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Die Erfindung betrifft eine Hochintensitätsentladungslampe nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine Lampe der im Oberbegriff beschriebenen Art ist aus
US-A-4 287 454 = EP-A-0 30 730 bekannt.
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Hochintensitätsentladungslampen (HID) enthalten allgemein ein
Entladungsrohr oder Entladungsgefäß mit einer durchscheinenden oder transparenten Wand
und sind mit ionisierbarem Material gefüllt. Zusätzlich kann das Entladungsgefäß ein
Entladungselektrodenpaar enthalten. Im Betrieb entsteht eine elektrische Entladung im
ionisierbaren Material und emittiert Licht. Beispielsweise haben
Hochdrucknatriumdampfentladungslampen ein Quecksilbernatriumamalgam sowie ein inertes Startgas im
Entladungsgefäß. Das Startgas wird zum Verdampfen einer Menge des Amalgams
ionisiert, das verdampfte Quecksilber und Natrium werden ionisiert und es bildet sich
eine kräftige lichtemittierende elektrische Entladung.
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Die Schwierigkeit eines Neustarts einer HID-Lampe nach einer
Unterbrechung der Entladung ist bekannt. Im Betrieb einer typischen HID-Lampe erreicht der
Gasdruck im Entladungsgefäß mehrere Atmosphären. Nach einer Unterbrechung der
Entladung erschwert der hohe Innendruck den Neustart der Entladung, d. h. den
Neustart der Lampe. Daher muß das Entladungsgefäß gekühlt werden, bis sein
Innendruck weit genug abgefallen ist, um die Entladung neu zu erzeugen. Die erforderliche
Zeit zum genügenden Kühlen des Entladungsgefäßes für die Wiederherstellung der
Entladung wird mit heißer Neustartverzögerung bezeichnet.
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Da die erforderliche Zeit zum ausreichenden Abkühlen eines heißen
Entladungsgefäßes und zum genügenden Senken des Innendrucks zum Starten der
Lampe mehrere Minuten nehmen kann oder sogar länger andauert, liegt ein Element der
Unzuverlässigkeit in Beleuchtungssystemen vor, die völlig auf HID-Lampen beruhen.
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Eine Leistungsunterbrechung kurzer Dauer kann eine Unterbrechung in der
Beleuchtungsservice ergeben, die viel länger dauert als die Leistungsunterbrechung. In
Anwendungen, in denen eine Unterbrechung in der Beleuchtungsservice unzulässig ist, ist es
notwendig, Hilfsbeleuchtung für Lichterzeugung anzuordnen, bis die HID-Lampen sich
zum Neustarten genügend abgekühlt haben.
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Das Problem der Versorgung mit Licht während der heißen
Neustartverzögerung wurde auf verschiedene Weisen angegangen. Eine Möglichkeit dazu ist das
Anbringen von Hilfsglühlampen. Jedoch erfordern derartige Hilfslampen ebenfalls
Steuerschaltungen zum Betrieb in Perioden der heißen Neustartverzögerung. Diese
zusätzliche Ausrüstung gibt zusätzliche Kosten und erfordert ein aufwendigeres System
als das gerade zum Betreiben der HID-Lampe erforderliche System.
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Eine andere Möglichkeit zum Lösen des heißen Neustartproblems ist die
Verwendung von mehr als einer Entladungsröhre in derselben Lampe. In der US-
Patentschrift Nr. 4 287 454 von Feuersager et al. ist eine Beschreibung einer
Hochdruckentladungslampe gegeben, in der ein Paar von Lampenentladungsgefäßen in
derselben Lampe und in Parallelschaltung enthalten sind. Wenn eine Startspannung an
die Lampe gelegt wird, arbeitet eines der Entladungsgefäße als erstes und sorgt für
einen wirksamen Nebenschluß des zweiten Entladungsgefäßes mit einer niedrigen
Impedanz, wodurch letztgenanntes Entladungsgefäß nicht in Betrieb kommt. Nur das
wirksame Entladungsgefäß erwärmt sich ausreichend zum Erhöhen seines Innendrucks
und zum Vergrößern seiner Startspannung. Wenn die Betriebsspannung an die Lampe
unterbrochen wird, startet daher eine neuangelegte Spannung das zuvor außer Betrieb
bleibende Entladungsgefäß, das ohne heiße Neustartverzögerung in Betrieb kommt.
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Das heiße Neustartproblem wurde auch durch die Verwendung eines
Hilfs-Entladungsschlitzes außerhalb eines HID-Lampenentladungsgefäßes angegangen,
jedoch innerhalb des Lampenaußenkolbens. Eine Lampe mit dieser Struktur wird in der
US-Patentschrift Nr. 4 377 772 von Tsuchihshi et al. beschrieben. Diese Lampe startet
auf die übliche Weise, wenn eine Betriebsspannung angelegt wird. Nach dem üblichen
Temperaturanstieg im Entladungsgefäß weist das Entladungsgefäß die normale heiße
Neustartverzögerung auf, wenn die Lampenspannung unterbrochen wird. In diesem Fall
verursacht das Neuanlegen der Lampenspannung in der Zeit der heißen
Neustartverzögerung eine Entladung über den Hilfs-Entladungsschlitz im Lampenkolben. Die
Entladung über den Hilfsschlitz wird aufrechterhalten, bis das Entladungsgefäß sich zum
Neustarten genügend abgekühlt hat, zu welcher Zeit der Spannungsabfall über das
Entladungsgefäß sich verringert und die Spannung über den Hilfs-Entladungsschlitz zum
Fortsetzen der Hilfsentladung nicht mehr ausreicht.
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Optische Schattierung durch ein Entladungsgefäß, das das Licht eines
anderen abblockt, tritt in der Lampe nach dem Stand der Technik mit einem einzigen
Entladungsgefäß und mit einem Hilfs-Entladungsschlitz im Lampenkolben nicht auf. Für
Lampen mit mehr als einem Entladungsgefäß wird optische Schattierung durch axial
fluchtende Positionierung der Entladungsgefäße vermieden. Diese Anordnung von
Entladungsgefäße ist für Hochleistungslampen unpraktisch. Beispielsweise hat eine 400
Watt Hochdrucknatriumdampf-HID-Lampe typisch ein Entladungsgefäß mit einer Länge
von etwa 11,25 cm (4,5 Inch) und einen Außenkolben von ungefähr 20 cm (8 Inch). In
einer derartigen Lampe mit mehrfachen Entladungsgefäßen wäre es unpraktisch, die
Entladungsgefäße in axialer Richtung fluchten zu lassen. Optische Schattierung eines
Entladungsgefäßes durch ein anderes ist unvermeidbar, wenn mehrfache
Entladungsgefäße nebeneinander angeordnet werden.
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Erfindungsgemäß ist eine Hochintensitätsentladungslampe der eingangs
erwähnten Art mit Mitteln ausgerüstet, durch die das eine Entladungsgefäß immer als
erstes gestartet wird, wenn die Lampe aus einem kalten Zustand gestartet wird, in dem
die Entladungsgefäße unerwärmt sind und ihre übliche Startspannung haben, und das
andere Gefäß bleibt außer Betrieb, nachdem das erste gestartet ist.
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Ein Vorteil für den Leuchtenentwurf von HID-Lampen nach der
Erfindung mit einem Paar von Entladungsgefäßen besteht darin, daß dasselbe
Entladungsgefäß immer als erstes startet, wenn die Lampe aus einem kalten Zustand startet. In
diesem Fall kann die Leuchte zum Minimieren des Effekts optischer Schattierung durch
das außer Betrieb befindliche Entladungsgefäß und zum maximalen Ausnutzen des vom
ersten Gefäß emittierten Lichts entwickelt werden.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung enthalten die
Entladungsgefäße einen Entladungskolben, ein Paar von Entladungselektroden im
Entladungskolben und eine Entladungskolbenfüllung aus einem inerten Startgas mit
ionisierbarem Material. Die Mittel zum bevorzugten Starten wird durch das inerte
Startgas im einen Entladungsgefäß mit einem Druck kleiner als der inerte Startgasdruck
des anderen Entladungsgefäßes definiert.
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In einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel enthalten die Mittel
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zum bevorzugten Starten eine metallische Starthilfe nahe bei einem der
Entladungsgefäße zum Beliefern des einen Entladungsgefäßes mit einer niedrigeren Startspannung
als der des anderen Entladungsgefäßes. Die Starthilfe kann vorteilhaft ein um das
Entladungsgefäß gewickelter Metalldraht sein.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der
Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
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Fig. 1 einen Aufriß der erfindungsgemäßen
Hochintensitätsentladungslampe mit zwei Entladungseinrichtungen,
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Fig. 2 einen Seitenaufriß der Lampe nach Fig. 1,
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Fig. 3 eine Draufsicht auf die Lampe nach Fig. 1,
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Fig. 4 einen vertikalen Teilquerschnitt durch die Lampe nach Fig. 1,
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Fig. 5 ein schematisches Schaltbild der erfindungsgemäßen
Hochintensitätsentladungslampe, und
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Fig. 6 einen Vorderaufriß eines weiteren Ausführungsbeispiels der
erfindungsgemäßen Hochintensitätsentladungslampe.
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Die erfindungsgemäße Lampe nach Fig. 1 bis 4 enthält einen Glas-
Außenkolben 1 mit einem Schraubsockel 2 an einem Ende. Ein Paar von
Entladungseinrichtungen 3 und 4 befindet sich im transparenten Kolben 1 und ist zum Emittieren von
Licht anregbar.
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Im veranschaulichten Ausführungsbeispiel sind die
Entladungseinrichtungen 3 und 4 Entladungsgefäßeinheiten für Hochdruckentladungslampen. Jede der
Entladungsgefäßeinheiten enthält ein Entladungsgefäß, ein Paar innerer
Entladungselektroden im Entladungsgefäß und eine Füllung aus einem inerten Startgas und einem
ionisierbaren Material. Die Verbindung der inneren Entladungselektroden der
Entladungseinrichtung 3 erfolgt durch leitende Stromdurchführungen 5 und 6 und mit den
inneren Entladungselektroden der Entladungseinrichtung 4 über leitende
Stromdurchführungen 7 und 8. Wenn an ein Paar der leitenden Stromdurchführungen eine
genügend hohe Spannung angelegt wird, entsteht eine elektrische Entladung in der
Entladungseinrichtung und es wird sichtbares Licht mit hohen Intensität emittiert.
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Die Entladungseinrichtungen 3 und 4 sind von der Metallträgerstruktur
elektrisch parallelgeschaltet, die die Entladungseinrichtungen im Lampenkolben 1 trägt.
Der hochstehende Trägerstab 9 erstreckt sich nach oben hin, trägt das horizontale
Element 11 und ist an seinem oberen Ende 11 verankert. Das horizontale Element 10
hat nach unten sich erstreckende Endteile, die sich nach jeweiligen rohrförmigen
Stromdurchführungen 5 und 7 zum Tragen der oberen Enden der
Entladungseinrichtungen 3 und 4 erstrecken. Die elektrische Verbindung zwischen den Stromdurchführungen
5 und 7 und dem horizontalen Element 10 erfolgt durch Metallrippen 12 und 13, die
zwischen je einer betreffenden Elektrode der Stromdurchführungen 5 und 7 und dem
horizontalen Element 10 verbunden sind.
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Der Trägerstab 9 erstreckt sich abwärts nach der Quetschung 14 und stellt
eine Verbindung mit einer Drahtstromdurchführung 15 her. Die Stromdurchführung 15
erstreckt sich wieder durch die Quetschung 14 und verbindet sich mit dem Sockel 2 zur
Vervollständigung der elektrischen Schaltung vom Schraubsockel 2 nach den oberen
Elektroden der Entladungseinrichtungen 3 und 4.
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Die unteren Elektroden-Stromdurchführungen 6 und 8 sind miteinander
mechanisch und elektrisch über den Metallstreifen 16 verbunden. Dieser Streifen ist am
vertikalen Draht 17 gut befestigt, dem sich durch die Quetschung 14 erstreckt und sich
mit dem Schraubsockel 2 verbindet.
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Die Entladungseinrichtungen 3 und 4 liegen weit genug auseinander, so
daß der Betrieb der Entladungseinrichtung 3 die Entladungseinrichtung 4 nicht zu stark
erwärmt und ihre Startspannung nicht über die von der Lampenstarterschaltung
gelieferte Spannung erhöht. Also ist es möglich, die Entladungseinrichtung 4 zu starten,
sogar wenn die Entladungseinrichtung 3 auf den Punkt erwärmt ist, bei dem die heiße
Neustartverzögerung auftritt.
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Die von der Metallträgerstruktur definierte elektrische Schaltung ist
schematisch in Fig. 5 dargestellt, in der die Leitwege mit denselben Bezugsziffern
bezeichnet sind, wie die in Fig. 1 bis 4 zum Identifizieren der mechanischen Bauteile
zur Definition dieser Leitwege.
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Die Entladungseinrichtungen 3 und 4 sind parallel mit dem Element 10
und den Streifen 12 und 13 und mit dem Streifen 16 elektrisch verbunden. Wenn also
ein Potentialunterschied über den Schraubsockel 2 angelegt wird, wird derselbe
Potentialunterschied über die Entladungseinrichtung 3 und die Entladungseinrichtung 4
angelegt. Wenn die beiden Entladungseinrichtungen im wesentlichen dieselbe
Startspannung führen, so ist unvoraussagbar, welche Entladungseinrichtung zunächst startet.
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Zum bevorzugten Starten einer der Entladungseinrichtungen, beispielsweise der
Entladungseinrichtung 3, arbeitet eine Starthilfe, die in Fig. 5 schematisch dargestellt
ist, mit der Entladungseinrichtung 3 zum ersten Starten zusammen, sogar wenn
dieselben Potentialunterschiede über beide Entladungseinrichtungen angelegt werden.
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Die schematisch in Fig. 5 dargestellte Starthilfe kann durch Herstellung
der Entladungseinrichtung 3 mit einem niedrigeren inerten Füllgasdruck als der der
Entladungseinrichtung 4 verwirklicht werden, um eine niedrigere Startspannung an ihn
anzulegen. Die jeweiligen Startspannungen müssen ausreichend verschieden sein, so daß
vorzugsweise die Entladungseinrichtung 3 startet, sogar nachdem die jeweiligen
Startspannungen den unvermeidbaren Spannungsanstieg erfahren, der während der
Lebensdauer einiger HID-Lampen auftritt. Gleichzeitig muß die Startspannung beider
Entladungseinrichtungen 3 und 4 innerhalb des Bereichs herkömmlicher Startspannungen
liegen. Auch die wirkliche Startspannung muß nahe genug bei ihrer Entwurfspannung
liegen, so daß für große Anzahlen von Entladungseinrichtungen solche zum Führen der
niedrigeren Startspannung immer eine Startspannung haben, die um einen bestimmten
Wert niedriger ist als die zum Führen der höheren Startspannung.
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Zum Prüfen der Definition von Vorzugsstartmitteln in der Praxis durch
die Wahl eines inerten Füllgasdrucks wurden 400 Watt-Hochdrucknatriumdampf-HID-
Lampen mit Entladungseinrichtungen mit verschiedenen Füllgasdrücken hergestellt.
Diese Lampen enthielten Entladungseinrichtungen mit einer typischen
Natrium-Quecksilber-Amalgamfüllung mit 18,4 Gew. % an Natrium und 81,6 Gew. % Quecksilber. Das
inerte Füllgas war reines Xenon. Die Entladungseinrichtungen waren einander gleich
mit der Ausnahme, daß neunzehn davon einen Xenonfülldruck von 2128 Pa (16 Torr)
für eine Startnennspannung von 2100 Volt und fünfundvierzig davon eine
Xenonfülldruck von 2660 Pa (20 Torr) für eine Startnennspannung von 2600 Volt hatten.
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Zwei Entladungseinrichtungen mit höherer Startspannung, die mit 2660 Pa
(20 Torr) gefüllt waren, führten außergewöhnlich hohe Spannungen und sind aus den
nachstehenden Daten ausgelassen. Kurzgefaßt in der nachstehenden Tabelle sind die
Anzahl der Entladungseinrichtungen in jeder Gruppe, die mittlere Startspannung und der
Bereich, in dem die Startspannung sich innerhalb jeder Gruppe änderte.
Anzahl der Bogengefäße Nennspannung Mittelspannung Spannungsbereich
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Die Daten zeigen, daß die Startspannungen der einzelnen
Entladungseinrichtungen in jeder Gruppe innerhalb eines Bereichs von 350 Volt lagen, und das der
Unterschied zwischen der maximalen Startspannung unter den Entladungseinrichtungen
mit der niedrigeren Startnennspannung und der Mindeststartspannung zwischen den
Entladungseinrichtungen mit der höheren Startnennspannung 200 Volt betrug.
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Die Daten zeigen, daß bei stichprobenartiger Wahl der
Entladungseinrichtungen aus den zwei Gruppen und in dieselbe Lampe aufgenommen, im schlimmsten
Fall die Startspannung der einen Entladungseinrichtung um 200 Volt niedriger als die
höhere Startspannung wäre. Die Startspannung einer
Hochdrucknatriumdampfentladungseinrichtung kann erwartungsgemäß während ihrer Lebensdauer um etwa 100 Volt
ansteigen, was gerade eine Hälfte des schlimmsten Falls bei einem
Startspannungsunterschied zwischen den beiden Entladungseinrichtungen ist. Also startet die
Entladungseinrichtung mit der niedrigeren Startspannung vorzugsweise über die ganze Lebensdauer
der Lampe, und die Verwendung verschiedener inerter Gasfülldrücke zum Erhalten
einer Vorzugszündung ist für handelsübliche Lampen praktisch.
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Angefertigt wurden Lampen mit zwei Entladungseinrichtungen, mit
verschiedenen Startspannungen, aus den eben beschriebenen Entladungseinrichtungen.
Jedenfalls startete die Entladungseinrichtung mit der niedrigeren Startspannung zunächst.
Im Lampenbetrieb bei einer Stromunterbrechung und dadurch eine Unterbrechung in
der betriebenen und erwärmten Entladungseinrichtung würde die zweite
Entladungseinrichtung mit der höheren Startspannung bei Neuzufuhr des Lampenstroms ohne heiße
Neustartverzögerung starten.
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In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Fig. 6 wird die
Struktur zum Definieren der Vorzugsstarthilfe durch eine spiralige Metallspule 18 um
eine der Entladungseinrichtungen definiert. Der Betrieb dieser Art von Starthilfe wird
mit weiteren Einzelheiten in der US-Patentschrift 4 491 766 beschrieben, dessen Inhalt
als Bestandteil dieser Beschreibung anzusehen ist. Die Metallspirale 18 ist mit dem
Trägerstab 9 über die Diode 19 elektrisch verbunden.
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Die Diode hat eine wirksame Polarität zum Anlegen eines positiven
Potentials an die Metallspirale 18 für die Dauer jedes abwechselnden Halbzyklus der
angelegten Spannung. Für wenigstens eine Hälfte jedes Wechselstromzyklus ist das
Potential an die Metallspirale 18 positiv und dem der Entladungselektroden
entgegengesetzt. Diese positive Spannung bewirkt örtliche Ionisation innerhalb der
Entladungseinrichtung und eine Kippentladung. Elektronen aus der Entladung werden durch das
Feld zwischen den Entladungselektroden beschleunigt und fördern die Bildung der
Hauptentladung. Die Hauptentladung entsteht bei einer niedrigeren Spannung als wenn
die Metallspirale 18 nicht vorhanden und vorgespannt wäre.
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Die hier beschriebene Erfindung beschränkt sich nicht auf die speziellen
dargestellten Ausführungsbeispiele. Beispielsweise lassen sich Entladungseinrichtungen
vom elektrodenlosen Typ verwenden.