency range from 150 kilohertz to 200 kilohertz, for example with a sinusoidal alternating current of 75 kilohertz or 175 kilohertz.
  • the first-mentioned frequency range thus lies between the fundamental frequency of the longitudinal acoustic resonance, which is excited by an alternating current of 35 kilohertz, and the fundamental frequency of the azimuthal acoustic resonance, which is excited by an alternating current of 115 kilohertz.
  • the second frequency range lies between the fundamental frequency of the azimuthal acoustic resonance, which is excited by an alternating current of 115 kilohertz, and the fundamental frequency of the radial acoustic resonance, which is excited by an alternating current of 238 kilohertz.
  • the operating voltage of the high-pressure discharge lamp is approximately 30 volts to 50 volts and the effective value of the sinusoidal lamp current is approximately 0.6 amperes.
  • the color temperature of the light emitted by the lamp is approximately 4000 Kelvin and the color rendering index is approximately 70.
  • the operating method according to the invention can also be applied to the high-pressure discharge lamp disclosed in the published patent application DE 103 12 290. be applied.
  • This lamp is a mercury-free metal halide high-pressure discharge lamp with an electrical power consumption of approximately 35 watts.
  • This lamp is intended for use in a vehicle headlight. It has a two-sided sealed discharge vessel 30 made of quartz glass with a volume of 24 mm 3 , in which an ionizable filling is enclosed gas-tight and which is surrounded by an outer bulb. In the area of the discharge space, the inner contour of the discharge vessel is circular-cylindrical and its outer contour is ellipsoidal.
  • the inside diameter of the discharge space is 2.6 mm and its outside diameter is 6.3 mm.
  • the distance between the two lamp electrodes is 4.2 mm.
  • the ionizable filling enclosed in the discharge vessel consists of xenon with a cold filling pressure of 11800 hPa, 0.25 mg sodium iodide, 0.18 mg scandium iodide, 0.03 mg zinc iodide and 0.0024 mg indium iodide.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für eine Hochdruckentladungslampe mit einem lichtdurchlässigen Entladungsgefäß (1), das einen Entladungsraum (10) im wesentlichen zylindrischer Geometrie umschließt, in dem Elektroden (2, 3) und eine ionisierbare Füllung zum Erzeugen einer lichtemittierenden Gasentladung angeordnet sind, wobei das Aspektverhältnis größer als 0,86 ist. Erfindungsgemäß wird die Hochdruckentladungslampe mit einem im wesentlichen sinusförmigen Strom bei einer vorgebbaren Frequenz, die in einem Frequenzbereich oberhalb von 30 Kilohertz liegt und der frei von akustischen Resonanzen ist, betrieben.

Description

Betriebsverfahren für eine Hochdruckentladungslampe
Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für eine Hochdruckentladungslampe gemäß des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
I. Stand der Technik
Die Offenlegungsschrift EP 0 708 579 AI offenbart ein Betriebsverfahren für eine Hochdruckentladungslampe, bei dem die Lampe mit einem frequenzmodulierten Wechselstrom betrieben wird.
Gemäß der Offenlegungsschrift EP 0 386 990 A2 wird eine Metallhalogenid-Hoch- druckentladungslampe mit einem frequenzmodulierten Wechselstrom betrieben, um in kontrollierter Weise akustische Resonanzen zur Begradigung des konvektionsbe- dingt gekrümmten Entladungsbogens anzuregen.
Die Patentschrift EP 0 626 799 Bl beschreibt den Betrieb einer 'Hochdruckentladungslampe mit einem Wechselstrom, dessen Frequenz auf eine radiale akustische Resonanz abgestimmt ist, um den konvektionsbedingt gekrümmten Entladungsbogen zu begradigen.
Bekannt ist auch der Betrieb einer Hochdruckentladungslampe mit einem rechteck- förmigen Strom von ca. 500 Hertz.
Die Frequenzmodulation des Lampenstroms gemäß der oben zitierten Offenlegungs- schriften erfordert einen erheblichen schaltungstechnischen Aufwand. Der Betrieb der Hochdruckentladungslampe mit einem Wechselstrom, dessen Frequenz auf eine radiale akustische Resonanz abgestimmt ist, ist ebenfalls aufwendig, weil wegen der Fertigungstoleranzen für jede Lampe eine Frequenzabstimmung an dem Betriebsgerät erforderlich ist. Der Betrieb der Hochdruckentladungslampe mit einem rechteck- förmigen Strom hat den Nachteil, dass bei hohen Lampenströmen, wie sie beispiels- weise zum Betrieb von quecksilberfreien Metallhalogenid-Hochdruckentladungs- lampen benötigt werden, nicht unerhebliche Verlustleistung in den Transistorschaltern auftreten und ein vergleichsweise hoher Aufwand bei der Funkentstörung erforderlich ist, aufgrund breitbandiger Störsignale, die von der Lampe verursacht wer- den.
II. Darstellung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein vereinfachtes Betriebsverfahren für eine gattungsgemäße Hochdruckentladungslampe bereitzustellen, das einen stabilen Lampenbetrieb, ohne Störung durch akustische Resonanzen im Entladungsmedium ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
Das erfindungsgemäße Betriebs verfahren ist geeignet für Hochdruckentladungslampen, deren Entladungsgefäß einen Entladungsraum von im wesentlichen zylindri- scher Geometrie umschließt und in dem Elektroden sowie eine ionisierbare Füllung zum Erzeugen einer lichtemittierenden Gasentladung angeordnet sind, wobei das Aspektverhältnis, das heißt, der Quotient von Elektrodenabstand und Innendurchmesser des Entladungsgefäßes, vorzugsweise größer als 0,86 und besonders bevorzugt sogar größer als 2 ist. Unter einem Entladungsraum von im wesentlichen zylind- rischer Geometrie wird verstanden, dass die Innenwand des Entladungsgefäßes zumindest im Bereich der Gasentladung zylindrisch ausgebildet ist. Erfindungsgemäß wird eine derartige Hochdruckentladungslampe mit einem im wesentlichen sinusförmigen Strom bei einer Frequenz, die in einem Frequenzbereich oberhalb von 30 Kilohertz liegt und der frei von akustischen Resonanzen ist, betrieben. Es hat sich gezeigt, dass eine Hochdruckentladungslampe mit den oben beschriebenen Merkmalen, im Gegensatz zu Hochdruckentladungslampen mit sphärischen oder elliptischen Entladungsgefäßen, relative große Frequenzbereiche oberhalb von 30 • Kilohertz aufweisen, die frei von akustischen Resonanzen sind und für den stabilen Betrieb der Hochdruckentladungslampe nutzbar sind. Die Hochdruckentladungslampe wird daher erfindungsgemäß mit einem im wesentlichen sinusförmigen Wechselstrom bei einer vorgebbaren Frequenz in einem derartigen Frequenzfenster ohne Frequenzmodulation des Lampenstroms betrieben. Durch das erfindungsgemäße Be- triebsverfahren kann das Betriebsgerät erheblich vereinfacht werden. Gegenüber den Betriebsverfahren gemäß der Offenlegungsschriften EP 0 708 579 AI und EP 0 386 990 A2 entfällt der für die Frequenzmodulation erforderlich Teil des Betriebgerätes. Im Nergleich zu dem oben erwähnten Betrieb der Hochdruckentladungslampe mit einem rechteckförmigen Strom erlaubt das erfindungsgemäße Be- triebsverfahren einen geringeren Aufwand bei der Funkentstörung und geringere Verlustleistung bei höheren Lampenströmen, weil die Lampe bei einem sinusförmigen Lampenstrom keine nennenswerten breitbandigen Störsignale generiert.
Vorzugsweise wird die Hochdruckentladungslampe mit einem sinusförmigen Wechselstrom betrieben, dessen Frequenz in einem Frequenzbereich zwischen zwei be- nachbarten akustischen Resonanzen liegt. Besonders bevorzugt ist ein Frequenzbereich zwischen zwei benachbarten Grundfrequenzen akustischer Resonanzen, da bei dem Betrieb mit einer Frequenz aus einem entsprechend tiefen Frequenzbereich für den Lampenstrom die Zündschaltung und die Funkentstörung des Betriebgerätes einfach ausgebildet werden können.
Der vorgenannte, resonanzfreie Frequenzbereich ist breit genug, um eine Leistungsregelung der Hochdruckentladungslampe über eine Änderung der Frequenz des Lampenstroms durchzuführen. Vorzugsweise wird die Hochdruckentladungslampe unmittelbar nach der Zündung der Gasentladung mit einer gegenüber der Nennleistung erhöhten Leistung betrieben, indem die Hochdruckentladungslampe mit einem sinusförmigen Wechselstrom beaufschlagt wird, dessen Frequenz im Vergleich zur Frequenz des Lampenwechselstroms während des stationären Betriebszustands reduziert ist. Während des stationären Betriebszustands der Hochdruckentladungslampe, der erreicht ist, wenn alle Komponenten der ionisierbaren Füllung ihren Gleichgewichtsdampfdruck erreicht haben, wird für den Lampenstrom eine andere, beispiels- weise eine höhere Frequenz eingestellt als während der Zündphase. III. Beschreibung des bevorzugten Ausfuhrungsbeispiels
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Die Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Hochdruckentladungslampe, die für das erfindungsgemäße Betriebsverfahren geeignet ist und anhand der das erfindungsgemäße Betriebsverfahren exemplarisch beschrieben wird.
Bei dieser Lampe handelt es sich um eine quecksilberfreie Hochdruckentladungslampe mit einer Leistungsaufnahme von 25 Watt bis 35 Watt, die zum Einsatz in einem Kraftfahrzeugscheinwerfer vorgesehen ist. Das Entladungsgefäß 1 dieser Lampe weist einen rohrförmigen, zylindrischen mittleren Abschnitt 10, der aus Saphir besteht. Die offenen Enden des Abschnitts 10 sind jeweils durch ein keramisches Verschlussstück 11 bzw. 12 aus polykristallinem Aluminiumoxid verschlossen. Der Innendurchmesser des kreiszylindrischen Abschnitts 10 beträgt 1,5 Millimeter. In der Längsachse des Entladungsgefäßes 1 sind zwei Elektroden 2, 3 angeordnet, so dass ihre entladungsseitigen Enden in den Innenraum des mittleren, zylindrischen Abschnitts 10 hineinragen und einen Abstand von 4,2 Millimeter besitzen. Die im Entladungsgefäß 1 eingeschlossene ionisierbare Füllung besteht aus Xenon mit einem Kaltfülldruck von 5000 Hektopascal und insgesamt 4 Milligramm der Jodide von Natrium, Dysprosium, Holmium, Thulium und Thallium. Die Elektroden 2 bzw. 3 sind jeweils über eine Stromzuführung 4 bzw. 5 mit einem elektrischen Anschluss 16 bzw. 17 des Lampensockels 15 verbunden. Das Entladungsgefäß 1 ist von einem lichtdurchlässigen Außenkolben 14 umgeben.
Aus dem Elektrodenabstand, dem Innendurchmesser des zylindrischen Abschnitts 10 und aus der Schallgeschwindigkeit im Entladungsmedium, die ca. 560 m/s beträgt, können die akustischen Resonanzfrequenzen der Hochdruckentladungslampe berechnet werden. Die Grundfrequenz der longitudinalen akustischen Resonanz liegt bei 70 Kilohertz. Die Grundfrequenz der azimutalen akustischen Resonanz liegt bei 230 Kilohertz und die Grundfrequenz der radialen akustischen Resonanz liegt bei 476 Kilohertz. Das bedeutet, dass die Grundfrequenz der vorgenannten akustischen Resonanzen im Entladungsraum jeweils durch einen Wechselstrom mit einer Fre- quenz, die halb so groß ist, wie die der vorgenannten Resonanzen angeregt werden würde. Aufgrund des großen Aspektverhältnisses von 2,8 und des geringen Innendurchmessers liegen die akustischen Resonanzen weit auseinander. Zwischen den vorgenannten akustischen Resonanzen liegt jeweils ein resonanzfreier Frequenzbe- reich, in dem ein stabiler Lampenbetrieb ohne Frequenzmodulation des Lampenwechselstroms möglich ist. Die Hochdruckentladungslampe wird mit einem sinusförmigen Wechselstrom betrieben, dessen Frequenz entweder in dem Frequenzbereich von 50 Kilohertz bis 100 Kilohertz oder in dem Frequenzbereich von 150 Kilohertz bis 200 Kilohertz liegt, beispielsweise mit einem sinusförmigen Wechselstrom von 75 Kilohertz oder 175 Kilohertz. Der erstgenannte Frequenzbereich liegt damit zwischen der Grundfrequenz der longitudinalen akustischen Resonanz, die durch eine Wechselstrom von 35 Kilohertz angeregt wird, und der Grundfrequenz der azimutalen akustischen Resonanz, die durch einen Wechselstrom von 115 Kilohertz angeregt wird. Der zweitgenannte Frequenzbereich liegt zwischen der Grundfre- quenz der azimutalen akustischen Resonanz, die durch einen Wechselstrom von 115 Kilohertz angeregt wird, und der Grundfrequenz der radialen akustischen Resonanz, die durch einen Wechselstrom von 238 Kilohertz angeregt wird.
Weitere resonanzfreie Frequenzbereiche, die einen stabilen Lampenbetrieb ermöglichen, existieren zwischen den ersten Oberwellen der vorgenannten akustischen Re- sonanzen, die bei den Frequenzen 140 Kilohertz (1. Oberwelle der longitudinalen akustischen Resonanz), 460 Kilohertz (1. Oberwelle der azimutalen akustischen Resonanz) und 952 Kilohertz (1. Oberwelle der radialen akustischen Resonanz) liegen und jeweils durch einen Wechselstrom der halben Frequenz angeregt werden.
Die Brennspannung der Hochdruckentladungslampe beträgt ca. 30 Volt bis 50 Volt und der Effektivwert des sinusförmigen Lampenstroms ungefähr 0,6 Ampere. Die Farbtemperatur des von der Lampe emittierten Lichts beträgt ungefähr 4000 Kelvin und der Farbwiedergabeindex beträgt ungefähr 70.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das oben näher erläuterte Ausführungsbeispiel. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Betriebsverfahren auch auf die in der .Offenlegungsschrift DE 103 12 290 offenbarten Hochdruckentladungslampe ange- wendet werden. Bei dieser Lampe handelt es sich um eine quecksilberfreie Halogen- Metalldampf-Hochdruckentladungslampe mit einer elektrischen Leistungsaufnahme von ungefähr 35 Watt. Diese Lampe ist für den Einsatz in einem Fahrzeugscheinwerfer vorgesehen. Sie besitzt ein zweiseitig abgedichtetes Entladungsgefäß 30 aus Quarzglas mit einem Volumen von 24 mm3, in dem eine ionisierbare Füllung gasdicht eingeschlossen ist und das von einem Außenkolben umgeben ist. Im Bereich des Entladungsraumes ist die Innenkontur des Entladungsgefäßes kreiszylindrisch und seine Außenkontur ellipsoidförmig ausgebildet. Der Innendurchmesser des Entladungsraumes beträgt 2,6 mm und sein Außendurchmesser beträgt 6,3 mm. Der Abstand zwischen den beiden Lampenelektroden beträgt 4,2 mm. Die in dem Entladungsgefäß eingeschlossene ionisierbare Füllung besteht aus Xenon mit einem Kaltfülldruck von 11800 hPa, 0,25 mg Natriumjodid, 0,18 mg Scandiumjodid, 0,03 mg Zinkjodid und 0,0024 mg Indiumjodid.

Claims

Patentansprüche
1. Betriebsverfahren für eine Hochdruckentladungslampe mit einem lichtdurchlässigen Entladungsgefäß (1), das einen Entladungsraum (10) im wesentlichen zylindrischer Geometrie umschließt, in dem Elektroden (2, 3) und eine ionisierbare Füllung zum Erzeugen einer lichtemittierenden Gasentladung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckentladungslampe mit einem im wesentlichen sinusförmigen Strom bei einer Frequenz, die in einem Frequenzbereich oberhalb von 30 Kilohertz liegt und der frei von akustischen Resonanzen ist, betrieben wird.
2. Betriebsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fre- quenzbereich zwischen zwei benachbarten akustischen Resonanzfrequenzen liegt.
3. Betriebsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzbereich zwischen zwei benachbarten Grundfrequenzen akustischer Resonanzen liegt.
4. Betriebsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckentladungslampe unmittelbar nach dem Zünden der Gasentladung mit einer ersten, höheren Leistung und nach dem Erreichen des stationären Betriebszustandes mit einer zweiten, geringeren Leistung betrieben wird, wobei zum Einstellen der ersten, höheren Leistung die Frequenz des Stroms durch die Lampe auf einen ersten Wert aus dem Frequenzbereich eingestellt wird, und wobei zum Einstellen der zweiten, geringeren Leistung die Frequenz des Stroms durch die Lampe auf einen anderen, zweiten Wert aus dem Frequenzbereich eingestellt wird.
EP04762413A 2003-07-23 2004-07-19 Betriebsverfahren für eine hochdruckentladungslampe Ceased EP1647165A1 (de)

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KR (1) KR20060035780A (de)
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