DE69125717T2 - Entladungslampenanordnung - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Niederdruck-Entladungslampe, wie beispielsweise eine Leuchtstofflampe, in der elektromagnetische Strahlung durch eine Entladung in einem eine Füllung enthaltenden Mantel erzeugt wird.
• Eine Entladung in einer Entladungslampe leitet Elektrizität, weil Atome in der Füllung ionisiert worden sind, um Elektronen und positive Ionen zu erzeugen. Eine Ionisation in einer Niederdruck-Entladungslampe wird prinzipiell durch Elektronenaufprall bewirkt.
• Wenn eine Potentialdifferenz über der Entladung angelegt ist, werden die Elektronen mit Energie versorgt und beschleunigt. In einer üblichen Entladungslampe ist die gelieferte Energie ausreichend, damit die Elektronen wenigstens einen Bestandteil der Füllung ionisieren können, wodurch mehr Elektronen erzeugt werden, die ihrerseits beschleunigt werden, um eine weitere Ionisation und Freisetzung von Elektronen zu bewirken. Zusätzlich werden die Ionen zur Kathode hin angezogen, die dadurch noch mehr Elektronen erzeugt durch sekundäre Emision und/oder Erwärmung.
• Somit nimmt die Elektronendichte und deshalb die elektrische Leitfähigkeit der Entladung mit dem Strom zu, der durch die Entladung fließt. Die Zunahme der Leitfähigkeit mit dem Strom ist normalerweise so groß, daß die Spannung, die zur Aufrechterhaltung des Stroms in der Entladung erforderlich ist, abfällt, wenn der Strom zunimmt, d.h. die Entladung hat eine negative Spannungs-Strom-Charakteristik. Infolgedessen sind die meisten Entladungen nicht strombegrenzend und müssen für einen stabilen Betrieb aus einer konstanten Spannungsversorgung eine strombegrenzende Vorrichtung (eine Vorschaltanordnung bzw. Ballast), wie beispielsweise einen Widerstand oder, für Wechselspannungsbetrieb, eine Drossel, einen Kondensator oder eine gewisse Kombination davon enthalten, die den Leistungsverlust minimiert und ein Durchgehen des Stroms verhindert.
• Man hat in der Lichttechnik bereits versucht, eine Ent ladungslampe zu schaffen, in der das Erfordernis für eine Vorschaltanordnung wenigstens verringert ist, so daß die Größe, das Gewicht und die Kosten des Lichtquellensystems als ein Ganzes (einschließlich Steuereinrichtung) gesenkt werden können.
• Beispielsweise beschreibt EP-A-54959 (GTE Laboratories) eine Leuchtstofflampe, in der die Anode und Kathode durch eine Strecke getrennt sind, die kleiner ist als die mittlere freie Wegstrecke der Elektronen in der Füllung, und in der die Anode eine offene Gitterstruktur hat, durch die Elektronen hindurchtreten, um ein Elektronenbündel zu bilden. In dieser Anordnung ist der durch die Lampe gezogene Strom begrenzt, erstens durch die sehr kleine Wahrscheinlichkeit von Kollisionen in dem Bereich zwischen der Anode und der Kathode und zweitens durch das relativ schwache elektrische Feld in dem Driftbereich jenseits der Anode, was eine Ionisation verhindert. Aus diesen Gründen können derartige Bündelmodelampen zwar ohne Vorschaltanordnung betrieben werden, aber ihre Lichtabgabe ist sehr gering.
• JP62-12059A (Matsushita) beschreibt eine Lampe, in der eine erste Anode wiederum von einer ersten Kathode durch einen Abstand getrennt ist, der kleiner als die mittlere freie Wegstrecke der Elektronen in der Füllung ist, und in der die Anode eine Gitterstruktur hat. In dieser Anordnung ionisieren jedoch die Elektronen, die durch die Anode hindurchtreten, Quecksilberatome in dem Raum jenseits der Anode, und diese Ionisation neutralisiert die Raumladung um die Anode herum. Unter diesen Umständen werden Elektronen, die durch eine zweite Kathode in dem Raum jenseits der Gitteranode emittiert werden, über dem Raum in Richtung auf eine zweite Anode beschleunigt, um eine lichtgebende Entladung zu erzeugen. Vorteilhafterweise kann die Spannung, die zum Erzeugen dieser Entladung erforderlich ist, unterhalb des Ionisationspegels gehalten werden, da die Quecksilberatome einfach durch die Elektronenkollisionen angeregt werden. Deshalb kann die Lampe wiederum ohne eine Vorschaltanordnung betrieben werden, aber wie bei der Bündelmodelampe ist die Lichtabgabe gering.
• In dem vorliegenden Patent wird eine Leuchtstofflampe beschrieben, die mit einer verkleinerten oder ohne Vorschaltanordnung im Vergleich zu bestehenden Lampen betrieben werden kann, die aber auch eine vergleichbare Lichtabgabe aufweist. In ihrer kompakten Form kann die Lampe gegen die übliche Haushaltsglühlampe ausgetauscht werden.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Entladungslampenanordnung geschaffen, enthaltend: einen Mantel, der eine Füllung enthält, die eine Entladung aufrechterhalten kann, wenn sie in geeigneter Weise angeregt wird; eine Kathode und eine erste Anode in dem Mantel; eine Einrichtung zum Hervorrufen einer Pilot- bzw. Steuerentladung mit einer positiven Spannungs-Strom-Charakteristik zwischen der Kathode und der ersten Anode, wobei die erste Anode in einem Abstand von der Kathode angeordnet ist, der kleiner als die mittlere freie Strecke von Elektronen in der Steuer- bzw. Pilotentladung ist, wobei die erste Anode den Elektronen der Steuer- bzw. Pilotentladung gestattet, die Strecke zu durchgueren; eine zweite Anode, die in einem Abstand von der ersten Anode angeordnet ist, der größer als die mittlere freie Strecke von Elektronen in der Entladung ist; und eine Einrichtung zum Ausbilden eines Potentials zwischen den ersten und zweiten Anoden, das die Elektronen beschleunigt, die durch die erste Anode in Richtung auf die zweite Anode wandern, um die Füllung zwischen den ersten und zweiten Anoden zu ionisieren und eine weitere Ionisation der Füllung zu fördern, wodurch eine Hauptentladung eingeleitet und zwischen den ersten und zweiten Anoden beibehalten wird.
• In einen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Elektronen, die durch die Steuer- bzw. Pilotentladung in dem einen Bereich der Lampe erzeugt werden, in einen zweiten Bereich der Lampe durch eine Gitterelektrode eingeführt, die die erste Anode bildet.
• Im Betrieb enthält dieser zweite Bereich die Hauptentladung, die ähnliche Charakteristiken aufweist, wie die Entladung in einer üblichen Entladungslampe, weil:
• (a) es eine hohe Wahrscheinlichkeit gibt, daß Elektronen mit anderen Teilchen in der Füllung kollidieren, da der zweite Bereich eine größere Abmessung aufweist als die mittlere freie Strecke für Elektronen in der Füllung, und
• (b) Atome in der Füllung ionisiert werden können durch Kollisionen mit Elektronen, die in dem Bereich beschleunigt werden, wobei ein ausreichender Anteil der Elektronen mit einer größeren Energie geliefert werden als der Ionisierungsenergie von wenigstens einem Bestandteil in der Füllung.
• Im Gegensatz zum Stand der Technik haben die Erfinder gefunden, daß der Strom in einer die elektromagnetische Strahlung erzeugenden Hauptentladung durch eine Steuer- bzw. Pilotentladung gesteuert werden kann, die eine positive Spannungs- Strom-Charakteristik aufweist. Insbesondere haben die Erfinder gefunden, daß die volle Ionisierungsspannung über die Hauptentladung angelegt werden kann ohne Vorschaltanordnung und ohne daß ein Durchgehzustand des Stroms hervorgerufen wird.
• Im Grundsatz verhindert der Stand der Technik ein Durchgehen des Stroms dadurch, daß die Zustände der Entladung gesteuert werden, die elektromagnetische Strahlung erzeugt, wogegen die vorliegende Erfindung effektiv die Steuer- bzw. Pilotentladung als eine steuerbare, strombegrenzende Kathode benutzt.
• Vorzugsweise wird die Steuer- bzw. Pilotentladung in einem Bereich hervorgerufen, der eine größere Abmessung hat als die mittlere freie Weglänge für die Elektronen in der Füllung, und die Steuer- bzw. Pilotentladung wird dadurch hervorgerufen, daß eine Spannung über diesen Bereich angelegt wird, so daß die Elektronen in diesem Bereich mit einer ausreichenden Energie versehen werden, um Atome von wenigstens einem Bestandteil in der Füllung zu ionisieren.
• Vorteilhafterweise wird die Spannung zum Beschleunigen der Elektronen zwischen der Kathode und der Gitterelektrode angelegt, wobei die zwei Elektroden durch einen Abstand getrennt sind, der größer als die mittlere freie Weglänge für die Elektronen in der Füllung ist.
• Die Gitterelektrode oder erste Anode ist vorzugsweise zwischen der zweiten Anode und der Kathode angeordnet. In diesem Fall wird die Hauptentladung zwischen der Gitterelektrode und der Kathode gezündet. Die Gitterelektrode kann eine zylindrische, planare oder andere Form haben.
• Die Kathode kann vorteilhafterweise aufweisen, was im Stand der Technik "eine heiße Kathode" genannt wird. In diesem Fall enthält zwar die Steuer- bzw. Pilotentladung eine Vorschaltanordnung (Ballast), aber es wird deutlich, daß die Anforderungen an die Vorschaltanordnung für eine Entladungslampe mit einer erforderlichen Lichtabgabe viel kleiner sind als für eine übliche Entladungslampe, weil die Vorschaltanordnung nur erforderlich ist, um den Strom auf eine eine geringe Leistung aufweisende Steuer- bzw. Pilotentladung zu begrenzen, die ihrerseits den Strom in der Hauptentladung steuert.
• Alternativ kann die Kathode aufweisen, was im Stand der Technik als eine "hohle Kathode" mit einer positiven Spannungs- Strom-Charakteristik bezeichnet wird.
• Im Gegensatz zum Stand der Technik ist die positive Spannungs-Strom-Charakteristik der Steuer- bzw. Pilotentladung mit entweder einer heißen Kathode mit Vorschaltanordnung oder einer hohlen Kathode ohne Vorschaltanordnung nicht abhängig von der Verhinderung der sekundären ionisierenden Kollisionen in der Füllung. Dementsprechend beseitigt dies das Erfordernis für Zustände, die in bekannten Bündelmodelampen wesentlich erscheinen, wie beispielsweise Drucke in der Größenordnung von 0,1 mbar und enge Abstandsbildung der Elektronen emittierenden Kathode und Anode, die aber nachteilig sind für die Abgabe elektromagnetischer Strahlung von der Lampe.
• Es werden nun Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
• Figur 1 schematisch eine erste Entladungslampe gemäß der Erfindung zeigt;
• Figur 2 schematisch eine Schaltungsanordnung zur Verwendung mit der Entladungslampe gemäß Figur 1 zeigt;
• Figur 3 eine Darstellung von einer Kurve des schwimmenden Potentials (gemessen in bezug auf die Kathode) für die Lampe gemäß Figur 1 ist;
• Figur 4 ein Kurvenbild ist und die elektrischen Charakteristiken zeigt, wie sie experimentell für die Lampe gemäß Figur 1 ermittelt sind;
• Figur 5 eine Abwandlung der Entladungslampe gemäß Figur 1 zeigt;
• Figur 6 schematisch eine zweite Entladungslampe gemäß der Erfindung zeigt;
• Figur 7 schematisch eine Betriebsschaltung zur Verwendung mit der Entladungslampe gemäß Figur 6 zeigt; und
• Figur 8 ein Kurvenbild ist und die elektrischen Charakteristiken zeigt, wie sie experimentell für die Lampe gemäß Figur 6 ermittelt wurden.
• Es wird zunächst auf die Figuren 1 und 2 Bezug genommen, in denen eine Leuchtstofflampe 85 gezeigt ist, die aus einer Glasröhre 88 mit einer "heißen" Kathode 74 an dem einen Ende und einer Anode 50 an dem gegenüberliegenden Ende besteht. Die Glasröhre enthält eine Füllung mit einem Puffer-Edelgas, wie beispielsweise Argon, zwischen 0,5 mbar (50N/m²) und 5,0 mbar (500N/m²) und etwa 8µar (0,8N/m²) Quecksilber. Die Kathode 74 ist von der Anode 50 vollständig abgeschirmt durch eine Gitterelektrode 54, die sich über den Querschnitt der Röhre 88 erstreckt und einen flexiblen Kragen 89 aufweist, um eine vollständige Abdichtung sicherzustellen. Das Gitter ist auf einem elektrisch leitfähigen ringförmigen Halterungsring 90 angebracht.
• Ein typischer Röhrenradius würde in dem Bereich von 10- mm liegen mit einem Kathoden-Gitter-Abstand l&sub1; von 2mm - 100mm und einem Gitter-Anoden-Abstand von jeder gewünschten Länge 12, die im allgemeinen größer als l&sub1; ist. Das Gitter 54 hat vorzugsweise eine Lochgröße in dem Bereich von 0,05 mm - 1,0 mm, was eine offene Fläche von 30-50% ergibt.
• Die "heiße" Kathode 74 kann von dem Typ sein, der normalerweise in Leuchtstofflampen verwendet wird, mit einem Elektronen emittierenden Material überzogen ist und direkt oder indirekt geheizt sein kann. Die Röhre ist als gerade mit einem gleichförmigen Querschnitt dargestellt, sie kann aber auch in jede gewünschte Form gebogen sein, wobei sich der Querschnitt entlang der Länge verandert, wenn dies erforderlich ist.
• Die Einführungsdrähte 91, 92 zu jeder Endelektrode sind in den entsprechenden Enden der Röhre 88 abgedichtet, und der Einführungsdraht 93 zu der Zwischengitterelektrode 54 kann einen unisolierten Draht innerhalb der Röhre aufweisen.
• Im Betrieb wird eine Gleichspannung Vapp an die Steuerbzw. Pilotentladungsschaltung angelegt, die aus der Kathode 74, dem Gitter 54 und einem kleinen Vorschaltwiderstand R (Figur 2) besteht. Diese erzeugt eine Steuer- bzw. Pilotentladung mit einem gemessenen Potential V&sub1; zwischen der Kathode und dem Gitter und einem Pilotentladungsstrom I1. Die Pilotentladung wirkt wie eine steuerbare, strombegrenzende Kathode für die Hauptentladung zwischen dem Gitter 54 und der Anode 50. Die innere Oberfläche der Röhre 88 ist mit einem Leuchtstoff (nicht gezeigt) überzogen, um die ultraviolette Strahlung, die von der Pilotentladung und der Hauptentladung emittiert wird, in eine lichtgebende Abgabe umzuwandeln.
• Eine variable Gleichspannung V&sub2; wird zwischen dem Gitter und der Anode angelegt, und 12 ist der Hauptentladungsstrom (ohne Vorschaltanordnung). Der Strom 13 ist definiert als die Differenz zwischen den Strömen mit und ohne Vorschaltanordnung, d.h. I&sub3; = I&sub1; - I&sub2;. I&sub3; ist deshalb negativ, wenn der Strom I&sub2; ohne Vorschaltanordnung größer als der Strom I&sub1; mit Vorschaltanordnung ist.
• Es wird deutlich, daß sich die Pilotentladung wie eine konventionelle Leuchtstoffentladung mit heißer Kathode und Vorschaltanordnung verhält. Einige Elektronen aus dieser Entladung treten durch das Gitter 54 hindurch und werden durch die Gitter-Anoden-Spannung V&sub2; beeinflußt. Diese Elektronen werden in Richtung auf die Anode 50 beschleunigt, wodurch eine Anregung und lonisierung hervorgerufen wird, um die Hauptentladung zu bilden. Diese Ionisation hat einen großen Ionenfluß zurück in Richtung auf das Gitter 54 zur Folge, und auf der Anodenseite des Gitters wird eine lonenabschirmung aufgebaut. Wie in Figur 3 deutlich gezeigt ist, wird ein großer Potentialanstieg, der als der Gitterabfall bekannt ist, über dieser Ionenschicht entwickelt; dies ist der prinzipielle Steuermechnismus für die Hauptentladung.
• Ein Anstieg in dem Hauptentladungsstrom 12 hat einen Anstieg in der Gitterabfallspannung zur Folge, so daß die Hauptentladung eine positive Strom-Spannungs-Charakteristik hat, wie es in Figur 4 gezeigt ist. Es ist nicht möglich, die Hauptentladung zu zünden, wenn die Pilotentladung nicht bereits in Betrieb ist.
• Vorausgesetzt, die Gitter-Anoden-Spannung V&sub2; bleibt unter dem Schwellenwert zur Bogenbildung zwischen der Anode und dem Gitter, bleibt die Hauptentladung stabil über einem breiten Bereich der Spannung V&sub2; von dem kleinsten Wert, der eine Entladung aufrechterhält, bis zu Werten, die einen Strom aufrechterhalten, der mit demjenigen in einer Standard-Leuchtstofflampe wenigstens vergleichbar ist. Insbesondere sind die Zustände innerhalb der Pilotentladung (d.h. Strom 11, Spannung V&sub1; und das schwimmende Potentialprofil) im wesentlichen unabhängig von der Hauptentladungsspannung V&sub2;. Dies ist in Figur 3 dargestellt, wo das schwimmende Potential für zwei Werte von V&sub2; aufgetragen ist, die als V2a und V2b gezeigt sind, wobei V2b > V2a.
• Die Intensität der Lichtabgabe ist im allgemeinen von dem Hauptentladungsstrom 12 abhängig. Aufgrund des Gitterspannungsabfalls, der ein Durchgehen des Stroms verhindert und für eine positive Strom-Spannungs-Charakteristik sorgt, wie es in Figur 4 gezeigt ist, kann der Strom 12 verändert werden, indem einfach V&sub2; verändert wird. Weiterhin kann V&sub2; über einen breiten Bereich verändert werden, ohne die Stabilität der Hauptentladung zu stören. Dementsprechend kann im Gegensatz zu üblichen Leuchtstofflampen die Lampe progressiv gedimmt oder erhellt werden, indem die Spannung V&sub2; verändert wird.
• Alternativ kann auch der Strom 12 vergrößert werden, indem I&sub1; vergrößert wird, so daß das Dimmen und Erhellen der Lampe durch Verändern von V&sub1; gesteuert werden könnte, beispielsweise indem der Widerstand R verändert wird.
• Anstatt daß sich das Gitter 54 über den Querschnitt der Röhre 88 erstreckt, kann die Kathode 74 in einem Gitterzylinder eingeschlossen sein. Eine derartige Abwandlung ist in Figur 5 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel, wo gleiche Teile durch die gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind, ist das Gitter 54 durch einen Doppelgitterzylinder 54a, 54b ersetzt, und die gegenüberliegenden Enden des Zylinders sind durch zwei isolierende Scheiben 96a, 96b verschlossen. In diesem Fall kann das innere Gitter 54b aus weitmaschigem Aluminium mit einer Lochgröße von 1,5mm sein, um für eine Stützhalterung zu sorgen, und das äußere Gitter 54a kann aus feinem rostfreiem Stahl mit einer Lochgröße von 0,1mm sein. Ein Doppelgitter könnte auch das einzelne Gitter 54 in Figur 1 ersetzen, wobei das grobere Gitter das feine Gitter trägt.
• Die Entladungslampe 85 hat deshalb eine vorschaltfreie Hauptentladung, die durch eine Pilotentladung gesteuert wird, die eine relativ kleine Vorschaltanordnung (Ballast) aufweist. Gegenwärtig erzeugte Wirkungsgrade, die zwar kleiner als die von konventionellen Leuchtstofflampen sind, sind vergleichbar mit oder größer als diejenigen von Haushalts-Glühlampen, und es wird angenommen, daß sie durch Optimierung von Lampenparametern Frühe Prototyp-Lampen 85 haben typische Wirkungsgrade von etwa 45 lm/W (dies bezieht sich auf die Wirkleistung des Gesamtsystems), wobei etwa 80% der gesamten Leistung ohne Vorschaltanordnung ist.
• Eine wichtige Überlegung, wenn derartige Lampen betrieben werden, ist das Leistungsgleichgewicht zwischen der mit einer Vorschaltanordnung versehenen (belasteten) Steuerentladung und der Hauptentladung ohne Vorschaltanordnung (unbelastet).
• Ein vorteilhafter Betrieb erfordert im allgemeinen, daß der unbelastete Strom I&sub2; größer als der belastete Strom I&sub1; sein sollte (so daß 13 negativ ist). Jedoch haben die Zustände, die ein großes negatives 13 erzeugen, auch die Tendenz, eine große Gitterabfallspannung zur Folge zu haben; dies ist nicht immer wünschenswert, da es einen großen internen Leistungsverlust darstellt. Eine große Gitterabfallspannung ruft einen energiereicheren Ionenaufprall auf das Gitter hervor, der zu einer Zerstäubung (Sputtering) und einer verkürzten Lebensdauer führt. Somit können die optimalen Zustände für den Betrieb nahezu gleiche Ströme I&sub1; und I&sub2; mit einer kleinen Gitterabfallspannung beinhalten, verbunden mit einem großen Wert von V&sub2;, so daß die Leistung, die in der Hauptentladung selbst verbraucht wird, maximiert wird. Besonders gute Ergebnisse sind erzielt worden, wenn 1W in der belasteten Entladung abgeführt werden, im Vergleich zu 12W in der unbelasteten Entladung.
• Zwar ist die Theorie des Betriebs noch nicht fest etabliert, es wird aber angenommen, daß der Betrieb der Lampe in der folgenden Weise zusammengefaßt werden kann. Eine konventionelle belastete Entladung mit kleiner Leistung wird in dem Pilotbereich 97 zwischen der heißen Kathode 74 und dem Gitter 54 ausgeführt. Aufgrund der Schichtbildung, die die Gitterlöcher überdeckt, werden Elektronen, die sich dem Gitter nähern, einem negativen Potentialgradienten ausgesetzt, der wie ein selektiver Filter wirkt, indem er gestattet, daß nur Elektronen mit einer höheren Energie durch das Gitter hindurchtreten. Die daraus folgende Verkleinerung im Elektronenstrom wird dann durch ein großes positives Potential, das als Gitterabfall bezeichnet wird, in einer Schicht auf der gegenüberliegenden Seite des Gitters kompensiert. In die zweite Entladung eintretende Elektronen haben dann die volle Energie des gesamten Gitterabfalls, wobei sie sowohl Quecksilber- als auch Edelgasatome anregen und ionisieren, um die Hauptentladung zu bilden. Die erhöhte Ionisation in dem negativen Glimmbereich 98 in der zweiten Entladung bewirkt, daß ein großer Ionenfluß zum Gitter 54 zurückkehrt, der aufgrund der kurzen Kollisionslänge der Ionen stark auf das Gitter gestreut und durch dieses absorbiert wird. Der kombinierte Effekt dieser Prozesse ist der, daß dem Gitter gestattet wird, als eine Steuerung für die Hauptentladung zu wirken. Jede Erhöhung in der Anoden-Gitter-Spannung V&sub2; wird direkt kompensiert durch eine ähnliche Erhöhung in dem Gitterspannungsabfall und bewirkt auch, daß der Hauptentladungsstrom ansteigt. Somit hat die Hauptentladung eine stark positive Strom- Spannung-Charakteristik, obwohl die positive Säule zwischen dem Gitter 54 und der Anode 50 weiterhin eine weiche negative Charakteristik hat, die, im Falle von Standard-Leuchtstofflampen, den größten Teil des Lichtes erzeugt.
• Es wird als nächstes auf das Ausführungsbeispiel der "hohlen Kathode" gemäß den Figuren 6 und 7 Bezug genommen, in denen das Hohlkathodensystem 32 eine spulenartig gewickelte Wolfram-Hohlkathode 34 mit einem Innendurchmesser von etwa 4mm aufweist, die von einem Gitterzylinder 36 aus rostfreiem Stahl mit einem Innendurchmesser von 15 mm und einer Lochgröße von 0,3 mm umgeben ist. Die Kathode 36 ist von zwei Keramikscheiben 38a, 38b gehaltert, die auch die Enden des Gitterzylinders 36 verschließen. Einführungsdrähte 40, 42 verbinden den Gitterzylinder 36 und die Hohlkathode 34 mit einer elektrischen Leistungsversorgung (nicht gezeigt); der Einführungsdraht 42 zu der Hohlkathode 34 ist isoliert, um Entladungen der kalten Kathode in diesem Bereich zu verhindern. Das Hohlkathodensystem 32 ist in einem Glasmantel 44 in einem Abschnitt 46 mit einem Innendurchmesser von 40 mm und einer Länge von 65 mm angeordnet. Der Abschnitt 46 verengt sich auf einen Entladeabschnitt 48 mit einem Innendurchmesser von 13 mm und einer Länge von 350 mm, dessen Innenfläche mit Leuchtstoff (nicht gezeigt) überdeckt ist. Eine Anode so ist an dem anderen Ende des Entladeabschnitts 48 angeordnet. Der Glasmantel enthält eine Füllung von 2,5 Torr (333N/m²) Argon und 50 mg Quecksilber. (Die mittlere freie Weglänge für Elektronen in einer derartigen Füllung beträgt etwa 0,2 mm.)
• Eine Betriebsschaltung für die Lampenanordnung gemäß Figur 6 ist in Figur 7 schematisch gezeigt. Es wird eine Hilfsleistungsquelle 52 verwendet, um eine Potentialdifferenz V&sub1; zwischen dem Gitter 36 und der Hohlkathode 34 anzulegen, wobei das Gitter 36 als eine Anode für die Hohlkathode 34 wirksam ist. Die Potentialdifferenz V&sub1; ist ausreichend, um eine Pilotentladung in einem Pilotbereich 54 zu erzeugen, dessen Umfang durch das Gitter 34 gebildet ist. Eine Potentialdifferenz V&sub2; wird zwischen das Gitter 36 und die Anode 50 durch eine Hauptleistungsversorgung 56 angelegt. In dem Bereich 58 des Mantels zwischen dem Gitter 36 und der Anode 50 wird eine Hauptentla dung erzeugt.
• Sowohl in der Pilotentladung als auch der Hauptentladung treten Kollisionen zwischen Elektronen und Füllungsatomen auf, die eine Ionisation und Anregung der Füllungsatome zur Folge haben. Die Quecksilberatome emittieren elektromagnetische Strahlung, die den Leuchtstoff auf dem Glasmantel anregen, Licht zu emittieren. Es wurde beobachtet, daß sowohl die Pilotentladung als auch die Hauptentladung elektromagnetische Strahlung emittieren und sehr stabil sind.
• In Beispielen von geprüften Lampen 30 betrugen die Betriebsspannungen V&sub1; = 220V, V&sub2; = 150V, wobei die Ströme in der Größenordnung von I&sub1; = 70mA, 12 = 120mA (13 = -50MA) betrugen. Ein typischer erhaltener Wirkungsgrad war 27 lm/W.
• Der Vorteil der Hohlkathodenentladung ist der, daß die Kathode keine Heizung mehr erfordert und sie keine Vorschaltanordnung benötigt. Die Theorie des Betriebs ist beispielsweise in "Studies of Metal Vapour Lasers", I. D. Hopkins PhD Dissertation, Universität von Wales 1988 (und darin genannte Bezugsguellen) beschrieben.
• Die Erfinder haben gefunden, daß eine Vielfalt von Hohlkathodenstrukturen verwendet werden kann, um die Pilotentladung zu unterhalten, einschließlich einer wendelförmigen Spule und eines rohrförmigen Gitters.
• Sobald eine Pilotentladung in der Hohlkathode 32 ausgebildet worden ist, werden die das Gitter 36 durchdringenden Elektronen durch die Spannung V&sub2; beschleunigt und bewirken eine Hauptentladung durch Ionisation und Anregung in dem Entladungsbereich 58 zwischen dem Gitter 36 und der Anode 50. Während des normalen Betriebs der Lampe, vorausgesetzt, daß V&sub2; nicht das Funkenpotential (oder das Glimmaufrechterhaltungspotential) bei Fehlen der Hohlkathode 32 für die Trennung des Gitters 36 und der Anode 50 überschreitet, wird der Strom 12 in der Hauptentladung durch die Elektronendichte in der Pilotentladung und deshalb durch den Strom I&sub1; für einen sehr breiten Bereich von V&sub2; gesteuert. Die Kurve in Figur 8 zeigt die Beziehung zwischen den Strömen I&sub1; und I&sub2;.
• Für den Fachmann werden Abwandlungen an den beschriebe nen Ausführungsbeispielen innerhalb des Schutzumfanges der Ansprüche deutlich.
• Insbesondere können die dargestellten Entladungslampenanordnungen für einen Wechselspannungsbetrieb modifiziert werden, indem sie eine Elektroden- und Gitteranordnung an jedem Ende von einem Glasmantel haben.
• Um Zweifel zu vermeiden, sei darauf hingewiesen, daß in der vorliegenden Beschreibung der Begriff "Elektrode" dazu ver wendet wird, eine Struktur zu bezeichnen, die Elektronen emittiert, Elektronen empfängt oder auf andere Weise die Bahn von Elektronen oder anderen Ladungsträgern modifiziert, wenn ein Potential daran angelegt wird.

Claims (10)

1. Entladungslampenanordnung enthaltend:

einen Mantel (88), der eine Füllung enthält, die eine Entladung aufrechterhalten kann, wenn sie in geeigueter Weise angeregt wird;

eine Kathode (74) und eine erste Anode (54) in demmantel (88);

eine Einrichtung (Vapp,R) zum Hervorrufen einer Pilot- bzw. Steuerentladung mit einer positiven Spannungs- Strom-Charakteristik zwischen der Kathode und der ersten Anode, wobei die erste Anode (54) in einem Abstand (1&sub1;) von der Kathode (74) angeordnet ist, der kleiner als die mittlere freie Strecke von Elektronen in der Steuer- bzw. Pibtentladung ist, wobei die erste Anode (54) den Elektronen der Steuer- bzw. Pilotentladung gestattet, die Strecke zu durchgueren;

eine zweite Anode (50), die in einem Abstand (12) von der ersten Anode (54) angeordnet ist, der größer als die mittlere freie Strecke von Elektronen in der Entladung ist; und

eine Einrichtung (V&sub2;) zum Ausbilden eines Potentials zwischen den ersten (54) und zweiten (50) Anoden, das die Elektronen beschleunigt, die durch die erste Anode (54) in Richtung auf die zweite Anode (50) wandern, um die Füllung zwischen den ersten und zweiten Anoden zu ionisieren und eine weitere Ionisation der Füllung zu fördern, wodurch eine Hauptentladung eingeleitet und zwischen den ersten und zweiten Anoden beibehalten wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Füllung Quecksilberdampf und ein Edelgas aufweist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die innenseitige Oberfläche des Mantels (88) mit einem Leuchtstoff überzogen ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Mantel (88) eine langgestreckte Rohrform hat, wobei sich die Kathode (74) an dem einen Ende und die zweite Anode (50) an dem anderen Ende befindet.

5. Anordnung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei die Kathode (74) eine heiße Kathode ist und die Steuer- bzw. Pilotentladung strombegrenzt ist, um eine positive Spannungs-Strom-Charakteristik zu ergeben.

6. Anordnung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei die Kathode (74) eine hohle Kathode ist, um der Steuer- bzw. Pilotentladung eine positive Spannungs/Strom-Charakteristik zu geben.

7. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die erste Anode (54) ein Gitter (54) aufweist, das sich über den Querschnitt des Mantels (88) erstreckt.

8. Anordnung nach Anspruch 4, 5 oder 6, wobei die erste Anode (54) ein zylindrisches Gitter aufweist, das die Kathode (74) begrenzt.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei diehauptentladung keine Strombegrenzung hat.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei ferner Mittel vorgesehen sind zum Verändern der Spannung über der Steuer- bzw. Pilotentladung und/oder der Hauptentladung, um die Intensität der Lichtabgabe der Lampe zu variieren.