Beschreibung

Dielektrische Barriere-Entladungslampe mit Zündhilfe

Technisches Gebiet

Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Barriere- Entladungslampe .

Gegenwärtig wichtige Anwendungsgebiete dielektrischer Barriere-Entladungslampen sind die Büroautomatisierung, insbesondere linienförmige Lampen für Scanner, Faxgeräte und ähnliche Geräte, und großflächige flache Lampen, so genannte Flachstrahler, zur Hinterleuchtung von Monitoren und Fernsehbildschirmen in Flüssigkristalltechnologie und anderen grafischen Anzeigen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Anwendungsgebiete eingeschränkt. Vielmehr existieren weitere Anwendungsgebiete, etwa bei der UV- Behandlung im Gewerbe und in der Industrie, in der Allgemeinbeleuchtung, bei der Leuchtengestaltung etc..

Stand der Technik

Dielektrische Barriere-Entladungslampen sind für sich betrachtet bekannt und im Stand der Technik mittlerweile umfangreich dokumentiert. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass die Elektroden durch ein Dielektrikum von dem im Innern des Entladungsgefäßes befindlichen Entladungsmedium, typischerweise ein Edelgas wie Xenon oder ein Edelgasgemisch, getrennt sind. Dabei können prinzipiell die Elektroden entweder alle innerhalb, alle außerhalb oder die Elektrode (n) einer Polarität innerhalb und die andere (n) außerhalb des Entladungsgefäßes angeordnet sein. Für au- ßerhalb des Entladungsgefäßes angeordnete Elektroden wirkt die Wand des Entladungsgefäßes als dielektrische

Barriere. Falls alle Elektroden innerhalb des Entladungsgefäßes angeordnet sind, muss allerdings zumindest eine Elektrode bzw. die Elektroden einer Polarität durch ein Dielektrikum, beispielsweise durch eine dielektrische Be- Schichtung, vom Innern des Entladungsgefäßes getrennt sein. Durch diese dielektrische Barriere entsteht im Betrieb eine so genannte einseitig dielektrisch behinderte Entladung. Alternativ können auch sämtliche Innenelektroden mit einer dielektrischen Beschichtung versehen sein. Dann handelt es sich um eine beidseitig dielektrisch behinderte Entladung. Letzteres trifft insbesondere auch auf den bereits erwähnten Fall zu, dass sämtliche Elektroden außerhalb des Entladungsgefäßes angeordnet sind.

Aufgrund der dielektrischen Barriere zwischen mindestens einer Elektrode und dem Entladungsmedium ist für den Betrieb einer dielektrischen Barriere-Entladungslampe eine zeitveränderliche Spannung, beispielsweise eine sinusförmige Wechselspannung, erforderlich. Als besonders effizient hat sich die in der US 5 604 410 dokumentierte ge- pulste Betriebsweise erwiesen.

In der Schrift US 6 323 600 ist eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer dielektrischen Barriere- Entladungslampe gemäß der zuvor genannten gepulsten Betriebsweise offenbart. Hierzu werden mit Hilfe eines Sperrwandlers Impulsspannungsfolgen von einigen Kilovolt (kV) und Impulswiederholfrequenzen von typischerweise 25 bis 115 kHz erzeugt.

Aufgrund der dielektrischen Barriere kann es, insbesondere bei beidseitiger dielektrischer Behinderung, gelegent- lieh zu Zündproblemen kommen. Diese Zündunwilligkeit

nimmt in der Regel zu, je länger eine dielektrische Barriere-Entladungslampe nicht in Betrieb war. Die Zündung im Dunkeln ist dann besonders schwierig. Dieses Problem soll durch spezielle Zündhilfen gemildert werden.

In der EP 1 329 944 ist eine stabförmige dielektrische Barriere-Entladungslampe offenbart, die eine im Pumprohr integrierte Zündhilfe umfasst. Zu diesem Zweck sind zwei längliche Zündelektroden entlang der Außenseite des Pumprohrs angeordnet sowie innerhalb des Pumprohrs eine me- tallische Struktur, insbesondere ein Zündbelag mittig zwischen den beiden Zündelektroden, angeordnet.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine dielektrische Barriere-Entladungslampe mit verbesserten Zündeigenschaften anzugeben.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine dielektrische Barriere-Entladungslampe mit einer Anode sowie einer Kathode, einem Entladungsgefäß mit einem Pumprohr, zumindest einer Zündelektrode, die entlang der Außenseite des Pumprohrs angeordnet ist, einem Zündbelag, der in der Innen- seite des Pumprohrs angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündbelag mittig über der Zündelektrode angeordnet ist und diese Zündelektrode mit der Kathode verbunden ist.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.

Die Erfinder haben herausgefunden, dass eine deutliche Verkürzung der Zündzeitverzögerung erzielt wird, wenn

1. der Zündbelag nicht einfach mittig zwischen den beiden Zündelektroden angeordnet wird, wie im Stand der Technik offenbart, sondern mittig über einer Zündelektrode angeordnet wird und außerdem

2. diese Zündelektrode mit der Kathode verbunden ist bzw. der Elektrode, die zumindest während der Zündphase zumindest zeitweise als Kathode fungiert.

überraschenderweise ermöglicht erst die Kombination dieser beiden Maßnahmen eine erhebliche Zündzeitverkürzung, wohingegen jede Maßnahme für sich alleine nur eine vergleichsweise geringe Verbesserung bringt.

Bevorzugt ist der Zündbelag im Querschnitt des Pumprohrs betrachtet als Halbkreis ausgebildet. In einer konkreten Ausführungsform ist der Zündbelag dreieckig. Dabei ist der dreieckige Zündbelag vorzugsweise so ausgerichtet, dass eine der drei Ecken des Zündbelags von dem Inneren des Entladungsgefäßes weg in Richtung zur Abschmelzstelle des Pumprohrs zeigt. Dadurch zeigen die beiden anderen Ecken des dreieckigen Zündbelags in Richtung zur Anode, wodurch offenbar die während des Zündvorgangs erreichbare elektrische Feldstärke erhöht wird. Entscheidend ist verallgemeinert betrachtet also, dass der Zündbelag eine e- ckige Form aufweist und dass mindestens eine Ecke in Richtung zur Anode zeigt.

Der Zündbelag ist aus einem Material gefertigt, das einen möglichst hohen Sekundärelektronenemissionskoeffizienten aufweist, insbesondere Metall, beispielsweise Silber.

Es wird derzeit davon ausgegangen, dass die spezielle Anordnung von Zündelektrode, deren negative elektrische Po-

lung während der Zündphase und die Position des Zündbelags relativ zur Zündelektrode die Feldemission von E- lektroden aus dem Zündbelag besonders begünstigt. Vorzugsweise ist gegenüber der ersten Zündelektrode eine weitere Zündelektrode entlang des Pumprohrs angebracht. Diese zweite Zündelektrode ist zumindest während der Zündphase mit einer positiven elektrischen Polung verbunden. Dadurch werden die freien Elektronen vom Zündbelag in Richtung positiver Zündelektrode beschleunigt und eine Hilfsentladung im Pumprohr initiiert. Diese Hilfsentla- dung triggert die eigentliche Hauptentladung im Innern des Entladungsgefäßes zwischen den dielektrisch behinderten (Haupt) Elektroden .

Die vorstehende und die folgende Beschreibung der einzel- nen Merkmale beziehen sich auf die Vorrichtungskategorie und auch auf ein der Erfindung entsprechendes Verfahren zum Zünden der erfindungsgemäßen Lampe ohne dass dies im Einzelnen noch explizit erwähnt wird.

Die Erfindung bezieht sich grundsätzlich also auch auf ein Verfahren zum Zünden einer dielektrischen Entladungslampe mit zwei Elektroden, einem Entladungsgefäß mit einem Pumprohr, zumindest einer Zündelektrode, die entlang der Außenseite des Pumprohrs angeordnet ist, einem Zündbelag, der in der Innenseite des Pumprohrs angeordnet ist, wobei der Zündbelag mittig über der Zündelektrode angeordnet ist und den Verfahrensschritten, dass die E- lektroden der dielektrischen Barriere-Entladungslampe mittels Verbindungskabel mit einem für die Erzeugung von Hochspannungspulsen ausgelegten elektrischen Betriebsge- rät verbunden werden, und dass die elektrische Polung und Steuerung für die Erzeugung der Hochspannungspulse derart

ist, dass die Elektrode, die mit der mittig über dem Zündbelag angeordneten Zündelektrode verbunden ist zumindest während einer Zündphase der Lampe als Kathode wirkt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungs- beispiels näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:

Fig. Ia eine erfindungsgemäße dielektrische Barriere- Entladungslampe in einer Teillängsschnittdarstellung,

Fig. Ib die Lampe aus Fig. Ia in einer Querschnittdar- Stellung entlang der Linie AA,

Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Beleuchtungssystem mit der Lampe aus Fig. Ia,

Fig. 3 eine schematische Hüllkurvendarstellung von Hochspannungspulsen für die Zündung und den Berieb der Lampe aus Fig. Ia.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

Die Figuren Ia and Ib zeigen einen Teillängsschnitt bzw. einen Querschnitt entlang der Linie AA eines Ausführungsbeispiels der Erfindung in schematischer Darstellung. Es handelt sich um eine längliche, dielektrische Barriere- Entladungslampe 1, die insbesondere für den Einsatz in Geräten für die Büroautomatisierung vorgesehen ist.

Die dielektrische Barriere-Entladungslampe 1 besteht im wesentlichen aus einem rohrförmigen Entladungsgefäß 2 mit kreisförmigem Querschnitt (in Fig. Ia nur teilweise dar-

gestellt) , zwei streifenförmigen inneren Hauptelektroden 3, 4, die jeweils mit einer dielektrischen Barriere 5, z.B. einem Glaslotstreifen, bedeckt sind, zwei U-förmigen äußeren Hilfselektroden 6, 7 und zwei elektrische Versor- gungskabel 8, 9, die für den Anschluss eines elektrischen Versorgungsgeräts (in Fig. Ia nicht dargestellt) vorgesehen sind.

Die streifenförmigen Hauptelektroden 3, 4 sind zueinander diametral auf der Innenseite des rohrförmigen Entladungs- gefäßes 2 angeordnet. Das Grundprinzip derartiger dielektrische Barriere-Entladungslampen mit inneren Hauptelektroden ist in der Schrift US 6,097,155 detailliert erläutert, insbesondere in Verbindung mit den dortigen Figuren Ia, Ib und 2.

Das rohrförmige Entladungsgefäß 2 ist an seinem ersten Ende mit Hilfe einer Tellereinschmelzung mit abgeschmolzenem Pumprohr 10 gasdicht verschlossen. An seinem andere Ende ist das rohrförmige Entladungsgefäß 2 kuppenförmig verschlossen (in Fig. Ia nicht dargestellt). Im Inneren des Entladungsgefäßes 2 befindet sich Xenon mit einem Fülldruck von ca. 15 Kilo-Pascal (kPa) . Die streifenförmigen Hauptelektroden 3, 4 sind durch die Tellereinschmelzung hindurch nach Außen geführt. Hierzu weist das Entladungsrohr einen über die Tellereinschmelzung hinaus- ragenden Abschnitt 11 auf.

Innerhalb des Entladungsrohrabschnitts 11 ist je ein erster Schenkel der U-förmigen Hilfselektroden 6, 7 mit den elektrischen Versorgungskabeln 8, 9 verbunden. Der jeweils andere Schenkel der U-förmigen Hilfselektroden 6, 7 berührt die Außenseite des abgeschmolzenen Pumprohrs 10.

Zu diesem Zweck sind die beiden U-förmigen Hilfselektro- den 6, 7 in dem Zwischenraum zwischen dem Pumprohr 10 und der benachbarten Innenseite des umgebenden Entladungsrohrabschnitts 11 diametral zueinander angeordnet. Der Zwischenraum ist zur elektrischen Isolierung mit einem Silikonkautschuk 12 ausgefüllt. Hierauf kann bei weniger hohen Anforderungen an die Isolierung gegebenenfalls auch verzichtet werden. Auf der Innenseite des Pumprohrs 10 ist unmittelbar gegenüber der einen Hilfselektrode 7 ein im Querschnitt halbkreisförmiger Zündbelag 13 aus Silberlot angeordnet (siehe Fig. Ib). Im Längsschnitt betrachtet hat der Zündbelag 13 eine dreieckige Form, wobei die Basis des Dreiecks in Umfangsrichtung der Pumprohrs 10 und die Spitze weg vom Inneren des Entladungsgefäßes und in Richtung des abgeschmolzenen Endes des Pumprohrs zeigt. Entscheidend für die Erzielung des vollen erfindungsgemäßen Erfolgs ist außerdem, dass die eine Hilfs- elektrode 7, über der mittig der Zündbelag 13 angeordnet ist, als Kathode vorgesehen ist, d.h. während einer be- vorzugt gepulsten Zündphase zumindest zeitweise mit negativem elektrischen Potential verbunden ist. Dadurch zeigen die beiden anderen Ecken des wie oben beschrieben o- rientierten dreieckigen Zündbelags 13 in Richtung Anode.

In Figur 2 ist ein erfindungsgemäßes Beleuchtungssystem schematisch dargestellt. Es besteht im wesentlichen aus der erfindungsgemäßen dielektrischen Barriere- Entladungslampe 1 aus Fig. Ia, Ib und ein für den Pulsbetrieb ausgelegtes elektrisches Versorgungsgerät 14. Dabei ist das Verbindungskabel 9, das mit der dem Zündbelag 13 unmittelbar benachbarten ersten Hilfselektrode 7 verbunden ist, mit dem Minuspol 15 des Versorgungsgeräts 14

verbunden. Die andere Hilfselektrode 6 ist über das andere Verbindungskabel 8 mit dem Pluspol 16 des Versorgungsgeräts 14 verbunden. Dadurch ist sichergestellt, dass die erste Hilfselektrode 7 zumindest während der Zündphase der Lampe 1 pulsartig negatives elektrisches Potential gegenüber der anderen Hilfselektrode 6 annimmt. Es hat sich nämlich gezeigt, dass bei dieser Polung die Feldemission von Elektronen aus dem Zündbelag begünstigt wird. Die durch die Feldemission aus dem Zündbelag er- zeugten freien Elektronen werden anschließend zur positiven anderen Hilfselektrode 6 beschleunigt und starten auf diese Weise eine Hilfsentladung im Pumprohr. Die Hilfs- entladung triggert dann die eigentliche Hauptentladung innerhalb des Entladungsgefäßes 2 zwischen den Haupt- elektroden 3, 4.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung der Hüllkurve 17 von Hochspannungspulsen für die Zündung und den Berieb der Lampe 1 aus Fig. Ia, wie sie beispielsweise von dem in der Fig. 2 gezeigten elektrischen Betriebsgerät 14 an den Ausgangspolen 15, 16 erzeugt werden (die Hüllkurve ist hier aus Darstellungsgründen positiv gezeigt) . Die Hüllkurve 17 lässt sich in vier Phasen unterteilen, in denen die Amplituden der Hochspannungspulse unterschiedlich sind. In der Phase I, der so genannten Boost-Phase, ist die Amplitude U _B höher als im normalen Betrieb, der durch die Phase IV angedeutet ist. Die Boost-Phase beginnt zum Zeitpunkt t=0 und dauert die Zeitdauer T _B . Danach schließt sich die Break-Phase II an, bei der während der Zeitdauer T ₀ die Amplitude Null ist, d.h. keine Hoch- spannungspulse erzeugt werden. Danach folgt die Ramp- Phase III, während der die Amplitude linear von Null auf

den üblichen Normalwert U _N während der Normalbetriebsphase IV ansteigt. Durch die erfindungsgemäße Kombination aus spezifischer Anordnung des Zündbelags und Polung der nächstliegenden Hilfselektrode wird eine deutliche Reduzierung der Gesamtdauer der Startsequenz, d.h. der Phasen I bis III erzielt, wie folgender Vergleich typischer Zeitdauern zeigt.

Durch die Erfindung wird also eine Reduzierung der Ge- samtdauer T _GeSa m _t (= T _B +T ₀ +T _R ) für die Startsequenz von typisch 140 ms auf ca. 90 ms möglich, wobei die Zuverlässigkeit der Zündung der Lampe erhalten bleibt. Als günstige Wahl für die drei Phasen der Startsequenz haben sich insbesondere folgende Bereiche erwiesen:

Boost-Phase [in ms] : 5 ≤ T _B ≤ l5

Break-Phase [in ms]: 10 < T ₀ ≤ 20

Ramp-Phase [ in ms ^ 40 < T _R ≤ 70