Hochdruckentladungslampe kleiner elektrischer Leistung und Verfahren zum Betrieb

Abstract

 Für den schnellen Anlauf einer Kfz-Metallhalogenid­hochdruckentladungslampe (1) weist diese eine mög­lichst kleine Quarzglasmenge und Elektroden auf, die für einen durch ein EVG zeitlich geregelten 5- bis 10fachen Anlaufstrom geeignet sind. Die Steuereinrich­tung für das EVG bewirkt, daß die Grenzleistung der Lampe nicht überschritten wird. Darüber hinaus weist die Lampe an ihrer Oberfläche eine IR- und/oder UV-reflektierende (9) oder absorbierende (8) Beschich­tung auf. Als zusätzliche Maßnahme kann das Quarz­glas des Entladungsgefäßes mit einer IR- und/oder UV-reflektierenden oder absorbierenden Dotierung ver­sehen sein. Mit einer Xenon-Füllung des Entladungs­gefäßes 2 von mindestens 3 bar erzielt man den 90 %-Lichtstrom der Lampe schon bei ca. 1 sec.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Hochdruckentladungslampe kleiner elektrischer Leistung mit den im Oberbegriff des Hauptanspruchs bezeichneten Merkmalen.

[0002] Hochdruckentladungslampen, insbesondere solche mit Metallhalogenidfüllung, setzen sich in letzter Zeit vermehrt zum Zweck der Allgemeinbeleuchtung durch. Aber auch für die Scheinwerfer von Kraftfahrzeugen wurden solche Lampen bereits vorgeschlagen. Für beide Anwendungszwecke sind Leistungsstufen unterhalb 70 W, z.B. 35 W, völlig ausreichend. Unbefriedigend ist aber noch immer die Anlaufzeit zwischen der Zündung und dem Erreichen des Endlichtstroms. Sie beträgt bei einer konventionell betriebenen Lampe ca. 40 sec. In dem DE-GM 86 23 908 wurde deshalb vorgeschlagen, die Lampe im ausgeschalteten Zustand fremd zu beheizen, um so die Füllsubstanzen verdampft zu halten und auf diese Weise von einem höheren Temperatur- und damit Druckniveau ausgehend eine verkürzte Anlaufzeit von nur ca. 8 sec zu erreichen. Abgesehen von der für die Fremdheizung erforderlichen zusätzlichen elek­trischen Energie und dem damit verbundenen Instal­lationsaufwand ist aber auch eine derart verkürzte Anlaufzeit für viele Anwendungszwecke noch immer nicht befriedigend.

[0003] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Anlaufzeit der Metallhalogenidlampe noch weiter zu verkürzen. Auf eine Fremdbeheizung der Lampe soll mit Rücksicht auf den zusätzlichen Energieverbrauch und die Maßnahmen für die Energieversorgung verzichtet werden.

[0004] Diese Aufgaben werden durch eine Kombination der kenn­zeichnenden Merkmale wie im Hauptanspruch angegeben gelöst. Hauptmerkmal ist hierbei das elektronische Vorschaltgerät, mit dessen Hilfe eine Regelung des Anlaufstroms zwischen der Lampenzündung und dem Erreichen des Endlichtstromes in einem Bereich bis zum zehnfachen Wert des Nennstroms möglich ist. Die entsprechenden Schaltungsanordnungen sind in den Patentanmeldungen mit den Aktenzeichen P 37 19 356 und P 37 19 357 beschrieben. Die weitere Ausgestal­tung der vorliegenden Erfindung ist in den Unteran­sprüchen dargelegt. Durch diese Betriebsweise wird der 90 %-Lichtstrom einer konventionellen Metallhalo­genidlampe von ursprünglich ca. 30 sec auf ca. 5 sec reduziert. Eine weitere Reduzierung auf nur noch ca. 1 sec für den 90 %-Lichtstrom ist mit einer Kombination der verbleibenden am Entladungsgefäß vorzunehmenden Maßnahmen hinsichtlich Beschichtung, Dotierung und der Füllung des Entladungsgefäßes möglich, wobei die Regelung des Anlaufstroms bis an die zulässige Obergrenze des elektronischen Vorschalt­gerätes, nämlich bis an den ca. 10fachen Nennstrom heranreichend erfolgt. Gegenüber dem konventionellen Betrieb einer derartigen Lampe bedeutet dies eine Verkürzung der Anlaufzeit um den Faktor 30. Der hohe Überstrom während der Anlaufphase heizt die optimierte Masse des Entladungsgefäßes schnell auf. Die entstan­ dene Wärme wird dann aufgrund der Dotierung des Entladungsgefäßmaterials sowie der beschriebenen unterschiedlichen Beschichtungen in das Entladungsge­fäß reflektiert bzw. von diesem absorbiert, so daß die abgestrahlte Wärme reduziert und Wärmeverluste mini­miert werden. Die gegenüber herkömmlichen Metallhalo­genidlampen auf diese Weise zusätzlich gewonnene Wärme wird voll zur Verdampfung der Füllsubstanzen genutzt und verkürzt dadurch die Anlaufzeit in erheblichem Maße. Das Xenon im Entladungsgefäß bewirkt einen hohen Sofortlichtanteil im unmittelbaren Anschluß an die Zündung.

[0005] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von drei Figuren näher erläutert:

Figur 1 zeigt eine Metallhalogenidlampe mit einer Strahlung reflektierenden Beschichtung in schematischer Darstellung

Figur 2 zeigt die Anlaufkurven einer an einem steuer­baren elektronischen Vorschaltgerät betrie­benen Metallhalogenidlampe ohne reflektierende Beschichtung, ohne Dotierung des Quarzglases und ohne Xenon-Füllung

Figur 3 zeigt die Anlaufkurve des Lichtstroms einer an einem steuerbaren elektronischen Vorschalt­gerät betriebenen Metallhalogenidlampe mit reflektierender Beschichtung und mit Xenon-­Füllung

[0006] Die Metallhalogenidhochdruckentladungslampe 1 der Figur 1 besteht aus Quarzglas und weist ein Entla­ dungsgefäß 2 mit zwei an gegenüberliegenden Seiten des Entladungsgefäßes 2 angeordneten Einschmelzungen in Form einer Quetschung 3 auf. In jede Quetschung 3 ist ein Elektrodensystem gasdicht eingeschmolzen, das aus einer innerhalb des Entladungsgefäßes 2 angeordneten Elektrode 4 aus Wolfram, einer von der Quetschung 3 eingebetteten Dichtungsfolie 5 aus Molybdän sowie einer aus der Quetschung 3 in Lampenlängsachse aus­tretenden Stromzuführung 6 aus Molybdän besteht. Die Stromzuführungen weisen an der Stelle ihres geringsten Querschnitts, das sind im vorliegenden Fall die Dichtungsfolien 5 aus Molybdän, eine Fläche von ca. 10 mm² auf. Die Elektroden 4 sind in diesem Aus­führungsbeispiel als Kugelelektroden mit einem Kugel­durchmesser von ca. 0,35 mm ausgeführt, die sich am Ende des Wolframdrahtes mit ca. 0,18 mm Durchmesser befinden.

[0007] In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel einer Metall­halogenidhochdruckentladungslampe 1 mit ca. 35 W Leistungsaufnahme weist das Entladungsgefäß 2 eine im wesentlichen elliptische Gestalt mit einem Außen­durchmesser von ca. 5,5 mm und einer Länge zwischen den Einschnürungen 7 von ca. 7 mm auf. Die Masse dieses Entladungsgefäßes 2 beträgt ca. 6 mg je Watt elektrischer Leistung, im vorliegenden Ausführungsbei­spiel einer 35 W-Lampe also ca. 0,2 g. In einem Volumen von nur 0,025 cm³ enthält das Entladungsgefäß 2 neben dem Argon als Startgas auch Quecksilber sowie die Halogenide von Natrium und vorzugsweise Scandium oder von Natrium und einem Metall der Seltenen Erden. An jeder Einschnürung 7, das ist der Übergangsbereich vom Entladungsgefäß 2 zur Quetschung 3, ist zuerst eine Beschichtung 8 aus Siliziumeisenoxid und darüber eine weitere Schicht aus Zirkondioxid aufgetragen. Der Winkel α , der durch die Lampenquerachse und der Verbindungslinie zwischen dem Mittelpunkt des Entla­dungsraumes sowie dem inneren Rand der Beschichtung 8 auf dem Entladungsgefäß 2 gebildet wird, liegt bevor­zugt im Bereich zwischen 50° und 55°. Die Beschichtung 8 bedeckt somit ziemlich genau die hinter den Elek­troden 4 liegenden Räume und heizt diese bevorzugt auf. Der transparente Teil des Entladungsgefäßes 2 ist darüber hinaus mit einer sichtbare Strahlung trans­mittierenden, aber IR-Strahlung reflektierenden dichroitischen Beschichtung 9 aus Titandioxid und Siliziumdioxid mit einer Schichtdicke von ca. 0,2 µm versehen. Die Elektroden 4 sind an ihrer sich einander zugewandten Oberfläche kugelförmig ausgebildet. Auf eine weitere Maßnahme, nämlich die Dotierung des Quarzglases mit einem UV-Strahlung absorbierenden Mittel, vorzugsweise Titandioxid, mit einer Menge von 0,02 Gew.-% bis 0,2 Gew.-% wurde im vorliegenden Ausführungsbeispiel verzichtet, ebenso wie auf die Füllung des Entladungsgefäßes mit Xenon.

[0008] In den Figuren 2a und 2b sind die Anlaufkurven einer "nackten" Metallhalogenidhochdruckentladungslampe 1 ohne jegliche Beschichtung oder Dotierung des Quarz­glases und ohne Xenon-Füllung wiedergegeben. Die Lampe selbst wurde aber an einem erfindungsgemäßen elektro­nischen, den Anlaufstrom regelnden Vorschaltgerät entsprechend Anspruch 1 a) betrieben. Der Anlaufstrom von ca. 2,6 A entspricht etwa dem 6,5fachen Nennstrom der Lampe 1. Wie dem Diagramm zu entnehmen ist, wird der 30 %-Lichtstrom φ bei ca. 3,0 sec, der 50 %-Licht­strom φ bei ca. 3,8 sec und der 90 %-Lichtstrom φ bereits bei ca. 4,5 sec erreicht. Der Anstieg des Lichtstroms φ erfolgt steil und übersteigt nach ca. 5 sec den Nennlichtstrom φ auf ca. 120 %, um sich dann nach ca. 15 sec auf seinen Nennwert einzustellen. Die anderen gemessenen Parameter, wie Farbtemperatur T, Brennspannung der Lampe U sowie deren Leistungsauf­nahme P, sind ebenfalls den Diagrammen zu entnehmen und bedürfen keiner weiteren Erläuterung.

[0009] Die Anlaufkurve des Lichtstroms φ der Figur 3 stammt von einer Metallhalogenidhochdruckentladungslampe ähnlich der Figur 1, jedoch ohne die Beschichtung 9, aber mit einem mit Xenon gefüllten Entladungsgefäß bei einem Kaltfülldruck von ca. 6 bar. Die Lampe wurde wie im vorangegangenen Beispiel an dem elektronischen Vorschaltgerät betrieben, wobei der Anlaufstrom bei 3,3 A lag, was etwa dem ca. 8,5fachen Nennstrom ent­spricht. Mie hier deutlich zu erkennen ist, erfolgt der Anstieg des Lichtstromes noch steiler als im Beispiel der Figur 2 a). Der 90 %-Lichtstrom φ wird hier schon nach ca. 1 sec erreicht. Diese extrem kurze Anlaufzeit ist durch das Aufbringen der Beschichtungen 8 und 9 entsprechend der Figur 1 und/oder eine Dotierung des Quarzglases mit TiO₂ oder CeO₂ noch weiter zu verkürzen.

Ansprüche

1. Hochdruckentladungslampe (1) kleiner elektrischer Leistung mit zugeordnetem elektronischen Vorschalt­gerät, bei der die Lampe ein Entladungsgefäß (2) und eine darin enthaltene Füllung von mindestens einem Edelgas, Quecksilber und Metallhalogeniden aufweist, und in das Entladungsgefäß (2) mindestens zwei Elektroden (4) über Stromzuführungen (6) gasdicht hineingeführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß außer den Merkmalen a) bis c) mindestens noch ein weiteres der Merkmale d) bis g) in Kombination vorliegt.

a) Das elektronische Vorschaltgerät beinhaltet eine Steuervorrichtung, die den Anlaufstrom der Lampe (1) auf einen Wert einstellt, der zwischen dem fünffachen und dem zehnfachen Wert des Nennstromes liegt.

b) Das Entladungsgefäß (2) enthält als Füllung min­destens die Halogenide von Natrium und Scandium oder von Natrium und einem Metall der Seltenen Erden.

c) Die Masse des Entladungsgefäßes (2) liegt im Bereich zwischen 0,002 Gramm je Watt und 0,1 Gramm je Watt elektrischer Leistung der Lampe.

d) Das Entladungsgefäß enthält als Füllgas Xenon mit einem Kaltfülldruck von mindestens 3 bar.

e) Das Entladungsgefäß (2) ist zumindest teilweise mit mindestens einem Mittel versehen, das nicht sicht­bare Strahlung reflektiert oder absorbiert und sichtbare Strahlung transmittiert.

f) Die Schäfte der Elektroden (4) weisen einen Durch­messer von maximal 0,3 mm auf.

g) Der sich einander zugewandte Teil der Elektroden (4) ist verrundet.

2. Hochdruckentladungslampe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht sichtbare Strahlung reflektierende und sichtbare Strahlung transmittierende Mittel aus einer auf die Oberfläche des Entladungsgefäßes (2) aufgetragenen dichroitischen Beschichtung (9) aus TiO₂ und SiO₂ oder Si₃N₄ und SiO₂ besteht.

3. Hochdruckentladungslampe (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dichroitische Beschichtung (9) eine Dicke aufweist, die im Bereich von 0,1 µm bis 1,5 µm liegt.

4. Hochdruckentladungslampe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht sichtbare Strahlung absorbierende und sichtbare Strahlung transmittierende Mittel aus einer dem Material des Entladungsgefäßes (2) zugesetzten Dotierung aus TiO₂, CeO₂, SnO₂ oder BaMgAl₂O₃ besteht.

5. Hochdruckentladungslampe (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Material des Entladungsgefäßes (2) zugesetzte Dotierung eine Menge aufweist, die im Bereich von 0,02 Gew.-% bis 0,2 Gew.-% je Gewichtseinheit liegt.

6. Hochdruckentladungslampe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden des Entladungs­gefäßes (2) mit einer nicht sichtbare und sichtbare Strahlung reflektierenden Beschichtung (8) aus Zirkon­dioxid versehen sind.

7. Hochdruckentladungslampe (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden des Entladungs­gefäßes (2) außer der Beschichtung (8) aus Zirkon­dioxid zusätzlich eine Beschichtung aus Silizium­eisenoxid aufweisen.

Zeichnung