CN1214442C - 气体放电灯 - Google Patents

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Abstract

一种气体放电灯，具有至少一个电容耦合输入结构(2)。公知气体放电灯的缺陷在于它们工作需要驱动电路。所需的驱动电路用于激发灯的气体放电，并在电路中供给用于灯工作的镇流，如果没有驱动电路，灯将迅速毁坏。为了制造至少有一个电容耦合输入结构(2)的改善了工作特性的气体放电灯，提出了至少具有介电饱和极化强度P和有效表面A的介电体(2)，以形成耦合输入结构(2)，其中乘积P·A＞10-5C。该灯可以使用家用主线(例如230V/50Hz)，尤其无需含驱动电路的电路来工作。

Description

气体放电灯
技术领域
本发明涉及一种包括至少一个电容耦合输入结构的气体放电灯。
背景技术
公知的气体放电灯包括一个充填气体的管，气体在该管中发生放电，通常还包括两个密封在放电管内的电极。一个电极供给放电电子，电子通过第二电极供应给外部电路。尽管也可以通过强电场产生电子，或者直接通过离子轰击(离子感应二次发射)(冷电极)产生电子，但是通常通过热电子放射(热电极)产生电子。在感应运行模式中，利用高频(在低压气体放电灯中通常为高于1MHz)电磁交变场直接在气体空间内产生电荷载流子。电子在放电管内沿环行路线运动，在该工作模式中不存在常规电子。在电容工作模式中，电容耦合输入结构用作电极。这些电极用作绝缘器(介电材料)，一方面，电极接触气体放电，另一方面，电极与一个外部电路电连接(例如利用一个金属触点)。当把交流电压加到电容电极上时，在放电管内形成交变电场，电荷载流子沿所述交变电场的线性电场移动。在高频范围内(＞10MHz)，电容灯类似于感应灯，因为在该范围内，电荷载流子还在全部气体空间内产生。介电电极的表面特性在此并不重要(所谓α放电模式)。在低频下，电容灯变换工作模式，对于放电来说很重要的电子一开始就必须从介电电极表面辐射，在所谓阴极电压降区域累乘，以便保持放电。随后，介电材料的辐射行为决定了灯的性能(所谓γ放电模式)。
公知的气体放电灯的缺陷在于它们的工作需要驱动电路。所述的驱动电路用于灯的气体放电点燃，在电路中为灯的工作提供适当的镇流。如果外部电路中没有适当的灯镇流，由于放电管内气体空间中的电荷载流子增加，气体放电灯中的电流显著增加，以致于灯被迅速毁坏。
这种气体放电灯还披露于美国专利说明书US2624858中。一种具有电容电极的气体放电灯通过一种在工作频率低于120Hz下具有较高介电常数ε＞100(优选ε＞2000)的介电材料工作。外部电压必须在500V至10,000V之间变化。结果，这种电容气体放电灯不能使用家庭使用的主线电流工作(230V，50Hz)，而是需要一个含有驱动电路的电路。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种至少包括一个电容耦合输入结构并具有改进的工作特性的气体放电灯。
在根据本发明的气体放电灯中，上述目的是这样实现的：提供一种介电体，其具有介电饱和极化强度P和有效表面A形成电容耦合输入结构，乘积为P·A＞10-5C。根据本发明的气体放电灯包括一个公知的含有常规充填气体的透明放电管(例如，对于低压气体放电灯，用一种惰性气体或者一种含有水银的惰性气体)。该放电管中具有至少两个空间分离的电极或者耦合输入结构，其中至少其一形成为电容耦合输入结构。本发明的电容耦合输入结构可以与例如金属电极组合。电容耦合输入结构的介电体可以是一层或者多层。对于每一介电层，使用介电饱和极化强度P和有效面积A(即与放电管内的等离子体接触和电接触的面积)的乘积为P·A＞10-5C的材料制成。于是，最大电荷Q＝2P·A可以在一个周期内运送。在这种情况下，一方面应该选择足够高的最大电荷Q，以便在工作频率f下平均电流Q·F可以流动，另一方面，利用最大电荷使灯具有适当的镇流。对于电容耦合输入结构用的介电体，优选采用介电饱和极化强度P＞10-5C/cm2和有效面积A近似为10cm2的材料制成。显然，也可以想到使用多个另外的耦合输入结构，而不脱离本发明权利要求的保护范围，该耦合输入结构具有本发明的能够将介电材料的材料性能和几何外形适当地结合起来的特点。
尤其可以采用家庭使用的主线电流(例如230V/50Hz)，而不使用具有驱动电路的电路使这种灯可以工作。气体放电灯的最佳实施例也可以从其它权利要求中得到，下面将给出有关最佳实施例的描述。
从以下参照实施例的描述中，本发明的这些和其它方面将会变得更加清楚。
附图说明
在附图中：
图1表示本发明气体放电灯第一个可能实施例的示意图；
图2表示气体放电灯的又一个可能的实施例；
图3表示第三个实施例。
具体实施方式
在所有实例中，介电起动材料是具有本发明的特点的介电固体。所使用的电容耦合输入结构的介电材料用Ba(Ti1-xZrx)O3优选用Ba(Ti0.9Zr0.1)O3制成，掺入少量Mn受体材料。永久内部电偶极子具有饱和极化强度P≈1.5·10-5C/cm2。矫顽磁场强度是Ec≈60V/mm。结果，介电饱和极化强度P和有效面积A的乘积为P·A＞10-5C，对于所有实施例的电容耦合输入结构，矫顽磁场强度Ec与介电材料的有效厚度d的乘积为Ec·d＜200V。构成电容耦合输入结构的介电体的击穿电场强度Ebd和有效厚度d的乘积Ebd·d＞200V。介电体的有效表面积为A＞0.5cm2，有效厚度为d＜5mm。利用以上材料，气体放电灯可以直接利用家庭使用的主线电流工作，而不需要额外的驱动电路。但是，介电材料的选择不限于上述材料。也可以使用其它所有的介电材料，优选顺电材料，铁电材料和抗铁电材料，其中饱和极化强度和有效表面A的乘积满足P·A＞10-5C。
介电材料在面对等离子体的表面必须是稍微具有电子辐射性的。为了表征介电体的辐射性能，用到了面对等离子体的表面的离子流和电子流之比。该比值是指离子感应二次辐射系数γ。为了能够在主线电压下工作，γ值应该大于0.001，因为该等离子体不能够在较低值下点燃。在等离子体发光部分和介电材料表面之间形成一个狭窄的近似1mm厚的等离子体边界层。等离子体边界层内的功率输出如果为高值，会显著降低灯的效率。二次辐射系数γ高，导致功率系数减小，因而提高了灯的效率。因此特别适合用作介电体的材料是那些在灯运行期间面对等离子体的表面显示附加电子沉积的材料，这导致二次辐射系数γ＞0.01。
在气体放电灯的所有可以获得的实例中，可以通过选择压力和充填气体，以便电容耦合输入结构在非标准辉光模式下工作，来提高效率或者降低电磁扰动辐射。结果，阴极电压降区域使整个气体放电灯具有正的U/I特性。
图1表示具有一个用玻璃管1作为气体放电管的电容式气体放电灯。玻璃管1的内表面涂覆荧光材料，内径为50mm，充填5.1×10-3千克力/cm2的Ar和5mg的Hg。在玻璃管两端，布置有一个介电体和电容耦合输入结构，包括盘形介电层2和导电层3。介电层2为盘形，直径为5cm，厚度为0.5mm，由掺混少量Mn受体材料的Ba(Ti0.9Zr0.1)O3构成。介电层2通过焊接附着于气体放电管1，形成真空密封连接。导电层3利用银胶形成，从而构成与外部电源线4连接的电触点。在该实施例中，外部电源线4是家庭使用的主线(230V，50Hz)。当主线电压导通时，灯中气体放电点燃，形成稳定的气体放电。电子到达介电材料表面，并附着于其上。在灯工作期间，介电体(2)被充电，导致产生介电耦合输入结构(2)之间的电场，结果，在AC电压源的下一个半相中(在电流逆向之后)产生简易点燃并增加了离子感应二次辐射系数。结果，阴极电压降区域(在没有光的耦合输入结构附近的暗区)减少，因此气体放电灯的效率提高。
图2表示一个包括一个用玻璃管5作为气体放电管的灯，管内径较小。内径仅为9mm，玻璃管5内表面涂覆发光材料，充填15.3×10-3千克力/cm2的Ar和5mg的Hg。在这种情况下，玻璃管5每一端都布置有由盘形介电层2和导电层3组成的介电耦合输入结构。在此，介电层2由掺混少量Mn受体材料的Ba(Ti0.9Zr0.1)O3的盘构成，该盘的直径为5cm，厚度为0.5mm。介电盘2以真空密封的方式利用玻璃焊接技术与玻璃管5连接。导电层3由银胶形成，从而构成与外部电源线4连接的电触点。并且在该实施例中，家庭使用的主线(230V，50Hz)用作外部电源线4。内径较小的结果是，本实施例的灯具有较高的效率，因为气体放电的阳极区和电极及阴极电压降区域可以被分别优化。
表示于图3中的灯的实施例包括由一个弯曲的玻璃管6构成的放电管。该玻璃管6的内表面涂覆发荧光材料，内径9mm，充填15.3×10-3千克力/cm2的Ar和5mg的Hg。在玻璃管每一端都布置有由介电材料(具体为掺混的BaTiO3)的圆柱管7形成的介电耦合输入结构。介电圆柱管7外径为10mm，壁厚为0.5mm，长度为60mm。该玻璃管6通过以焊接方式设置的盘形介电盖8以真空密封形式加以封装。介电圆柱管7布置有一层导电银，从而可以形成电触点。通过所述触点，灯与外部电源线4(230V，50Hz)连接。该气体放电灯具有便携式设计，机械稳定性高，照明效率非常好。尤其考虑到放电管的设计或者用于耦合输入结构的介电体和导电材料的选择(例如为了满足考虑到灯的形状或者生产技术数据的特定要求)，当然也可以构成本发明气体放电灯的其它实施例。而且，显然本发明的灯不限于电磁辐射局限于可见光谱区的灯。

Claims (4)

1.一种具有至少一个电容耦合输入结构的气体放电灯，其特征在于，其介电体(2)设置成具有介电饱和极化强度P和有效表面面积A以形成电容耦合输入结构(2)，其中乘积P·A＞10-5C，并且具有矫顽磁场强度Ec和有效厚度d的介电体(2)构成电容耦合输入结构(2)，其中乘积Ec·d＜200V。
2.如权利要求1所述的气体放电灯，其特征在于，所述介电体(2)由顺电性、铁电性、或抗铁电性固体物质构成。
3.如权利要求1所述的气体放电灯，其特征在于，所述介电体(2)由掺有受体掺杂剂的Ba(Ti1-xZrx)O3构成，并且锆的含量为x＝0.10。
4.如权利要求3所述的气体放电灯，其特征在于，具有Mn3+的掺杂剂构成所述受体掺杂剂。
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