CN1149630C - 无电极放电灯 - Google Patents

Abstract

一种在较低频(50-500kHz)工作的无电极荧光灯，其中采用铁氧体磁芯产生所需磁场和电场以保持放电，所用的磁芯材料是在50-500kHz频率范围和150mT磁场强度下具有低功耗(400mW/cm³)的锰-锌混合型。另外，该材料可以是将各种原子百分比的锰和锌加到三氧化二铁基以得到良好的颗粒边界和晶体结构，得出具有大于200℃居里温度的实用铁氧体磁芯材料。此材料可使无电极荧光灯工作在低频下的10W-250W功率范围，其模式是铁氧体磁芯损耗小于灯功率的20%，而且磁芯产生的热损耗最小。

Description

无电极放电灯

技术领域

本发明涉及一种无电极荧光灯，它包括一个充有水银和惰性气体的玻璃外壳。铁氧体磁芯设置得邻近该外壳。

背景技术

无电极荧光灯近来已出现在世界各地的各种市场上。从消费者的观点看，无电极荧光灯的主要优点在于取消了作为限制灯寿命的一个因素的电极。所以，与有电极的灯相比，无电极的荧光灯可以延长使用寿命。这已经过各种结构和各种功率而得到证实。例如，市面上的灯以2.65MHz和13.56MHz频率工作。它们的额定功率从约25W至150W，它们的寿命从15000小时至约60000小时。这些灯易于维护并且具有良好的效率。但是，这种灯的缺点之一在于其成本。由于为了产生射频(RF)频带的电压而复杂化的电路设计，使得驱动器变得很昂贵。高成本的另一个原因在于防止电磁干扰(EMI)的需要。由于存在有对于EMI的联邦法规，就必须极为小心不能造成对通信系统、心脏起博器或各种医疗设备的干扰。因此，在技术上已经证实荧光灯可以具有实用性和很长的寿命的同时，这种灯的初期购置成本已成为影响它广泛占有市场的主要障碍。

减少整个系统成本的一个重要步骤是降低工作频率。如果工作频率从标准的13.56MHz或2.65MHz(在许多国家允许的频率)降至一个低的千赫范围(这里低频是50-500kHz)，则电路的复杂性就会明显地减小。可以采用广泛用于大量生产的电子镇流器中的部件以减低电路的整体成本。当然，无电极荧光灯具有广阔的市场潜力。为了达到如此低的频率并仍能产生必要的磁场和电场以维持放电，必须采用铁氧体材料。铁氧体材料显然在低频工作中是一个重要因素。

无电极灯可在约50-500kHz频率工作。低频的限制由产生强磁场所需的高的线圈电流所确定，该磁场激发并维持灯内的放电。的确，灯内的感应电压V_ind是：

V_ind＝V_pl＝πR_pl ²ωB_pl                             (1)

其中，ω＝2πf是角驱动频率，R_pl是等离子半径，V_pl是等离子电压，B_pl是线圈电流I_coil在等离子中产生的磁场：

$B_{\mathrm{pl}}\≅{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{eff}}{I}_{\mathrm{coil}}(N/H_{\mathrm{coil}})---\left(2\right)$

其中，μ_eff是在这种低频下使用的铁氧体芯的通常小于铁氧体芯导磁率μ的有效介质导磁率；N是线圈匝数，H_coil是线圈高度。对于每种特定的气体和水银蒸气压力以及每个灯的几何形状来说，有一个激发灯内感应放电所需的特定值V_ind。所以，从式1可以看到，降低驱动频率f就需要增强磁场B_pi。铁氧体导磁率μ不随频率f变化。N和H_coil是固定值。

因此，只有通过增大线圈电流来达到增强B_pl，即B_pl∝I_coil。于是，当固定气压和固定灯的几何形状时，降低驱动频率f就要求增强磁场并且因而增加线圈电流I_coil。遗憾的是，增加线圈电流并不理想，这是因为它导致线圈和铁氧体损耗的增加：

P_loss＝I² _coilR_coil+P_ferr                    (3)

其中，R_coil是线圈电阻，P_ferr是铁氧体芯中的功率损耗。功率损耗的增加减小灯的功率系数，进而降低灯的效率。

如上所述，采用频率50-500kHz而不采用许多国家允许的频率13.56MHz甚至2.56MHz时具有很多优点。第一个优点是当频率下降时驱动器部件的成本通常会降低。采用小于200kHz的频率可使整个系统的成本比在13.56MHz频率工作时减小几倍。第二个优点是与在距离上和灯泡相匹配网路的定位(20-50cm或更多)的可能性相关。

总之，驱动器在50-500kHz频率工作的效率(～90％)高于在13.56MHz频率工作的效率(80％)和在2.65MHz频率工作的效率(85％)。其结果是，即使由于较高的线圈损耗(较高的线圈电流)和铁损而使得灯的效能较低(几个百分点)，整个系统的效率也可与频率为13.56MHz和2.65MHz时相同(或更高)。

在研究现有技术时从磁芯材料的方面来看，注意到van der Zaag(EPA 0625 794 A1)以及Postma等人(US 4,536,675)已集中对在3MHz频率工作的最佳铁氧体材料的使用和选择进行了研究。由于他们所研制的灯的设计集中在2.65MHz，所以最佳铁氧体材料在该频率的功率损耗小于150mW/cm³、并在大约10mT的磁场处变成镍-锌型，而且工作得比锰-锌型材料好。这是因为在3MHz频率和10mT磁场时，锰-锌型材料具有500-700mW/cm³的功率损耗。所以可知，在3MHz频率时具有小于150/mW/cm³损耗的镍-锌型材料是最佳选择。但是，由于本发明的主要焦点是低频(50-500kHz)操作，我们已经发现，镍-锌铁氧体不是最佳的使用材料。在这个频率范围内，镍-锌铁氧体中的功率损耗大于锰-锌铁氧体中的功率损耗。我们发现，在使用锰-锌型材料时，例如在100kHz和室温(23℃)下的典型损耗一般在磁场约等于10mT时小于1mW/cm³、在磁场约等于150mT时小于400mW/cm³，这基本上低于镍-锌铁氧体在相同的频率和磁场条件下产生的损耗(见图2)。这在热处理和灯效能方面具有很重要的意义。其原因是铁氧体磁芯的功率损耗以相反的两个方面影响系统。一方面，这些损耗产生的过量的热必须从灯驱动器电路除去或引出(灯驱动器电路靠近整个系统中的铁氧体磁芯)，以避免损坏FET和其它电路部件。这将增加成本和包装的复杂性。第二方面是会降低系统的功率系数。铁氧体磁芯中的损耗越高，功率系数和系统的效率就越低。因而可知，对于高效和低成本的无电极灯来说，采用最低磁芯损耗的材料是至关重要的。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种与工作于低频操作的无电极荧光灯结合使用的低功率损耗铁氧体磁芯材料。

本发明的另一个目的是通过使包括铁氧体磁芯材料在内的各种部件的损耗的最小化而实现最高的灯效率，并确定无电极荧光灯中的在50-500kHz工作频率时具有很小的功率损耗的磁芯材料。

本发明的又一个目的是提供一种磁芯材料，其居里温度大于200℃，并因此该磁芯材料在正常的工作条件和环境温度为40-50℃的热照明设备的工作条件下不会变差。

本发明的再一个目的是提供一种适用于在低频(50-500kHz)下工作的无电极荧光灯的磁芯材料，该荧光灯具有着眼于安全性和低成本所要求的低的启动功率和低电压(＜2000V)。

根据本发明的一个方面，提供了一种无电极放电灯，包括：一个含有一种发光填充材料的外壳；一个铁氧体磁芯；和一个围绕所述铁氧体磁芯的线圈，其中，所述无电极放电灯在工作时借助所述线圈中流动的电流所产生的交变磁场以维持所述外壳内的放电；以及在交变频率为100kHz和磁场为10mT的条件下，所述铁氧体磁芯的最大损耗小于1mW/cm³；其中，所述铁氧体磁芯包含：10％-25％重量百分比的锰、5％-25％重量百分比的锌和65％-75％重量百分比的铁；和所述锰和锌相对于铁的重量比例在0.2与0.7之间，并且所述锌相对于锰的重量比例在0.2与2.0之间。

根据本发明的另一个方面，提供了一种无电极放电灯，包括：一个含有一种发光填充材料的外壳；一个铁氧体磁芯；和一个围绕所述铁氧体磁芯的线圈，其中，所述无电极放电灯在工作时借助所述线圈中流动的电流所产生的交变磁场以维持所述外壳内的放电；以及在交变频率为100kHz和磁场为10mT的条件下，所述铁氧体磁芯的最大损耗小于1mW/cm³；所述外壳包括一个凹状空腔，并且所述铁氧体磁芯和所述线圈处于所述凹状空腔中；所述铁氧体磁芯包含：10％-25％重量百分比的锰、5％-25％重量百分比的锌和65％-75％重量百分比的铁；和所述锰和锌相对于铁的重量比例在0.2与0.7之间，并且所述锌相对于锰的重量比例在0.2与2.0之间。

这里，锰、锌和铁的重量百分比代表这些氧化物(氧化锰、氧化锌和三氧化二铁)中除去氧重量之外的金属的重量百分比。如果锰的重量百分比是x、锌的重量百分比是y、铁的重量百分比是z，则x+y+z≤1 00％。

优选地，在上述方案中，在交变频率为100kHz和磁场为150mT的条件下，所述铁氧体磁芯的最大损耗小于400mW/cm³。

根据本发明的再一个方面，提供了一种无电极放电灯，包括：一个含有一种发光填充材料的外壳；一个铁氧体磁芯；和一个围绕所述铁氧体磁芯的线圈，其中，所述无电极放电灯在工作时借助所述线圈中流动的电流所产生的交变磁场以维持所述外壳内的放电；所述无电极放电灯工作在50-500kHz的频率范围；所述铁氧体磁芯包含铁、锰和锌；在交变频率为100kHz和磁场为10mT的条件下，所述铁氧体磁芯的最大损耗小于1mW/cm³；以及至少一部分外壳具有一个荧光材料层和一个保护层；其中，所述铁氧体磁芯包含：10％-25％重量百分比的锰、5％-25％重量百分比的锌和65％-75％重量百分比的铁；和所述锰和锌相对于铁的重量比例在0.2与0.7之间，并且所述锌相对于锰的重量比例在0.2与2.0之间。

下面参照表示本发明的说明性的实施例的附图可使本发明的新颖的特征和优点更为清楚。

附图说明

图1是示出具有本发明所述的磁芯材料的、可在低频工作的无电极荧光灯的典型结构的局部剖视图。

图2示出，在两种不同的磁场强度下，在本发明的锰-锌铁氧体中和在现有技术所用的镍-锌铁氧体中测得的作为频率的函数的功率损耗曲线。

图3示出采用锰-锌材料制作的铁氧体磁芯的Q因数曲线，该Q因子是在50kHz-350kHz频率下测得的，Q因子是电感的“损耗”的量度，Q＝ωL/R，其中L是带有铁氧体的线圈的电感，R是带有铁氧体的线圈的有效电阻。

图4示出以23W工作的灯的作为驱动频率函数的启动功率Pμ和启动电流Iμ的曲线，磁芯是由锰-锌铁氧体制成的。

图5示出作为驱动频率的函数的铁氧体的功率损耗和功率效率的曲线。灯功率是23W，铁氧体磁芯由锰-锌铁氧体制成，型号为MN80。

图6示出作为频率的函数的灯的光输出和效率的曲线；P＝23W；灯泡直径D_b＝60mm；灯泡高度H_b＝65mm。

具体实施方式

参见图1，示出了一个带有常规的荧光物质涂层2的球形外壳1。由硅或铝等构成的保护层3位于外壳1与荧光物质层2之间。在外壳1的底部5有一个凹状空腔4。凹状空腔4的内壁上还有荧光物质层2、反射层6、和保护层3。排气管7可设置在外壳的轴线上或不在外壳的轴线上。

在本优选实施例中，排气管7设置在外壳的轴线上并且在内空腔4的上部8与外壳连接。外壳1包含例如氩或氪等的惰性气体与例如水银、钠和/或镉等的可蒸发金属的混合物(发光材料)。

线圈9由Litz金属丝构成(见Popov等人提出的、由本申请的同一受让人拥有的US专利申请09/083,820)，绕制在由具有高导磁率(＞4000)的锰-锌材料制成的铁氧体空心磁芯10上。铁氧体磁芯10在50-1000kHz频率处具有高的居里温度(Tc＞200℃)和低的功率损耗。在本优选实施例中，采用的铁氧体磁芯高55mm，外径14mm，内径7mm。在驱动频率100kHz、铁氧体磁芯的磁场约830G时，需要以f＝100kHz保持等离子，则在铁氧体温度从-10℃至+150℃时功率损耗小于100mW/cm³。

根据空腔4和铁氧体磁芯10的长度，感应线圈9具有10至80匝。线圈9具有匝间距，每个匝间距的高度略大于0-10mm。依据铁氧体磁芯长度和线圈匝数，线圈/铁氧体磁芯部件组合的合电感值为从10至500μH。外壳1的底部5设置在灯基座12的顶面11上。

导线从电感线圈9伸出并将线圈9连接至位于灯基座12内的一个匹配电网(未示出)。其中一根导线连接至匹配电网的高HF电压端，另一根导线使HF接地。高频驱动器向匹配电网提供具有所需的可以是50-500kHz频率的电压和电流。

金属(铝、铜)圆柱体13插在铁氧体磁芯10与管7之间，并连接到顶面11。如Popov等人的申请(09/083,820)所述，圆柱体13将热量从铁氧体磁芯和空腔导向基底12。汞齐14处于管7内。它提供外壳中的金属蒸气(水银，钠，镉等)，并控制其中的金属蒸气压力。一些玻璃棒15位于排气管7中以便使汞齐14保持在所选择的位置处。

我们采用(图1所示的)凹状空腔在80-500kHz的工作频率下研究无电极荧光灯。填充物压力(氩，氪)在0.1到2.0乇之间。水银压力由位于中间排气管内的汞齐控制。为了在50-500kHz的低频工作，试用了各种型号的锰-锌铁氧体。典型的实验装置包括一个信号发生器、一个放大器，一个向前连接的定向耦合器和反射功率计，一个电流/电压相移计，一个匹配电网，一个示波器，和一个用于线圈电流测量的罗果斯基(Rogowski)回路。

在充有惰性气体(氩，氪，0.1-2乇)和水银蒸气混合物的典型的无电极荧光灯中，放电首先呈现为一种电容放电。实际上，在所采用的所有频率(从80kHz至500kHz)的电容放电的击穿电场低于感应放电。线圈电压的进一步增加导致感应放电的启动，并伴随有线圈电压和电流的下降，并且在灯体积中显示出明亮的等离子体。

我们测量了铁氧体磁芯/线圈在灯的启动(P_st)和工作期间(P_loss)、线圈启动电压(V_st)和电流(I_st)的功率损耗。我们还测量了工作期间的线圈电流和电压，即I_in和V_in。

在图2中示出了所测得的两种铁氧体材料的作为频率的函数的单位体积的功率损耗。可清楚地看到，在锰-锌铁氧体中的损耗随频率的减小而下降，对于150mT场强、在约100kHz时损耗在350mW/cm³，这是在灯启动时我们希望的指标。如上所述，这就是基本上低于在相同频率和磁场条件下的镍-锌铁氧体的损耗(750mW/cm³)的数值。

由Litz金属丝和铁氧体磁芯(锰-锌材料，型号MN-Zn)构成的线圈的Q因子作为驱动频率的函数示于图3中。可以看到，在80kHz-300kHz频率范围内，Q因子很高(Q＞400)。高Q值意味着可以期望在灯的启动和工作期间线圈(铁氧体磁芯)中的功率损耗较低。

图4中示出了作为驱动频率的函数的线圈启动损耗(P_st)和线圈启动电流(I_st)。可以看出，当驱动频率增加时，P_st、I_st都减小，但频率低到100kHz时，P_st＜5W。由于锰-锌材料和Litz金属丝制成的铁氧体磁芯中的低功率损耗，所以可实现低启动功率(参见我们的专利申请09/083,820)。

线圈金属丝的种类变化、匝数、以及铁氧体的种类变化会改变线圈/铁氧体的电感量L_lot、线圈电阻R_coil的实际值，因而改变P_st和I_st。但在任何线圈和铁氧体组合中，在线圈/铁氧体Q因子的最大值时P_st达到最小值。

线圈启动电压V_st基于匝数N。在N＝61匝时，V_st大约是1000V。图5示出了在23W工作的灯的工作期间的线圈功率损耗P_loss和灯的功率系数P_pl/P_lamp。这里，P_lamp是输入到匹配电网的电功率，P_pl是输入到灯的电功率，即，从电功率P_lamp中减去线圈9中的电感损耗P_loss所得到的电功率。可以看出，线圈功率损耗随频率上升而降低，从f＝85kHz的2.7W降到f＝170kHz的1.5W。低的线圈功率损耗导致高的功率系数，它从85kHz的87％增加到170Hz的93％。

这种高功率系数产生高的灯效率lpw。在P＝23W时在直径60mm、长度65mm的灯测得的总输出和灯效率作为驱动频率的函数显示在图6中。可以看到，频率减小时光通量输出和lpw减小，但即使在f＝100kHz时它们也大于相同功率水平的以2.65MHz工作的例如General Electric(“Genura”)出售的无电极荧光灯的光通量输出和lpw。

显然，在本发明的精神和范围内可以进行各种改型和变化。然而，本发明仅由后附的权利要求所限定。

Claims (4)

1.一种无电极放电灯，包括：

一个含有一种发光填充材料的外壳；

一个铁氧体磁芯；和

一个围绕所述铁氧体磁芯的线圈，

其中，所述无电极放电灯在工作时借助所述线圈中流动的电流所产生的交变磁场以维持所述外壳内的放电；以及

在交变频率为100kHz和磁场为10mT的条件下，所述铁氧体磁芯的最大损耗小于1mW/cm³；

其中所述铁氧体磁芯包含：10％-25％重量百分比的锰、5％-25％重量百分比的锌和65％-75％重量百分比的铁；和

所述锰和锌相对于铁的重量比例在0.2与0.7之间，并且所述锌相对于锰的重量比例在0.2与2.0之间。

2.一种无电极放电灯，包括：

一个含有一种发光填充材料的外壳；

一个铁氧体磁芯；和

一个围绕所述铁氧体磁芯的线圈，

其中，所述无电极放电灯在工作时借助所述线圈中流动的电流所产生的交变磁场以维持所述外壳内的放电；以及

在交变频率为100kHz和磁场为10mT的条件下，所述铁氧体磁芯的最大损耗小于1mW/cm³；

其中，所述外壳包括一个凹状空腔，并且所述铁氧体磁芯和所述线圈处于所述凹状空腔中；

所述铁氧体磁芯包含：10％-25％重量百分比的锰、5％-25％重量百分比的锌和65％-75％重量百分比的铁；和

所述锰和锌相对于铁的重量比例在0.2与0.7之间，并且所述锌相对于锰的重量比例在0.2与2.0之间。

3.根据权利要求1或2所述的无电极放电灯，其特征在于在交变频率为100kHz和磁场为150mT的条件下，所述铁氧体磁芯的最大损耗小于400mW/cm³。

4.一种无电极放电灯，包括：

一个含有一种发光填充材料的外壳；

一个铁氧体磁芯；和

一个围绕所述铁氧体磁芯的线圈，

其中，所述无电极放电灯在工作时借助所述线圈中流动的电流所产生的交变磁场以维持所述外壳内的放电；

所述无电极放电灯工作在50-500kHz的频率范围；

所述铁氧体磁芯包含铁、锰和锌；

在交变频率为100kHz和磁场为10mT的条件下，所述铁氧体磁芯的最大损耗小于1mW/cm³；以及

至少一部分外壳具有一个荧光材料层和一个保护层；

其中所述铁氧体磁芯包含：10％-25％重量百分比的锰、5％-25％重量百分比的锌和65％-75％重量百分比的铁；和

所述锰和锌相对于铁的重量比例在0.2与0.7之间，并且所述锌相对于锰的重量比例在0.2与2.0之间。

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