CZ300556B6

CZ300556B6 - Arc discharge lamp with cold cathode

Info

Publication number: CZ300556B6
Application number: CZ20021012A
Authority: CZ
Inventors: Seidelmann@Louis
Original assignee: Ceské vysoké ucení technické v Praze Fakulta elektrotechnická
Priority date: 2002-03-20
Filing date: 2002-03-20
Publication date: 2009-06-17
Also published as: CZ20021012A3

Abstract

In the present invention, there is disclosed an arc discharge lamp with cold cathode comprising a tube filled with gas or vapors and accommodating an anode (1) and a cold cathode (2) wherein a direct-current power supply source is connected between said anode (1) and said cold cathode (2).

Description

Oblast technikyTechnical field

Vynález se týká výbojky s nežhavenou katodou, kde je buzení výboje mezi elektrodami řešeno na novém principu.The invention relates to a non-glow cathode lamp, wherein the excitation of the discharge between electrodes is solved on a new principle.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Dosud známý způsob buzení výboje mezi elektrodami využívá emise elektronů katodou především bud’ sekundární emisí, nebo termoemisí. Obvykle se jedná o samostatný výboj. Životnost katody, která je emisí opotřebovávána, omezuje zásadním způsobem životnost celé výbojky.The prior art method of exciting discharge between electrodes utilizes cathode emission primarily through either a secondary emission or thermo-emission. Usually it is a separate discharge. The lifetime of the cathode being worn by the emission substantially reduces the lifetime of the entire lamp.

Výboj je možno podle současného stavu techniky budit také indukčně. Zařízení pro buzení takového výboje je nákladné. Konstrukce indukčně buzené výbojky je značně ovlivněna nutností omezení ztrát v budicích magnetických obvodech. Zvláště délka výbojové dráhy a tlak náplně jsou limitovány ekonomickými hledisky. Provoz je vždy spojen s rušivým elektromagnetickým vyzařováním, jehož omezování je nákladné a limitující pro uspořádání výbojky.The discharge can also be inductively excited according to the prior art. The device for generating such a discharge is expensive. The design of the inductively excited lamp is greatly influenced by the need to reduce losses in the excitation magnetic circuits. In particular, the discharge path length and charge pressure are limited by economic considerations. Operation is always associated with interfering electromagnetic radiation, the restriction of which is expensive and limiting for the arrangement of the lamp.

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Uvedené nevýhody významně omezuje výbojka s nežhavenou katodou tvořená trubicí naplněnou plynem nebo parami, uvnitř které je umístěna anoda a nežhavená katoda, mezi nimiž je připojen stejnosměrný napájecí zdroj. Podstatou nového řešení je, že trubice se v blízkosti nežhavené katody rozvětvuje a vnitřní prostor rozvětvených částí vytváří uzavřený okruh obepínající první plochu, například rovinu ohraničenou tímto okruhem, kterou prochází budicí feromagnetické jádro s budicím vinutím připojeným k budicímu generátoru. Budicí feromagnetické jádro vytváří uzavřený magnetický obvod. Současně toto budicí feromagnetické jádro obepíná druhou plochu, kterou prochází uzavřený okruh, například rovinu ohraničenou feromagnetickým jádrem prstencového tvaru. Elektrický potenciál anody je vyšší než elektrický potenciál katody.These disadvantages are significantly reduced by a non-glow cathode lamp consisting of a tube filled with gas or vapor inside which is located an anode and a non-glow cathode with a DC power supply connected thereto. The essence of the novel solution is that the tube branches in the vicinity of the non-heated cathode and the inner space of the branched parts forms a closed circuit enclosing the first surface, for example a plane bounded by this circuit, passing through the excitation ferromagnetic core with excitation winding connected to the excitation generator. The excitation ferromagnetic core forms a closed magnetic circuit. At the same time, the excitation ferromagnetic core encircles a second surface through which a closed circuit passes, for example a plane bounded by a ferromagnetic core of annular shape. The electrical potential of the anode is higher than the electrical potential of the cathode.

Ve výhodném provedení lze mezi anodou a uzavřeným indukčním okruhem umístit nejméně jednu rekombinaění elektrodu, jejíž elektrický potenciál je nižší než elektrický potenciál anody.In a preferred embodiment, at least one electrode recombination whose electrical potential is lower than the electrical potential of the anode can be placed between the anode and the closed induction circuit.

Lze tedy říci, zeje v podstatě vytvořena výbojka, která má virtuální katodu. Nesamostatný výboj se zde uskutečňuje mezi anodou a katodou, mezi kterými protéká stejnosměrný proud, a to tak, že z plazmatu vytvářeného indukčním buzením v uzavřeném okruhu difundují na katodu kladné ionty, zatímco směrem k anodě proudí elektrony, které vyvolávají při svém převážně chaotickém tepelném pohybu excitaci atomů a také jejich ionizaci v míře potřebné pro kompenzaci ambipolární difúze a rekombinace.Thus, a lamp having a virtual cathode is essentially formed. An independent discharge occurs here between the anode and the cathode between which direct current flows, in that positive ions diffuse from the plasma generated by the induction excitation in the closed circuit, while electrons flow towards the anode, which evoke in their mostly chaotic thermal motion excitation of atoms and also their ionization to the extent necessary to compensate for ambipolar diffusion and recombination.

Předností předloženého řešení výbojky s nežhavenou katodou je možnost buzeni nesamostatného výboje při minimálním opotřebení katody, na které navíc nedochází k tzv. katodové ztrátě spojené s emisí elektronů. Nesamostatný výboj přitom není zdrojem rušivého elektromagnetického pole. Při napájení nesamostatného výboje vyhlazeným stejnosměrným napětím je excitace v jeho plazmatu v čase rovnoměrná. Výkon dodávaný do uzavřeného okruhu budicím generátorem je menší než u běžné indukční výbojky a konstrukce budicího generátoru je i s ohledem na menší nároky na energetickou účinnost méně nákladná. Uzavřený okruh je malý a může být i elektricky stíněn, vyzařuje tedy méně rušivé elektromagnetické energie než běžná indukčně buzená výbojka. Velikost elektrického proudu protékajícího mezi anodou a katodou je v širokém rozsahu napětí mezi anodou a katodou na tomto napětí nezávislá a k napájení nesamostatného výboje lze přímo použít napěťový zdroj.The advantage of the present solution of a non-glow cathode lamp is the possibility of exciting an independent discharge with minimal cathode wear, which, moreover, does not cause the so-called cathode loss associated with the emission of electrons. An independent discharge is not a source of disturbing electromagnetic field. The excitation in its plasma is uniform over time when the discharged discharge is supplied by smoothed DC voltage. The power supplied to the closed circuit by the excitation generator is less than that of a conventional induction lamp, and the design of the excitation generator is less expensive due to the lower energy efficiency requirements. The closed circuit is small and can also be electrically shielded, thus emitting less disturbing electromagnetic energy than a conventional inductive lamp. The magnitude of the electrical current flowing between the anode and cathode is independent of this voltage over a wide voltage range between the anode and cathode, and a voltage source can be directly used to power the discharge.

-1 CZ 300556 B6-1 CZ 300556 B6

Přehled obrázků na výkresechOverview of the drawings

Provedení výbojky podle předkládaného řešení je blíže objasněno na příkladu pomocí přiloženého výkresu. Na obr. 1 je znázorněn jeden příklad konstrukce výbojky. Na obr. 2 je znázorněn příklad obdobné konstrukce doplněné rekombinační elektrodou.The embodiment of the lamp according to the present invention is illustrated by way of example with reference to the accompanying drawing. FIG. 1 shows one example of a lamp construction. Fig. 2 shows an example of a similar structure supplemented with a recombination electrode.

Příklad provedení vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Výbojka podle obr. 1 tedy sestává z elektricky nevodivého pláště tvořeného trubicí 6 s uzavřeným indukčním okruhem 9, který je svou podstatou vlastně indukčním okruhem, a naplněného plynem nebo parami. Uvnitř trubice 6 je umístěna anoda i a nežhavená katoda 2, dále v tomto textu označovaná pouze jako katoda 2. Elektrický potenciál anody 1 je vyšší než elektrický potenciál katody 2. Trubice 6 se v blízkosti katody 2 rozvětvuje a vnitřní prostor těchto rozvětvených částí vytváří uzavřený indukční okruh 9 ve formě prstence. V daném příkladě tato rozvětvení následně opět přecházejí zpět v trubici 6. Rozvětvené části obepínají tak první plochu, například rovinu ohraničenou rozvětvenými částmi trubice 6, kterou je provlečeno budicí feromagnetické jádro 4, například dvoudílné toroidní feritové jádro, naznačené na obrázku v řezu. Toto feromagnetické jádro 4 tvoří uzavřený magnetický obvod a je ovinuto budicím vinutím 5 připojeným k budicímu generátoru. Současně pak toto budicí feromagnetické jádro 4 obepíná druhou plochu, například rovinu ohraničenou feromagnetickým jádrem 4, v uváděném příkladě prstencového tvaru, kterou prochází uzavřený indukční okruh 9.The lamp according to FIG. 1 thus consists of an electrically non-conductive sheath formed by a tube 6 with a closed induction circuit 9, which is essentially an induction circuit and filled with gas or vapors. Inside the tube 6 is located anode 1 and non-heated cathode 2, hereinafter referred to only as cathode 2. The electrical potential of anode 1 is higher than the electrical potential of cathode 2. The tube 6 branches in the vicinity of cathode 2. ring 9 in the form of a ring. In the present example, these branches then return back to the tube 6. The branched portions thus surround a first surface, for example a plane bounded by the branched portions of the tube 6, through which the excitation ferromagnetic core 4, for example the two-piece toroidal ferrite core is shown. This ferromagnetic core 4 forms a closed magnetic circuit and is wrapped by an excitation winding 5 connected to an excitation generator. At the same time, the excitation ferromagnetic core 4 encircles a second surface, for example a plane bounded by the ferromagnetic core 4, in the present example of annular shape, through which the closed induction circuit 9 passes.

Výbojka pracuje tak, že budicím vinutím 5 protéká střídavý proud z generátoru, jehož připojení není na výkrese naznačeno. V uzavřeném indukčním okruhu 9 je indukčně buzen bezelektrodový výboj 3. Z plazmatu bezelektrodového výboje 3 na katodu 2 difundují kladné ionty a na této katodě 2 dochází k jejich rekombinaci. Od katody 2 k bezelektrodovému výboji 3 pak proudí zpět neutrální atomy nebo molekuly podle použité náplně. Z plazmatu bezelektrodového výboje 3 jsou také anodou i přitahovány a urychlovány elektrony, které cestou k anodě 1 mohou excitovat nebo ionizovat neutrální částice nebo mohou nekombinovat s kladnými ionty, čímž vzniká v trubici 6 nesamostatný výboj 7. Na konci trubice 6 jsou elektrony pohlcovány anodou 1 a mezi oběma elektrodami tak teče elektrický proud.The lamp operates in such a way that alternating current flows through the excitation winding 5 from a generator whose connection is not indicated in the drawing. In the closed induction circuit 9, an electrode-free discharge 3 is inductively excited. Positive ions diffuse from the electrode-free plasma 3 on the cathode 2 and recombine on this cathode 2. Neutral atoms or molecules flow back from the cathode 2 to the electrode-free discharge 3, depending on the charge used. Electrodes are also attracted and accelerated from the plasma of the electrode-free discharge 3, which can excite or ionize neutral particles or do not combine with positive ions in the way to the anode 1, thereby creating an independent discharge in tube 6. At the end of tube 6 electrons are absorbed by anode 1 and an electric current flows between the two electrodes.

Výbojka podle obrázku 2 je vytvořena stejně jako v příkladu na obr. 1 pouze s tím rozdílem, že podle parametrů výboje lze s výhodou umístit mezi anodu I a uzavřený okruh 9 také nejméně jednu rekombinační elektrodu 8 odčerpávající z nesamostatného výboje kladné ionty. V uzavřeném indukčním okruhu 9 je indukčně buzen bezelektrodový výboj 3. Z plazmatu bezelektrodového výboje 3 na katodu 2 difundují kladné ionty a na katodě 2 dochází k jejich rekombinaci. Od katody 2 k bezelektrodovému výboji 3 pak proudí zpět neutrální atomy nebo molekuly podle použité náplně. Z plazmatu bezelektrodového výboje 3 jsou také anodou 1 přitahovány a urychlovány elektrony, které cestou k anodě 1 mohou excitovat nebo ionizovat neutrální částice nebo mohou rekombinovat s kladnými ionty, Čímž vzniká v trubici 6 nesamostatný výboj 7. Na konci trubice 6 jsou elektrony pohlcovány anodou 1 a mezi oběma elektrodami tak teče elektrický proud. Kladné ionty u konce kladného sloupce v trubici 6 protějšího k anodě 1 difundují na rekombinační elektrodu 8. Elektrický potenciál rekombinační elektrody 8 je nižší než anody 1. Mezi anodou i a rekombinační elektrodou 8 tak teče elektrický proud kladného sloupce nesamostatného výboje a mezi anodou I a katodou 2 teče elektrický proud potřebný pro udržení nesamostatného výboje.The lamp according to FIG. 2 is formed in the same way as in the example of FIG. 1, except that according to the parameters of the discharge, at least one recombination electrode 8 which draws positive ions from the discharged discharge can advantageously be placed between the anode I and the closed circuit. In the closed induction circuit 9, an electrode-free discharge 3 is inductively excited. Positive ions diffuse from the electrode-free plasma 3 on the cathode 2 and recombine on the cathode 2. Neutral atoms or molecules flow back from the cathode 2 to the electrode-free discharge 3, depending on the charge used. Electrodes are also attracted and accelerated from the electrode-free plasma 3 by the anode 1, which can excite or ionize neutral particles or recombine with positive ions by way of the anode 1, resulting in an independent discharge 7 in the tube 6. and an electric current flows between the two electrodes. Positive ions at the end of the positive column in the tube 6 opposite to the anode 1 diffuse to the recombination electrode 8. The electrical potential of the recombination electrode 8 is lower than the anodes 1. Thus, the current of the positive discharge current column flows between the anode 2, the electric current required to maintain a discharged discharge flows.

Tato popsaná základní uspořádání lze různým způsobem modifikovat s tím, že umístění uzavřeného indukčního okruhu 9 na trubici 6 může být různé při zachování podmínky blízkosti katody 2 a funkce uzavřeného indukčního okruhu 9.These described basic arrangements can be modified in various ways, with the positioning of the closed induction circuit 9 on the tube 6 being different while maintaining the condition of proximity to the cathode 2 and the function of the closed induction circuit 9.

-2CZ 300556 B6-2GB 300556 B6

Zapálení indukčního výboje lze s výhodou usnadnit střídavým elektrickým polem mezi elektrodami umístěnými vně uzavřeného indukčního okruhu 9 a připojenými k budicímu nebo pomocnému vinutí budicího feromagnetického jádra 4.The ignition of the induction discharge can advantageously be facilitated by an alternating electric field between the electrodes located outside the closed induction circuit 9 and connected to the excitation or auxiliary winding of the excitation ferromagnetic core 4.

Zapálení nesamostatného výboje lze s výhodou usnadnit střídavým elektrickým polem mezi elektrodami umístěnými vně trubice 6 a připojenými k budicímu nebo pomocnému vinutí budicího feromagnetického jádra 4.Advantageously, ignition of the discharged discharge can be facilitated by an alternating electric field between the electrodes located outside the tube 6 and connected to the excitation or auxiliary winding of the excitation ferromagnetic core 4.

Je-li výboj buzen v parách, jejichž tlak je pro optimální pracovní podmínky výboje vhodné stabiío lizovat, je s výhodou možné zapojit do série s budicím vinutím magnetizační vinutí stabilizačního feromagnetického obvodu, kteiý je navržen tak, aby střídavou magnetizací došlo k jeho ohřevu na tzv. Curieovu teplotu. Feromagnetický obvod by měl být umístěn v tzv. chladném bode výbojky nebo např. tak, aby byl tepelně spojen s amalgámem, jedná-li se o výboj ve rtuťových parách. Použitý feromagnetický materiál musí mít vhodnou Curieovu teplotu.If the discharge is excited in vapors whose pressure is suitable for stabilizing the discharge for optimum working conditions, it is advantageously possible to connect in series with the excitation winding the magnetization winding of the stabilizing ferromagnetic circuit, which is designed to heat it to Curie temperature. The ferromagnetic circuit should be located at the so-called cold point of the lamp or, for example, so that it is thermally coupled to the amalgam if it is a mercury vapor discharge. The ferromagnetic material used must have a suitable Curie temperature.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Uvedená výbojka s nežhavenou katodou podle vynálezu je zejména vhodná pro použití v techni20 ce reklamních trubic, uskutečňuje-li se výboj například v čistém kryptonu s tlakem řádu desítek Pa nebo v jiném plynu, který také při běžné konstrukci trubice rychle rozprašuje katodu.The non-glow cathode lamp of the present invention is particularly suitable for use in advertising tube technology when the discharge is effected, for example, in a pure krypton at a pressure of tens of Pa or in another gas which also rapidly sputters the cathode.

Claims

PATENT CLAIMS

1. A non-glow cathode lamp consisting of a tube filled with gas or vapor in which it is contained

An anode and a non-heated cathode are connected to which a DC power supply is connected, characterized in that the tube (6) branches in the vicinity of the non-heated cathode (2) and the inner space of the branched parts forms a closed induction circuit (9). the excitation ferromagnetic core (4) passes with the excitation winding (5) connected to the excitation generator, wherein the excitation ferromagnetic core (4) forms a closed magnetic circuit and at the same time the excitation ferromagnetic core (4) surrounds the second surface through which the closed induction circuit (9) ), wherein the electrical potential of the anode (1) is higher than the electrical potential of the cathode (2).

The lamp according to claim 1, characterized in that between the anode (1) and the closed one

At least one recombination electrode (8), the electrical potential of which is lower than the electrical potential of the anode (1), is located in the induction circuit (9).