HU182651B

HU182651B - Method for operating miniature high-pressure metal-vapour discharge lamp and miniature high-pressure lamp arrangement

Info

Publication number: HU182651B
Application number: HU78GE1055A
Authority: HU
Inventors: John M Davenport
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 1977-12-27
Filing date: 1978-12-12
Publication date: 1984-02-28
Also published as: BE873007A; MX145681A; FR2413845B1; GB2013394A; AR218941A1; ATA799378A; IT7831043A0; IT1102338B; NL187552C; US4170746A; JPS5491971A; PL118219B1; NL187552B; FR2413845A1; JPS6325480B2; NL7811622A; PL212190A1; DE2847840C2; CA1115766A; GB2013394B

Description

A találmány tárgya eljárás miniatűr nagynyomású fémgőz kisüléses lámpa működtetésére és miniatűr nagynyomású lámpaelrendezés, ahol a lámpák kisülési térfogata 1 cm³-nél kezdődik és ennek egy töredékéig csökkenthető, és a lámpák előnyösen fém-halogenid töltésnek.

A 730454 számú NSZK szabadalomban olyan nagynyomású kisüléses lámpákat ismertetnek, amelyek mérete sokkal kisebb, mint amit korábban praktikusnak találtak, azaz a lámpák kisüléses térfogata 1 cm³vagy ennél kisebb volt. A maximális hatékonyságot biztosító kiképzés mellett ezek a nagy intenzitású lámpák nagyjából gömbalakú, keskenyfalú ívkamrákkal voltak ellátva, ahol a kamra alakja a kissé benyomott formától a lényegében hosszúkás alakig változott. A hatásfokészrevehetően javult, ha a fémgőz nyomását 5-10⁵ Pa-nál nagyobb értékre választották, sőt ezt a nyomást a méretek csökkentésével tovább lehetett fokozni. Az ilyen lámpák használatakor a nagy nyomással rendszerint együttjáró konvekciós ív instabilitás nem lépett fel, és a robbanás csekély bekövetkezési valószínűsége észrevehető veszélyt nem jelentett. A gyakorlatban kivitelezett lámpák teljesítményvagy méret-tartománya mintegy 100 wattnál kezdődött és egészen 10 watt alatti értékig lement, és a lámpák általános jellemzőit, beleértve a színvisszaadást, hatásfokot, a kezelhetőséget és az élettartamot, alkalmassá tették általános világítási célokra való felhasználásukat.

Az ilyen nagynyomású miniatűr fémgőz lámpáknál egy kevésbé előnyös tulajdonság, a gyors deionizáció jelentkezett. 60 Hz-es váltakozó áramú hálózatról működtetve a félperiódusok között majdnem teljes deionizáció volt, és így a ballaszt-áramkörnek nagyon nagy újragyújtó feszültséget kellett előállítania. Különösen fém-halogenid lámpáknál, azok bemelegedése alatt, az ív-gyújtást követő első néhány másodpercben az újragyújtási feszültség különösen magas értékeket vesz fel. A miniatűr fém-halogenid lámpáknak az alacsony frekvenciás működtetésével kapcsolatos ezen deionizációs korlátái miatt a hagyományos 60 Hz-es ballaszt-áramkörök felhasználása számos hátránnyal járt.

A találmány célja olyan tökéletesített eljárás vagy működtető rendszer létrehozása miniatűr fém-halogenid lámpákhoz, amely képes leküzdeni az alacsony működtetési frekvenciáknál tapasztalt gyors deionizáció miatt keletkező korlátozásokat, és amely lehetővé teszi kisméretű, praktikus és hatékony nagyfrekvenciás ballaszt-áramkörök alkalmazását.

Általában, amikor a kereskedelemben kapható fémhalogenid lámpákat a 20—50 KHz-es frekvenciatartományban működtetik, akkor a lámpákban károsító akusztikus rezonanciák lépnek fel. A találmány azon a felismerésen alapul, hogy a jelen típusú miniatűr lámpáknál rezonanciamentes tartományok keletkeznek, ha a lámpaáram mintegy 20 és 50 KHz-es frekvenciák közé esik. Ezekben a tartományokban a stabil működés lehetséges. A lámpáknak rezonancia sávjai vannak, és ezekben a rezonancia-jelenségek három szintjét különböztethetjük meg:

1. Katasztrofális instabilitás, ahol az ív a falhoz kényszerül és a kvarcot gyorsan megolvasztja;

2. ív instabilitás, ahol a fényteljesítmény ingadozik, és az ív vándorol;

3. Aureola (fényudvar) instabilitás, amelynél az ívet körülvevő fénylő udvar instabil.

A leghasznosabb rezonanciamentes tartományok az első és második katasztrofális instabil sávok között helyezkednek el és ezek közvetlenül az első katasztrofális sáv alatt vannak 6 mm-nél kisebb belső átmérőjű lámpák esetén. Az ezekben a tartományokban levő viszonylag keskeny ív instabilitási és aureola instabilitási sávokat el kell kerülni. Ha a működési frekvenciákat ezeken a tartományokon belül, előnyösen pedig kiválasztott tervezési tartományablakokon belül választjuk meg, akkor stabil és hatékony lámpaműködést tapasztalunk praktikus és gazdaságos kivitelű, nagyfrekvenciás ballaszt áramkörök alkalmazása mellett,

A találmányt a továbbiakban példák kapcsán a rajz alapján ismertetjük részletesebben. A rajzon az

1—4. ábrák miniatűr fém-halogenid kisüléses lámpák ívburáit szemléltetik, ahol az első stabil ívvel működik, a többi pedig az akusztikus instabilitás különböző változatait szemlélteti; az

5. ábra egy miniatűr fém-halogenid lámpa 60 Hz-es működésére jellemző feszültség-áram jelleggörbe, amely az újragyújtási csúcsfeszültséget is szemlélteti; a

6. ábra az újragyújtási feszültségnek a frekvenciafüggését szemléltető görbe, amely két buraméretre vonatkozik; a

7. ábra a felmelegedés alatt az újragyújtási feszültségaránynak a frekvencia függését szemléltető diagram; a

8. ábra táblázatos formában szemlélteti az akusztikus rezonanciasávok és a stabil ablakok helyzetét a miniatűr, gömbalakú kisülési lámpák különböző átmérői mellett; a

9. ábra egyetlen lámpaméret mellett a rezonanciaspektrum alakulását szemlélteti a higanysűrűség függvényében; és a

10. ábra szilárdtest felépítésű alkatrészekből kialakított nagyfrekvenciás ballaszt áramkör vázlatos kapcsolási rajza.

Deionizációs jellemzők :

A miniatűr nagynyomásos fémgőz lámpák és különösen a fém-halogenid lámpák alacsony frekvenciás működését befolyásoló, döntő villamos paramétert a jelentős újragyújtási feszültség létezése képezi, amely bemelegedéskor és működéskor tapasztalható. A feszültségesés az egyes félperiódusok végén az áramnak* a null-átmenetét követő időpontokban lép fel. Ennek jellegzetes formáját az 5. ábrán szemléltettük, amely szinuszos áramforrásból 60 Hz frekvenciával működ3

-2182651 tetett ívlámpán keresztül folyó áramnak (szaggatott vonal) és az ott fellépő feszültségnek (teljes vonal) az oszcilloszkópon látható nyomvonalát mutatja. Az újragyújtási Nr feszültségarányt az alábbi Nr = Vr/Vip összefüggéssel definiálhatjuk, ahol Vr az újragyújtási csúcsfeszültség és Vip a lámpán fellépő feszültség abban a pillanatban, amikor az áram csúcsértéket vesz fel. Az 5. ábrán az újragyújtási Nr feszültségarány közelítően 3,3,

Újragyújtáskor a feszültségemelkedést az okozza, hogy amikor az áram közel null-értéket vesz fel, akkor a plazma impedanciája megnövekszik. Nagynyomású kisülés esetén az ív impedanciáját az elektron és az ion sűrűségek határozzák meg, és ezek exponenciálisan változnak az ív magjában mért gázhőmérséklettel. A falak révén kondukciósan megvalósított ívhűtésnek elsődleges jelentősége van, és a hűtés mértéke fordítottan arányos az ív kisüléses cső átmérőjével. Ezt a

6. ábrán szemléltettük, amely az újragyújtási feszültségaránynak a frekvenciafüggését szemlélteti két buraméret esetére, ahol az egyiknél a gömb belső átmérője 3,2 mm, külső átmérője mintegy 4,2 mm, a másik esetben pedig a gömb belső átmérője 7 mm. Egy jelenleg előnyösnek talált buraméretnél, amelynek belső átmérője mintegy 6 mm, azt tapasztaltuk, hogy 60 Hz frekvencián az újragyújtási Nr feszültségarány értéke közelítően 2,0 értékű. Ez egy nagy érték ugyan, de nem megvalósíthatatlan 60 Hz-es ballaszt áramkörökkel.

Újragyújtás bemelegedéskor

A miniatűr fém-halogenid lámpák 60 Hz-es működtetésének a valóban súlyos problémája a cső felmelegedésekor jelentkezik. Az ív gyújtást követő néhány másodperc elteltével az újragyújtási feszültség jelentős mértékben megnövekszik. Ezután az újragyújtási csúcs értéke lecsökken ahogyan az ívhőmérséklet folyamatosan növekszik és a gőznyomás fokozódik, amíg eléri azt a végső vagy állandó értéket, amelyet a frekvenciától függően a 6. ábrán szemléltettünk. Felmelegedéskor az újragyújtási Vr csúcsfeszültségnek a frekvencia függését a 7. ábrán tüntettük fel ugyanolyan méretű és alakú 6 mm belső átmérőjű, gömb alakú ívlámpa esetében. A rajzon feltüntetett módon az egyik lámpa a szokásos fém-halogenid lámpáknál használt higany és nátrium-, szkandium- és tóriumjodidokat tartalmazó gázzal volt töltve, a másikban pedig higany és higanyjodid töltés volt. A higanyjodid lámpák esetében különösen magas újragyújtási feszültség tapasztalható még tízszeres hálózati frekvencia mellett is. Ennél a lámpánál az újragyújtási feszültség 600 Hz-nél meghaladja a 800 volt értéket, míg a másik lámpánál, amely Na-Sc-Th töltést tartalmazott, a 800 voltos csúcsértéket a görbe már 60 és 100 Hz között túllépte.

Úgy véljük, hogy melegedéskor a magas újragyújtási feszültség annak köszönhető, hogy a gázfázisban, mi4 előtt a gázhőmérséklet elérné a nagynyomású ívben fellépő értékét, a halogén atomokhoz vagy molekulákhoz csatlakozó elektronok veszteségi üteme rohamosan növekszik. Ez a jelenség a hagyományos lámpákban is fellép, és ezt az irodalom is tárgyalja, például J. F. Waymouth „Electric Lamps” című könyvének 10. fejezete (Μ. I. T. Press, 1971). A gázhalmazállapotú halogének a kondenzált higanyjodidból származhatnak, amelynek sokkal nagyobb gőznyomása van, mint az egyéb halogenideknek, és az magának a higanynak a gőznyomásával hasonlítható össze. Ilyen módon az elektronok elbomlási üteme arányos a gázban (vagy gőzben) jelenlevő jódatomok vagy molekulák számával. Az újragyújtási feszültség egy adott idő után megmaradt elektronok számától függ és fordítottan arányos a frekvenciával. Ennek az elektronkapcsolódási folyamatnak az elsődleges jelentősége normál működési viszonyok mellett már megszűnik, mivel az elektron képződési és veszteségi mechanizmusa már csak az ívmag hőmérsékletétől függ, amely viszonylag független a jód-tartalomtól. Ezenkívül a higanyjodid gőzből származó szabad jód-tartalom az üzeminél lényegesen alacsonyabb falhőmérsókleteknél telítődik. Ezeket az álláspontokat kísérleti úton az a megfigyelés alátámasztja, hogy a felmelegedéskori magas újragyújtási feszültséget határozatlan ideig oly módon fenntarthatjuk, hogy egy működő ívlámpához hideg levegőt áramoltatunk. Ez megakadályozza a higany teljes elpárolgását, és így a kisülési állapothoz tartozó magas gázhőmérsékletet sosem érjük el.

A ballaszttal kapcsolatos korlátozások

Az alacsony frekvencián működtetett kis méretű fém-halogenid lámpák felmelegedésekor fellépő magas újragyújtási csúcsfeszültség értékét nem könnyű leküzdeni, mert szennyező anyagok, például vízgőz jelenléte elkerülhetetlen, és ezek a halogenid reakciós mechanizmus révén a lámpán belül halogén atomokat szabadítanak fel. Az újragyújtási problémát leküzdeni képes, gyakorlatban alkalmazható nagyfrekvenciás ballaszt áramköröket szilárdtest felépítésű aktív eszközökből, például tranzisztorokból és hozzájuk kapcsolódó ferrit magokból építhetjük fel. 20 kHz alatt a ferrit magok mérete addig a méretig növekszik, ahol már egy kompakt ballaszt áramkör alkalmazhatósága is kétségessé válik. Ezenkívül a zaj szint vagy a hangerő problémát jelent, mert a ferrit anyagban bekövetkező fluxus változásokból származó magnetostrikciós rezgések a hallható tartományba vagy ennek határára esnek. Ezen feltételeket együttesen tekintve, eredményül azt kapjuk, hogy a gyakorlatban használható nagyfrekvenciás ballasztoknak a hallható hangok tartománya felett kell üzemelniük. 50 kHz frekvencia felett a jó hatásfokú működéshez szükséges, gyakorlatban elérhető tranzisztoros kapcsolási sebesség határait túllépjük, és a ballaszt áramkörök vesztesége aránytalanul növekszik. Ugyanakkor az elektromágneses zavarok, azaz a lámpából és a hozzá kapcsolódó áram-3182651 körökből származó rádió- és televíziózavarok szintén komoly problémákat jelentenek.

Akusztikus rezonancia

A károsító akusztikus rezonanciák megjelenése az egyéb nagy intenzitású lámpákban, mint például a nátrium és higany lámpákban már jól ismert jelenség. Az ezzel kapcsolatos ismereteket a találmány megjelenését megelőző időpontban az alábbiakban foglaljuk össze:

1. A lámpákban az akusztikus rezgések az áramforrás teljesítményének frekvenciájában következnek be, amely a hálózat vagy az áram frekvenciájának kétszerese. Ezek a rezgések a gázban sűrűség-hullámként terjednek, és ebből adódik, hogy a rezgéseket akusztikus zavaroknak vagy 20 kHz feletti frekvenciáknál ultrahang zavaroknak tekinthetjük.

2. A kereskedelemben kapható szokásos fém-halogenid lámpákat a rezonancia jelenségek miatt nem lehet 20 kHz és 50 kHz között működteti.

3. Bármely áram burkoló görbéjének vagy jelalakjának még 10%-os értékű, csekély nagyfrekvenciás modulációja is elegendő lehet akusztikus rezonancia keltésére.

Rezonanciamentes tartomány miniatűr lámpákban

A lámpaburákban levő gáz rezonancia módusainak kiszámolására vonatkozó és hőmérsékletre, továbbá gázféleségre átlagolt hangsebességen alapuló egyszerű elméleti modellál nem lehetett a közönségesen kapható, fémhalogenid lámpákon végzett mérések során megfigyelt akusztikus rezonanciák frekvencia helyeit vagy frekvencia szélességét megjósolni. Egy 9 mm-es külső átmérőjű és 10 mm-es tényleges hosszú gömb alakú ívlámpa vizsgálata során azonban azt tapasztaltuk, hogy 80 wattos bemeneti teljesítmény mellett 20 kHz-es frekvencián stabil működés következett be, és a rezonancia mentes tartomány sávszélessége 100 Hz körül volt. Úgy gondoltuk, hogy kisebb lámpaméret és a gömböt jobban közelítő bura alak esetében a rezonanciamentes sáv frekvenciája megemelkedne és szélesebbé is válna. Ezáltal lehetőség nyílt arra, hogy a miniatűr fém-halogenid lámpák összes mérete mellett, ahol a lámpák kisülési kamrájának térfogata 1 cm³-nél kisebb, találjunk 20 és 50 kHz között, rezonanciamentes, stabil tartományt. Az ezt követő lámpák kisebbek és a gömböt jobban megközelítő alakúak voltak. A későbbiekben leírt blocking oszcillátoros ballaszt áramkör használatával stabil működési tartományt találtunk a 6 mm-es külső átmérőjű és mintegy 5 mm-es belső átmérőjű gömb alakú lámpánál. Ennél a lámpánál a rezonanciamentes tartomány középpontja körülbelül 33 kHz-en volt 10 kHz körüli sávszélességgel.

Az előrejelző modell hiánya

Már lehetőség van arra, hogy felsoroljuk azokat a lényeges jellemzőket , amelyekre olyan modell esetében szükség lenne, amellyel a miniatűr fém-halogenid lámpákban levő akusztikus rezonancia megjelenését és sávszélességét meg lehetne jósolni. Az ívkamra geometriai kiképzését figyelembe kell venni mind a hajtóerő szempontjából, amelyet az ív képez, mind pedig a fal határ feltételei tekintetében. Síkhullámok esetében a sebesség kettőnél nagyobb tényezőnek megfelelően változhat a lámpában fellépő hőmérséklet gradiens következtében, ezért ezt figyelembe kell venni a gázkeveredés miatt bekövetkező nem-Iinearitás lehetőségével együtt. Az abszolút gázsűrűség is tényezőként jelentkezik, mert egy határnál a sűrűségváltozás által előidézett visszavert hullám amplitúdója függ a gáz—gőz közegen keresztül mért akusztikai impedancia és a határoló anyag akusztikai impedanciája arányától. A kielégítő elméleti modell bonyolultsága miatt a problémát kísérleti úton közelítettük.

Instabilitási sávok

Megvizsgáltuk a miniatűr fém-halogenid lámpák akusztikus rezonancia spektrumait a buraátmérő, a higanysűrűség és az elektródtávolság függvényeként, döntően gömb alakú burák esetében, vagy közelítően gömb alakzatoknál. A méréseket egy olyan frekvenciatartományon keresztül végeztem, amely egyenáramnál kezdődik, és egészen 250 kHz-ig tart, ahol a 20 és 50 kHz közötti tartományra külön hangsúlyt helyeztünk. A váltakozó áramú mérések alatt szinuszos áramforrást használtunk és soros induktivitást, amely a lámpákon keresztülfolyó áramot korlátozta.

Most az 1. ábrára hivatkozunk, ahol az ívcső tipikus egy miniatűr fém-halogenid lámpa belső kisülésű burájára. A bura kvarcból vagy ömlesztett szilícium-dioxidból állt, amelyet a hőkiterjedésnek megfelelően képeztünk ki, és lágyulásra hevítés közben belőle kvarcburát készítettünk. A 2 és 3 nyakrészeket úgy képeztük ki, hogy a kvarcburát nyakkal lefelé fordítva szabadon hagytuk, hogy a felületi feszültség érvényesüljön. A bemutatott példa esetében a falvastagság kb. 0,5 mm volt, a belső átmérő körülbelül 6 mm, a bura térfogata pedig közelítően 0,11 cm³-re adódott. Volfrámból készült tűszerű 4, 5 elektródokat helyeztünk a bura tengelyébe, és ezek szemközti végei között, a példakénti esetben 3 mm-es elektródközti ívrés képződött. A tűket előnyösen lézer hegesztéssel tompán molibdén fóliából kiképzett 6, 7 bevezetőkhöz csatlakoztattuk. A volfrám elektródok hátsó vége és a molibdén bevezetőkhöz csatlakozó lézer hegesztés az ömlesztett szilícium-dioxidba van beágyazva, és ez megfelelő merevséget biztosít még a molibdén bevezetők papírvékony részei alkalmazásakor is. Az elektródok lezárási eljárásánál a fóliarészeket a 2, 3 nyakrészek megömlesztett szilícium-dioxid anyaga nedvesíti és ez bermetikus tömítést biztosít.

-4182651

Példaként megemlítjük, hogy az ilyen méretű és körülbelül 30 wattos teljesítményű lámpa töltése 1,33· 10⁴—1,6-10⁴ Pa (100—120 Torr) nyomású argont, 4,3 mg higanyt, és 2,2 mg halogenidsót tartalmazott, mely utóbbi 85 súly% nátriumjodidot, 5 súly% szkandiumjodidot és 10 súly% tóriumjodidot tartalmazott. Ez a higanymennyiség, amikor működési feltételek mellett teljesen elgőzölög, 39,4 mg/cm³ sűrűséget biztosít, amely körülbelül 2,3-10® Pa nyomásnak felel meg.

A 8. ábra az 1. ábrán vázolthoz hasonló négy lámpa rezonancia-spektrumának a diagramja, ahol a bura belső átmérői 4, 5, 6 és 7 mm-esek. Az elektródközt állandó 3 mm-es értéken tartottuk, miközben a töltést és a buratérfogatot úgy választottuk meg, hogy minden lámpában ugyanolyan higanysűrűség keletkezzék. A rezonancia viselkedés három szintjét definiálhatjuk:

1. Katasztrofális instabilitás: az ív, amely normál esetben az 1. ábrán a 10 hivatkozási számmal vázolt módon közvetlenül húzódik az elektródhegyek között, a 2. ábrán a 21 hivatkozási számmal feltüntetett módon a falhoz kényszerül. Az ív keresztülolvasztja a kvarcot, ha ez az állapot néhány másodpercnél tovább fennáll. Az ív feszültségcsökkenése a meghosszabbodott ívút következtében megnövekszik és kétszeresnél is nagyobb értéket vehet fel. Ezt az állapotot a 8. és 9. ábrákon teljes magasságú területtel szemléltettük, amely végignyúlik azon a frekvencia-tartományon, amelyben fellép.

2. ív instabilitás: az ív vándorolhat és előre-hátra elmozdul, néha kígyózó alakban, ahogyan azt a 3. ábrán a 31 hivatkozási számmal vázoltuk. Az ív feszültségesése ingadozik és a kimenő fényteljesítmény szintén jelentősen változik. Ezt az állapotot a rajzon félmagasságú területtel jelöltük.

3. Aureola instabilitás: az aureola fénylő izzó területet jelöl, amely normál esetben a felső elektródnál koncentrálódik, ahogy ezt az 1. ábrán all hivatkozási szám mutatja. Nátrium-tartalmú lámpában az aureolát a nátrium gerjesztés által okozott vörös-izzás képezi. Aureola instabilitásnál az elektródok között levő ív intenzitása stabil marad, de az aureola elmozdul. A fény ingadozása kisebb mértékű és nincs észrevehető feszültséghatás sem. Ez az instabilitásnak a legkevésbé károsító formája, és ezt a diagramokban negyedmagasságú területtel jelöltük. Az aureola instabilitásnak egy szokatlan formája a 4. ábrán vázolt eset, ahol az aureola a lámpa középpontjában ekvatoriális 43 sávnál jelenik meg. Ez valószínűleg a kettős áramlási eloszlásnak a következménye, amelyet a felső és az alsó 41, 42 görbe nyilakkal jelöltünk. Az ilyen jelenséget a rajzon negyedmagasságú területtel szemléltettük, ahol a terület felett ,,e” jelölést alkalmaztunk.

A 8. és 9. ábrák rezonancia-spektrumainál a középső ív és az aureola stabil volt a bejelölt instabilitások közötti jelöletlen frekvencia-tartományokban. Ezek a jelöletlen tartományok tartalmazzák azokat a rezonanciamentes üzemi sávokat, ahol a lámpák teljes hasznos élettartamukon belül stabilan üzemeltethetők. A 8. ábrán vázolt spektrumok legfontosabb jellegzetessége az, hogy az alakzat a buramérettel ismétlődik. így például 6 az első katasztrofális instabilitási sáv összenyomódik és az alacsonyabb frekvenciák irányában tolódik el, ha a buraméret növekszik. Ugyanilyen újraismétlődő mintát figyelhetünk meg a következő magasabb frekvenciájú katasztrofális instabilitási B sávoknál, és hasonlóképpen az ezt frekvenciában követő C sávoknál. Az ív instabilitási és aureola instabilitási sávokat magában foglaló teljes spektrum összenyomódik és hasonló módon eltolódik az összes buraméret esetében. Ezeket az adatokat lényegében szinusz alakú tápegység felhasználásával kaptuk. Amennyiben nem szinuszos jelalakot használunk, akkor további instabilitások jelentkezhetnek, amelyek a rezonancia mentes tartományokat keskeny!tik vagy zavarják.

Üzemi tartományok és tervezési ablakok

A 8. ábrán összegezett adatok és egyéb ezzel kapcsolatos mérések alapján azt a következtetést vontuk le, hogy a miniatűr nagynyomású fémgőz lámpákhoz, amely lámpáknak a kisülési térfogata 1 cm³-nél kisebb, a leghasznosabb nagyfrekvenciás üzemi tartományait azok a rezonanciamentes tartományok képezik, amelyek az első és második katasztrofálisan instabil sávok között helyezkednek el. Ilyen módon egy 7 mm belső átmérőjű lámpához az A sáv fölött és a B sáv alatt, tehát a körülbelül 20 és 40 kHz közé eső sávot választhatjuk. Ugyanakkor el kell kerülni azt az ív instabiiitási sávot, amely körülbelül 29 és 31 kHz között van. Szükséges az is, hogy elkerüljük a keskeny aureola instabilitási sávokat 21 kHz-nél, 28 és 29 kHz között, és a szélesebb sávot, amely 39 és 41 kHz közé esik, A gyártási szórásokra való tekintettel, az üzemi frekvenciát a lehető legtávolabbra kell választani az instabilitási tartományoktól. A 7 mm belső átmérőjű, gömb alakú lámpa esetében ilyen módon az optimális frekvenciák közelítően 24 kHz-nél és 35 kHz-nél vannak. Ha a ballaszt áramkört a 20 és 50 kHz-es tartományon belül kívánjuk működtetni, akkor általában a tartomány alsó vége előnyösebb, mert ott csökkent elektromágneses zavarok lépnek fel és a tranzisztorok kapcsolási sebessége kisebb. Ezzel összhangban a tervezési frekvenciára a 24 kHz-t választhatjuk, és ez lehetővé tesz körülbelül ± 5%-os gyártási frekvencia-ingadozást, azaz körülbelül 23 és 25 kHz közötti frekvenciákat anélkül, hogy fennállna az instabilitási sávokba való belépés veszélye. Az előnyös tervezési középpontokat a 8. ábrán a vastagon kihúzott 81 vonalak szemléltetik.

Hasonló módon a 6 mm belső átmérőjű gömb alakú lámpánál az előnyös tervezési középpont 26,5 kHz és a + 5%-os frekvencia szórási tartományt a 82 vonal jelöli; az 5 mm-es belső átmérő mellett a középpont 31 kHz-re esik és a tartományt a 83 vonal jelöli. A 4 mm-es belső átmérő választásakor a tervezési középpont 45 kHz-re esik és a tartományt a 84 vonal szemlélteti. Ha a tartomány felső végét választjuk, akkor az előnyös tervezési középpontok a 7 mm belső átmérőjű lámpánál 34 kHz-re esnek és a ± 5%-os

-5182651 frekvencia tűrési tartományt a 85 vonal mutatja; a középpont 40 kHz lesz a 6 mm-es belső átmérőjű lámpánál, ahol a tartományt a 86 vonal jelöli; a középpont az 5 mm-es belső átmérőjű lámpánál 45 kHz-es lesz, a tartományt a 87 vonal jelöli, és a tervezési középpont 4 mm belső átmérőjű lámpa esetében 65 kHz lesz, ahol a tartományt a 88 vonal jelöli. Az alsó sávhoz tartozó szaggatott 89 vonal és a felső sávhoz tartozó szaggatott 90 vonal, amelyek a különböző méretek esetén összekötik a tervezési tartományok végeit, éppen az előnyös ± 5%-os frekvenciatűrési tervezési ablakokat határolják (amelyeket ferde vonalkázással szemléltettünk) közbenső méretű gömb alakú lámpák alkalmazásánál.

Abban az esetben, ha a lámpák belső átmérője 6 mm-nél kisebb, akkor az első katasztrofálisan instabil sáv alatti frekvenciák is választhatók. így egy 4 mm-es belső átmérőjű lámpánál választhatunk egy közelítően 25,5 kHz-es tervezési középpontú üzemi frekvenciát, amelynek ±5%-os frekvenciatűrési tartományát a 91 vonal mutatja. Egy 5 mm-es lámpa esetében az első katasztrofális instabil sáv alatt a tervezési középfrekvencia közelítően 17 kHz értékű és a ±5%-os tartományt a 92 vonal mutatja. A szaggatott 93 vonal az előnyös ± 5%-os frekvenciájú tervezési ablakot határolja olyan gömb alakú lámpák esetében, amelyek belső átmérője 4 és 5 mm közé esik.

A bura átmérőjének növelésével a rezonanciamentes tartományok összenyomódnak vagy keskenyednek, azaz az A és B sávok között a frekvencia-távolság csökken. Ez azt is megmutatja, hogy a jelen találmány előtt miért nem vették észre a 20 és 50 kHz közé eső rezonanciamentes tartományokat. Az oka ennek az lehetett, hogy a kereskedelemben kapható fém-halogenid lámpák ívburájának az átmérője (általában nem kisebb 14 mm-es belső átmérőnél) elég nagy ahhoz, hogy annál a katasztrofális tartományoknál kiterjedtek, és kitöltik a teljes 20 és 50 kHz közé eső sávot, és eközben nem hagynak biztonságosan stabil tartományt vagy ablakot, ahol a lámpákat üzemeltetni lehetne.

A tartományoknak a higanygőz sűrűség függvényében való változását a 9. ábrán szemléltettük. Ebben az esetben 6 mm belső átmérőjű és 3 mm elektródközzel rendelkező öt gömb alakú lámpát eltérően töltöttünk fel, és a töltés hatására az elgőzölt higany sűrűsége körülbelül 10, 20, 39, 79 és 118 mg/cm³ értékek körül volt. A lámpákat állandó falterhelés mellett működtettük. A spektrális eloszlás fő tulajdonságai megmutatkoznak a higanysűrűség változása ellenére is. A gőznyomás növekedésével a katasztrofális instabil sáv helyzete lassanként az alacsonyabb frekvenciák felé tolódik. Ilyen módon az A sáv felső széle 25-ről 23 kHz-re csökkent, míg a B sáv alsó széle 50-ről 43 kHz-re csökken, miközben a sűrűség 10-től 118 mg/cm³értékekig változik. A sűrűség növekedésével mindhárom típusú keskeny zavar fellép a spektrumon belül, valószínűleg az akusztikai zavarokkal való megnövelt csatolás miatt és a nagyobb gőzsűrűségeknél fellépő magasabb konvekciós és turbulens áramlások következtében is. Úgy tűnik, hogy a keskenyebb zavarok a kisebb gőzsűrűségek mellett lépnek fel, de az ilyen kis amplitúdószintek nem zavarják az ivet. Ahogyan a sűrűség növekszik, a zavarok is felerősödnek. így bár a miniatűr lámpákat nagy sűrűségek mellett is működtetni lehet, a 20 és 50 kHz közé eső rezonanciamentes tartományok spektruma észrevehetően keskenyebb lesz, amint a sűrűség növekszik, és így a kielégítő működéshez gyakorlati felső sűrűségszint tartozik. Adataink azt jelzik, hogy egy fölösleges keskenysávú zavar elkerülése céljából bármely méretű miniatűr fém-halogenid lámpa esetében a higanysűrűség szintje ne haladja meg a 100 mg/cm³ értéket, és 6 mm belső átmérőjű izzóknál ne legyen nagyobb 80 mg/cm³-nél. A 6 és 7 mm közé eső méretű lámpáknál az előnyben részesítendő üzemi higanygőz sűrűség a 20 és 50 kHz közé eső sávokban biztosítandó széles, stabil üzemi sávok vagy ablakok szempontjából közelítőleg 30 és 40 mg/cm³ közé esik.

Kis méretű, nagyfrekvenciás ballaszt áramkörök

A felfedezett rezonanciamentes sávok jelenléte lehetővé teszi a miniatűr fémgőz lámpák részére kompakt, gazdaságos és hatékony nagyfrekvenciás ballaszt áramkörök alkalmazását a kívánt 20 és 50 kHz közé eső frekvenciatartományban. Az ilyen áramkörök általában teljesítmény-oszcillátort tartalmaznak, amely áramkorlátozó szerveken keresztül csatlakozik a lámpához. A jellegzetes áramkörök szilárdtest felépítésű vezérlő egységeket és ferrit magokat tartalmaznak; és ezeket elég kompakt módon lehet elkészíteni ahhoz, hogy őket a felhasználási helyen közvetlenül a lámpához lehessen csatlakoztatni, tehát a villamos kivezetésnél vagy foglalatnál, vagy pedig integráltan a lámpákhoz csatlakoztathatók, hogy ún. becsavarható egységet képezzenek.

A 10. ábrán a kompakt nagyfrekvenciás ballaszt áramkör egy példakénti kiviteli alakját szemléltetjük, amelyet záróoszcillátor képez. A 120 voltos, 60 Hz-es hálózati tj, t₂ kapcsok közé bekötött teljes hullámú BR hídegyenirányító egyenirányított egyenfeszültséget állít elő, amely meghajtja az invertert. A híd kimeneti kapcsaihoz csatlakoztatott C₂ szűrőkondenzátor kielégítő szűrőhatást fejt ki ahhoz, hogy elkerüljük a nagyfrekvenciás kimenet vonalfrekvenciás modulációjából származó újragyújtási problémákat. A ferritmagos T transzformátornak P primer tekercse, nagyfeszültségű S, szekunder tekercse van, és a miniatűr Lp lámpa ehhez kapcsolódik, a T transzformátor tartalmaz ezenkívül S₂ visszacsatoló tekercset, és a tekercsek tekercselési irányát hagyományos módon úgy jeleztük, hogy a tekercsek megfelelő végein kis köröket rajzoltunk. A P primer tekercs, a Q_x tranzisztor kollektor-emitter ága és a S₂ visszacsatoló tekercs sorosan kapcsolódik és ez képezi a primer áramkört. Ebben az áramkörben az R₃ ellenállás áramkorlátozó szerepet tölt be és a D₂ dióda a Q_x tranzisztor részére védelmet nyújt a visszáramokkal szemben. Az R₂ és R₂ ellen7

-6Ι8265Ι

II állások, a Dj dióda és a C₃ kondenzátor a Q·, tranzisztor részére meghajtó báziskört képeznek.

A záróoszcillátor működését az alábbiak szerint öszszegezhetjük; amikor a kollektoráram kisebb, mint a kapcsolóüzemű Q_x tranzisztor meghajtásának az erősítéssel képzett szorzata, akkor a Q_x tranzisztor telítésbe kerül, és kapcsolóként működik. A kollektoráramot ekkor a P primer tekercs és az S₂ visszacsatoló tekercs induktivitása korlátozza. Amint a kollektoráram emelkedik és eléri azt az értéket, amely a meghajtó bázisáram és az erősítés szorzatának felel meg, akkor a Q_xtranzisztor telítése kezd megszűnni. Ennek következtében a feszültség az S₂ visszacsatoló tekercsen csökken, ez csökkenti a bázis meghajtását és a Q_d tranzisztor regeneratív folyamatban kikapcsol. A regeneráció akkor következik be, amikor a mágneses tér a P primer tekercsben már megszűnt. Ez az áramkört a kezdeti állapotába visszaviszi, és így a ciklus ismétlődhet, miközben nagyfrekvenciás meghajtást biztosít a lámpa részére, amely az S_x szekunder tekercshez csatlakozik. A T transzformátor szórt reaktanciája korlátozza a lámpán keresztül a kisütési áramot.

A bemutatott megoldás csak egyetlen példát adott a kompakt nagyfrekvenciás ballaszt áramkörökre, amelyet könnyen megtervezhetünk úgy, hogy a hallható frekvencia tartomány fölött, de még a fokozottan zavaró elektromágneses interferencia frekvencia tartománya alatt működjék. Ismert áramkörökből természetesen számos egyéb kiviteli alakot elkészíthetünk.

Claims

1. Eljárás miniatűr nagynyomású fémgőz kisüléses lámpa működtetésére, amelynek egy elektródpárja van és kisülési térfogata nem haladja meg az I em³-es értéket, azzal jellemezve, hogy az elektródákra olyan 20 és 50 kHz közé eső frekvenciájú váltakozó feszültséget kapcsolunk, amely a lámpa rezonanciamentes tartományába esik.

2. Az 1. igénypont szerinti eljárás foganatosítási módja, azzal jellemezve, hogy az üzemi frekvenciát tartalmazó rezonanciamentes tartományt az első és második katasztrofális instabilitási sávok közé választjuk.

3. Az 1. igénypont szerinti eljárás foganatosítási módja azzal jellemezve, hogy az üzemi frekvenciát az első és második katasztrofális instabilitási sávok közé az ív és aureola instabilitásoktól mentes tartományban választjuk meg.

4. Az 1. igénypont szerinti eljárás foganatosítási módja, azzal jellemezve, hogy az olyan lámpaelrendezésnél, ahol a lámpa gömbkiképzésű és belső átmérője 6 mm nagyságú vagy annál kisebb, az üzemi frekvenciát az első katasztrofális instabilitási sáv alá választjuk meg.

5. A 4. igénypont szerinti eljárás foganatosítási módja, azzal jellemezve, hogy a működtetési frekvenciát az ív és aureola instabilitásoktól mentes tartományban választjuk meg.

6. Az 1. igénypont szerinti eljárás foganatosítási módja, azzal jellemezve, hogy az olyan lámpaelrendezésnél, ahol a lámpa higanyt és fém-halogenideket tartalmaz, és gömb alakú kiképzése van az üzemi frek5 venciát a stabil ablakok egyikében választjuk ki.

7. Miniatűr nagynyomású fémgőz lámpaelrendezés az 1—6. igénypontok bármelyik szerinti eljárás foganatosítására, amelynél a lámpának a kisülési teret meghatározó burája 1 cm³-nél nem nagyobb kisülési tér0 fogatú, és két hozzárögzített elektródot tartalmaz azzal jellemezve, hogy a kisülési térben fémhalogenid és olyan mennyiségű higany van, amelynél az üzemi sűrűség szintje nem haladja meg a 100 mg/cm³ értéket.

8. A 7. igénypont szerinti lámpaelrendezés kiviteű

5 alakja, azzal jellemezve, hogy a lámpában a higany üzemi sűrűségszintje nem haladja meg a 80 mg/cm³értéket.

9. A 8. igénypont szerinti lámpaelrendezés kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a burának a belső átmérője 7 és 4 mm között van.