CN1159954C

CN1159954C - 放电灯

Info

Publication number: CN1159954C
Application number: CNB988084902A
Authority: CN
Inventors: ϣ; 罗宾·德文希尔; J��ϣ; 蒂莫西·J·希利; A; 戴维·A·斯通; C; 理查德·C·托泽
Original assignee: University of Sheffield
Current assignee: University of Sheffield
Priority date: 1997-07-14
Filing date: 1998-07-14
Publication date: 2004-07-28
Anticipated expiration: 2018-07-14
Also published as: PT997059E; EP0997059A1; WO1999004605A1; DE69818474T2; CA2296390A1; EP0997059B1; GB9714785D0; ES2209164T3; DK0997059T3; US6274986B1; ATE250842T1; DE69818474D1; CN1268281A; AU8349398A; JP2001510937A

Abstract

已知通过施加脉冲波形而不是简单正弦波形，可以改变某些放电灯的特定输出。这种效果已经用于制造可变颜色输出的荧光灯。在本发明中，对放电灯例如低压汞/氩灯施加频率约为5kHz的短脉冲(约1μs)，以便改变两个汞谱线的强度比率，特别是254nm和365nm的谱线，其中，对于施加正弦波来说，针对更长的波长，254nm谱线起主要作用。由于降低了斯托克斯漂移，所以极大地提高了采用由这些紫外线发射激励的荧光体的灯的效率。

Description

放电灯

技术领域

本发明涉及放电灯，特别涉及为获得期望的发射波长特性的这种灯的电控制及其结构。

背景技术

在室内照明中广泛使用的灯即荧光管，利用在汞蒸汽(一般为933.1×10^-3帕斯卡，相应于约40℃的壁温度)和氩气(一般为399.9帕斯卡)下通过对密封玻璃管两端的一对冷的或加热的电极施加电源或较高频率的交流高电压所产生的低压放电特性。这样的等离子体发射大量离散的汞发射谱线，其中最强的谱线是254nm谐振线(在该谱线中可呈现高达灯的总输入功率的60％的功率)。强烈的254nm紫外线辐射通过涂敷在玻璃外壳内壁上的红色、绿色和蓝色荧光体被转换成有用的宽带可见光辐射。

已知这种荧光灯的主要缺点是，在254nm和从400nm至700nm的可见光波长范围之间存在很大的激励辐射能量之差(与辐射的波长成反比)，即存在很大的“斯托克斯漂移(Stockesshift)”。理论上，254nm的光子有足够的能量产生两个可见光子，例如大于508nm的两个光子，实现两个可见光子的方法会导致整个灯效率的大大提高。实现两个可见光子的特定方法至今仍未实现，并且从原理上也没有论述。因此，标准设计的荧光灯释放的大部分能量(一般为75％)作为热量被浪费。

近来，已经证明，通过用脉冲电源代替标准交流(正弦)电源可以明显地改变从汞/稀有气体放电发射的颜色。M.Aono，R.Itatani等人(J.Light&VisualEnvironment，vol.3，no.1，p.1-9，1989)论证了通过脉冲激励可以极大地增强通常被忽略的从稀有气体自身发射的相对亮度。该稀有气体用于制备其荧光体根据采用交流(正弦波)激励还是脉冲电激励而改变颜色的灯。日立(Hitachi)已展示了对从汞/稀有气体灯发射的颜色控制和对从氙灯发射的颜色控制；例如，参见JP-A-5-135744(Shinkishi等人)。

已经利用该效果来满足特定的商业需求。例如，OSRAMSylvania(EP-A2-700074)披露了脉冲激励氖放电来制造适合作为闪光指示灯和汽车刹车灯的灯。

三菱(Matsushita)(JP-A-7-272672)披露了由附带脉冲电源的交流高频电源驱动的荧光灯。所述的优点是：在254nm发射的辐射强度增加和荧光灯效率提高。

EP-A1-334356(VEBNARVA)也论述了利用脉冲放电来产生期望的光谱发射，尽管该文件的重点在于用可能的添加剂来进行高压铯和/或铷放电，而不采用荧光体。

发明内容

本发明按某些不同的方式利用脉冲电压施加技术。

为了解释本发明，可首先参照图1，图1表示汞原子的主要能级和跃迁。在正常的AC放电中，最强烈的发射对应于从6³P₁到基态的跃迁。结果，由大约为254nm的谱线支配连续激励的汞放电的频谱。

作为对经受这种激励的汞稀有气体放电的当时状况详细研究的结果，产生了本发明。图2中例示其基本观察，它表示在254nm(两个跃迁：在253.65nm处的谐振谱线和在253.48nm处³D₁-³P₀的跃迁)和366nm(四个跃迁：在366.33nm处¹D₂-³P₂的跃迁；在366.29nm处³D₁-³P₂的跃迁；365.48nm处³D₂-³P₂的跃迁；和365.02nm处³D₃-³P₂的跃迁)，在施加电压脉冲的情况下汞蒸汽随时间的发射。两组跃迁展示当施加电压脉冲时在强度上产生的阶跃增加。但是，它们在随后的状况是不同的。254nm的强度持续增加一段时间，停留在高处，然后下降，具有在脉冲端部电压下降时的特征时间。相反，在施加脉冲期间365-366nm的发射显示立即下降，但在关闭脉冲时呈现阶跃增加。在脉冲端部之后某一时间的峰之后，它呈现具有一特征时间的衰减，该特征时间结果证明比紧接该脉冲之后的描述254nm发射的特征时间更长。后者即后一脉冲的显著结果是，如果周期时间足够长，那么在重复脉冲序列的整个周期上366nm的发射的累积总强度超过254nm的发射的累积总强度。

在所示条件的宽范围上进行调查表明，在上述每个脉冲终止时这两个放电发射的性能是壁温度、气体组成和压力的当前条件的特征，即该竞争过程(competingprocesses)控制所包括的发射电子状态的数量。

在脉冲期间，254nm发射的持续增加可能起因于从汞基态¹S₀到受激状态的纯数量的跃增，这是荧光灯操作机制的重要特征。(注意在脉冲期间，在184.96nm处其它汞谐振线发射中也可能有这种增加)。脉冲终止时在366nm发射中的突增可能起因于由施加脉冲期间存在的高密度汞离子的中和所产生的高受激汞状态的数量迅速增加。受激的稀有气体状态也可能起作用。

可按有趣的方式利用这种对所加脉冲后沿的相对重要性的认识。例如，可以这种方式控制汞/稀有气体放电，即使366nm发射的强度明显超过254nm发射强度(在典型荧光管的等离子体发射中该比值有利于254nm谱线超过20倍，详见图3)。因此通过优化脉冲控制的汞/稀有气体放电相对于脉冲间性能的设计，可以使366nm与254nm的辐射比值增加至少100倍。

该366nm相对于254nm较强，并且一般来说，可以用各种方法使利用脉冲激励产生的发射比变换。

因此，在本发明第一方案中，提供一种放电灯，该放电灯包括包含放电介质的灯管和对该介质施加电场以便在灯管内产生放电的控制装置，其中，当受到简单的交流电场激励时在该介质中的放电包括第一和第二波长的两种谱线，第一波长起主要作用，

其中，控制装置用于提供由相对短的激励脉冲(“标记”)和相对长的大体非激励周期(“间隔”)组成的波形，以致在按第二波长发射的光强度的一个周期上的积分大于对第一波长的相应积分。

在相应的方法中，电信号施加在包括灯管的放电灯上，在该灯管中包含放电介质，以便在灯管内产生放电，其中，该信号包括相对短的脉冲和相对长的非激励周期，从而在按第二波长发射的光强度的一个周期中的积分大于对第一波长的相应积分。

这两个波长最好由放电中的单个或相同元件的发射产生。放电介质的有效成分最好为汞，剩余物为稀有气体，例如氩或氖，两个波长分别为254nm和366nm。在优选实施例中，366nm的发射至少为254nm的发射的两倍。为此，占空系数即“标志”与总周期的比率应该在10^-1和10^-3之间，最好为约10^-2。气体压力可以在666.5-3999帕斯卡的数量级，壁温度(冷点温度)约为25-30℃。脉冲宽度可以小于约1μs，最好小于0.5μs，频率约为5-10kHz。灯管可以装有按正常方式施加电场的电极，对这些电极施加的最大电压约为1.4kV，电流为1amp。

在汞灯的情况下，灯管可以被用作365nm的紫外线A辐射源，但对于普通照明来说，最好设置标准的荧光体，以便当受到汞放电产生的紫外光轰击时按可见光波长发光。在本发明中，从能量分布而不是其颜色的观点来看，灯的频谱即放电的频谱关键在于：灯仅利用荧光体发光，而荧光体的颜色平衡显然不随激励方法的改变而明显改变。但是，在汞灯情况下，引人注目的是汞谱线而不是稀有气体发射。

这些措施导致比标准的254nm驱动的荧光灯固有的效率更高的荧光灯。主要原因在于，可认为在将366nm的光子被转换成可见区域光子时涉及相当小的斯托克斯漂移。在其它重要的好处中，对于因紫外线产生的材料退化来说，366nm的辐射比254nm的辐射有更良好的特性。与254nm激励相对，这种新产生的荧光灯上的荧光体对于366nm激励来说是最佳的(尽管在254nm时它们会响应任何光)，从而进一步提高效率。

本发明不仅用于汞灯，可用于任何放电灯，可用于建筑物、汽车或街道照明。一般地，利用在激励产生后而不是激励期间尤其在接近稳态放电期间出现的发射。这种后激励(post-excitation)发射是众所周知的，例如出现在脉冲控制的氘放电中。第一波长可以比第二波长更高或更低。

另一方案中的发明涉及通过对放电介质施加电信号来驱动放电的方法，其中，按脉冲方式施加电信号，在放电达到稳定状态前结束该脉冲。一般来说，当适当的电变量例如放电电流已经达到其稳定值的约一半时，该方法可以就结束激励。通常，这需要约0.5μs。

可以使用该原理，使由这些发射激励的荧光体的放电发射相匹配，以便使斯托克斯损失(Stokeslosses)最小。因此，在另一方案中，本发明涉及包括放电介质和密闭该介质的外壳的放电灯，和对介质施加电场的装置，其中，外壳的壁涂敷按波长λ发光的荧光型材料，电场施加装置用于在一频率和占空系数下按脉冲方式施加电场，以便介质在波长Λ优先放电，其中Λ/λ＞0.6。

在一些实施例中，对于主发射谱线或放电中的谱线来说，其波长最好在荧光体发射的20％以内；对于普通照明应用来说，其中，λ当然是可见的，波长应该接近紫外线，就是说＜400nm。

在第四方案中，本发明采用脉冲放电灯作为增亮的单色的接近紫外线辐射的光源，用于液晶显示器背光。在紫外线液晶显示器中，即在采用紫外线背光和被紫外线轰击时荧光体在观察侧上发光以产生输出的液晶显示器中，由于即使366nm有害于大多数液晶材料，但仍然特别期望把接近可见光的波长用作背光。

因此，在本方案中，本发明涉及显示器，一方面包括放电灯，该放电灯包括放电介质和密闭该介质的外壳；以及对介质施加电场以便使该介质产生辐射的装置，其中，用以波长λ发射的荧光型材料涂敷外壳的壁，电场施加装置适用于在一频率和占空系数下按脉冲方式施加电场，以便介质按波长Λ优先放电，其中Λ/λ＞0.6，其中在所述介质中产生放电，并且所述放电产生辐射；另一方面还包括使辐射定向以转换该辐射，使其有选择地轰击荧光型发射体的光阀装置，其中，电场施加装置用于在一频率和占空系数下按脉冲方式施加电场，以便介质按接近荧光体发射的波长优先放电。波长比率最好至少为0.6或更大。当然，在彩色显示中，该比率对蓝色荧光体比对红色荧光体会更大。

直接采用放电光的液晶显示器的这类照明系统比采用转换成比如说365nm的中间荧光体的系统效率更高，对于电池供电的显示器来说，这是重要的因素。波长最好在350-400nm范围内，特别从上述考虑来看，应尽可能接近上面的值。

还提供了一种控制放电灯的方法，在该方法中，对包括灯管的放电灯施加电信号，在该灯管中包含放电介质，以便在灯管内产生放电，其特征在于，当受到简单交变电场激励时该介质中的放电包括第一和第二波长的两种谱线，第一波长在强度方面起主要作用，其中，该信号包括相对短的脉冲和相对长的非激励周期，以便在按第二波长发射的光强度的一个周期上的积分大于对第一波长的相应积分。

附图说明

为了更好地理解本发明，下面，参照附图，通过实例说明其实施例，其中：

图1是表示产生特征谱线的汞的基本能级的图；

图2表示脉冲放电的输出与时间的关系曲线；

图3表示按现有技术驱动的盘形灯的频谱输出；

图4表示本发明使用的脉冲波形，图4A是采用交变脉冲的示意图，而图4B表示放电开始的轨迹图；

图5表示比较现有技术的灯装置和本发明的灯装置的实验装置；

图6表示用于本发明实施例中的电路；

图7表示有关汞灯输出的占空系数和PRF(脉冲重复频率)效果的实验结果；

图8表示按照本发明驱动的灯的频谱输出；

图9表示图5所示的灯的输出；

图10至图12表示对在脉冲激励期间一些汞谱线的性能进行进一步研究的结果，和

图13表示脉冲激励的656nm氘谱线的强度。

具体实施方式

图1表示Hg原子的相关能级，如上所述。在典型的低压汞蒸汽灯中，可以用图3表示发射谱线的相对振幅，显然，在254nm处输出最大。

在本发明的第一实施例中，如图4A所示，用具有0.005占空系数和10kHz脉冲重复频率的脉冲驱动放电。为了最大地利用后激励发射，只要放电一开始就立即终止脉冲。如图4B所示，为了说明的目的，在t＝0时施加5μs脉冲，电压轨迹V表示初始峰值(截止曲线)，然后下降至稳定值，而电流轨迹A表示小初始峰值，认为表示系统的电容器元件例如引线的充电，然后稳定上升至恒定值。(轨迹T是与本说明无关的触发脉冲)。当放电约进行一半时，即在约0.5μs后，应该停止激励。在约100ns内，如果系统的电容小，那么会发生脉冲的衰减。

按d＝t_ON/(t_ON+t_OFF)得到占空系数d，同时按PRF＝1/(t_ON+t_OFF)得到脉冲重复频率PRF(t_ON为脉冲电压开的时间，t_OFF为脉冲电压关的时间)。驱动波形在正向脉冲和负向脉冲之间交替，维持灯上零的平均电压。如下所述，由于系统的恒定平均功率特性，所以峰值脉冲电压V_P会变化。其最大值为1.4KV。

除了如下所述的驱动电路外，灯的结构与标准Hg灯大体相同。用比较两个不同路径产生可见辐射的示范部件构成图5所示的设计。把相同结构的两个灯放置在外壳中隔板的两侧。灯的结构与标准汞灯大体相同；利用独立的加热器电路按相同的功率加热在灯各端部的涂敷三元氧化物的三重绕制(triple-coiled)的电极。由二氧化硅构成具有长度为100mm的放电路径的U形灯。灯内掺入有汞和氩，灯不涂敷荧光体。一个灯由常规的高频(33kHz)交流电源驱动；另一个灯由下述脉冲电源驱动。氩压力为666.5帕斯卡，尽管比方说266.6-6665帕斯卡的宽压力范围是有效的；汞压力相应于27℃的壁温度。选择图5所示的结构模拟使用该灯作为紫外线/荧光型液晶显示器的背光。

在图9的上部中示出各灯的发射。由常规电路驱动的灯主要在254nm发射，而另一个灯主要在366nm发射。利用涂敷钠钙玻璃上的转换荧光体首先将来自常规驱动灯的254nm的发射转换为366nm，以除去大约在300nm以下的任何紫外线。然后，来自两个灯的发射被滤波，除去任何可见光辐射；在图7的下部中示出产生的辐射。最后，使用两个灯激励荧光体，把366nm转换成可见光辐射。对于给定操作条件和两个加热器功率及消耗的总功率在各灯中相同的情况来说，用脉冲电路驱动的灯要亮300％。

图6表示用于本实施例的电路。恒定均衡功率转换器101比如在最大电压400V情况下输出2W的功率。输出端设置在增强模式金属氧化物半导体场效应晶体管的H桥上，该桥的中心杆由为变压器一部分的电感器105形成，该变压器按最大电压约1400V把输出提供给灯21的电极。驱动逻辑电路107使相应的晶体管导通和截止，交替地通过电感器105产生相反的脉冲电流，因此产生图4所示的期望脉冲波形。由图7可明显看出，特别是在1kHz频率以上时，占空系数的降低使366nm的输出增加，并使该输出与254nm的输出之比率增大。可以认为这是由于在365-366nm的谱线集中的缘故，所有这些谱线在脉冲激励模式中都被激励。

在实验中，在约3.10^-3的占空系数时获得约2∶1的比率，好象不存在为什么不能获得更大比率的理由。当然，对于给定最大脉冲幅度来说，降低的占空系数使总功率输出下降，因此必须进行综合平衡；有效下限约为10^-3。

图8表示当占空系数按恒定的5kHz重复率下降时在整个频谱上的变化；三条曲线各自的占空系数为0.19、0.043和0.0033。应该指出，508nm谱线是系统的产物，仅表示254nm谱线的两倍。

在图9所示的曲线中可以看出靠近366nm发射的放电输出的偏置效果，该图比较两个灯的紫外线发射和获得的(被滤波的)激励荧光体的输入。右边的曲线为普通(非脉冲)灯的曲线，表示最大的发射出现在254nm处，该发射导致在366nm处相当低的输出(来自媒介物荧光层)。其主要放电谱线已经在366nm处的左边的曲线表示，在366nm处获得更大和更尖锐的峰。应该指出，没有按刻度表示y轴上的强度。

图10表示对于不同脉冲宽度和频率的254nm和365nm的发射性能。该图表明在0.5μs至5μs的脉冲宽度范围和10-50kHz的频率范围内365谱线的强度随宽度增加而减小，而254谱线则增加。对于这两种谱线来说，即使平均电流保持不变，其强度也随频率的降低而增加。

图11表示在更详细和更大时间分辨率中在10kHz的恒定频率和恒定的平均放电电流下脉冲长度改变的365nm的性能。可以看出，脉冲越短，起始峰值越大；对于给定平均输出来说这是需要的结果。还可看出，脉冲越短，365nm辐射的随后输出就越大，对于短于2μs的脉冲来说，在该脉冲之后几十微秒内有大量发射(“余辉”)。似乎是，为了填充气体混合物的某些较高能量状态，要求高于正常电压的脉冲，然后衰减以“提供”365nm的跃迁，但这只是推想。

图12表示在10kHz下相对4μs脉冲的余辉的简单光谱分析。显然，与365nm谱线比较，事实上没有405、435和546nm谱线的余辉。这里未示出254nm谱线。

图13表示对于(纯)氘放电的脉冲放电，V是施加的电压，I是电流，B是656nm发射谱线的强度轨迹。其中，可以看出，对于该谱线来说有少量余辉，而其它D线没有显示这种效果；因此，与氘频谱的其它特定谱线相比，脉冲激励可以偏向656nm谱线的输出。

通过注意脉冲形状的设计，可以进一步提高系统的效率。在不包括辅助起动电路或电极的系统设计中，适当选择脉冲开始时在电流-电压迅速增加期间对电极损害最小的前沿时间形状是明智的，即如果电压倾斜上升，那么随着电压上升，在没有过高的最大脉冲电压的情况下，在有助于可靠地起动放电的介质中就开始了某些处理过程。其次，由于脉冲持续时间在这段时间期间居支配作用的是主稳态波长，所以脉冲的持续时间应该尽量短。第三，脉冲的结束应该尽量迅速。实际上，脉冲应该有不对称的特性或形状。有利的脉冲形状一般有从零伏至最大电压的倾斜上升，该最大电压在没有平稳的状态介入下几乎瞬间就跌落到零。

脉冲间时间(即脉冲重复频率)是选择的灯操作条件(即灯壁温度、填充气体成分和填充气体压力)的函数。

Claims

1.一种放电灯(21)，包括其内包含放电介质的灯管和对该介质施加电场以便在灯管内产生放电的控制装置(100)，其特征在于，在受到简单交变电场激励时该介质中的放电包括第一和第二波长的两种谱线，第一波长在强度方面起主要作用，其中，控制装置用于提供包括被称为“标记”的相对短的激励脉冲和被称为“间隔”的相对长的非激励周期的波形，以便在按第二波长发射的光强度的一个周期中的积分大于对第一波长的相应积分。

2.如权利要求1的放电灯，其中，占空系数即“标记”与总周期的比率在10^-1和10^-3之间。

3.如权利要求1的放电灯，其中，占空系数即“标记”与总周期的比率为10^-2。

4.如权利要求1的放电灯，其中，气体压力为266.6-6665帕斯卡的数量级，而壁温度为25-30℃。

5.如权利要求1的放电灯，其中，气体压力为666.5-3999帕斯卡的数量级，而壁温度为25-30℃。

6.如权利要求1到5中的任一项的放电灯，其中，脉冲宽度为1μs，频率为5-10kHz，在该脉冲期间最大电压为1.4kV，电流为1A。

7.如权利要求1到5中的任一项的放电灯，其中，脉冲宽度小于0.5μs，频率为5-10kHz，在该脉冲期间最大电压为1.4kV，电流为1A。

8.如权利要求1到5中的任一项的放电灯，其中，放电介质的有效成分为汞，剩余物为稀有气体，所述两个波长分别为254nm和366nm。

9.如权利要求8的放电灯，其中，所述稀有气体包括氩或氖。

10.如权利要求1到5中的任一项的放电灯，其中，在没有包括荧光体的媒介物发射体的情况下，所述放电灯的光输出由放电直接产生。

11.如权利要求1至5中任一项的放电灯，其中，所述放电灯有与第一和第二波长对应的荧光型涂层。

12.如权利要求1的放电灯，包括放电介质和密闭该介质的外壳，以及对该介质施加电场的装置，其中，所述第二波长为波长λ，用以波长λ发射的荧光型材料涂敷外壳的壁，电场施加装置适用于在一频率和占空系数下按脉冲方式施加电场，以便介质按波长Λ优先放电，其中Λ/λ＞0.6。

13.一种显示器，其特征在于，

一方面包括放电灯(21)，所述放电灯包括放电介质和密闭该介质的外壳，以及对该介质施加电场的装置，其中，用以波长λ发射的荧光型材料涂敷外壳的壁，电场施加装置适用于在一频率和占空系数下按脉冲方式施加电场，以便介质按波长Λ优先放电，其中Λ/λ＞0.6，其中在所述介质中产生放电，并且所述放电产生辐射；

另一方面包括光阀装置，该光阀装置引导辐射，以转换该辐射，使该辐射有选择地照射荧光型发射体，其特征在于，波长Λ接近荧光体发射的波长，该波长是平均荧光体波长λ的至少0.6倍。

14.一种控制放电灯的方法，在该方法中，对包括灯管的放电灯施加电信号，在该灯管中包含放电介质，以便在灯管内产生放电，其特征在于，当受到简单交变电场激励时该介质中的放电包括第一和第二波长的两种谱线，第一波长在强度方面起主要作用，其中，该信号包括相对短的脉冲和相对长的非激励周期，以便在按第二波长发射的光强度的一个周期上的积分大于对第一波长的相应积分。