6. Hochdruckentladungslampen - FH Münster · 6. Hochdruckentladungslampen Inhalt 6.1 Übersicht...

6. HochdruckentladungslampenInhalt

6.1 Übersicht Nieder- und Hochdruckentladungslampen6.1 Übersicht Nieder und Hochdruckentladungslampen6.2 Spektrum der Hg-Entladung6.3 Die Hg-Hochdrucklampe (HP)6 4 Leuchtstoffe für Hg-Hochdrucklampen6.4 Leuchtstoffe für Hg-Hochdrucklampen6.5 Die Elektrode6.6 Die Elektroden-Einschmelzung6 7 R fl kt t6.7 Reflektortypen6.8 Anwendung der HP-Lampen6.9 Die Na-Hochdrucklampe (HPS)6.10 Anwendung der HPS-Lampen6.11 Metall-Halogenid-Lampen (MH)6.12 Lichttechnische Daten im Vergleich6.13 Anwendungen der MH-Lampen6.14 UHP-Lampen6.15 Neue Entwicklungen

Kapitel HochdruckentladungslampenFolie 1

Inkohärente LichtquellenProf. Dr. T. Jüstel

g

6.1 Übersicht Nieder- und Hochdruckentladungslampen

Hg-Niederdruck (TL) Hg-Hochdruck (HPMV = high pressure metal vapour)

HID = high intensity discharge

metal vapour)

Hg-Niederdruck (CFL) Na-Hochdruck (HPS = high pressure sod.)

Metall-Halogenid-Hochdruck (MH)Na-Niederdruck (SOX)



Emissionsspektrum von Hg6.2 Spektrum der Hg-EntladungTermschema von Hg Emissionsspektrum einer Hg-Entladung

bei niedrigen Drücken (~mbar)Ionisationsgrenze (10.4 eV)

254

Ionisationsgrenze (10.4 eV)

7( S )3 1

6( D )3 1

7( S )1 0

10

185

76683 66( P )

7( S )1 0

6( P )1 1

y[e

V]

200 300 400 500 600

1

577

546

436

408

313

366

6( P )3 0

6( P )3 1

6( P )3 2

Leve

lene

rgy

185

nm

5

[nm]

1

06( S )1 0

0



6.2 Spektrum der Hg-Entladung

254

577

546

436

8

366

Druckerhöhung

185

577

546

436

408

313

366

85

254

40

313

Druckerhöhung

in nm200 300 400 500 600

55443 3

in nm200 300 400 500 600

18 3

Druckabhängigkeit der Lumenausbeute

in nm in nm

W

100 100 lm/W

Le

in

lm/W

60

60 lm/W Warum ist das interessant?

Antwort: Gute Abbildungs-

i h f d h

euchtstof eigenschaften durch

hohe Leuchtdichte20 lm/W20

ff



Druck10 bar 1 bar

6.2 Spektrum der Hg-EntladungGemessene Spektren einer wassergekühltenKapillar-Hg-Entladungslampe

P = 25 P = 25 atmatm..

P = 30 P = 30 atmatm..

P = 100 P = 100 atmatm..

P = 150 P = 150 atmatm..Quelle: W. Elenbaas,Quecksilberdampf-Hochdrucklampen (1966)



Hochdrucklampen (1966)

6.3 Die Hg-Hochdrucklampe (HP)evakuierter Außenkolben

Einschmelzung

Elektrode

Einschmelzung

Brenner (Hg, Edelgas = Startgas, meist Xe)meist Xe)

Ballast



6.4 Leuchtstoffe für Hg-Hochdrucklampen

4

5

2

3

nsitä

t [a.

u.]

1

2

Inte

n

400 500 600 700 8000

Wellenlänge [nm]

Blau weißes Licht d h esBlau-weißes Licht, d.h. es fehlt rote Strahlung im SpektrumA L ht t ff!

= 60 lm/WRa = 20 Lebensdauer = 20.000 h



Ausweg: Leuchtstoff!

6.4 Leuchtstoffe für Hg-Hochdrucklampen

4

5

Plasma

u.]

2

3Leuchtstoff

e In

tens

ity [a

.u

1Rel

ativ

e

Leuchtstoffe(Sr,Mg)3(PO4)2:Sn 620 nm Breitbandemission

400 500 600 700 8000

Wavelength [nm]

Mg4GeO5.5F:Mn 660 nm LinienemissionYVO4:Eu 620 nm LinienemissionY(V,P)O4:Eu 620 nm Linienemission = 60 lm/WRa = 50Lebensdauer = 20.000 h



6.4 Leuchtstoffe für Hg-HochdrucklampenSn2+ , Mn4+ Leuchtstoffeals UV Rot Konverter

Lumineszenzspektren von (Sr,Mg)3(PO4)2:Sn

0,8

1,0

max = 620 nmQE254 = 79 %

0,4

0,6

RQ254 = 5%x = 0.549y = 0.426LE = 150 lm/W

elat

ive

inte

nsity

ität

100 200 300 400 500 600 700 8000,0

0,2 Emission spectrum Excitation spectrum Reflection spectrum

Re

Sample U2024

Lumineszenzspektren von Mg4GeO5.5F:Mn

Inte

nsi

1,0

Emission spectrum Excitation spectrum Reflection spectrum

Sa p e U 0Wavelength [nm]

0,4

0,6

0,8 max = 658 nmQE254 = 81 %RQ254 = 7%x = 0.713y = 0.287LE 80 l /W

ativ

e in

tens

ity

G i ä i ff

[nm]

100 200 300 400 500 600 700 8000,0

0,2

LE = 80 lm/W

Rel

a



Problem: Geringes Lumenäquivalent der Leuchtstoffe Sample U601Wavelength [nm]

6.4 Leuchtstoffe für Hg-HochdrucklampenYVO4:Eu3+ Leuchtstoffe – Thermisches Verhalten

Anregungsspektren von YVO4:Eu0,30

U737025CU737075C

Lumineszenzintensität als Funktion der T t d A ll lä

0,15

0,20

0,25U737075C

U737150C U737200C U737250C U737300C U737330C

nten

sity

[a.u

.]

7

8 integral 254 nm exc. Integral 300 nm exc.Integral 350 nm exc.

ty

Temperatur und Anregungswellenlänge

0 00

0,05

0,10

monitored at 619 nm

Emis

sion

in

4

5

6g

ssio

n in

tens

it

250 300 350 4000,00

Wavelength [nm]

80000 U737025CU737075C

2

3

Rel

ativ

e em

i

Emissionsspektren von YVO4:Eu

40000

60000

80000

excitation at 300 nm

U737075C U737150C U737200C U737250C U737300C U737330C

inte

nsity

[a.u

.]

0 50 100 150 200 250 300 3500

1

Temperature [°C]

Die Lichtausbeute unter UV-A Anregung steigt bis ca. 300°C anGrund: Zunahme des spektralen Überlappung0

20000

40000

Em

issi

on p [ ]



Grund: Zunahme des spektralen Überlappung550 600 650 700 750

Wavelength [nm]

6.5 Die ElektrodeHg-Niederdruck Hg-Hochdruck

36 W 400 W

0.5 cm1.0 cm

36 W 400 WI = 0.36 A I = 4 A

Wolfram + Emitter Wolfram + EmitterBaO / SrO / CaO BaO / SrO / Y2O3 / ThO2

T = 1350 K T = 2000 - 3000 K



6.6 Die Elektroden-Einschmelzung

Plasma

Problem: Unterschiedl. therm. Ausdehnungskoeffizienten SiO2 = 0.5*10-6 K-1

W = 4.3*10-6 K-1

Mo = 2.8*10-6 K-1Quarz (1000 °C)Plasma

Wolfram Mo- oder Nb-Foliesehr dünn

Molybdän



6.7 Reflektortypenparabolische Reflektoren elliptische Reflektoren

y = x2

Brennpunkt (Lichtquelle) Eine Ellipse hat zwei Brennpunkte

Nur dann, wenn Lichtquelle klein ist

HID-LampenHID Lampen



6.8 Anwendung der HP-LampenIn der Straßenbeleuchtung

= 60 lm/WRa = 50Lebensdauer = 20.000 hP = 100 W - 2000 W



6.9 Die Na-Hochdrucklampe

589

nmNa-Niederdrucklampe(0.01 mbar)

Na-Hochdrucklampe(100 mbar)Druckerhöhung 58

9 nm

300 400 500 600 700 300 400 500 600 700 in nm

300 400 500 600 700

in lm/W200 in nm

300 400 500 600 700

Druckabhängigkeit der Lumenausbeute

120

Na-Druck



Na Druck10 bar 1 bar

6.9 Die Na-HochdrucklampeProblem: Na reagiert bei hohen Temperaturen mit der Quarz-Glaswand

4 Na + SiO2 2 Na2O + Si2 2

Lösung: Transparentes, hochtemperaturfestes Material, welches nicht mit Na reagiert KristallMaterial, welches nicht mit Na reagiert

Al2O3-Keramik (Korund): MgO, CaO, B2O3-Additive(DGA = dicht gesintertes Aluminiumoxid)(DGA = dicht gesintertes Aluminiumoxid)

20 mPolykristalline Struktur

Druck, 1200 °C

Nb



Nb

6.9 Die Na-Hochdrucklampe

Verbreiterung der Na-Linie undSelbstabsorption führt zu einer Emissionslücke bei 589 nmpNa = 150 mbar (gesättigt)pHg = 1000 mbar (Puffergas)HgpXe = 100 mbar (Startgas) = 90 - 120 lm/WRa = 20 – 50 (druckabhängig)589 nm a ( g g)Tc = 1930 K

n=2

n=3

n=1(589 + x) nm (Rotverschiebung)(589 - x) nm (Blauverschiebung)



6.10 Anwendung von HPS LampenIn der Gebäude- und Straßenbeleuchtung



6.11 Metall-Halogenid-Hochdruck-Lampen

In Tl Na451 535 589

Füllung: NaI - TlI - InI SnBr2 - SnI2 NaI - DyI3 (SSTV)NaI - ScI3 (Autoscheinwerfer)

Ziel: hohe & hohe Farbwiedergabe

SnBr/SnI-Molekülstrahler

DyI-Molekülstrahler



6.11 Metall-Halogenid-Hochdruck-LampenHPI (High Pressure Iodide)-Hochdruck-Lampen

451 nm(In)(In)

535 nm

589 nm

(Tl)

589 nm(Na)



6.11 Metall-Halogenid-Hochdruck-Lampen

Hg / NaI / TlI / DyI3 / ArP = 75 W

Tl0.30

Spektrum einer MH-Lampe

P = 75 WNaV Prad / P 60 %

Prad vis / P 33 %0 20

0.25

NaHg

Prad,vis / P 33 %

0.15

0.20

W/n

m]

Hg0.10

I [W

Hg0.05

atomic line and molecular radiation0.00

350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

[nm]



[nm]

6.11 Metall-Halogenid-Hochdruck-LampenFüllung von Metall-Halogenid-Lampen

Lampenstart (Startgas)p gEdelgase: Ar oder Xe (Xenonlampen) → Penning-EffektRadioaktive Substanzen: 85Kr, 147Pm

Betriebsspannung• Hg• Hg• Trend zur Substitution von Hg (Umweltaspekt) → Zn

Lichtemission

• HgHg

• Me-Halogenide (Me = Na, In, Tl, Sc, Sn, Dy, ...)



6.12 Lichttechnische Daten im VergleichVerbesserung (lm/W) Ra Farbtemperatur Tc [K]

HP (Hg) - 60 20 6000

+ Leuchtstoff 60 50 3800+ Leuchtstoff 60 50 3800

HPS (Na) - 60 - 130 20 2000Xe-Druck 80 - 150 20 2000

Na-Druck 60 - 90 60 2200

MH HPI (NaI-TlI-InI) 70 - 80 70 3800 - 4200SnBr2-SnI2 70 902 2

NaI-DyI3 75 - 80 90 3800 - 5600

NaI-ScI3 80 - 90 75 3600 - 4200



6.13 Anwendungen der MH-LampenHPI Straßenbeleuchtung(NaI-TlI-InI) Gebäudebeleuchtung

Sportplatzbeleuchtung

Zinn älterer Lampentypwird von MH abgelöstwird von MH abgelöst

NaI-DyI3 SportplatzbeleuchtungNaI ScI ShopbeleuchtungNaI-ScI3 Shopbeleuchtung

Studio-Stage-TV (SSTV)Frontscheinwerfer im Auto

NaI ScI + Hg + Xe (blau)NaI-ScI3 + Hg + Xe (blau)



SSTV M kt St St di TV Büh F t t di F h t di

6.13 Anwendungen der MH-LampenSSTV Markt = Stage-Studio-TV = Bühne-Fotostudio-Fernsehstudio

Scheinwerfer

SphärischerSpiegel f Fresnel-Linse

Farbtemperatur = 5600 K



6.13 Anwendungen der MH-LampenIm „Beamer“



6.13 Anwendungen der MH-LampenAufbau eines Beamers

Ein Beamer ist eigentlich ein Dia-Projektor!

Lampe im Brennpunkt Sammel DiaLampe im Brennpunkteines parabolischen

Reflektors

Sammel-linse

Dia

Beim Beamerwird das Dia durch

Projektions-hiwird das Dia durch

einen LCD-Schirm ersetztschirm



6.13 Anwendungen der MH-Lampen

LCDs beruhen auf Flüssigkristallen, welche die Polarisations-ebene des Lichts um einen Drehwinkel ά drehen

Funktionsprinzip eines LCDs (Liquid Crystal Display)

ebene des Lichts um einen Drehwinkel ά drehen

Polarisator-Folie P

Flüssigkristallzelle (mit ITO)

Analysator-Folie (senkrecht zu P)

U

Analysator Folie (senkrecht zu P)

Pixel an für U = 0

Pi l fü U > 0Kapitel HochdruckentladungslampenFolie 28


Pixel aus für U > 0

6.14 UHP-LampenAnforderungen 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

m nm

m

408

nm 436

n m

546

n

577

nm

400 500 600 700 800



400 500 600 700 800

6.14 UHP-LampenKomponenten für UHP-Lampen



6.14 UHP-LampenDesign von UHP-Lampen

Beschreibung einer UHP-Lampe durch • Chemische Gleichungen

Dampfdruck von MetallhalogenidenDampfdruck von MetallhalogenidenZerfall der Metallhalogenide im Plasma

• Temperaturverteilung im PlasmaTemperaturverteilung im PlasmaEnergiebilanzVerlust durch StrahlungVerlust durch chemische EnergieVerlust durch chemische EnergieVerlust durch Wärme

Konvektion (Strömung) Wärmeleitung

• Konvektionsgleichungen = Navier-Stokes-Gleichung

wuzh:Potential0

yh

xh

2

2

2

2



• Energiebilanz der Elektrode und der Wand

6.14 UHP-Lampen



6.15 Neue EntwicklungenSchwefellampe: 1990 gelang es erstmals eine Entladungslampe auf der Basis einermolekularen (S4 – S8) Schwefelentladung zu entwickeln

Die Energieeinkopplung in die Entladung erfolgt mittels eines Mikrowellen-generators (Magnetron), da Elektroden nicht verwendet können



g ( g ),

6.15 Neue EntwicklungenS h f ll Z E h ß Li ht t öSchwefellampe: Zur Erzeugung sehr großer Lichtströme

Typische BetriebsparameterLeistungsaufnahme: 1.400 W Kugeldurchmesser: ca. 30 mm Lichtstrom: 135000 lmLichtstrom: 135000 lmFarbtemperatur: 5700 KStartzeit: 25 s Lebensdauer (Leuchtmittel): 60.000 hLebensdauer (Leuchtmittel): 60.000 h Lebensdauer (Magnetron): 20.000 h Lichtausbeute: 95 lm/W

Lichtquelle mit extrem großen Lichtstrom, ca. 140000 lm (~ 40 Leuchtstoffröhren) und (fast) rein-weißem Licht (Bandenemission von S8, S7, S6, S5,….-Molekülen)

Effizienz: Vergleichbar mit Leuchtstoffröhren (also 90 - 100 lm/W)Probleme: EMV und Lebensdauer des Mikrowellengenerators



6.15 Neue EntwicklungenSubstitution von Hg durch Zn

Zn/Ar Discharge Zn/Ar/metal halide Discharge

0 30

0,8

1,0

481

472

Wel = 75 WLE = 114 lm/Wx = 0.228, y = 0.227Tc = 34000 KEfficacy = 20 lm/W[a

.u.]

0,20

0,25

0,30Wel = 75 WLE = 280 lm/Wx = 0.436, y = 0.387Tc = 3000 KEfficacy = 85 lm/W[a

.u.]

0,4

0,6

636

468

y = 0.174 Wopt/Welektr

Ra8 = 0

ssio

n in

tens

ity

0,10

0,15

0,20 y = 0.33 Wopt/Welektr

Ra8 = 80

issi

on in

tens

ity

400 500 600 700 8000,0

0,2

Ce3+ Luminescence

Em

is

300 400 500 600 700 8000,00

0,05

Em

Zn-Ar Zn-Ar-Metallhalogenid20 l /W 85 l /W

400 500 600 700 800File: Zn discharge lamp (60-75-90W)

Wavelength [nm]File: Zn discharge lamp (60-75-90W)

Wavelength [nm]

20 lm/W 85 lm/WEnergieeffizienz 17% 33%R 0 80



Ra 0 80

6. Hochdruckentladungslampen - FH Münster · 6. Hochdruckentladungslampen Inhalt 6.1 Übersicht...

Documents

Transcript of 6. Hochdruckentladungslampen - FH Münster · 6. Hochdruckentladungslampen Inhalt 6.1 Übersicht...