CN103325660A - 射频无极紫外光源 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种射频无极紫外光源，属于电子信息技术的微电子与光电子技术领域。主要解决低频无极灯由于散热困难因而功率受限制，EMC指标难以达标，售价高，市场推广困难的问题。本发明采用提高工作频率的方法，采取了以线圈作为发射天线、金属屏蔽网格层提高光效设计措施、中空管状芯柱有效散热的结构设计和满足电磁兼容要求的电气设计方案。它由灯泡和高频电磁波发生器两大部分组成。灯泡采用中空管结构，泡体内配置发射线圈以及金属屏蔽网格层；高频发生器包括高频电路、平面变压器、功率器件以及插座。本发明具有光效高，发热量小、散热好、寿命长、EMC指标符合国家检测标准、开发和生产成本低等特点。是一种性能优异的大功率紫外光源。

Description

射频无极紫外光源

技术领域

本发明属于电子信息技术的微电子与光电子技术领域。它采取提高工作频率，在结构上采用中空管状芯柱、内置式发射线圈、金属屏蔽网格层以及防电磁辐射等措施，成为一种光效高，发热量小、散热好、寿命长，EMC指标符合国家检测标准的理想光源。 

背景技术

在各种受激发射光源中，钠灯和金卤灯的售价大约只有高频无极灯的三分之一、低频无极灯的六分之一，而钠灯和金卤灯的光效已经超过120Lm/W，就是直管荧光灯的光效也达到105Lm/W。目前市场在售的无极灯价高质次，处境尴尬。但是，除无极灯以外的其它光源存在灯丝电极，使用寿命受到很大限制。所以无极灯是未来光源发展的必然趋势。 

现有的无极灯分为低频无极灯(工作频率230KHz)和高频无极灯(2650KHz)两种。低频无极灯的功率可以做到400W以上，光效能够达到85Lm/W。但其电路复杂，制造成本和工艺要求高，售价太高，在市场推广困难；高频无极灯成本低，制造工艺简单，但是其光效太低(一般在65Lm/W左右)，而且由于散热困难，最大功率目前只能做到165W，使得它在很多场合的应用受到限制；EMC指标较难达到国家的检测标准，安全性能较差。客户难于接受。 

低频无极灯和高频无极灯都要用到耦合器。耦合器的作用类似于天线，它把高频电磁波发生器产生的高频能量耦合进泡体内，去激励里面的汞离子发生阶跃而产生253.7nm的紫外线，再去激活泡体管壁上的荧光粉产生可见光线。耦合器是用铁氧体磁材做成的，上面用高温线绕制有耦合线圈，固定磁体的结构件一般用黄铜棒，以便把磁体上产生的热量尽快的传导出去散发掉。铁氧体磁芯的一个重要技术指标是居里温度点。现在供应市场的这些功率磁芯的居里温度点在200～280℃之间。如图1所示。一旦耦合器的工作温度超过了居里温度点，功率铁氧体磁芯就会失去磁性，无极灯会立即熄灭丧失了工作能力。所以目前市场在售的无极灯其可靠性较差。 

低频无极灯的耦合方式是外耦合，就是将铁氧体耦合器安装在灯泡泡体的外面。外耦合方式有利于散热，所以低频无极灯的功率可以做得比较大，但是低频无极灯的缺点也是明显的：因为它的工作频率低，只有高频无极灯的十分之一，需要的磁材大约是高频无极灯的十倍，造成它的体积大、成本高；同时因为耦合器放置在泡体外面，它的电磁波会大量外泄，对EMC指标非常不利。高频无极灯的耦合方式是内耦合，就是将铁氧体耦合器安装在灯泡泡体的内腔里，这里的温度相当高，产生的热量不能被很快的导出散发掉，热量完全是靠耦合器嵌装的铜棒通过传导导热方式散发出来的。这种导热方式效率低，还要消耗大量的铜材，增加了成本。 

在泡体内腔体的管壁上喷涂有荧光粉，在耦合器电磁波的激励下发光发热。但是这些发出的光密闭在腔体内部，对灯的光通量没有什么贡献，发出的热不但消耗了宝贵的电磁波能量拉低了整灯的光效，而且这些热量使整灯的性能变差并影响其寿命。经实验证明：如果这里不喷涂荧光粉，电磁波激励出来的紫外光在这里没有了荧光粉的拦阻会四处乱窜白白消耗完能量而不产生可见光线，光通量会更低。所以目前市场在售的高频无极灯光效比较差，这种结构因素也是其原因之一。 

发明内容

本发明的目的在于解决现有无极灯的不足，提供一种新型的射频无极紫外光源，克服传统无极荧光灯光效低，发热量大、散热困难、使用寿命短，电磁波外泄现象严重、EMC指标难通过国家检测标准，安全性能差以及需要使用铜棒来帮助散热、开发和生产成本高等诸多缺点。 

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种射频无极紫外光源，它包括高频发生器和灯泡，灯泡包括玻壳、位于玻壳中部的管状芯柱和螺旋状缠绕紧贴在管状芯柱外壁上的发射线圈。管状芯柱内为中空腔体，中空腔体两端贯通，发射线圈的下端为线圈引出线，高频发生器通过同轴电缆与线圈引出线连接；所述的玻壳的内壁设有金属屏蔽网格层，在它的上面喷涂有荧光粉层。设置金属屏蔽网格的目的是：通过发射线圈耦合进泡体内的电磁波，立即会遭遇到泡体内的汞离子，就会激励汞离子产生273.5nm的紫外光。而电磁波能够穿越过汞离子团的少之又少，金属屏蔽网格就是起到最后拦阻这些残存电磁波，使之不能逃逸出去破坏整灯的EMC指标的作用，同时使它在泡体内部与荧光粉结合而提高射频无极紫外光源的光效。所述的高频发生器包括金属外壳(内壁上设有吸波材料)、插头座、平面变压器和功率器件。本发明的关键技术为： 

(1)所述的射频无极紫外光源的工作频率为13.56MHz或27MHz； 

(2)所述的高频发生器附加一个复合型EMC滤波器和铁氧体磁珠； 

(3)所述的发射线圈由超高温漆包线绕制而成。 

(4)所述的金属屏蔽网格层是厚度为10μm的#字形金属框格，框体1mm，框空格规格为30mm×30mm； 

(5)所述的插头座中装有铁氧体衬片； 

(6)所述的泡体内充斥有惰性气体，依照潘宁效应，它能够提高紫外光的生成量。 

本发明取得以下明显效果： 

(1)发射线圈距离灯泡管壁很近，发射线圈呈螺旋状，按照50Ω进行匹配调试。驻波比非常小(？)，发射效率很高。同时因泡体的管状芯柱的外壁有发射线圈，相当于是一层金属屏蔽阻挡层，能够完全反射紫外线和可见光，这些紫外线距离管壁荧光粉距离很近，对其产生充分的激发，能产生大量的可见光。这使得射频无极紫外光源的光效很高； 

(2)取消了传统耦合器中的铁氧体磁芯，提高了整灯效率，减小了发热量。射频无极紫外光源既可以大功率在室外使用也可以低小功率在室内使用，适宜任何需要照明的场所，射频无极紫外光源的温度特性好且适宜于产业化生产。 

(3)内腔体的两端贯通，利用这一通道形成烟囱效应加强散热，既彻底解决了热量积累这个限制无极灯发展的最大技术问题，同时也使得整个泡体工作温度比较均匀并有所降低，不会再有局部高温灼伤荧光粉的情况出现，射频无极紫外光源的使用寿命长； 

(4)高频发生器采用铁氧体磁珠来阻截电磁波通过传导方式的干扰；用吸波材料来吸收电源内通过辐射方式的干扰；在泡体内用金属屏蔽网格层来抑制电磁波的外泄。这些措施使射频无极紫外光源满足EMC指标并提高了使用安全性； 

(5)不需要贵重金属铜来帮助散热，也不再需要含稀土的铁氧体磁芯，生产成本大大得以降低； 

(6)射频无极紫外光源的外形可为梨泡型、橄榄型、球形、圆柱形，对灯具没有特殊要求；它不需要预热，可以瞬时启动；灯光的显色性好，光色与太阳光十分近似，具有良好的使用性能； 

(7)采用成熟的射频技术，所有已经在应用的射频器件都可以借用。降低了射频无极紫外光源的开发成本。 

附图说明

图1为铁氧体磁芯的起始磁导率-温度关系曲线图； 

图2本发明结构示意图； 

图3为本发明灯泡结构示意图； 

图4为本发明高频发生器结构示意图； 

图5为传统高频发生器干扰信号屏蔽方法示意图； 

图6为本发明高频发生器干扰信号屏蔽方法示意图； 

图7为13.56MHz吸波磁珠的损耗-频率关系曲线图； 

图中，1-高频发生器，2-灯泡，3-玻壳，4-管状芯柱，5-发射线圈，6-线圈引出线，7-同轴电缆，8-金属屏蔽网格层，9-荧光粉层，10-金属外壳，11-吸波材料，12-插头座，143-平面变压器。 

具体实施方式

下面结合附图进一步描述本发明的技术方案。如图2、图3所示。本发明为一种射频无极紫外光源。它包括高频发生器1和灯泡2。灯泡2包括玻壳3、位于玻壳3中部的管状芯柱4和螺旋状缠绕于管状芯柱4外壁上的发射线圈5。管状芯柱4内为两端贯通的内腔体。发射线圈5由直径为0.7mm的超高温漆包线绕制而成，其两端为线圈引出线6，高频发生器1通过同轴电缆7与线圈引出线6连接。所述的玻壳3的内壁设有金属屏蔽网格层8，它是厚度为10μm的#字形金属框格，框体1mm，框空格规格为30mm×30mm。金属屏蔽网格层8靠近玻壳3管壁内的一面喷涂有三基色荧光粉层9。高频发生器1包括金属外壳10、平面变压器13和功率器件，内壁喷涂有吸波材料11的金属外壳10，装有铁氧体衬片的插头座12。高频发生器1附加一个复合型EMC滤波器和铁氧体磁珠。 

射频无极紫外光源采用13.56MHz或27MHz的工作频率。这两个频率广泛使用于长距离射频识别技术、射频卡、医院射频热疗设备以及一些玩具的远距离遥控频率、业余电台等。这两个频点避开了导航、通信等领域重要设备的使用频率，不会对其造成干扰。因而EMC指标相对而言就宽松得多(？)。 

为了解决散热问题，把原本封闭的内腔体上下两端贯通，如图2所示。这带来三个好处： 

(1)散热由传导方式变换成对流方式，而且由于通道窄小很容易形成烟囱效应，散热效率也就大大的得以提升； 

(2)不再使用昂贵金属铜材，对降低无极灯的成本意义十分重大； 

(3)无极灯的功率再也不用受限制，可以制作任意功率大小的无极灯。 

在低频或是高频无极灯中都使用铁氧体耦合器。这种耦合器体积大、重量重，而且难以做到阻抗匹配。所以对电磁波的耦合(发射)效率低，同时铁氧体对电磁波的损耗大，就造成耦合器发热严重。现在把工作频率提高到13.56MHz或是27MHz，采用耦合线圈做天线代替铁氧体耦合器，全部按照高频辐射理论对天线、馈送电缆及高频发生器1来进行匹配，让发射线圈5的驻波比最小(？)，使13.56MHz和27MHz在线圈做成的天线上完全谐振、完全发射。这是彻底解决无极灯光效低和成本高的重要措施之一。 

去掉了铁氧体磁芯的耦合线圈，采用直径0.7mm的超高温漆包线代替昂贵的高温线，在中空的芯柱外密集绕制多圈紧贴在管状芯柱4的外壁上，组成发射线圈5。产生的热量容易被发射线圈吸收，通过中空管状芯柱的通道形成的烟囱效应被迅速流动的空气散发掉。 

管状芯柱4的外壁上密集绕制的发射线圈有四个作用： 

(1)发射13.56MHz或是27MHz的电磁波以激励泡体内汞离子产生273.5nm的紫外光； 

(2)向玻壳3反射泡体内的紫外线，使之只能射向玻壳内壁上喷涂的荧光粉层，以此提高射频无极紫外光源的光效； 

(3)是反射阻隔荧光粉产生的可见光，使其只能通过玻壳透射出去增加光效； 

(4)能快速吸收泡体内的热量并通过空气对流很快的把热量散发掉。 

玻壳3的内壁设有金属屏蔽网格层8。这个框格对光线的透射没有丝毫阻碍，但是对13.56MHz或是27MHz的电磁波却是有相当大的阻挡作用，这就保证了泡体的EMC指标满足国家标准的要求。 

高频发生器采取了5个措施来满足EMC指标和提高电路效率： 

(1)采用综合性能优异的抗传导干扰技术。图5为传统高频发生器干扰信号屏蔽方法示意图，电磁波被禁锢在电源盒体内。图6为采用吸波材料后的效果示意图； 

(2)在盒体内部使用电磁波吸波材料，可以解决高频电源的电磁波辐射问题； 

(3)使用铁氧体磁珠，在电路中隔离不需要的杂波干扰； 

(4)应用平面变压器13，如图7所示。减小了变压器漏感，提高了变换效率； 

(5)盒体与外部连接采用内装有铁氧体内衬片的插头座12。上述措施保证高频电源的EMC指标完全满足国家相关标准要求，并提高了电路效率。 

在泡体内充进一定压力的惰性气体，比如氩气，这些气体能够帮助并加强汞离子体在高频电磁波的激励下产生273.5nm紫外光的能力，并显著减少或是基本上不产生185nm这一我们不需要的紫外光线。这就是著名的潘宁效应。由于玻璃泡体和泡体内壁上的金属网格的双重阻隔，紫外光线和高频电磁波几乎完全不能逃逸出泡体从而对外部环境造成污染这。这极大提高了射频无极紫外光源的光效及它的使用安全性能。 

Claims (8)

1.一种射频无极紫外光源，其特征在于采取了更高的工作频率，进行了新颖的提高光效、有效散热的结构设计和满足电磁兼容要求的电气设计。它包括高频发生器1和光源2。光源2包括玻壳3、位于玻壳3中部的中空管状芯柱4及螺旋状密绕紧贴于管状芯柱4外壁上的发射线圈5。中空管状芯柱4为内腔体，内腔体两端贯通，发射线圈5的一端为线圈引出线6。高频发生器1通过同轴电缆7与线圈引出线6连接。所述的玻壳3的内壁装有金属屏蔽网格层8，在金属屏蔽网格层8的上面喷涂有荧光粉层9。所述的高频发生器1包括金属外壳10、插头座12、平面变压器13和功率器件，金属外壳10的内壁上装有吸波材料11。在泡体玻壳内充斥有一定气压的惰性气体一氩气。

2.根据权利要求1所述的一种射频无极紫外光源，其特征在于：无电极射频荧光灯的工作频率为13.56MHz或27MHz。

3.根据权利要求2所述的甚高频工作频率，其特征在于：设计了发射线圈5。它由超高温漆包线绕制而成，在此发明中起到三重作用：一是发射13.56MHz或是27MHz电磁波；二是反射阻隔汞齐产生的273.5nm紫外光，使其只能射向泡体内壁，激发喷涂在上面的荧光粉发光；三是反射阻隔荧光粉产生的可见光，使其只能通过玻壳透射出去。

4.根据权利要求1所述的一种射频无极紫外光源，其特征在于：所述的金属屏蔽网格层8是厚度为10μm的#字形金属框格，框体1mm，框空格规格为30mm×30mm。这一经过专门设计计算的金属屏蔽网格可有效拦阻电磁波，保证整灯的EMC指标，同时它与泡体内壁荧光粉层间距的合理设置，保证射频无极紫外光源达到极高的光效。

5.根据权利要求1所述的一种射频无极紫外光源，其特征在于：发射线圈本身具有的良好散热特性，通过通过特别设计的中空管状柱体的烟囱效应进行散热。达到良好的散热效果。

6.根据权利要求1所述的一种射频无极紫外光源，其特征在于：所述的高频发生器1特别设计了复合型EMC滤波器和铁氧体磁珠。

7.根据权利要求1所述的一种射频无极紫外光源，其特征在于：所述的插头座12为装有铁氧体衬片的插头座，防止电磁干扰通过电源线传导泄漏。

8.根据权利要求1所述的一种射频无极紫外光源，其特征在于：在泡体内充满一定气压的惰性气体-氩气。基于潘宁效应，能有效增加273.5nm紫外线的强度。

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