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Die Erfindung betrifft eine elektrodenlose Entladungslampe mit einem Sockel, an dem eine Einrichtung zur Erzeugung von hochfrequenten Wechselfeldern angeordnet ist, welche aus einem Hochfrequenzgenerator und einer an diesem angekoppelten, auf einem Kern gewickelten Induktionsspule besteht, wobei sich die Induktionsspule in einem abgeschlossenen Rohr innerhalb des Lampenraumes befindet, der aus einem mit Leuchtstoff beschichteten abgedichteten und lichtdurchlässigen Kolben gebildet und mit einem ionisierbaren Gas gefüllt ist.
Die Glühlampe ist eine hauptsächliche Beleuchtungsquelle in Häusern und Geschäften. Jedoch verdampft ihr Licht emittierender Glühfaden und wird mit dem Gebrauch schwach, so dass er leicht bricht oder sich von seinen Stützen löst. Somit ist die Lebensdauer einer Glühlampe kurz und unbestimmbar. Insbesondere ist die Lichtausbeute einer Glühlampe beim Umwandeln von elektrischer Energie in Licht sehr gering, beispielsweise annähernd 15 Lm/W zugeführter elektrischer Energie.
Leuchtstofflampen sind im allgemeinen wirksamer und dauerhafter als Glühlampen. Jedoch erfordert die herkömmliche Leuchtstofflampe sowohl eine Vorschaltgerätanordnung und eine besondere Befestigung, die installiert werden muss, bevor eine Lampe verwendet werden kann. Weiterhin sind die Elektroden über eine gewisse Zeitperiode der Zersetzung ausgesetzt.
Alternative Vorschläge existieren im Stand der Technik, nach denen Beleuchtungsvorrichtungen geschaffen werden, in welchen Elektroden fehlen. Jedoch sind solche Vorrichtungen nicht im Handel erhältlich.
Eine Vorrichtung ist in der US-PS Nr. 3, 500, 118 und Nr. 3, 521, 120 beschrieben und basiert auf dem Konzept, dass Hochfrequenz-Lufttransformatoren, wenn sie verwendet werden, um Energie in elektrodenlose Lichtbogenentladungen umzuwandeln, ein unwirksames Koppeln von Energie zu der Entladung erzielen, woraus sich ein Energieverlust durch Strahlung ergibt, der sich verbietet und gefährlich sein kann. In diesem Zusammenhang sei herausgestellt, dass solche Vorrichtungen nie erfolgreich während nützlicher Perioden mit einem vernünftigen Wirkungsgrad gearbeitet haben. So ist ein Anspruch darauf gerichtet, dass ein Ferritkern innerhalb der Induktionsspule erforderlich ist, um ein wirksames Koppeln von Energie zu einem elektrodenlosen Lichtbogen zu fördern.
Ferritmaterialien, wenn sie in einer solchen Anordnung verwendet werden, fordern beträchtlich die Unwirksamkeit. Anfänglich erhöhen solche Materialien die Induktivität der Induktionsspule zu einem solchen Ausmass, dass ein angemessener Hochfrequenzbetrieb unmöglich ist. So sind Ferritkern-Vorrichtungen Niederfrequenzvorrichtungen, und ihr Betrieb erfordert übermässig hohe Induktionsfeldstärken.
Zweitens fördern Hystereseverluste in Ferritkernen ein Erhitzen des Ferritmaterials, und der in der um den Ferritkern gewundenen Spule zirkulierende Strom fördert auch ein konduktives Erwärmen des Kernes, wie dies direkte und indirekte optische Strahlung tut, die von der Entladung emittiert wird und auf den Kern oder dazwischenliegendes Material trifft, und wie dies jeder Ohmsche Effekt im Kern tut. Es ist bekannt, dass bei der Curietemperatur, normalerweise in der Nähe von 100 bis 1500C die Permeabilität der meisten bekannten Ferrite diskontinuierlich bis zu einem sehr geringen Wert abnimmt.
Wenn diese Kerntemperatur während des Systembetriebes erreicht ist, wird die Induktionsspule durch die grosse Abnahme ihrer Induktivität wirksam unbelastet, die Grösse des Induktionsfeldes nimmt wesentlich ab, die Entladung erlischt, und der nun unbelastete Transistor setzt schnell auf Grund der thermischen Instabilität aus. Auch sind die Kosten eines geeigneten Ferritkernes für solche Vorrichtungen in der gleichen Grössenordnung wie die Kosten des gesamten Restes des elektronischen Systems, welches die Entladung bewirkt. Somit fördert ein solcher Kern nicht nur die Systemunwirksamkeit und reduziert seine Betriebssicherheit, sondern erhöht ebenfalls wesentlich die Kosten des elektronischen Systems.
Beim Stand der Technik legt ein Entladungshilfsanlasskreis ein elektrisches Feld an die Lampe, um eine anfängliche Ionisierung zu schaffen. Folglich wird Energie mit Hilfe des magnetischen Wechselfeldes des Ferritkernes an die Entladung gekoppelt. Eingangsspannung und Strom für die Primärwicklung mit fünf Windungen des Ferrittransformators sind entsprechend 50 V und 0, 6 A bei einer Frequenz von 50 KHz, während die induzierte Spannung und der Strom entsprechend als annähernd 10 V und 3 A angegeben sind, mit einem Kernverlust von annähernd 3 W. Die mit dieser Vorrichtung erzielte Lichtausbeute ist 40 Lm/W, aber wesentliche Schaltkreisverluste sind in diesem Wert nicht enthalten.
Laboruntersuchungen haben bestätigt, dass die gleichgerichtete Eingangsspannung zu diesem Schaltkreis 155 V beträgt, wenn sie von einer 110 V Wechselstrom-Leitung abgenommen wird. Ein Eingang von 50 V zu dem Ferrittransformator ist lediglich unter den Bedingungen eines A-Betriebes erzielbar, wo
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ein 30 W im Hochfrequenzausgang eine Eingangsenergie im Überschuss von 60 W erfordert. Demzufolge kann die gesamte Lichtausbeute dieser Vorrichtung nicht grösser als 20 Lm/W sein, ein Wert, der lediglich etwas über der Lichtausbeute einer herkömmlichen Glühlampe liegt.
Gemäss der Erfindung wird bei einer elektrodenlosen Entladungslampe der Hochfrequenzgenerator und die Induktionsspule ein elektrisches Feld mit dem Gas koppeln, dessen Grösse ausreicht, um das Gas zu ionisieren und gleichzeitig ein hochfrequentes magnetisches Induktionsfeld mit dem Gas zu koppeln, um die Ionisierung aufrecht zu halten, wobei die Scheitelgrösse und Frequenz des magnetischen Induktionsfeldes so gewählt sind, dass im Durchschnitt die freien Elektronen im ionisierbaren Gas auf Ionisierungsgeschwindigkeit in einer Zeit beschleunigt werden, die etwa einem Viertel der Periode des magnetischen Feldes entspricht. Hiedurch wird die Wirksamkeit der Umwandlung von Hochfrequenzenergie in Licht durch Entladung optimiert.
Im allgemeinen legt der Stand der Technik bezüglich der elektronischen Komponenten Beschränkungen auf die Frequenz und/oder Grösse des hochfrequenten magnetischen Induktionsfeldes auf, das wirksam erzeugt werden kann. Demgemäss ist die Auswahl der Grösse des Induktionsfeldes für eine gegebene Feldfrequenz, Gasdruck und Gaszusammensetzung von Wichtigkeit, um den Umwandlungswirkungsgrad von Hochfrequenzenergie in Licht auf ein Maximum zu bringen. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Auswahl der Frequenz des magnetischen Induktionsfeldes für eine gegebene Feldgrösse, Gasdruck und Gaszusammensetzung, um die Umwandlungswirksamkeit von Hochfrequenzenergie in Licht auf ein Maximum zu bringen. Im allgemeinen liegt für einen guten Wirkungsgrad die Frequenz vorzugsweise in dem Bereich von 3 bis 300 MHz.
Als Ergebnis kann der Wirkungsgrad der Umwandlung von Gleichstromenergie zu Hochfrequenzenergie ebenfalls optimiert werden durch Überwachen der Beschränkungen, die dem Wert der Frequenz und/oder Grösse des magnetischen Induktionsfeldes durch die Arbeitskenngrössen der die Hochfrequenz erzeugenden elektronischen Komponenten auferlegt sind. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist weiters die Induktionsspule des Hochfrequenzgenerators um einen nicht magnetischen Kern gewickelt, wodurch unerwünschte Verluste vermieden werden.
Zusammengefasst sind, da die freie Weglänge von der besonderen Gaszusammensetzung und dem besonderen Druck abhängt, der Druck des ionisierbaren Mediums, die Gaszusammensetzung des ionisierbaren Mediums, die Frequenz des magnetischen Induktionsfeldes und die Grösse des magnetischen Induktionsfeldes die vier in Wechselbeziehung stehenden Variablen, welche den Wirkungsgrad bestimmen, mit welchem die Hochfrequenzenergie, die mit dem Medium gekoppelt ist, in Licht umgewandelt wird. Der Umwandlungswirkungsgrad als Funktion einer dieser Variablen, während die andern drei konstantgehalten werden, hat einen optimalen Wert bei einem besonderen Wert der einen Variablen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein abgedichtetes Gefäss, das wie eine Glühbirne ausgebildet ist, mit Quecksilberdampf und einem inerten Zündgas, wie beispielsweise Argon, geladen. Eine Schicht von fluoreszierendes Licht emittierendem Phosphor ist an der Innenfläche des Gefässes vorgesehen, und eine Induktionsspule ist in einem offenen zylindrischen Raum angeordnet, der sich durch das Gefäss erstreckt, so dass ein wesentlicher Teil ihres magnetischen Induktionsfeldes durch die Ladung führt.
Ein Hochfrequenzoszillator, der einen Schwingkreis aufweist, der die Spule in Reihe mit einem Kondensator einschliesst, ist innerhalb eines Bodens angeordnet, welcher in eine herkömmliche Glühbirnenfassung einschraubbar ist. Der Ozillator erzeugt elektrische Energie bei einer Hochfrequenz von 4 MHz, die an die Spule angelegt wird, um das Feld zu erzeugen. Das elektrische Feld an der Spule leitet die Ionisierung des Quecksilberdampfes in dem Gefäss ein, und das magnetische Induktionsfeld hält eine solche Ionisierung aufrecht, um ultraviolettes Licht zu emittieren, welches den Phosphor erregt, um weisses Licht zu emittieren.
Eine elektrisch isolierte, Ultraviolett reflektierende Schicht kann unter dem Phosphor an der Innenfläche des Abschnittes des Gefässes vorgesehen sein, der den zylindrischen Hohlraum begrenzt, um einen Verlust von ultraviolettem Licht dadurch zu verhindern.
Die Merkmale einer besonderen Ausführungsform zum Durchführen der Erfindung werden nachfolgend in den Zeichnungen erläutert.
In den Zeichnungen zeigen : Fig. 1 eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht einer elektrodenlosen Entladungslampe, wobei das Gefäss von dem Boden entfernt ist, Fig. 2 eine Seitenansicht der Lampe nach Fig. 1, wobei das Gefäss an dem Boden angeordnet ist, Fig. 3 ein Schaltdiagramm des Hochfrequenzoszillators, der innerhalb des Bodens der in Fig. 1 und 2 gezeigten Lampe angeordnet ist,
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Fig. 4 ein Schaltdiagramm einer Abänderung des Hochfrequenzoszillators nach Fig. 3, Fig. 5 perspektivisch einen dreidimensionalen Plan der Umwandlungswirksamkeit der in Fig. 1 und 2 gezeigten Lampe als Funktion der magnetischen Induktionsfeldfrequenz und Grösse, Fig.
6 schematisch einen Plan der Entladungsparameter Druck, Induktionsfeldfrequenz und Induktionsfeldgrösse für ein festes, die Entladung bildendes Gas.
Im krassen Gegensatz zu dem Koppeln nach dem Stand der Technik ist es gefunden worden, dass ein wirksames Koppeln von Energie mit der Entladung kein besonderes Problem darstellt, wenn das Entladungssystem für das nachfolgend beschriebene Verfahren entworfen wird und die Entladung selbst der mit Verlust behaftete Teil des Resonanzkreises des elektronischen Systems ist. So werden innerhalb praktischer Grenzen keine bemerkenswerten Grenzwertbedingungen der Induktionssystemausbildung bei der Erzeugung von elektrodenlosen Lichtbogenentladungen erkannt und insbesondere bei elektrodenlosen Lichtbogenentladungen, die für Beleuchtungsanordnungen geeignet sind.
So wurden elektrodenlose Bogenentladungen erfolgreich sowohl innerhalb als auch ausserhalb herkömmlicher Hochfrequenz- Resonanzsolenoide, Schleifen mit einer Windung und ausgedehnter Konstruktion wie beispielsweise Bifilarkreisen erzeugt, wobei der Entladungskessel von kugelförmiger Form zu einem langen Zylinder geändert worden ist. Es wurde beobachtet, dass jede Induktorform, die von einer winkeltreuen Transformation einer einfachen Resonanzschleife oder-Blech abgeleitet werden kann, für die wirksame Erregung von elektrodenlosen Lampen anwendbar ist.
So ist es vollständig durchführbar, zu verursachen, dass induzierte Ströme die Länge einer langen zylindrischen Lampe an einer Seite der Lampe fliessen und über die andere Seite der Lampe zurückkehren, durch einfaches Anordnen der Lampe in enger Nähe zu einem kurzgeschlossenen Hochfrequenzstrom-führenden Bifilarschaltkreis, welcher längs der Länge der Lampe verläuft. Ein solcher Schaltkreis kann beispielsweise erfolgreich herkömmliche Leuchtstofflampen speisen, in denen vorher ein Faden versagt hatte.
Die Erfindung schliesst Ferrit- und andere Kernmaterialien von wirtschaftlich lebensfähigen Anordnungen aus den obengenannten Gründen aus. Ein Koppeln von Hochfrequenzenergie von der kernlosen Spule mit der Entladung stellt kein ernsthaftes Problem für den Fachmann dar, vorausgesetzt, dass nur die geeigneten Entladungsparameter ausgewählt werden. Tatsächlich wird eine maximale Wirksamkeit von Energieübermittlung zu der Entladung verwirklicht, wenn die Induktionsspule und das Plasma die resonanten induktiven Elemente eines Schwingkreises bilden können. Bei Resonanz ist die Impedanz, die der Hochfrequenzquelle von der durch die Induktionsspule und seinem Plasma in Verbindung mit einem geeigneten mitschwingenden Kondensator gebildeten Induktivität dargeboten wird, definitionsgemäss ein reiner Widerstand.
Der Stand der Technik lehrt die Notwendigkeit einer Entladungs-Hilfsstarteinrichtung und Verfahren, die von heftigem Glühbirnenerwärmen, kapazitiven Entladungsverfahren bis zur Verwendung von Aufwärtstransformatoren zum Überspannen des neutralen Gases reichen. Eine solche Einrichtung ist als nicht notwendig gefunden worden, wenn das erfindungsgemässe Verfahren bei der Auswahl der geeigneten Entladungsparameter angewendet wird. Weiterhin erhöht eine Entladungs-Hilfsstarteinrichtung die
Systemkosten und setzt die Zuverlässigkeit des Systems herab und muss demzufolge von wirtschaftlichen elektrodenlosen Lichtbogenleuchtsystemen ausgeschlossen werden.
Bei Betrachtung der Kriterien zum Bestimmen einer wirtschaftlichen Lebensfähigkeit einer elektrodenlosen Leuchtstofflampe muss beachtet werden, dass die Betriebswirksamkeit, die Zuverlässigkeit des Systems und Komponentenkosten die Hauptfaktoren sind, welche in Kombinationen die wirtschaftliche Glaubwürdigkeit der Erfindung erzielen.
Die Erfindung lehrt, dass das Verfahren zum Optimieren der elektrodenlosen Lichtbogenentladung bei Niederdruck, die bei Verwendung in einem elektrodenlosen Leuchtstofflampensystem, das mit herkömmlichen Edison-Fassung-Beleuchtungskörpern vereinbar ist, einen Wirkungsgrad erzielt, welcher dem herkömmlicher Leuchtstofflampen nahekommt. Die Systemzuverlässigkeit wird durch geeignete Auswahl gemäss der Erfindung zum Optimieren erhöht und weiterhin durch das Fortlassen und Entfernen von Komponenten erhöht, die nicht notwendig sind. Somit wurden Ferritkerne, Mehrfachwindungen, Hilfsstartschaltkreise, äussere Reflektoren u. ähnl. Komponenten als schädlich für die Systemzuverlässigkeit gefunden und werden von jeder realistischen Systemausbildung ausgeschlossen.
Ein solches Fortlassen reduziert günstig und merklich die Systemkosten und erhöht seine Zuverlässigkeit und wurde als wesentlich in einem Erzeugnis gefunden, das für weitverbreitete Produktion und Verwendung bestimmt ist.
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In den Fig. 1 und 2 ist ein abgedichtetes, lichtdurchlässiges Glasgefäss --10-- mit einem ionisierbaren gasförmigen Medium geladen, das ein Gemisch aus Quecksilberdampf und einem inerten Gas, wie beispielsweise Argon, umfasst. Das Gefäss --10-- ist in der Form einer Glühbirne gezeigt ; jedoch ist jedes abgedichtete Gefäss, wie beispielsweise eine Kugel, ausreichend. Typischerweise ist der Partialdruck des Argons in der Grössenordnung von 1, 3 bis 6, 6 mbar. Der Zweck des Argons liegt in dem Erleichtern der Einleitung einer Quecksilberentladung innerhalb des Gefässes --10-- über den bekannten Pennings-Effekt, wie dies unten beschrieben ist.
Ein offener zylindrischer Hohlraum --11-- erstreckt sich durch die Mitte des Gefässes --10--. Der Abschnitt der Innenfläche des Gefässes-10-, der den Hohlraum --11-begrenzt, ist mit einer Schicht --12-- eines elektrisch isolierenden, ultraviolettes und weisses Licht reflektierenden Materials, wie beispielsweise Magnesiumoxyd oder Zirkoniumoxyd, beschichtet und kann wieder mit herkömmlichem Phosphor beschichtet werden, um die Wirksamkeit zu erhöhen. Eine Schicht - aus Phosphor, wie beispielsweise herkömmliche Halophosphate oder Fluorophosphate, liegt über der Schicht --12-- an dem Abschnitt des Gefässes --10--, welches den Hohlraum --11-- begrenzt. Die Innenfläche des Restes des Gefässes --10-- ist mit einer Schicht --14-- aus Phosphor beschichtet.
Eine hohle zylindrische Spulenform oder ein Kern --18-- aus einem nichtleitenden, nicht magnetischen Material ist so bemessen, dass er in den Hohlraum --11-- passt. Ein Ende des Kernes --18-- ist an einem Boden --19-- befestigt, der in eine herkömmliche Glühbirnenfassung schraubbar ist. Der Boden --19-enthält einen Hochfrequenzoszillator mit einem Schwingkreis, der eine Induktionsspule --20-- einschliesst, die um die Oberfläche des Kernes --18-- gewickelt ist oder darauf einen Niederschlag bildet. Der einzige Zweck des Kernes --18-- besteht darin, die Spule --20-- zu stützen, so dass er aus jedem geeigneten Material geringer Kosten konstruiert sein kann.
Das von dem Boden --19-- entfernte Ende der Spule - kann mit dem Hochfrequenzoszillator über eine abgeschirmte Leitung verbunden sein, die sich durch die hohle Mitte des Kernes --18-- erstreckt. Der Boden --19-- hat Kontakte --21 und 22--, über welche ein herkömmlicher Wechselstrom von 120 V und 60 Hz zu dem Hochfrequenzoszillator geführt wird.
Wenn das Gefäss --10-- und der Boden --19-- zusammengebaut sind, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, liegt das von der Spule --20-- erzeugte Feld in enger Nähe zu dem ionisierbaren Medium innerhalb des Gefässes --10--, so dass die Hochfrequenzenergie von dem Oszillator wirksam mit dem Medium aus einem physikalischen Gesichtspunkt gekoppelt werden kann. Der Abschnitt des Gefässes --10--, welcher den Boden - berührt, kann damit verkittet sein, um eine zufällige Demontage der Lampe zu verhindern, oder er kann mechanisch mittels einstellbarer Klemmen oder Schrauben gehalten werden, um ein Entfernen der Lampe gewünschtenfalls zu ermöglichen.
In der unten in Verbindung mit Fig. 3 beschriebenen Weise ist der Hochfrequenzoszillator ausgebildet, um eine ausreichend hohe Spannung an der Spule --20-- zu induzieren, wenn die Lampe anfänglich eingeschaltet ist, so dass das sich ergebende elektrische Feld zusammenbricht (break down), d. h. den Quecksilberdampf ionisiert, um eine Lichtbogenentladung zu bilden, u. zw. ohne einen äusseren Startschaltkreis. Nachdem die Entladung aufgebaut ist, wird die Hochfrequenzenergie von dem Oszillator über das magnetische Induktionsfeld der Spule --20-- mit der Entladung gekoppelt. Der ionisierte Quecksilberdampf emittiert überwiegend ultraviolettes Licht, das eine Wellenlänge von 253, 7 nm aufweist.
Ein Teil des ultravioletten Lichtes fliesst auswärts zu der Schicht --14--, von welcher es absorbiert wird und den Phosphor erregt, der weisses Licht emittiert, das für eine Beleuchtung zweckmässig ist. Der Rest des ultravioletten Lichtes fliesst einwärts zu dem Hohlraum --11-- und wird entweder von der Schicht - absorbiert oder von der Schicht --12-- zurück in das Innere des Gefässes --10-- reflektiert, ohne durch dessen Glaswand zu fliessen. Von der Schicht --13-- emittiertes weisses Licht wird ebenfalls zurück in das Innere des Gefässes --10-- von der Schicht --12-- reflektiert. Dieses weisse Licht fliesst durch die Schicht --14-- und das Gefäss --10--, um zu der gesamten, von der Lampe geschaffenen Beleuchtungskraft beizutragen.
Auf Grund des Vorhandenseins der Schicht --12-- wird ein Verlust an ultraviolettem oder weissem Licht durch den Abschnitt des Gefässes --10-- vermieden, der den Hohlraum - begrenzt, und auf Grund der Lage der Schicht --12-- in dem Gefäss --10-- wird eine Schwächung des ultravioletten Lichtes durch nutzlose Übermittlung durch die Glaswand des Gefässes --10-- vermieden.
Das Verfahren zum Auswählen der Betriebsfrequenz und der Induktionsfeldstärke ergibt sich am besten durch Berücksichtigung der Betriebserfordernisse des elektrodenlosen Lichtbogens selbst. Die induzierte Spannung, welche die Entladung aufrecht erhält, wird von der Änderungsgeschwindigkeit des magnetischen Flusses über den Entladungsweg bestimmt. Da der Entladungsbereich normalerweise von der
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Lampengeometrie her festgelegt ist, kann man die induzierte Spannung auf den geeigneten Wert lediglich durch Einstellen des Wertes des Produktes der magnetischen Induktion B und der Winkelfrequenz w dieses Feldes einstellen.
Bei einem elektrodenlosen Niederdruckbogen muss die Induktionsfeldfrequenz teilweise auf der Basis der optimierten Aussetz- bzw. Zündkriterien für das besondere, die Entladung bildende Gas oder Dampf, welcher verwendet wird, bei dem zu betrachtenden Betriebsdruck ausgewählt werden, primär wegen des nicht notwendigen und verschwenderischen Verlustes, welcher ein wiederholtes Ionisieren des die Entladung bildenden Gases oder Dampfes zwischen periodischen Spitzen der induzierten Betriebsspannung begleitet.
Es muss beachtet werden, dass vor dem anfänglichen Zusammenbrechen bzw. Zünden (break down) das Induktionsfeld nicht mit der Lampe oder deren Inhalt zusammenwirkt. Das Durchschlagsfeld muss demzufolge in seiner Natur elektrisch und von ausreichender Stärke sein, um die Entladung einzuleiten. Ein solches Feld wird geeignet von dem axialen elektrischen Feld der erfindungsgemässen Induktionsspule
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Somit ist gemäss Erfindung die Grösse des elektrischen Startfeldes der Frequenz, mit welcher die Induktionsspule betrieben wird und dem Induktionsspulenstrom direkt proportional. Eine äussere Starteinrichtung ist erfindungsgemäss nicht erforderlich, wenn eine geeignete Wahl dieser Parameter vorgenommen wird.
Auf dieser Basis kann bei den meisten reinen, die Entladung bildenden Gasen bei geringem Druck eine optimierte Feldfrequenz bestimmt werden durch Beachten, dass ein typisches Entladungselektron auf Ionisierungsgeschwindigkeit in einer Entfernung gleich seiner mittleren freien Weglänge in einer Zeit beschleunigt werden muss, die annähernd einem Viertel der sinusförmigen Periode des elektrischen Zündfeldes bzw. Durchschlagfeldes ist. Frequenzen, die höher als die obige sind, erzielen eine geringere als maximale Ionisierungsgeschwindigkeit, weil das "typische" Ionisierungselektron, das ausser Phase mit dem angelegten Feld ist, nicht die Ionisierungsgeschwindigkeit innerhalb seiner freien Weglänge erzielt, weil das Feld sich umkehrt und das Partikel abbremst, welches dann"termische"Kollisionen, jedoch keine ionisierenden macht.
Frequenzen, die geringer als die obige sind, ergeben eine geringere als maximale Ionisierungsgeschwindigkeit, weil die elektronische Geschwindigkeit am Ende der mittleren freien Weglänge geringer ist als diejenige, die für das Ioniseren erforderlich ist. Weiterhin kann in jedem Fall eine adäquate Ionisierung zum Aufrechterhalten der Entladung nur durch Erhöhen der Grösse des Induktionsfeldes von dem minimalen Wert gewährleistet werden, der erforderlich ist, um eine geringere als optimale Ionisierungsgeschwindigkeit auszugleichen. Da die Entladungsenergie proportional dem Quadrat der Grösse des Induktionsfeldes und seiner Ableitungen ist, begleitet ein beträchtlicher und nicht notwendiger Energieverlust eine nicht korrekte Auswahl dieser Feldfrequenz.
In den meisten Fällen der elektrodenlosen Niederdruckbogenentladungen wird die Induktionsfeldfrequenz, bestimmt auf der Basis des obigen Kriteriums, von einigen MHz bis einigen 100 MHz, vorzugsweise 3 bis 300 MHz sein, die ein Induktionsfeld von einigen zehntausendstel T für typische Entladungen in allgemeinen Niederdruckgasen mit Entladungsenergieniveaus in der Ordnung von einigen 10 W ergibt.
Eine wesentliche Situation ergibt sich, wenn bestimmte Gemische von die Entladung bildenden Gasen und/oder Dämpfen verwendet werden, um den Penning-Effekt in einer elektrodenlosen Lichtbogenentladung zu nutzen.
Ein Ausnutzen des Penning-Effektes erfordert, dass ein Gemisch von die Entladung bildenden Gasen vorhanden ist, in welchem der Hauptteil wenigstens einen metastabilen Zustand mit einer Energie grösser als die lonisierungsenergie des Minderheitsteiles aufweist. Es ist bekannt, dass Auswahlregel-Zwangsbedingungen die Strahlungsabregung des metabüen Zustandes höchst unwahrscheinlich machen, da solche Zustände durch ungewöhnlich lange Lebensdauer, im Bereich von 10 bis 100 ms gekennzeichnet sind und ein Entwirren dieser Zustände grösstenteils ein Kollisionsprozess ist. Zu dem Penning-Gemisch ergibt ein Kollisionsentwirren des metastabil angeregten Hauptteiles eine Ionisierung der Minderheitsbestandteile, da metastabile Energie des ersteren die Ionisierungsenergie des letzteren übersteigt.
Das Verfahren ist demzufolge sehr wirksam zum Fördern der Ionisierung, da jede solche Kollision eine Ionisierungskollision ist.
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In der Technologie der Leuchtstofflampen ist ein zweckmässiges, Plasma bildendes Penning-Gemisch aus einer kleinen Menge Quecksilberdampf innerhalb eines Argongrundes zusammengesetzt. Quecksilberentladungen bei geringem Druck sind wirksame Quellen ultravioletter Strahlung bei 253,7 nm, die normalerweise für Phosphoranregungen verwendet werden. Ein elektrisches Zünden von Quecksilber, das 10, 4 eV pro Atom erfordert, wird durch das Vorhandensein von Argon erleichtert, welches metastabile Zustände bei 11, 49 und 11, 66 eV aufweist. In diesem Gemisch lassen anfängliche Zündkriterien für Quecksilber beträchtlich wegen der relativ langen Lebensdauer des metastabil erregten Argons nach. Somit ist ein Betrieb des Induktionsfeldes geringerer Frequenz für eine Entladung in einem Penninggemisch möglich als in dem Fall einer Entladung in reinem Quecksilber.
Im allgemeinen werden bei Anwendungen, bezogen auf Leuchtstoffbeleuchtung, wobei das die Entladung bildende Gas ein Penning-Gemisch aus Helium, Neon oder Argon und Quecksilber ist und der Gesamtdruck unter Betriebsbedingungen ein bis einige mb ist, Feldfrequenzen von wenigen MHz für elektrodenlosen Leuchtstofflampenbetrieb ausreichen.
Die Grösse des Induktionsfeldes, das für das Aufrechterhalten der Entladung bei der oben bestimmten Frequenz erforderlich ist, wird dann direkt von der Unterhaltungsspannung erreicht, die meist 4 bis 8 V/m im Entladungsweg ist.
Zusammengefasst stehen die Grösse und Frequenz des magnetischen Induktionsfeldes, die Gaszusammensetzung des Mediums und der Gasdruck in Wechselbeziehung alle miteinander, so dass im Durchschnitt freie Elektronen in dem Medium auf Ionisierungsgeschwindigkeit in einem Abstand gleich deren freier Weglänge in einer Zeit beschleunigt werden, die annähernd gleich einem Viertel der sinusförmigen Periode der Feldfrequenz ist. Dies schafft eine optimale Umwandlungswirksamkeit von Hochfrequenzenergie in Licht.
Da ein solcher Umwandlungswirkungsgrad von der Grösse des magnetischen Induktionsfeldes, der Frequenz des magnetischen Induktionsfeldes, der Zusammensetzung des Gases oder des verwendeten Gasgemisches und von dem Druck des Gases oder Partialdrucken des verwendeten Gasgemisches abhängt, hat auf diese Weise der Umwandlungswirkungsgrad als Funktion eines dieser Parameter, wobei die andern drei Parameter konstant gehalten werden, einem optimalen Wert für einen gegebenen Wert dieses einen Parameters. Wenn so andere Überlegungen gewisse Werte für drei der Parameter, normalerweise Gaszusammensetzung, Druck und Frequenz oder Grösse des magnetischen Induktionsfeldes diktieren, kann der verbleibende Parameter, d. h. die Grösse oder Frequenz des magnetischen Induktionsfeldes, variiert werden, um den optimalen Umwandlungswirkungsgrad zu erzielen.
In Fig. 5 ist der Umwandlungswirkungsgrad einer Entladung als eine Funktion der Frequenz f und der Grösse B des magnetischen Induktionsfeldes dargestellt. Wie dort gezeigt ist, besteht für jede besondere Frequenz ein entsprechender Wert der Grösse, bei welchem die Umwandlungswirksamkeit maximal ist, und für jede besondere Grösse ist ein entsprechender Wert der Frequenz vorhanden, bei welcher der Umwandlungswirkungsgrad maximal ist. Weiterhin sind die optimalen Werte des Umwandlungswirkungsgrades im allgemeinen am grössten zwischen 3 und 300 MHz.
In Fig. 6 ist die Grösse B des magnetischen Induktionsfeldes als eine Funktion der Frequenz f des Feldes und des Kehrwertes des Gasdruckes P für ein besonderes Gas dargestellt.
Der Stand der Technik bezüglich elektronischer Komponenten legt eine Begrenzung auf die Frequenz von Hochfrequenzenergie auf, die ohne bemerkenswerten Verlust des Umwandlungswirkungsgrades von Gleichstromenergie bei einem Kostenfaktor erzeugt werden kann, der erlaubt, dass die sich ergebende Lampe vergleichbar mit Glühlampen ist. Es wird Bezug genommen auf Fig. 3 für eine Erläuterung einer Ausführungsform des in dem Boden --19-- angeordneten Hochfrequenzoszillators, welcher eine Frequenz von wenigen MHz mit durchschnittlich kostenden Komponenten schafft. Es ist von besonderer Bedeutung, dass kein Ferritkern erforderlich ist, um eine wirksame Umwandlung von elektrischer Energie in Licht zu erzeugen.
Die Wechselspannung von 120 V, 60 Hz, die an Kontakte --21 und 22-- angelegt ist, wird in Gleichspannung von ungefähr 170 V von dem Gleichrichter --26-- umgewandelt. Ein Ladekondensator - -27--, der an dem Ausgang des Gleichrichters --26-- angeschlossen ist, glättet die Gleichspannung. Ein Ende des Gleichrichters --26-- ist geerdet. Das andere Ende des Gleichrichters --26-- ist über einen Vorspannwiderstand --28-- mit der Basis eines Transistors --29-- und über eine Hochfrequenzdrosselspule - mit dem Kollektor des Transistors --29-- verbunden. Ein Kondensator --21-- und die Induktionsspule --20-- sind in Reihe zwischen dem Kollektor und dem Boden des Transistors --29-- angeschlossen.
Ein Kondensator --32-- ist zwischen dem Kollektor des Transistors --29-- und der Erde angeschlossen, und ein Kondensator --33-- ist zwischen der Basis des Transistors --29-- und der Erde angeschlossen.
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Der Emitter des Transistors --29-- ist über einen Vorspannwiderstand --34-- und einen Kondensator - geerdet. Der Schaltkreis arbeitet als ein"COLPITTS"-OsziIIator, modifiziert durch einen Kondensator --31-- in Reihe mit der Spule --20--, d. h. als "CLAPP"-Oszillator. Die Frequenz des Oszillators wird von dem parallelen Resonanzkreis bestimmt, der die Spule --20-- und die effektive Kapazität der Kondensatoren --31, 32 und 33-- in Reihe und die Elektrodenkapazität des Transistors - umfasst. (Nach Zusammenbrechen bzw.
Zünden der Entladung beeinflusst die durch gestrichelte Linien gezeigte Kapazität --36-- etwas die Oszillatorfrequenz.) Die Spule --30-- dient dazu, die Übermittlung von Hochfrequenzströmen von dem Schwingkreis zum Widerstand --28-- zu blockieren, und alle solche Ströme werden über den Kondensator --27-- gegen Erde kurzgeschlossen. Der Kondensator - ist verglichen mit den Kondensatoren --32 und 33-klein ; somit ist der Reihenresonanzkreis, der den Kondensator --31-- und die Spule --20-- umfasst, bei der Oszillatorfrequenz nahe der Resonanz. Vor dem Zünden besteht ein geringer Verlust, d. h. Energieverbrauch oder Wirkwiderstand in dem Reihenresonanzkreis, der den Kondensator --31-- und die Spule --20-- umfasst, somit ist seine Güte Q hoch.
Als Ergebnis dient die Reihenschaltung des Kondensators --31-- und der Spule --20-- dazu, die verfügbare Spannung, die an der Spule --20-- vor dem Zünden bzw. Zusammenbrechen angelegt ist, um mehrere Male zu vervielfachen. Das sich ergebende grosse longitudinale elektrische Feld, erzeugt von der Spule --20--, ist mit der Hilfe des Argongases ausreichend, um den Quecksilberdampf zu zünden, um die induzierte Entladung ohne einen äusseren Startkreis aufzubauen. Das Fortlassen eines äusseren Startkreises ergibt eine wesentliche Kosteneinsparung und Vereinfachung der Ausbildung. Nachdem die Entladung aufgebaut ist, steigt der Energieverbrauch an, und die Güte Q des Schwingkreises nimmt ab ; folglich wird die Vervielfachung der verfügbaren, an der Spule --20-- angelegten Spannung wesentlich reduziert.
Der Schaltkreis nach Fig. 3 hat die folgenden Komponentenwerte und -arten : Transistor --29-- - Moto- rola Typ 2N 6498 ; Kollektor/Emitterkapazität des Transistors --29-- - ungefähr 100 pF ; Basis/Emitterkapazität des Transistors --29-- - ungefähr 400 pF ; Kondensator --31-- - 200 pF ; Kondensator --32-- -
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; Kondensator-33-- - 3900 pF ; Kondensator-35--2000 pF ; Kondensator-27--150 uF ;--20-- - 13, 7 pH.
Der Oszillator schwingt in Resonanz bei 3, 6 MHz in seinem unbelasteten Zustand, d. h. vor dem Zünden des Quecksilberdampfes. Nach dem Zünden reduziert die von der Entladung in den Schwingkreis reflektierte Induktivität die gesamte effektive Induktivität des Schwingkreises. Ähnlich erhöht die Nähe der Entladung die effektive Kapazität der Induktionsspule etwas, und die von der Entladung absorbierte Energie erhöht bemerkenswert den wirksamen Reihenwiderstand des Schwingkreises. Das Ergebnis ist ein Anstieg der Frequenz des Oszillators in seinem belasteten Zustand auf ungefähr 4 MHz. Mit einer effektiven Eingangsspannung von 120 V bei 60 Hz verbraucht der Kreis 25 W, gemessen mit einem Wechselstromwattmeter"an der Wand".
Die entsprechende Gleichstromeingangsenergie zu dem Oszillator beträgt 23, 8 W, wobei ein gesamter Ausgang an weissem Licht von 840 Lm erzeugt wird. Der verwendete 2N 6498 - Transistor hat eine Grenzfrequenz von 5 MHz und eine Speicherzeit von 1, 4 ps und arbeitet in dem beschriebenen Kreis unter den Bedingungen des A-Betriebes bei einem gemessenen Kollektorwirkungsgrad von 44%. Somit ist die gesamte der obigen Vorrichtung 840 Lm/25 W oder 33, 6 Lm/W ; die Gleichstromleuchtwirksamkeit beträgt 840/23, 8 oder 35, 3 Lm/W ; die Hochfrequenzlichtausbeute beträgt 840/0, 44 x 23, 8 oder 80, 2 Lm/W.
Eine Verbesserung würde das Einsetzen eines Transistors höherer Grenz-Frequenz sein, um den Betrieb nach Klasse C zu ermöglichen, wobei ein Kollektorwirkungsgrad von 70% allgemein ist, um eine gesamte Systemlichtausbeute von 53, 5 Lm/W der Wechselstromeingangsenergie zu erzeugen.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 4, wobei ein modifizierter Oszillator weniger Komponenten als der Oszillator nach Fig. 3 verwendet. Ähnliche Komponenten tragen die gleichen Bezugsziffern in Fig. 3 und 4.
In Fig. 4 ist ein Transistor --38-- gezeigt, der so hergestellt ist, dass er eine Elektrodenkapazität hat, die ohne äussere Kondensatoren die Kapazität schafft, die für den Schwingkreis spezifisch ist. So ist die Kollektor/Emitterkapazität-39-- des Transistors-38-- gleich der Kapazität des Kondensators --32-- und der Kollektor/Basis-Kapazität des Transistors --29-- in Fig. 3, und die Emitter/Basiskapazität --40-- des Transistors --38-- ist gleich der Kapazität des Kondensators --33-- und der Emitter/Basiskapazität des Transistors --29-- in Fig.
3. Weiterhin wird eine Komponentenverringerung durch Verbinden des erdverlegten Ausganges des Gleichrichters --26-- mit einem Zwischenpunkt an der Induktionsspule --20--
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erzielt, an welchem das Hochfrequenzpotential Null ist. Als Ergebnis werden die Spule --30-- und der Kondensator --27-- nicht notwendig, um den Durchgang von Hochfrequenzstrom durch den Transistor --28-- zu verhindern.
Obwohl die Apparatur zum Erzeugen des Magnetfeldes, gekoppelt mit dem ionisierbaren Medium, als eine Induktionsspule beschrieben ist, die eine Anzahl von Windungen aufweist und von einem Kern getragen ist, können andere Ausbildungen zum Erzeugen eines magnetischen Induktionsfeldes verwendet werden. Diese Tatsache hat eine wesentliche praktische Anwendungsmöglichkeit im Betrieb von herkömmlich verfügbaren rohrförmigen Leuchtstofflampen, nachdem sich ihre Fäden oder Elektroden abgenutzt haben. In einem solchen Fall kann eine Drahtspule um die gesamte Umhüllung der abgenutzten Leuchtstofflampe angeordnet werden und von einem Hochfrequenzoszillator in der oben beschriebenen Weise erregt werden. Ein solcher Betrieb kann die nützliche Lebensdauer einer Leuchtstofflampe um ein beträchtliches verlängern.
Die beschriebene Ausführungsform gemäss Erfindung ist lediglich das bevorzugte und gezeigte erfindungsmässige Konzept : der Inhalt der Erfindung wird durch diese Ausführungsform nicht beschränkt.
Verschiedene und zahlreiche andere Anordnungen können von dem Fachmann durchgeführt werden, ohne sich dabei vom Inhalt der Erfindung zu entfernen. Beispielsweise kann eine Hochfrequenz höher als 4 MHz eine höhere Wirksamkeit schaffen, was wünschenswert wäre, wenn elektronische Schaltkreiskomponenten verfügbar wären, die solch höhere Hochfrequenzen wirksam zu einem hinreichenden Preis erzeugen könnten.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektrodenlose Entladungslampe mit einem Sockel, an dem eine Einrichtung zur Erzeugung von hochfrequenten Wechselfeldern angeordnet ist, welche aus einem Hochfrequenzgenerator und einer an diesem angekoppelten, auf einem Kern gewickelten Induktionsspule besteht, wobei sich die Induktionsspule in einem abgeschlossenen Rohr innerhalb des Lampenraumes befindet, der aus einem mit Leuchtstoff beschichteten abgedichteten und lichtdurchlässigen Kolben gebildet und mit einem ionisierbaren Gas gefüllt
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35) und die Induktionsspule (20) ein elektrisches Feld mit dem Gas koppeln, dessen Grösse ausreicht, um das Gas zu ionisieren und gleichzeitig ein hochfrequentes magnetisches Induktionsfeld mit dem Gas zu koppeln, um die Ionisierung aufrecht zu halten,
wobei die Scheitelgrösse und Frequenz des magnetischen Induktionsfeldes so gewählt sind, dass im Durchschnitt die freien Elektronen im ionisierbaren Gas auf Ionisierungsgeschwindigkeit in einer Zeit beschleunigt werden, die etwa einem Viertel der Periode des magnetischen Feldes entspricht.
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