6. Hochdruckentladungslampen

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1 Inhalt 6. Hochdruckentladungslampen 6.1 Übersicht Nieder- und Hochdruckentladungslampen 6.2 Spektrum der Hg-Entladung 6.3 Die Hg-Hochdrucklampe (HP) Leuchtstoffe für Hg-Hochdrucklampen 6.5 Die Elektrode 6.6 Die Elektroden-Einschmelzung Rflkt Reflektortypent 6.8 Anwendung der HP-Lampen 6.9 Die Na-Hochdrucklampe (HPS) 6.10 Anwendung der HPS-Lampen 6.11 Metall-Halogenid-Lampen (MH) 6.12 Lichttechnische Daten im Vergleich 6.13 Anwendungen der MH-Lampen 6.14 UHP-Lampen 6.15 Neue Entwicklungen Folie 1

2 6.1 Übersicht Nieder- und Hochdruckentladungslampen Hg-Niederdruck (TL) HID = high intensity discharge Hg-Hochdruck (HPMV = high pressure metal vapour) Hg-Niederdruck (CFL) Na-Hochdruck (HPS = high pressure sod.) Na-Niederdruck (SOX) Metall-Halogenid-Hochdruck (MH) Folie 2

3 6.2 Spektrum Emissionsspektrum der Hg-Entladung von 10 Termschema von Hg 7( 1 S 0 ) Ionisationsgrenze (10.4 ev) 6( 3D 1) 7( 3S 1) Emissionsspektrum einer Hg-Entladung bei niedrigen Drücken (~mbar) 254 Level energy [ev] 5 6( 1P 1) 185 nm 6( 3 P 2 ) 6( 3P 1) 6( 3P 0) [nm] 0 6( 1S 0) Folie 3

4 6.2 Spektrum der Hg-Entladung Druckerhöhung in nm 100 lm/w in nm Druckabhängigkeit der Lumenausbeute in lm/w Le euchtstof ff 20 lm/w 60 lm/w Warum ist das interessant? Antwort: Gute Abbildungs- eigenschaften durch hohe Leuchtdichte 10 bar 1 bar Druck Folie 4

5 6.2 Spektrum der Hg-Entladung Gemessene Spektren einer wassergekühlten Kapillar-Hg-Entladungslampe P = 25 atm. P = 30 atm. P = 100 atm. Quelle: W. Elenbaas, Quecksilberdampf- Hochdrucklampen (1966) Folie 5 P = 150 atm.

6 6.3 Die Hg-Hochdrucklampe (HP) evakuierter Außenkolben Einschmelzung Elektrode Brenner (Hg, Edelgas = Startgas, meist Xe) Ballast Folie 6

7 6.4 Leuchtstoffe für Hg-Hochdrucklampen 5 4 Inten nsität [a.u.] Wellenlänge [nm] = 60 lm/w R a = 20 Lebensdauer = h Blau-weißes Licht, d.h. es fehlt rote Strahlung im Spektrum Ausweg: Leuchtstoff! t Folie 7

8 6.4 Leuchtstoffe für Hg-Hochdrucklampen 5 4 Plasma Relative e Intensity [a.u u.] Leuchtstoff Leuchtstoffe Wavelength [nm] (Sr,Mg) 3 (PO 4 ) 2 :Sn 620 nm Breitbandemission Mg 4 GeO 5.5 F:Mn 660 nm Linienemission YVO 4 :Eu 620 nm Linienemission Y(V,P)O 4 :Eu 620 nm Linienemission = 60 lm/w R a = 50 Lebensdauer = h Folie 8

9 6.4 Leuchtstoffe für Hg-Hochdrucklampen Sn 2+, Mn 4+ Leuchtstoffe als UV Rot Konverter Lumineszenzspektren von (Sr,Mg) 3 (PO 4 ) 2 :Sn Re elative intensity 1,0 0,8 0,6 0,4 max = 620 nm QE 254 = 79 % RQ 254 = 5% x = y = LE = 150 lm/w Intensi ität [nm] 0,2 Emission spectrum Excitation spectrum Reflection spectrum 0, Sample U2024 Wavelength [nm] Lumineszenzspektren von Mg 4 GeO 5.5 F:Mn Rela ative intensity 1,0 Emission spectrum Excitation spectrum Reflection spectrum 0,8 0,6 0,4 0,2 max = 658 nm QE 254 = 81 % RQ 254 = 7% x = y = LE = 80 lm/w Problem: Geringes Lumenäquivalent der Leuchtstoffe 0, Sample U601 Wavelength [nm] Folie 9

10 6.4 Leuchtstoffe für Hg-Hochdrucklampen YVO 4 :Eu 3+ Leuchtstoffe Thermisches Verhalten Emission in ntensity [a.u.] intensity [a.u.] Emission 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0, , Anregungsspektren von YVO 4 :Eu monitored at 619 nm U737025C U737075C U737150C U737200C U737250C U737300C U737330C Wavelength [nm] Emissionsspektren von YVO 4 :Eu U737025C U737075C U737150C U737200C U737250C U737300C U737330C excitation at 300 nm Wavelength [nm] ty ssion intensit Relative emi Lumineszenzintensität als Funktion der Temperatur und Anregungswellenlänge lä integral 254 nm exc. Integral 300 nm exc. Integral 350 nm exc Temperature [ C] Die Lichtausbeute unter UV-A Anregung steigt bis ca. 300 C an Grund: Zunahme des spektralen Überlappung Folie 10

11 Hg-Niederdruck 6.5 Die Elektrode Hg-Hochdruck 1.0 cm 0.5 cm 36 W 400 W I = 0.36 A I = 4 A Wolfram + Emitter Wolfram + Emitter BaO / SrO / CaO BaO / SrO / Y 2 O 3 / ThO 2 T = 1350 K T = K Folie 11

12 6.6 Die Elektroden-Einschmelzung Problem: Unterschiedl. therm. Ausdehnungskoeffizienten SiO 2 = 0.5*10-6 K -1 Plasma Quarz (1000 C) W = 4.3*10-6 K -1 Mo = 2.8*10-6 K -1 Wolfram Molybdän Mo- oder Nb-Folie sehr dünn Folie 12

13 parabolische Reflektoren 6.7 Reflektortypen elliptische Reflektoren y = x 2 Brennpunkt (Lichtquelle) Eine Ellipse hat zwei Brennpunkte Nur dann, wenn Lichtquelle klein ist HID-Lampen Folie 13

14 In der Straßenbeleuchtung 6.8 Anwendung der HP-Lampen = 60 lm/w R a = 50 Lebensdauer = h P = 100 W W Folie 14

15 6.9 Die Na-Hochdrucklampe Na-Niederdrucklampe (0.01 mbar) 589 nm Druckerhöhung Na-Hochdrucklampe (100 mbar) 589 nm in lm/w in nm in nm Druckabhängigkeit der Lumenausbeute bar 1 bar Na-Druck Folie 15

16 6.9 Die Na-Hochdrucklampe Problem: Na reagiert bei hohen Temperaturen mit der Quarz-Glaswand 4 Na + SiO 2 2 Na 2 O + Si 2 2 Lösung: Transparentes, hochtemperaturfestes Material, welches nicht mit Na reagiert Al 2 O 3 -Keramik (Korund): MgO, CaO, B 2 O 3 -Additive (DGA = dicht gesintertes Aluminiumoxid) 20 m Kristall Polykristalline Struktur Druck, 1200 C Nb Folie 16

17 6.9 Die Na-Hochdrucklampe n=3 589 nm Verbreiterung der Na-Linie und Selbstabsorption führt zu einer Emissionslücke bei 589 nm p Na = 150 mbar (gesättigt) p Hg = 1000 mbar (Puffergas) p Xe = 100 mbar (Startgas) = lm/w R a = (druckabhängig) g) T c = 1930 K n=2 n=1 (589 + x) nm (Rotverschiebung) (589 - x) nm (Blauverschiebung) Folie 17

18 6.10 Anwendung von HPS Lampen In der Gebäude- und Straßenbeleuchtung Folie 18

19 6.11 Metall-Halogenid-Hochdruck-Lampen In Tl Na Füllung: NaI - TlI - InI SnBr 2 - SnI 2 NaI - DyI 3 (SSTV) NaI - ScI 3 (Autoscheinwerfer) Ziel: hohe & hohe Farbwiedergabe SnBr/SnI-Molekülstrahler DyI-Molekülstrahler Folie 19

20 6.11 Metall-Halogenid-Hochdruck-Lampen HPI (High Pressure Iodide)-Hochdruck-Lampen 451 nm (In) 535 nm (Tl) 589 nm (Na) Folie 20

21 6.11 Metall-Halogenid-Hochdruck-Lampen Spektrum einer MH-Lampe 0.30 I [W W/nm] Tl Hg / NaI / TlI / DyI 3 / Ar P=75W V Na P rad / P 60 % P rad,vis /P 33 % Na Hg 0.10 Hg 0.05 atomic line and molecular radiation [nm] Folie 21

22 6.11 Metall-Halogenid-Hochdruck-Lampen Füllung von Metall-Halogenid-Lampen Lampenstart (Startgas) Edelgase: Ar oder Xe (Xenonlampen) Penning-Effekt Radioaktive Substanzen: 85 Kr, 147 Pm Betriebsspannung Hg Trend zur Substitution von Hg (Umweltaspekt) Zn Lichtemission Hg Me-Halogenide (Me = Na, In, Tl, Sc, Sn, Dy,...) Folie 22

23 6.12 Lichttechnische Daten im Vergleich Verbesserung (lm/w) R a Farbtemperatur T c [K] HP (Hg) Leuchtstoff HPS (Na) Xe-Druck Na-Druck MH HPI (NaI-TlI-InI) SnBr 2-SnI NaI-DyI NaI-ScI Folie 23

24 HPI (NaI-TlI-InI) 6.13 Anwendungen der MH-Lampen Straßenbeleuchtung Gebäudebeleuchtung Sportplatzbeleuchtung Zinn NaI-DyI 3 NaI-ScI 3 älterer Lampentyp wird von MH abgelöst Sportplatzbeleuchtung Shopbeleuchtung Studio-Stage-TV (SSTV) Frontscheinwerfer im Auto NaI-ScI 3 +Hg+Xe(blau) + Folie 24

25 6.13 Anwendungen der MH-Lampen SSTV Markt = Stage-Studio-TV = Bühne-Fotostudio-Fernsehstudio t F h t Scheinwerfer Sphärischer Spiegel f Fresnel-Linse Farbtemperatur = 5600 K Folie 25

26 Im Beamer 6.13 Anwendungen der MH-Lampen Folie 26

27 Aufbau eines Beamers 6.13 Anwendungen der MH-Lampen Ein Beamer ist eigentlich ein Dia-Projektor! Lampe im Brennpunkt Sammel- Dia eines parabolischen Reflektors linse Beim Beamer wird das Dia durch einen LCD-Schirm ersetzt Projektions- schirm Folie 27

28 6.13 Anwendungen der MH-Lampen Funktionsprinzip eines LCDs (Liquid Crystal Display) LCDs beruhen auf Flüssigkristallen, welche die Polarisations- ebene des Lichts um einen Drehwinkel ά drehen Polarisator-Folie P Flüssigkristallzelle (mit ITO) Analysator-Folie (senkrecht zu P) U Pixel an für U = 0 Pixel aus für U > 0 Folie 28

29 6.14 UHP-Lampen Anforderungen an Lichtquellen für Projektoren Möglichst punktförmig viel Licht aus kleinem Volumen Hohe Leuchtdichte hoher Hg-Druck UHP = Ultra High Pressure (Performance) ca. 200 bar Hg, Elektrodenabstand ~ 1 mm Stark druckverbreiterte Hg-Linien 408 nm 436 nm 546 nm 577 nm Folie 29

30 Komponenten für UHP-Lampen 6.14 UHP-Lampen Folie 30

31 Design von UHP-Lampen 6.14 UHP-Lampen Beschreibung einer UHP-Lampe durch Chemische Gleichungen Dampfdruck von Metallhalogeniden Zerfall der Metallhalogenide im Plasma Temperaturverteilung im Plasma Energiebilanz Verlust durch Strahlung Verlust durch chemische Energie Verlust durch Wärme Konvektion (Strömung) Wärmeleitung Konvektionsgleichungen = Navier-Stokes-Gleichung 2 h x 2 2 h y 2 0 Potential : h z Energiebilanz der Elektrode und der Wand Folie 31 u w

32 6.14 UHP-Lampen Folie 32

33 6.15 Neue Entwicklungen Schwefellampe: 1990 gelang es erstmals eine Entladungslampe auf der Basis einer molekularen (S 4 S 8 ) Schwefelentladung zu entwickeln Die Energieeinkopplung in die Entladung erfolgt mittels eines Mikrowellengenerators (Magnetron), da Elektroden nicht verwendet können Folie 33

34 6.15 Neue Entwicklungen Sh Schwefellampe: fll Zur Erzeugung sehr großer Lichtströme Lihttö Typische Betriebsparameter Leistungsaufnahme: W Kugeldurchmesser: ca. 30 mm Lichtstrom: lm Farbtemperatur: 5700 K Startzeit: 25 s Lebensdauer (Leuchtmittel): h Lebensdauer (Magnetron): h Lichtausbeute: 95 lm/w Lichtquelle mit extrem großen Lichtstrom, ca lm (~ 40 Leuchtstoffröhren) und (fast) rein-weißem Licht (Bandenemission von S 8, S 7, S 6, S 5,.-Molekülen) Effizienz: Probleme: Vergleichbar mit Leuchtstoffröhren (also lm/w) EMV und Lebensdauer des Mikrowellengenerators Folie 34

35 6.15 Neue Entwicklungen Substitution von Hg durch Zn Zn/Ar Discharge Zn/Ar/metal halide Discharge Emis ssion intensity [a.u.] 1,0 0,8 0,6 0,4 0, W el = 75 W LE = 114 lm/w x = 0.228, y = T c = K Efficacy = 20 lm/w = W opt /W elektr Ra 8 = 0 [a.u.] ission intensity Em 030 0,30 W el = 75 W LE = 280 lm/w 0,25 x = 0.436, y = T c = 3000 K 0,20 Efficacy = 85 lm/w = 0.33 W opt /W elektr Ra 0,15 8 = 80 0,10 0,05 0,0 Ce3+ Luminescence File: Zn discharge lamp ( W) Wavelength [nm] 0, File: Zn discharge lamp ( W) Wavelength [nm] Zn-Ar Zn-Ar-Metallhalogenid 20 lm/w 85 lm/w Energieeffizienz 17% 33% R a 0 80 Folie 35