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)
Kapitel HochdruckentladungslampenFolie 2
Inkohärente LichtquellenProf. Dr. T. Jüstel
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
Kapitel HochdruckentladungslampenFolie 3
Inkohärente LichtquellenProf. Dr. T. Jüstel
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
Kapitel HochdruckentladungslampenFolie 4
Inkohärente LichtquellenProf. Dr. T. Jüstel
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)
Kapitel HochdruckentladungslampenFolie 5
Inkohärente LichtquellenProf. Dr. T. Jüstel
Hochdrucklampen (1966)
6.3 Die Hg-Hochdrucklampe (HP)evakuierter Außenkolben
Einschmelzung
Elektrode
Einschmelzung
Brenner (Hg, Edelgas = Startgas, meist Xe)meist Xe)
Ballast
Kapitel HochdruckentladungslampenFolie 6
Inkohärente LichtquellenProf. Dr. T. Jüstel
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
Kapitel HochdruckentladungslampenFolie 7
Inkohärente LichtquellenProf. Dr. T. Jüstel
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
Kapitel HochdruckentladungslampenFolie 8
Inkohärente LichtquellenProf. Dr. T. Jüstel
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
Kapitel HochdruckentladungslampenFolie 9
Inkohärente LichtquellenProf. Dr. T. Jüstel
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 [ ]
Kapitel HochdruckentladungslampenFolie 10
Inkohärente LichtquellenProf. Dr. T. Jüstel
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
Kapitel HochdruckentladungslampenFolie 11
Inkohärente LichtquellenProf. Dr. T. Jüstel
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
Kapitel HochdruckentladungslampenFolie 12
Inkohärente LichtquellenProf. Dr. T. Jüstel
6.7 Reflektortypenparabolische Reflektoren elliptische Reflektoren
y = x2
Brennpunkt (Lichtquelle) Eine Ellipse hat zwei Brennpunkte
Nur dann, wenn Lichtquelle klein ist
HID-LampenHID Lampen
Kapitel HochdruckentladungslampenFolie 13
Inkohärente LichtquellenProf. Dr. T. Jüstel
6.8 Anwendung der HP-LampenIn der Straßenbeleuchtung
= 60 lm/WRa = 50Lebensdauer = 20.000 hP = 100 W - 2000 W
Kapitel HochdruckentladungslampenFolie 14
Inkohärente LichtquellenProf. Dr. T. Jüstel
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
Kapitel HochdruckentladungslampenFolie 15
Inkohärente LichtquellenProf. Dr. T. Jüstel
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
Kapitel HochdruckentladungslampenFolie 16
Inkohärente LichtquellenProf. Dr. T. Jüstel
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)
Kapitel HochdruckentladungslampenFolie 17
Inkohärente LichtquellenProf. Dr. T. Jüstel
6.10 Anwendung von HPS LampenIn der Gebäude- und Straßenbeleuchtung
Kapitel HochdruckentladungslampenFolie 18
Inkohärente LichtquellenProf. Dr. T. Jüstel
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
Kapitel HochdruckentladungslampenFolie 19
Inkohärente LichtquellenProf. Dr. T. Jüstel
6.11 Metall-Halogenid-Hochdruck-LampenHPI (High Pressure Iodide)-Hochdruck-Lampen
451 nm(In)(In)
535 nm
589 nm
(Tl)
589 nm(Na)
Kapitel HochdruckentladungslampenFolie 20
Inkohärente LichtquellenProf. Dr. T. Jüstel
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]
Kapitel HochdruckentladungslampenFolie 21
Inkohärente LichtquellenProf. Dr. T. Jüstel
[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, ...)
Kapitel HochdruckentladungslampenFolie 22
Inkohärente LichtquellenProf. Dr. T. Jüstel
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
Kapitel HochdruckentladungslampenFolie 23
Inkohärente LichtquellenProf. Dr. T. Jüstel
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)
Kapitel HochdruckentladungslampenFolie 24
Inkohärente LichtquellenProf. Dr. T. Jüstel
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
Kapitel HochdruckentladungslampenFolie 25
Inkohärente LichtquellenProf. Dr. T. Jüstel
6.13 Anwendungen der MH-LampenIm „Beamer“
Kapitel HochdruckentladungslampenFolie 26
Inkohärente LichtquellenProf. Dr. T. Jüstel
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
Kapitel HochdruckentladungslampenFolie 27
Inkohärente LichtquellenProf. Dr. T. Jüstel
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
Inkohärente LichtquellenProf. Dr. T. Jüstel
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
Kapitel HochdruckentladungslampenFolie 29
Inkohärente LichtquellenProf. Dr. T. Jüstel
400 500 600 700 800
6.14 UHP-LampenKomponenten für UHP-Lampen
Kapitel HochdruckentladungslampenFolie 30
Inkohärente LichtquellenProf. Dr. T. Jüstel
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
Kapitel HochdruckentladungslampenFolie 31
Inkohärente LichtquellenProf. Dr. T. Jüstel
• Energiebilanz der Elektrode und der Wand
6.14 UHP-Lampen
Kapitel HochdruckentladungslampenFolie 32
Inkohärente LichtquellenProf. Dr. T. Jüstel
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
Kapitel HochdruckentladungslampenFolie 33
Inkohärente LichtquellenProf. Dr. T. Jüstel
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
Kapitel HochdruckentladungslampenFolie 34
Inkohärente LichtquellenProf. Dr. T. Jüstel
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
Kapitel HochdruckentladungslampenFolie 35
Inkohärente LichtquellenProf. Dr. T. Jüstel
Ra 0 80