CN101467230B - 具有改进的点燃能力的高压放电灯以及高压脉冲发生器 - Google Patents

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Abstract

为了点燃高压放电灯，使用一种螺旋体脉冲发生器，该螺旋体脉冲发生器直接安装在灯的外灯泡中。该螺旋体脉冲发生器由铁氧体材料包围，使得它用作点燃变压器。

Description

具有改进的点燃能力的高压放电灯以及高压脉冲发生器
技术领域
本发明基于一种高压放电灯。这种灯尤其是用于通用照明或者用于光学摄影目的的高压放电灯。此外，本发明此外涉及一种高压脉冲发生器，该高压脉冲发生器尤其可以用于灯。
背景技术
高压放电灯的点燃问题目前通过将点燃装置集成到镇流器中来解决。其缺点是馈电线必须设计为耐高压。
过去一再尝试将点燃单元集成到灯中。在这样的情况下尝试将点燃单元集成到灯头中。特别有效的并且保证高脉冲的点燃借助所谓的螺旋体脉冲发生器而实现(参见US-A 3 289 015)。很久之前，这种装置已在不同的高压放电灯如金属卤化物灯或者高压钠灯中被提出，参见例如US-A 4325 004、US-A 4 353 012。然而，这样的装置不能被实施，因为它们一方面太昂贵，另一方面，将它们嵌入灯头中的优点是不充分的，因为将高压输送到灯泡中的问题仍然存在。因此，损坏灯(如灯头中的断裂或者绝缘问题)的概率极大地上升。目前常用的点燃装置通常不可以被加热超过100℃。这样，所产生的电压必须被输送给该灯，这要求具有相应的耐高压性(典型为大约5kV)的灯座和线路。
在常用的点燃电路中，通常使电容器通过开关(例如火花放电器)放电到点燃变压器的初级绕组中。在次级绕组中于是感应所希望的高压脉冲。对此参见Sturm/Klein所著的“Betriebsgeraete und Schaltungen fuerelektrische Lampen”，第193页至195页(1992年第6版)。
发明内容
本发明的任务是，提供一种高压放电灯，其点燃特性相对于目前的灯被明显地改进，并且其中不用担心由于高压而引起的损坏。这尤其适于金属卤化物灯，其中放电容器的材料可以是石英玻璃或者是陶瓷。
该任务通过一种高压放电灯来解决，该高压放电灯具有放电容器，所述放电容器安装在外灯泡中，其中点燃装置集成在灯中，所述点燃装置在灯中产生高压脉冲，其中：点燃装置是螺旋体脉冲发生器，所述螺旋体脉冲发生器安装在外灯泡中，其中该发生器用作点燃变压器，其方式是该发生器由铁氧体材料完全或者部分包围，其特征在于，螺旋体脉冲发生器由耐热材料低温共烧陶瓷制成。
特别有利的扩展方案在从属权利要求中得到。
此外，本发明的任务是给出一种紧凑的高压脉冲发生器。
该任务通过如下的紧凑高压脉冲发生器来解决：其基于螺旋体脉冲发生器，其特征在于，该螺旋体脉冲发生器实施为低温共烧陶瓷部件并且由铁氧体材料完全或者部分包围。
根据本发明，现在借助特殊的耐热的螺旋体脉冲发生器来产生点燃灯所需的至少1.5kV的高压脉冲，该发生器紧邻放电容器集成在外灯泡中。由此，不仅冷点燃而且热复燃也是可能的。
目前使用的螺旋体脉冲发生器尤其是所谓的LTCC(低温共烧陶瓷)部件。该材料是一种特殊的陶瓷，其能够耐受高达600℃的温度。尽管LTCC已经与灯关联地使用(参见US 2003/0001519和US-B 6 853 151)，然而是针对完全不同的目的使用在实际几乎没有温度载荷的、典型温度小于100℃的灯中。因此应可看出与高压放电灯(如特别是带有点燃问题的金属卤化物灯)的点燃相关的LTCC的高的热稳定性的特殊价值。
螺旋体脉冲发生器是如下部件：其将电容器的特性和波导的特性统一，用于产生具有至少1.5kV的电压的点燃脉冲。为了制造，两个陶瓷“生片”印有金属导电膏并且接着有偏移地绕制成螺旋体并且最后均衡地挤压为成形体。随后的金属膏和陶瓷片的共烧在温度范围在800℃到900℃之间的空气中进行。该处理允许螺旋体脉冲发生器在温度负荷为700℃以下的使用范围中使用。由此，螺旋体脉冲发生器可以紧邻放电容器安装在外灯泡中，也可以安装在灯头中或紧邻灯安装。
与此无关地，这种螺旋体脉冲发生器也可以用于其他应用，因为该发生器不仅高温稳定而且极其紧凑。对此重要的是，螺旋体脉冲发生器实施为LTCC部件，该部件由陶瓷片和金属导电膏构成。为了提供足够的输出电压，螺旋体应包括至少五匝。
此外，可以基于该高压脉冲发生器给出点燃单元，该点燃单元还包括至少一个充电电阻和开关。该开关可以是火花放电器或者使用SiC技术的二端交流开关(Diac)。
在应用于灯的情况下，安装在外灯泡中是优选的，因为由此不需要耐高压的输送电压的线路。
此外，螺旋体脉冲发生器可以设计为使得高压脉冲甚至能够实现灯的热复燃。由陶瓷构成的电介质的特色在于极其高的相对介电常数ε(ε＞10)，其中取决于材料和结构，可以达到典型为ε＝70至ε＝100。上限优选为ε＝10000。这实现了螺旋体脉冲发生器的非常大的电容并且能够实现所产生的脉冲的比较大的时间宽度。由此，螺旋体脉冲发生器的非常紧凑的结构是可能的，使得能够装入市面上常见的高压放电灯的外灯泡中。
此外，大的脉冲宽度使在放电空间中的击穿变得容易。
作为外灯泡的材料，可以使用任何常用的玻璃，即特别是硬玻璃、维克玻璃(Vycor)或者石英玻璃。填充物的选择也未受到特别的限制。
为了产生特别有效的高压，所建议的是，螺旋体脉冲发生器用铁氧体材料完全或者部分包围。如果铁氧体材料具有μγ＝1至5000的相对导磁率，则由于短路而在第一绕组中的流动的电流，在优选为LTCC发生器的螺旋体脉冲发生器的其余绕组中感应所希望的高压脉冲。优选地，μγ尽可能高，并且至少为10，特别优选为至少100。该效应令人惊奇地与螺旋体发生器的脉冲生成作用本身叠加。在具有n匝的螺旋体发生器的情况下，充电电压因此升高(n-1)倍。为了更好的升压，也可以使用双螺旋体脉冲发生器，其中将两个发生器同时实现为单一LTCC部件。这可以通过以下方式来实现：将两个金属带被彼此间隔地施加到单个的片上。
芯的铁氧体包封例如可以是额外的铁氧体芯(盆状芯、M形芯、E形芯、I形芯)、通过LTCC技术施加的陶瓷层或者铁氧体浇注材料。取决于所使用的材料，发生器可以耐受高达500℃的温度，并且适于安装在高强度气体放电(HID)灯中、优选安装在外灯泡中或者紧邻灯泡(例如在灯头中)安装。其他应用可能性例如是小型化的移动伦琴源、产生奥托发动机(Otto Motor)的点火脉冲、用于测试目的(绝缘测试)的高压脉冲、生成用于装饰性的放电(魔力球)的高压脉冲。
附图说明
以下将借助多个实施例更为详细地阐述本发明。其中：
图1示出了螺旋体脉冲发生器的原理性结构；
图2示出了LTCC螺旋体脉冲发生器的特征参数；
图3示出了在外灯泡中具有螺旋体脉冲发生器的高压钠灯的原理结构；
图4示出了在外灯泡中具有螺旋体脉冲发生器的金属卤化物灯的原理结构；
图5示出了在外灯泡中具有螺旋体脉冲发生器的金属卤化物灯；
图6示出了在灯头中具有螺旋体脉冲发生器的金属卤化物灯；
图7示出了被铁氧体芯包封的螺旋体脉冲发生器；
图8示出了作为点燃变压器连接的螺旋体发生器的电压变化过程。
具体实施方式
图1以俯视图示出了螺旋体脉冲发生器1的结构。该螺旋体脉冲发生器包括陶瓷圆柱体2，两个不同的箔带形式的金属导体3和4螺旋状地盘绕到该圆柱体中。圆柱体2内部是中空的并且具有给定的内直径ID。这两个导体3和4的两个内部接触部6和7大致对置并且通过火花放电器5彼此相连。
这两个导体中仅仅外面的一个导体在圆柱体的外部边缘处具有另一接触部8。另一导体开放式地结束。由此，这两个导体一起形成了介电媒介(陶瓷)中的波导。
螺旋体脉冲发生器由两个以金属膏涂敷的陶瓷片盘绕或者由两个金属片和两个陶瓷片构建。在此，重要的特征参数是匝数n，该数目优选应在5至100的数量级。该绕组装置于是被层压并接着被烧结，由此形成LTCC部件。于是，这样形成的具有电容器特性的螺旋体脉冲发生器与火花放电器以及充电电阻连接。
火花放电器可以位于内部或者外部的连接部上，或者也可以位于发生器的绕组内。优选地，火花放电器可以用作发起脉冲的高压开关，该火花放电器基于SiC并且对温度非常稳定。例如，可以使用Cree公司的开关元件MESFET。该开关元件适于在350℃以上的温度。
在一种具体的实施例中，使用具有ε＝60至70的陶瓷材料。在此优选使用陶瓷片作为电介质，特别是陶瓷带如Heratape CT 707或者优选CT 765(它们分别由Heraeus生产)或者也可以是二者的混合物。生片的厚度典型为50μm至150μm。作为导体，特别是使用Ag导电膏，如同样是Heraeus生产的“Cofirable Silver(可共烧的银)”。一个具体的例子是Heraeus的CT 700。DuPont的金属膏6142也提供了良好的结果。这些部件可以被良好地层压，接着被烧制(“burnout”)而烧结在一起(“co-firing”)。
螺旋体脉冲发生器的内直径ID为10mm。各个条的宽度同样为10mm。片厚度为50μm，并且两个导体的厚度也分别为50μm。充电电压为300V。在这些前提条件下，螺旋体脉冲发生器在匝数为n＝20至70的情况下实现了其特性的最优。
图2中示出了高压脉冲的单位为μs的关联的半值宽度(曲线a)、单位为μF的部件的总电容(曲线b)、单位为mm的得到的外直径(曲线c)以及效率(曲线d)、单位为kV的最大脉冲电压(曲线e)以及单位为Ω的导体电阻(曲线f)。
图3示出了高压钠灯10的原理结构，该高压钠灯具有陶瓷放电容器11和外灯泡12，该外灯泡具有集成在其中的螺旋体脉冲发生器13，其中点燃电极14安装在陶瓷放电容器11外部。螺旋体脉冲发生器13与火花放电器15及充电电阻16一起设置在外灯泡中。
图4示出了金属卤化物灯20的原理结构，该金属卤化物灯具有集成的螺旋体脉冲发生器21，其中在放电容器22外部未安装点燃电极，该放电容器可以由石英玻璃或者陶瓷制成。螺旋体脉冲发生器21与火花放电器23及充电电阻24一起设置在外灯泡25中。
图5示出了具有放电容器22的金属卤化物灯20，该放电容器由两个馈电线26、27保持在外灯泡中。第一馈电线26为弯曲一小段的线。第二馈电线27基本上为杆，该杆伸到远离灯头的穿通部28。在来自灯头30的馈电线29与杆27之间设置有点燃单元31，该点燃单元如在图4中所示包含螺旋体脉冲发生器、火花放电器和充电电阻。
图6示出了类似图5的带有放电容器22的金属卤化物灯20，该放电容器由两个馈电线26、27保持在外灯泡25中。第一馈电线26是短地弯曲的线。第二馈电线27基本上是杆，其导向远离灯头的穿通部28。在此，点燃单元设置在灯头30中，确切地说，螺旋体脉冲发生器21以及火花放电器23和充电电阻24设置在灯头中。
该技术也可以应用于没有电极的灯，其中螺旋体脉冲发生器可以用作辅助点燃器。
该紧凑的高压脉冲发生器的其他应用在于点燃其他设备。该应用尤其是在所谓的魔力球中，其中产生伦琴脉冲和产生电子射束脉冲是有利的。使用在机动车中作为通常的点火线圈的替代物也是可能的。
在此，使用的匝数n多达500，使得输出电压高达100kV的量级。因为输出电压UA作为充电电压UL的函数通过UA＝2×n×UL×η来给出，其中效率η通过η＝(外直径-内直径)/外直径来给出。
本发明与用于汽车前灯的高压放电灯结合展现了特别的优点，其中该高压放电灯以优选至少3巴的高压下的氙气以及金属卤化物填充。它们是特别难以点燃的，因为由于高的氙气压，点燃电压超过10kV。现在尝试将点燃单元的部件设置到灯头中。具有集成的充电电阻的螺旋体脉冲发生器可以设置在机动车灯的灯头中或者设置在灯的外灯泡中。
本发明与不包含汞的高压放电灯结合展现了非常特别的优点。这种灯出于环境保护的原因是希望的。它们包含合适的金属卤化物填充物以及特别是稀有气体如高压下的氙气。由于没有汞，所以点燃电压特别高。点燃电压超过20kV。现在尝试将点燃单元的部件设置在灯头中。带有集成的充电电阻的螺旋体脉冲发生器可以设置在无汞灯的灯头中或者设置在灯的外灯泡中。
图7以示意图示出了螺旋体脉冲发生器29，该螺旋体脉冲发生器由铁氧体芯31以传统的方式包围成双E形芯。该铁氧体芯31具有矩形的框32以及中间的接片33，该接片横穿螺旋体脉冲发生器29中的空腔。
环绕的铁氧体材料例如也可以是陶瓷金属氧化物层，该陶瓷金属氧化物层通过LTCC施加到螺旋体脉冲发生器上，或者是铁氧体的浇注材料，该浇注材料包覆螺旋体脉冲发生器。
已知的铁氧体、例如氧化铁适于作为所述材料。必要时，例如Mg或者Al可用作掺杂材料。其他合适的金属氧化物是镍、锰、镁、锌和钴的氧化物(单独的或者混合物形式)，尤其是Ni-Zn。
基本上，传统的螺旋体脉冲发生器(如开头引用的那样)也可以与铁氧体壳一起使用，以便实现新型的点燃变压器。
图8示出了在这样的作为点燃变压器连接的螺旋体脉冲发生器上的、作为时间(单位为μs)函数的电压曲线(单位为V)。

Claims (20)

1.一种高压放电灯，具有放电容器，所述放电容器安装在外灯泡中，其中点燃装置集成在灯中，所述点燃装置在灯中产生高压脉冲，其中：
点燃装置是螺旋体脉冲发生器，所述螺旋体脉冲发生器安装在外灯泡中，其中该发生器用作点燃变压器，其方式是该发生器由铁氧体材料完全或者部分包围，
其特征在于，螺旋体脉冲发生器由耐热材料低温共烧陶瓷制成。
2.根据权利要求1所述的高压放电灯，其特征在于，点燃装置通过支架保持。
3.根据权利要求1所述的高压放电灯，其特征在于，铁氧体材料具有范围在μγ＝1至5000的相对导磁率。
4.根据权利要求1所述的高压放电灯，其特征在于，由螺旋体脉冲发生器引起的高压直接作用到放电容器中的两个电极上。
5.根据权利要求1所述的高压放电灯，其特征在于，由螺旋体脉冲发生器引起的电压作用到设置在放电容器外的辅助点燃电极上。
6.根据权利要求1所述的高压放电灯，其特征在于，螺旋体脉冲发生器由多个层构建，其中层数目n为至少n＝5。
7.根据权利要求6所述的高压放电灯，其特征在于，层数目n最大为n＝500。
8.根据权利要求1所述的高压放电灯，其特征在于，铁氧体材料包含金属氧化物或者金属氧化物的混合物。
9.根据权利要求8所述的高压放电灯，其特征在于，所述混合物是由氧化镍和氧化锌构成的混合物。
10.根据权利要求1所述的高压放电灯，其特征在于，螺旋体脉冲发生器的介电常数ε为至少ε ＝10。
11.根据权利要求1所述的高压放电灯，其特征在于，在外灯泡中还安装有串联电阻，该串联电阻限制螺旋体脉冲发生器的充电电流。
12.一种具有放电容器和关联的点燃装置的高压放电灯，其中该点燃装置产生高压脉冲并且包含螺旋体脉冲发生器，其特征在于，该螺旋体脉冲发生器由低温共烧陶瓷材料制成，并且被铁氧体材料完全或者部分包 围，使得该发生器用作点燃变压器。
13.根据权利要求12所述的高压放电灯，其特征在于，螺旋体脉冲发生器安装在灯的外灯泡中。
14.一种基于螺旋体脉冲发生器的紧凑高压脉冲发生器，其特征在于，该螺旋体脉冲发生器实施为低温共烧陶瓷部件，并且由铁氧体材料完全或者部分包围。
15.根据权利要求14所述的高压脉冲发生器，其特征在于，实施为低温共烧陶瓷部件的螺旋体脉冲发生器由陶瓷片和金属导电膏构成。
16.根据权利要求14所述的高压脉冲发生器，其特征在于，铁氧体材料是单独的铁氧体芯或者是铁氧体浇注材料。
17.根据权利要求15所述的高压脉冲发生器，其特征在于，铁氧体材料是以低温共烧陶瓷技术附加施加的陶瓷层。
18.根据权利要求14所述的高压脉冲发生器，其特征在于，螺旋体包括至少n＝5匝。
19.根据权利要求14所述的高压脉冲发生器，其特征在于，铁氧体材料具有μγ＝1至5000的导磁率。
20.一种基于根据权利要求14所述的高压脉冲发生器的点燃单元，其特征在于，该点燃单元还包括至少一个充电电阻和一个开关。 
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