Titel: Hochdruckentladungslampe mit verbesserter Zündfä ^¬ higkeit sowie Hochspannungspulsgenerator

Technisches Gebiet

Die Erfindung geht aus von einer Hochdruckentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Lampen sind insbesondere Hochdruckentladungslampen für Allgemeinbeleuchtung oder für fotooptische Zwecke. Die Erfin- düng betrifft weiterhin einen Hochspannungspulsgenerator, der insbesondere für eine Lampe eingesetzt werden kann.

Stand der Technik

Das Problem der Zündung von Hochdruckentladungslampen wird derzeit dadurch gelöst, dass das Zündgerät in das Vorschaltgerät integriert ist. Nachteilig daran ist, dass die Zuleitungen hochspannungsfest ausgelegt sein müssen.

In der Vergangenheit hat es immer wieder Versuche gegeben, die Zündeinheit in die Lampe zu integrieren. Dabei wurde versucht, sie in den Sockel zu integrieren. Eine besonders effektive und hohe Pulse versprechende Zündung gelingt mittels sog. Spiral-Puls-Generatoren, siehe US-A 3 289 015. Vor längerer Zeit wurden derartige Geräte bei verschiedenen Hochdruckentladungslampen wie Metallhaloge- nidlampen oder Natriumhochdrucklampen vorgeschlagen, siehe beispielsweise US-A 4 325 004, US-A 4 353 012. Sie konnten sich jedoch nicht durchsetzen, weil sie zum einen zu teuer sind. Zum andern ist der Vorteil, sie in den Sockel einzubauen, nicht ausreichend, da das Problem des Zuführens der Hochspannung in den Kolben bleibt. Daher die Wahrscheinlichkeit für Schädigungen der Lampe, seien

es Isolationsprobleme oder ein Durchbruch im Sockel, steigt stark an. Bisher übiche Zündgeräte konnten Im allgemeinen nicht über 100 ⁰ C erwärmt werden. Die erzeugte Spannung musste dann der Lampe zugeführt werden, was Leitungen und Lampenfassungen mit entsprechender Hochspannungsfestigkeit erfordert, typisch etwa 5 kV.

Zur Erzeugung besonders hoher Spannungen wird ein Doppel- Generator verwendet, siehe US-A 4 608 521.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hoch- druckentladungslampe bereitzustellen, deren Zündverhalten gegenüber bisherigen Lampen deutlich verbessert ist und bei der keine Schädigung infolge der Hochspannung zu befürchten ist. Dies gilt insbesondere für Metallhalogenid- lampen, wobei das Material des Entladungsgefäßes entweder Quarzglas oder Keramik sein kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.

Weiterhin ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kompakten Hochspannungspulsgenerator anzugeben. Eine weitere Aufgabe ist es, einen Hochspannungspulsgenerator anzugeben, der kompakt ist und hohe Spannungen über 15 kV erzeugen kann. Diese Aufgabe wird durch die kenn- zeichnenden Merkmale des Anspruchs 14 gelöst.

Erfindungsgemäß wird jetzt ein Hochspannungspuls mit mindestens 15 kV, der zur Zündung beispielsweise einer Lampe verwendet werden kann, mittels eines speziellen tempera- turresistenten Spiral-Puls-Generators erzeugt, der in un- mittelbarer Nähe des Entladungsgefäßes im Außenkolben integriert wird. Nicht nur eine Kaltzündung sondern auch ein Heißwiederzündung ist damit möglich.

Der jetzt verwendete Spiral-Puls-Generator ist insbesondere ein sog. LTCC-Bauteil . Diese Material ist eine spe- zielle Keramik, die bis 600 ⁰ C Temperaturfest gemacht werden kann. Zwar wurde LTCC schon in Zusammenhang mit Lampen verwendet, siehe US 2003/0001519 und US-B 6 853 151. Jedoch wurde es für ganz andere Zwecke bei praktisch kaum temperaturbelasteten Lampen, mit typischen Tempera- turen unter 100 ⁰ C, eingesetzt. Der besondere Wert der hohen Temperaturstabilität von LTCC in Zusammenhang mit der Zündung von Hochdruckentladungslampen, wie vor allem Metallhalogenidlampen mit Zündproblemen, zu erkennen.

Der Spiral-Puls-Generator ist in seiner Basisausführung ein Bauteil, das Eigenschaften eines Kondensators mit denen eines Wellenleiters zur Erzeugung von Zündpulsen mit einer Spannung von mindestens 1,5 kV vereint, Für die Herstellung werden zwei keramische "Grün-Folien" mit metallischer Leitpaste bedruckt und anschließend versetzt zu einer Spirale aufgewickelt und schließlich isostatisch zu einem Formkörper gepresst. Die folgende Co-Sinterung von Metallpaste und keramischer Folie erfolgt an Luft im Temperaturbereich zwischen 800 und 900 ⁰ C. Diese Verarbeitung erlaubt einen Einsatzbereich des Spiral-Puls- Generators bis 700 ⁰ C Temperaturbelastung. Dadurch kann der Spiral-Puls-Generator in direkter Nähe des Entla-

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dungsgefäßes im Außenkolben, aber auch im Sockel oder in unmittelbarer Nähe der Lampe untergebracht werden.

Unabhängig davon kann ein derartiger Spiral-Puls- Generator auch für andere Anwendungen eingesetzt werden, weil er nicht nur hochtemperaturstabil ist, sondern auch äußerst kompakt. Dafür ist wesentlich, dass der Spiral- Puls-Generator als LTCC-Bauteil ausgeführt ist, bestehend aus Keramikfolien und metallischer Leitpaste. Um ausreichend Ausgangspannung zu liefern, sollte die Spirale min- destens 5 Windungen umfassen.

Zudem lässt sich auf Basis dieses Hochspannungspulsgenerators eine Zündeinheit angeben, die weiterhin zumindest einen Ladewiderstand und einen Schalter umfasst. Der Schalter kann eine Funkenstrecke oder auch ein Diac in SiC-Technologie sein.

Bevorzugt ist im Falle einer Anwendung für Lampen die Unterbringung im Außenkolben. Denn dadurch entfällt die Notwendigkeit einer hochspannungsfesten Spannungszuleitung.

Zudem lässt sich ein Spiral-Puls-Generator so dimensionieren, dass der Hochspannungspuls sogar eine Heißwiederzündung der Lampe ermöglicht. Das Dielektrikum aus Keramik zeichnet sich durch eine außergewöhnlich hohe Dielektrizitätskonstante ε von ε > 10 aus, wobei je nach Ma- terial und Bauweise ein ε von typisch 70, bis zu ε=100 erreicht werden kann. Das schafft eine sehr hohe Kapazität des Spiral-Puls-Generators und ermöglicht eine vergleichsweise große zeitliche Breite der erzeugten Impulse. Dadurch wird eine sehr kompakte Bauweise des Spiral-

Puls-Generators möglich, so dass ein Einbau in handelsübliche Außenkolben von Hochdruckentladungslampen gelingt.

Die große Pulsbreite erleichtert zudem den Durchschlag im Entladungsvolumen .

Als Material des Außenkolbens einer Lampe kann jedes übliche Glas verwendet werden, also insbesondere Hartglas, Vycor oder Quarzglas. Auch die Wahl der Füllung unterliegt keiner besonderen Einschränkung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausfüh- rungsbeispiele näher erläutert werden. Die Figuren zeigen :

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Spiral-Puls- Generators;

Fig. 2 Kenngrößen eines LTCC- Spiral-Puls-Generators;

Fig. 3 den Prinzipaufbau einer Natriumhochdrucklampe mit Spiral-Puls-Generator im Außenkolben.

Fig. 4 den Prinzipaufbau einer Metallhalogenidlampe mit Spiral-Puls-Generator im Außenkolben.

Fig. 5 eine Metallhalogenidlampe mit Spiral-Puls- Generator im Außenkolben;

Fig. 6 eine Metallhalogenidlampe mit Spiral-Puls- Generator im Sockel;

Fig. 7 Kenngrößen eines LTCC- Spiral-Puls-Generators, wobei eine normale Ausführungsform (Figur 7a) mit

einer kompakten verdoppelten Ausführungsform (Figur 7b) verglichen werden;

Fig. 8 das Prinzip der Verschaltung für einen verdoppelten Spiral-Puls-Generator;

Fig. 9 den Aufbau eines verdoppelten LTCC-Spiral-Puls- Generators im Detail.

Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung

Figur 1 zeigt den Aufbau eines Spiral-Puls-Generators 1 in Draufsicht. Er besteht aus einem keramischen Zylinder 2, in den zwei verschiedene metallische Leiter 3 und 4 als Folienband spiralförmig eingewickelt sind. Der Zylinder 2 ist innen hohl und besitzt einen gegebenen Innendurchmesser ID. Die beiden inneren Kontakte 6 und 7 der beiden Leiter 3 und 4 liegen sich in etwa gegenüber und sind über eine Funkenstrecke 5 miteinander verbunden.

Nur der äußere der beiden Leiter besitzt am äußeren Rand des Zylinders einen weiteren Kontakt 8. Der andere Leiter endet offen. Die beiden Leiter bilden dadurch zusammen einen Wellenleiter in einem dielektrischen Medium, der Keramik.

Der Spiral-Puls-Generator wird entweder aus zwei mit Metallpaste beschichteten keramischen Folien gewickelt oder aus zwei Metallfolien und zwei keramischen Folien aufgebaut. Eine wichtige Kenngröße ist dabei die Zahl n der Windungen, die bevorzugt in der Größenordnung 5 bis 100 liegen soll. Diese Wickelanordnung wird dann laminiert und anschließend gesintert, wodurch ein LTCC-Bauteil entsteht. Die so geschaffenen Spiral-Puls-Generatoren mit

Kondensatoreigenschaft werden dann mit einer Funkenstrecke sowie einem Ladewiderstand beschaltet.

Die Funkenstrecke kann sich an den inneren oder den äußeren Anschlüssen oder auch innerhalb der Wicklung des Ge- nerators befinden. Als Hochspannungsschalter, der den Puls initiiert, kann bevorzugt eine Funkenstrecke verwendet werden, die auf SiC basiert und sehr temperaturstabil ist. Beispielsweise kann das Schaltelement MESFET der Fa. Cree verwendet werden. Dieses ist für Temperaturen ober- halb 350 ⁰ C geeignet.

In einem konkreten Ausführungsbeispiel wird ein Keramikmaterial mit ε = 60 bis 70 verwendet. Dabei wird bevorzugt als Dielektrikum eine Keramikfolie, insbesondere ein Keramikband wie Heratape CT 707 oder bevorzugt CT 765 o- der auch eine Mischung beider, jeweils von Heraeus verwendet. Es hat eine Dicke der grünen Folie von typisch 50 bis 150 μm. Als Leiter wird insbesondere Ag-Leitpaste wie "Cofirable Silver, " ebenfalls von Heraeus, verwendet. Ein konkretes Beispiel ist CT 700 von Heraeus. Gute Ergebnis- se liefert auch die Metallpaste 6142 von DuPont . Diese Teile lassen sich gut laminieren und danach ausheizen ("burnout") und zusammen sintern ( "co-firing" ) .

Der Innendurchmesser ID des Spiral-Puls-Generator ist 10 mm. Die Breite der einzelnen Streifen ist ebenfalls 10 mm. Die Foliendicke ist 50 μm und auch die Dicke der beiden Leiter ist jeweils 50 μm. Die Ladespannung beträgt 300 V. Unter diesen Voraussetzungen erreicht der Spiral- Puls-Generator ein Optimum seiner Eigenschaften bei einer Windungszahl von n = 20 bis 70.

In Figur 2 sind die zugehörige Halbwertsbreite des Hochspannungspulses in μs (Kurve a) , die Gesamtkapazität des Bauteils in μF (Kurve b) , der resultierende Außendurchmesser in mm (Kurve c) , sowie die Effizienz (Kurve d) , die maximale Pulsspannung (Kurve e) in kV und der Leiterwiderstand in ω (Kurve f) dargestellt.

Figur 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Natriumhochdrucklampe 10 mit keramischem Entladungsgefäß 11 und Außenkolben 12 mit darin integriertem Spiral-Puls-Generator 13, wobei eine Zünd-Elektrode 14 außen am keramischen Entladungsgefäß 11 angebracht ist. Der Spiral-Puls- Generator 13 ist mit der Funkenstrecke 15 und dem Ladewiderstand 16 im Außenkolben untergebracht.

Figur 4 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Metallhalo- genidlampe 20 mit integriertem Spiral-Puls-Generator 21, wobei keine Zünd-Elektrode außen am Entladungsgefäß 22, das aus Quarzglas oder Keramik gefertigt sein kann, angebracht ist. Der Spiral-Puls-Generator 21 ist mit der Funkenstrecke 23 und dem Ladewiderstand 24 im Außenkolben 25 untergebracht.

Figur 5 zeigt eine Metallhalogenidlampe 20 mit einem Entladungsgefäß 22, das von zwei Zuleitungen 26, 27 in einem Außenkolben gehaltert wird. Die erste Zuleitung 26 ist ein kurz abgewinkelter Draht. Die zweite 27 ist im we- sentlichen ein Stab, der zur sockelfernen Durchführung 28 führt. Zwischen der Zuleitung 29 aus dem Sockel 30 und dem Stab 27 ist eine Zündeinheit 31 angeordnet, die den Spiral-Puls-Generator, die Funkenstrecke und den Ladewiderstand enthält, wie in Figur 4 angedeutet.

Figur 6 zeigt eine Metallhalogenidlampe 20 ähnlich wie Figur 5 mit einem Entladungsgefäß 22, das von zwei Zuleitungen 26, 27 in einem Außenkolben 25 gehaltert wird. Die erste Zuleitung 26 ist ein kurz abgewinkelter Draht. Die zweite 27 ist im wesentlichen ein Stab, der zur sockelfernen Durchführung 28 führt. Hier ist die Zündeinheit im Sockel 30 angeordnet, und zwar sowohl der Spiral-Puls- Generator 21, als auch die Funkenstrecke 23 und der Ladewiderstand 24.

Diese Technik kann auch für elektrodenlose Lampen angewendet werden, wobei der Spiral-Puls-Generator als Zündhilfe dienen kann.

Weitere Anwendungen dieses kompakten Hochspannungspulsgenerators liegen in der Zündung anderer Geräte. Die Anwen- düng ist vor allem bei sog. magischen Kugeln, bei der Erzeugung von Röntgenpulsen und der Erzeugung von Elektronenstrahl-Pulsen vorteilhaft. Auch ein Einsatz in Kfz als Ersatz für die üblichen Zündspulen ist möglich.

Dabei werden Windungszahlen von n bis 500 verwendet, so dass die Ausgangsspannung bis in die Größenordnung von 100 kV erreicht. Denn die Ausgangsspannung U _A ist als Funktion der Ladespannung U _L gegeben durch U _A = 2 x n x U _L x η, wobei die Effizienz η durch η = (AD-ID) /AD gegeben ist .

Die Erfindung entfaltet besondere Vorteile im Zusammenwirken mit Hochdruckentladungslampen für Autoscheinwerfer, die mit Xenon unter hohem Druck von bevorzugt mindestens 3 bar und Metallhalogeniden gefüllt sind. Diese sind besonders schwer zu zünden, da wegen des hohen Xe- nondrucks die Zündspannung mehr als 10 kV beträgt. Der-

zeit wird versucht, die Komponenten der Zündeinheit im Sockel unterzubringen. Ein Spiral-Puls-Generator mit integriertem Ladewiderstand kann entweder in den Sockel der Kfz-Lampe oder in einen Außenkolben der Lampe unterge- bracht sein.

Die Erfindung entfaltet ganz besondere Vorteile im Zusammenwirken mit Hochdruckentladungslampen, die kein Quecksilber enthalten. Derartige Lampen sind aus Umweltschutzgründen besonders erstrebenswert. Sei enthalten eine ge- eignete Metallhalogenid-Füllung und insbesondere ein E- delgas wie Xenon unter hohem Druck. Wegen des fehlenden Quecksilbers ist die Zündspannung besonders hoch. Sie beträgt mehr als 20 kV. Derzeit wird versucht, die Komponenten der Zündeinheit im Sockel unterzubringen. Ein Spi- ral-Puls-Generator mit integriertem Ladewiderstand kann entweder in den Sockel der Quecksilberfreien Lampe oder in einen Außenkolben der Lampe untergebracht sein.

Dabei hat der Spiral-Puls-Generator zum Erzeugen der hohen Spannung von beispielsweise 20 kV bevorzugt zwei in- tegrierte Generatoren in einer einzigen LTCC-Spirale oder einem anderen hochwärmebeständigen Material. Da ein einzelner Generator, der einen Hochspannungspuls von z.B. 20 kV erzeugen soll, einen größeren Außendurchmesser haben müsste, als der Außendurchmesser des Außenkolbens der Lampe (siehe Figur 7a, in der verschiedene Kenngrößen ähnlich wie in Figur 2 dargestellt sind) , werden zwei Generatoren in Gegentaktschaltung verwendet. Dieses Prinzip ist grundsätzlich aus US-A 4 608 521 bekannt. Dort werden jedoch zwei getrennt Generatoren verwendet. Statt dessen können im Prinzip (Figur 8a) zwei Ladewiderstände Rl und R2 und ein Schalter Seh in Form einer Funkenstrecke ver-

wendet werden. Die beiden auf die Lampe L wirkenden Spiralgeneratoren sind mit SGl und SG2 bezeichnet. In Fig. 8b ist eine Schaltung gezeigt, die noch wesentlich effektiver ist. Dabei wird nur ein einziger Ladewiderstand Rl verwendet. Dieser liegt in Serie mit dem Schalter Seh. Die Enden des ersten Spiralgenerators SGl sind über den Widerstand Rl miteinander verbunden. Die Enden des anderen Spiralgenerators SG2 sind über den Schalter miteinander verbunden. Dabei ist jeweils ein Ende beider Spiral- pulsgeneratoren SGl und SG2 direkt miteinander verbunden.

Die beiden Generatoren SGl und SG2 werden jetzt integriert als eine einzige LTCC-Spirale 29 mit zwei „gestapelten" Leiterebenen und evtl. dazwischen einer möglichen Abschirmung ausgeführt (Figur 9) . Die beiden keramischen Folien 31 und 32 sind jeweils ein aufgewickeltes Band und haben typisch eine Breite a von 10 bis 50 mm und enthalten jetzt gleichzeitig drei metallische Schichten, die parallel zueinander laufen. Der erste Spiralgenerator SGl wird jeweils von einer ersten breiten Schicht 33 (typi- sehe Breite b ist 3 bis 20 mm) der beiden Folien gebildet. Der zweite Spiralgenerator SG2 wird von einer zweiten gleichartigen Schicht 34 mit ähnlicher Breite d gebildet. Um den Abstand zwischen beiden Schichten gering halten zu können wird ggf. eine Abschirmung in Gestalt eines schmalen metallischen Bandes 35 (typische Breite c ist 1 bis 5 mm) zwischen den beiden Schichten 33 und 34 als Option aufgebracht.

Diese doppelte keramische Folie 31, 32 wird bis zu 100- fach aufgewickelt, wobei der Innendurchmesser ID des ent- stehenden Hohlzylinders typisch 10 bis 50 mm beträgt.

Durch Verwendung der LTCC-Technik in doppellagiger Ausführung werden sowohl eine Temperaturfestigkeit bis 600 ⁰ C als auch ein hinreichend kleiner Außendurchmesser erzielt, da jeder einzelne Generator nur die halbe geforderte Hochspannung , z.B. 10 kV, erzeugen muss (siehe Figur 7 b im Vergleich zu Figur 7a) .

Die Kenngrößen verändern sich dadurch in Richtung Kompak- tifizierung. Mögliche Dimensionierungen für einen einfachen und verdoppelten Spiral-Puls-Generator in LTCC- Bauweise sind:

In beiden Fällen wird jeweils eine Foliendicke von 50 μm und eine Leiterdicke von ebenfalls 50 μm verwendet.