CN101606317A - 高压脉冲发生器和带有这种发生器的高压放电灯 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种螺旋脉冲发生器，其具有用于改进两个金属导体之间的绝缘的手段。

Description

高压脉冲发生器和带有这种发生器的高压放电灯
技术领域
本发明基于一种根据权利要求1的前序部分所述的高压脉冲发生器。这种发生器特别是可以用于一般照明的高压放电灯或者用于光学照相目的或者用于车辆。此外，本发明涉及一种高压放电灯，其装备有这种发生器。
背景技术
高压放电灯的点燃的问题目前通过将点燃设备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，一直反复尝试将点燃单元集成到灯中。在此，曾尝试将点燃单元集成到灯头中。借助所谓的螺旋脉冲发生器实现了保证特别有效的并且高的脉冲的点燃，参见US-A 3 289 015。长期以来，这种设备被建议用在不同的高压放电灯如金属卤化物灯或者高压钠灯中，参见例如US-A 4 325004、US-A 4 353 012。然而，其并不能实施，因为其一方面过于昂贵。另一方面，其安装在灯头中的优点并不充分，因为仍存在将高压输送至灯泡的问题。因此，灯损坏(绝缘问题或者灯头中的击穿)的概率极大地升高。目前常用的点燃设备通常不能被加热超过100℃。所产生的电压随后必须被输送给灯，这需要相应的耐高压(典型为大约5kV)的线路和灯座。
发明内容
本发明的任务是提出一种紧凑型高压脉冲发生器。
该任务通过权利要求1的特征来解决。
特别有利的扩展方案在从属权利要求中。
此外，本发明的一个任务是，提供一种高压放电灯，该高压放电灯的点燃特性相对于目前的灯被明显改进，并且其中不必担心由于高压导致的损坏。这尤其是适用于金属卤化物灯，其中放电容器的材料可以是石英玻璃或者陶瓷。该任务通过权利要求14的特征来解决。
根据本发明，现在借助特殊的耐热的螺旋脉冲发生器来产生对于点燃灯所需的、至少1.5kV的高压脉冲，其中该螺旋脉冲发生器在紧邻放电容器附近集成在外灯泡中。由此，不仅可能进行冷点燃，而且也可能进行热再点燃。
现在所使用的螺旋脉冲发生器尤其是所谓的LTCC(低温共烧陶瓷)器件或者是HTCC(高温共烧陶瓷)器件。这意味着，该器件由具有LTCC能力的或者HTCC能力的陶瓷来制造。该材料是一种特殊的陶瓷，该陶瓷能够耐受达到600℃的温度。尽管LTCC已与灯相结合地使用，参见US 2003/0001519和US-B 6 853 151，然而为了完全不同的目的其被使用在实际几乎没有热负荷的灯中(典型的温度在100℃以下)。在现有技术中看不到与点燃高压放电灯(如尤其是具有点燃问题的金属卤化物灯)关联的、LTCC的高的温度稳定性的特别值。
螺旋脉冲发生器是一种器件，该器件使电容器的特性与波导的特性相统一，用于产生电压为至少1.5kV的点燃脉冲。为了制造，两个陶瓷“生片”与金属导电膏一起被挤压，并且随后偏移地缠绕为螺旋体，并且最后均衡地压制为成形体。随后的对金属膏和陶瓷膜的共烧在空气中在800℃到1100℃之间的温度范围中进行，尤其是在800℃到900℃的范围中进行。该处理允许螺旋脉冲发生器的使用范围达到典型为700℃的热负荷。通过这种方式，可以将螺旋脉冲发生器紧邻放电容器安装在外灯泡中，也可以安装在灯头中或者紧邻灯安装。
为了制造螺旋脉冲发生器，也可以使用具有金属导电膏的陶瓷“生片”，这些生片属于HTCC(高温共烧陶瓷)材料的烧结温度的范围。它们特别是Al2O3、ZrO2等等。这种材料类(Materialklasse)在1100℃到1800℃的高温范围中致密地烧结。
该烧结也可以在氮气(N2)、氩气(Ar)或者氢气(H2)或者它们的混合物(具有不同的气体组分和混合关系)中进行。
为了制造螺旋脉冲发生器，优选可以使用陶瓷生片，这些生片在烧结之后具有5至20000的相对介电常数(D.K.)ε。这能够实现螺旋电容器的非常大的电容，并且此外实现所产生的高压脉冲的比较大的宽度和能量。介电常数的实际上良好的值为ε＝10至100。
由此，一种非常紧凑的结构是可能的，这能够实现将螺旋脉冲发生器直接安装到灯的外灯泡中或者安装到其灯头中。此外，大的脉冲宽度有利于在放电容器的等离子体中的击穿。大的能量使得过渡为独立放电变得容易。
优选的是，所有如下的膏系统适于作为片上的金属化物：这些膏系统具有至少一个金属组分，并且这些组分在烧结工艺之后导电。优选的是：
Ag、Au、Cu、Mo、Ni、Pt、Ag和Pd的根据组分AgxPd1-x的混合物。在此，x优选在0.5至0.99的范围中。
金属化物也可以以金属箔的形式层压到陶瓷衬底上。箔的厚度优选在1μm至100μm的范围中。在此，箔可以在成形的缠绕过程之前或者在此期间被施加。
导电涂层的非金属的、合适的材料系统是石墨。
导电涂层的非金属无机材料系统是导电陶瓷或者金属陶瓷。
为了制造螺旋脉冲发生器，基本上优选所有从中可以通过刮刀(Schlicker)拉出陶瓷生片的陶瓷材料系统都是合适的。陶瓷材料系统(非金属无机)在基本状态中具有εr＝5到εr＝20000之间的介电常数。然而如下的材料系统和混合物也是合适的：其中至少一个组分是陶瓷材料系统。这特别是表1中的材料。
表1
  材料   介电常数εr(大约)
  LTCC技术的陶瓷衬底   3至10000
  制造电容器的通常材料   10至20000
  来自钛酸钡以及钛酸锶钡族的材料   500至12000，特别是3000至7000
  来自锆钛酸钡族的材料   15000至21000
  来自锆钛酸铅(所谓的PZT)族的材料，特别是硬的和软的PZT   1500至2500
  带有添加剂的PZT   8000至9500
  来自铌镁酸铅(所谓的PMN)族的材料   18000至20000
  来自锌铌酸铅(所谓的PZN)族的   17000至20500
 材料
 来自铌酸钠钾(所谓的KNN)族的材料  700至1200
 来自基于铋的钙钛矿族的材料  800至1150
 来自钨青铜族的材料  800至1200
这种材料选择的优点是：
-高的使用温度，使得螺旋脉冲发生器可以安装在紧邻灯的附近、在灯的灯头中或者甚至在灯的外灯泡中；
-小的构型；
-可以省去耐高压的馈电线；
-高的能量存储能力以及从中得到的高的点燃脉冲能量；
-用于启动高压放电灯的脉冲宽度可以根据介电常数来增大；得到的典型脉冲宽度是50ns到200ns。
-充电电压可以根据匝数而提高5倍至200倍。
具体的螺旋脉冲发生器例如由陶瓷LTCC材料制成，其中ε为65。带长度为50cm到110cm。金属化物是Ag构成的导电膏。得到的螺旋脉冲发生器例如具有大约1.4cm到2.5cm的外直径。
与此无关，这种螺旋脉冲发生器也可以用于其他应用，因为其不仅是高温稳定的，而且也极其紧凑。为此重要的是，螺旋脉冲发生器实施为LTCC器件，由陶瓷片和金属导电膏构成。为了提供足够的输出电压，该螺旋体应当包括至少5匝。
此外，可以基于该高压脉冲发生器来说明点燃单元，该点燃单元还包括至少一个充电电阻和开关。该开关可以是火花隙或者是SiC技术中的二端交流开关(Diac)。
在针对灯的应用的情况中，安置在外灯泡中是优选的。因为通过这种方式消除了耐高压的电压馈电线的必要性。
此外，螺旋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再点燃。陶瓷构成的电介质的特征在于在εr＞10的范围中的极其高的介电常数εr，其中根据材料和结构可以达到典型为ε＝70至100的ε。这实现了螺旋脉冲发生器的非常高的电容并且能够实现所产生的脉冲的比较大的时间宽度和高的能量。通过这种方式，螺旋脉冲发生器的非常紧凑的结构是可能的，使得实现安置到市面上常见的高压放电灯的外灯泡中。
此外，大的脉冲宽度使得在放电体积中的击穿变得容易。
任何通常的玻璃、特别是硬玻璃、维克玻璃(Vycor)或者石英玻璃都可以用作外灯泡的材料。对填充物的选择也没有特别的限制。
迄今使用两个导体，它们大致具有相同的宽度。为了防止印制导线之间的电飞弧，因此陶瓷螺旋发生器的端面上设置有绝缘层。其特别是玻璃层或者树脂层。例如涉及所谓的玻璃罩层(Overglass-Schicht)或者合成树脂层。
在一个优选的实施形式中，巧妙地避免了电飞弧，确切地说，通过省去这种附加的绝缘层来实现。为此，使用了具有比金属层的宽度更大的宽度的两个陶瓷片。在第一陶瓷片上施加了第一金属层作为窄轨。在第二陶瓷片上施加了窄的第二金属层。在层压时，突出的陶瓷层叠加，由此实现了两个金属层在螺旋脉冲发生器的端侧的端部上的简单绝缘。
特别优选的是一种实施形式，其中在金属层侧面还残留有不带导电膏的陶瓷绝缘材料构成的边缘区域(Randsaum)。最好的是，该边缘区域以绝缘材料涂敷而不是导电膏涂敷。该层的厚度应当与导电膏的厚度类似大小。通过这种方式，防止了在卷绕的系统中的厚度差。因此，绝缘层不会“塌陷”，并且防止了边缘区域的可能的薄弱，因为绝缘层提供了边缘区域的高度补偿。
附图说明
下面要借助多个实施例进一步阐述本发明。其中：
图1示出了螺旋脉冲发生器的原理性结构；
图2示出了LTCC螺旋脉冲发生器的特征值；
图3示出了带有第三点燃电极的高压放电灯的原理性结构，在外灯泡中带有螺旋脉冲发生器；
图4示出了带有叠加点燃的高压放电灯的原理性结构，在外灯泡中带有螺旋脉冲发生器；
图5示出了在外灯泡中带有螺旋脉冲发生器的金属卤化物灯；
图6示出了在灯头中带有螺旋脉冲发生器的金属卤化物灯；
图7示出了带有安装好的火花隙的螺旋脉冲发生器；
图8示出了带有端侧的绝缘层的螺旋脉冲发生器；
图9示出了带有简单的“塌陷”的边缘区域的螺旋脉冲发生器；
图10示出了带有边缘区域的高度补偿的螺旋脉冲发生器。
具体实施方式
图1以俯视图示出了螺旋脉冲发生器1的结构。该螺旋脉冲发生器包括陶瓷圆柱体2，两个不同的金属导体3和4螺旋状地卷绕成该圆柱体。圆柱体2在内部是空心的并且具有给定的内直径ID。两个导体3和4的两个内部接触部6和7相邻并且通过火花隙5彼此连接。
两个导体中仅仅外部的导体在圆柱体的外边缘上具有另外的接触部8。另外的导体开放式地终止。两个导体一同形成了带有开放的端部的波导，其中该波导以介电媒质(陶瓷)实现。
螺旋脉冲发生器或者由两个以金属膏涂敷的陶瓷片卷绕而成，或者由两个金属片和两个陶瓷生片构建。在此，一个重要的特征值是匝数n，其优选应当在5至100的量级中。该绕组装置被层压并且随后被共烧，由此形成陶瓷器件、特别是LTCC器件或者HTCC器件。这样实现的具有电容器特性的螺旋脉冲发生器随后与火花隙以及充电电阻连接。
火花隙可以位于内部或者外部的端子上或者也可以位于发生器的绕组内。优选可以使用火花隙来作为发起脉冲的高压开关。此外，使用耐高温的优选SiC技术中的半导体开关是可能的。该半导体开关适于高达350℃的温度。
在一个具体实施例中，使用ε＝60至70的陶瓷材料。在此优选的是，陶瓷片尤其是陶瓷带如Heraeus的Heratape CT 700或者CT707或者优选CT 765或者其中至少两种的混合物用作电介体。生片的厚度典型为50μm到150μm。尤其是，Ag导电膏如同样为Heraeus的“可共烧的银”用作导体。一个具体的例子是Heraeus的TC 7303。DuPont的金属膏6142也提供了良好的结果。这些部件可以良好地层压，随后加热(“烧除粘结剂”)并且烧结在一起(“共烧”)。
具体的螺旋脉冲发生器的内直径ID为10mm～14mm。各陶瓷带的宽度大约为6mm至9mm。导体的宽度比陶瓷片的宽度小1mm至4mm。片厚度为50μm至80μm，并且两个导体的厚度分别为7μm至12μm。在300V的充电电压情况下，该发生器产生2500V。在该前提条件下，螺旋脉冲发生器在匝数为大约n＝19的情况下达到其特性的最优。
在图2中示出了高压脉冲的关联的半值宽度(μs为单位)(曲线a)、器件的总电容(μF为单位)(曲线b)、得到的外直径(mm为单位)(曲线c)以及效率(曲线d)、最大脉冲电压(kV为单位)(曲线e)、和导体电阻(Ω为单位)(曲线f)。
图3示出了高压放电灯、特别是高压钠灯10的原理性结构，其带有陶瓷放电容器11和外灯泡12，带有集成在其中的螺旋脉冲发生器13，其中点燃电极14安置在陶瓷放电容器11之外。螺旋脉冲发生器13与火花隙15以及充电电阻16一同安置在外灯泡中。
图4示出了高压放电灯、特别是金属卤化物灯的原理性结构，其带有集成的螺旋脉冲发生器21，其中没有点燃电极安装在放电容器22外部，该放电容器可以由石英玻璃或者陶瓷制成。螺旋脉冲发生器21与火花隙23和充电电阻24一同安置在外灯泡25中。高压脉冲与灯的驱动电压叠加并且输送给主电极。
图5示出了带有放电容器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，其引导向远离灯头的穿通部28。在来自灯头30的馈电线29和杆27之间设置有点燃单元31，该点燃单元包括螺旋脉冲发生器、火花隙以及充电电阻，如在图4中表明的那样。
图6示出了与图5类似的具有放电容器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，该杆通向远离灯头的穿通部28。在此，点燃单元(更为确切地说螺旋脉冲发生器21以及火花隙23和充电电阻24)设置在灯头30中。
图7示出了带有安装好的火花隙53的螺旋脉冲发生器50的实体实现形式。该螺旋脉冲发生器在内部在火花隙53上具有两个电端子并且在外环周上具有端子。
图8以横截面示出了带有端面的绝缘的陶瓷螺旋脉冲发生器39。示意性地示出了绕组的一些层，其中两个不同的金属导体40和41缠绕到彼此中。在宽度为B的陶瓷带的边缘上、即在成形为圆环的端侧42上，在此金属导体40和41直接延伸到边缘。绝缘层43(在横截面中来看)像顶部那样设置到其上和使两个金属导体彼此绝缘，并且防止通过陶瓷层的表面放电。
在图9中示出了另一实施例。其中螺旋脉冲发生器45具有两个金属导体40、41，它们的层并未充分利用陶瓷带的整个宽度B，而是明显在其内部终止(右半边)。减少的宽度RB有利地为RB＝B-X，其中X＝1mm至4mm。这以最简单的方式改善了绝缘，而无需绝缘层，然而在比较小的RB的情况下导致在边缘区域中的空腔44，该空腔会塌陷。在左侧示出了这种塌陷的边缘区域45。这种过程限制了螺旋脉冲发生器的寿命和稳定性。因此，该结构仅可以在非常薄的绝缘层的情况下被应用。
图10示出了螺旋脉冲发生器45的一个改进的版本，其中仍然如图9中那样，两个金属导体40、41并未充分利用陶瓷带的整个宽度B。然而，在此在边缘侧的宽度为X＝B-RB的空腔完全地或者部分地、优选至少80％地替代金属导体而用厚度与金属导体40、41的厚度大致相同的绝缘材料46填充。陶瓷带的材料或者对应的材料可以考虑作为该材料。通过这种方式，实际上不存在空腔并且由此也不存在边缘区域的塌陷。
用于绝缘的不同装置也可以彼此组合，于是例如端侧的绝缘面与金属层的减小的宽度共同作用。也可以是两个金属层的仅仅之一具有与陶瓷片的宽度B相比减小的宽度RB，必要时与端侧的绝缘面组合。此外，也可以使用不同宽度的两个陶瓷片。
结合用于汽车前灯的高压放电灯，本发明展现出特别的优点，其中该高压放电灯填充有优选至少3巴(bar)的高压下的氙气和金属卤化物。它们是特别难点燃的，因为由于高氙气压力而使点燃电压高于10kV。目前尝试将点燃单元的部件安装在灯头中。具有集成的充电电阻的螺旋脉冲发生器可以安装在车灯的灯头中或者安装在灯的外灯泡中。
本发明与不含汞的高压放电灯结合展现出非常特别的优点。这种灯由于环境保护原因而是特别值得追求的。这些灯包含合适的金属卤化物填充物并且尤其包含高压下的惰性气体如氙气。由于没有汞，所以点燃电压特别高。点燃电压典型为至少5kV，然而也可以高于20kV。目前尝试将点燃单元的部件安装在灯头中。具有集成的充电电阻的螺旋脉冲发生器可以安装在无汞灯的灯头中或者安装在灯的外灯泡中。

Claims (10)

1.一种基于螺旋脉冲发生器的紧凑型高压脉冲发生器，其特征在于，该螺旋脉冲发生器构建为由给定宽度B的两个陶瓷片和分别设置在其上的金属导体构成的低温共烧陶瓷器件或者高温共烧陶瓷器件，它们螺旋状地缠绕在一起，使得这些片的边缘共同形成圆环状的端面，其中两个导体通过至少一种用于绝缘的手段来彼此电绝缘。
2.根据权利要求1所述的高压脉冲发生器，其特征在于，用于绝缘的手段是在端面上的绝缘的涂层。
3.根据权利要求1所述的高压脉冲发生器，其特征在于，用于绝缘的手段是至少一个金属导体与陶瓷片的整个宽度B相比减小的宽度RB。
4.根据权利要求3所述的高压脉冲发生器，其特征在于，通过减小的宽度而形成的空腔通过绝缘的涂层被至少部分地填充。
5.根据权利要求1所述的高压脉冲发生器，其特征在于，陶瓷片的匝数包括至少n＝5匝，并且优选为最多n＝500匝。
6.根据权利要求1所述的高压脉冲发生器，其特征在于，陶瓷片使用如下材料中的至少一种：钛酸盐或者铌酸盐，基于铋的钙钛矿或者钨青铜。
7.根据权利要求6所述的高压脉冲发生器，其特征在于，该材料的介电常数选择为3到21000之间，优选在5到2000之间。
8.一种基于根据权利要求1所述的高压脉冲发生器的点燃装置，其特征在于，该点燃装置还包括至少一个充电电阻和开关。
9.一种高压放电灯，带有放电容器，该放电容器安置在外灯泡中并且在那里通过支架保持，其中根据权利要求8所述的点燃装置集成在该灯中。
10.根据权利要求9所述的高压放电灯，其特征在于，螺旋脉冲发生器具有大致空心圆柱形的构型，具有至少10mm的内直径。
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