DE2601587B2

DE2601587B2 - Leuchtstofflampe

Info

Publication number: DE2601587B2
Application number: DE19762601587
Authority: DE
Inventors: John Melvin Scotia N.Y. Anderson (V.St.A.)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-01-20
Filing date: 1976-01-17
Publication date: 1979-11-08
Also published as: GB1555095A; GB1555099A; DE2601587C3; JPS59940B2; DE2659859A1; DE2659859C2; IT1054250B; JPS5635365A; NL7600572A; DE2601587A1; BE837718A; FR2298187B1; FR2298187A1; JPS51122973A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Leuchtstofflampe mit einem lichtdurchlässigen Kolben, einem Ferrilkern mit einer Wicklung zum Erregen des Kernes mit einem hochfrequenten Magnetfeld und einem ionisierbaren Medium innerhalb des Kolbens, das eine elektrische Entladung aufgrund eines darin durch den Ferritkern induzierten elektrischen Feldes aufrechterhält und dabei Strahlung emittiert, sowie einem Leuchtstoff auf der Innenseite des Kolbens, der die Strahlung in sichtbares Licht umwandelt.

Eine Leuchtstofflampe der vorstehenden Art ist in der US-PS J5 21120 beschrieben. Der Kolben dieser bekannten Leuchtstofflampe ist ringförmig ausgebildet und ein stabförmiger Ferritkern erstreckt sich durch die Ringöffnung. Durch diese Form hat die bekannte Leuchtstofflampe beim Betrieb ein hochfrequentes Magnetfeld in der den Kolben umgebenden Luft und stellt somit eine unangenehme Quelle für elektromagnetische Strahlung und Störung dar.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besieht

darin, eine Leuchtstofflampe der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß hochfrequente Magnetfelder in der Umgebung des Kolbens erheblich veringert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kolben im wesentlichen kugelförmig ausgebildet ist und der Ferritkern eine geschlossene Schleife bildet, die in dem Koiben enthalten ist.

to Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert Im einzelnen zeigt
F i g. I eine vollständige Leuchstofflampe,

:ä Fig.2a eine teilweise geschnittene Vorderansicht eines Ausführungsbeispiels der Lampe mit einer senkrecht zu den Basisleitern verlaufenden Ferritkernachse,

F i g. 2b eine Vorderteilansicht des Plasmas innerhalb der Lampe gemäß F i g. 2a,

F i g. 2c eine Seitenansicht des Piasinas gemäß F ig. 2b.

Fig.2d und 2e Schnittansichten des Plasmas gemäß den F i g. 2b und 2c,

Fig.3a und3bSchnittansichten eines Ferritkerns mit einem in Umfangsrichtung verlaufenden Wärmeübertragungsband,

Fig.4 eine teilweise geschnittene Vorderansicht eines anderen Ausführungsbeispiels der Lampe mit einer parallel zi· den Basisleitern verlaufenden Ferritkernachse,

F i g. 5 eine Schnittansicht eines Ferritkerns mit einem axialen Wärmeübertragungsring und

Fig.6 eine schematische' Darstellung der Bctriebs-

ij schaltung für die Lampe.

Fig. 1 zeigt eine Außenansichi einer vollständigen Leuchtstofflampe. Ein mit Leuchtstoff überzogener lichtdurchlässiger Kolben U enthält ein ionisierbares Gas und einen nicht dergesleJitcn Ferritkern. Eine Festkörper-Leistungsversorgung und ein Vorschaltkreis sind in einer Basisanordnung 12 eingeschlossen, die mit dem Lampenkolben Il verbunden ist. Ein üblicher Edison-Schraubsockel 13. der in die Basisanordnung 12 eingefügt ist, kann Energie von üblichen Glühlampcn-Fassungen aufnehmen. Die vollständige Struktur ähnelt einer üblichen Glühlampe mit beispielsweise einem Kolbendurchmesser von 7.6 cm und sie ist mit Beleuchtungseinrichtungen kompatibel, die für eine derartige Konfiguration ausgelegt sind.

Eine bevorzugte Orientierung für die inneren Lampenkomponenten ist in der Vordcrschnittansicht gemäß F i g. 2a gezeigt. Ein im wesentlichen kugelförmiger evakuierter Lampenkolben II, der aus Glas bestehen kann, ist unter Verwendung bekannter Techniken geformt. Ein Abschnitt des Lampenkolbens bildet eine Basis Ma, die von zwei metallischen Halterungsstäbcn 15 durchbohrt ist, die in bekannter Weise mit dem Glas verbunden sind, um Vakuumdichtungen 16 zu bilden. Eine Wicklung aus elektrisch leitendem Material 17, das beispielsweise mit Glasfiberstoff isoliert sein kann, ist zwischen den metallischen Halterungsstäben 15 angeordnet und durch einen eine geschlossene Schleife bildenden Ferritkern 18 verbunden, der dadurch innerhalb des Lampenkolbens Il

f>5 gehaltert ist. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Wicklungsenden 17a derart orientiert, daß die Achse des Kernes 18 senkrecht zu den Halterungssläbcn 15 angeordnet ist. Die spezifische Wicklungskonfiguration

wird durch die Eingangsbetriebsspannung der Lampe bestimmt. Typischerweise können die Wicklungen se gewählt sein, daß für jeweils 5 Volt Eingangsspannung eine Windung auf dem Kern genommen wird.

Der Raum innerhalb des Kolbens 11 enthält ein ionisierbares Gas 19, das mit dem in üblichen Leuchtstofflampen verwendeten identisch sein kann und das eine Mischung aus einem Edelgas, wie Krypton und Quecksilberdampf enthalten kann. Die innere Oberfläche des Glaskolbens 11 und die äußeren Oberflächen des Ferritkernes 18 sind mit einem geeigneten, UV absorbierenden und sichtbares Licht emittierenden Leuchtstoff 20 überzogen, wie einem bekannten Kalziumhalogenapatit. Diese Leuchtstoffe sind in der Lage, die ultraviolette Strahlung des ionisierten Quecksilberdampfes zu absorbieren, der im allgemeinen einen Spitzenwert von etwa 2537 - iO-⁸cm hat, und bei einer dadurch erfolgten Anregung Strahlung innerhalb des sichtbaren Spektrums zu emittieren, um eine höchst effiziente und angenehme Lichtausbeute zu erzeugen, in Hiesem Ausführungsbeispiel erzeugt das ionisierte Gas nicht das emittierte sichtbare Licht, sondern die Strahlung, die eine Lichtemission aus einem Leuchtstoff bewirkt. Dies erlaubt eine relativ niedrige Eingangsleistung in das icnisierbare Gas. Eine Quelle 21 für hochfrequente elektrische Leistung, die außerhalb des Lampenkolben? und vorzugsweise innerhalb der Basisanordnung J2 angebracht ist, bewirkt einen Stromfluß durch die Hallcrungsstäbe 15 und die Primärwicklung 17 des Ferrilkernes 18, der dadurch mit einem Magnetfeld erregt wird. Der Kern induziert einen elektrischen S'romfluu in dem Gas 19. ionisiert dieses Cjas und regt die Emission von ultravioletter Strahlung bei etwa 2537 · IO-⁸ cm an.

In einer für übliche Entladungslampen typischen Weise stellt das ionisierte Gas eine elektrische Last mit negativer Impedanz dar, die eine ungeschützte Leistungsquelle mit niedriger Impedanz zerstören würde. Eine Vorschaltimpedanz 24, die mi· der Leisuingsquclle 21 und einem Halterungsstab 15 in Reihe geschaltet ist. sorgt für eine ausreichende psoitive Impedanz, um die negative Impedanz des Gases auszugleichen und der Leistungsquelle eine Last mit positiver Impedanz zu geben, wodurch ein stabiler Betrieb sichergestellt wird.

Augenscheinlich ist die Wahl des Kernmaterials ein wichtiger Faktor für einen Betrieb dieser Lampe. Das Ferritmaterial muß so ausgewählt sein, daß es hohe Permeabilität und einen niedrigen internen Wärmeverlust bei der Betriebsfrequenz liefert. Bekanntlich ist ein Ferrit ein keramikähnliches Material, das sich durch ferromagnetische Eigenschaften auszeichnet und gewöhnlich eine Spinell-Struktur mit einem kubischen Kristallgitter und die allgemeine Formel MeFcX)^ hat, wobei Mc ein Metallatom darstellt.

Die verwendeten Kerne müssen aus einem derartigen Material bestehen und eine solche Konfiguration haben, daß die Kcrnvcrluste nicht größer als 50% sind, damit eine effektive Kopplung der elektromagnetischen Energie in die Lichtquelle herbeigeführt werden kann, In ähnlicher Weise vermindern niedrigere Kernverluste die Erhitzung des Kernes und senken die Möglichkeit einer Zerstörung auf ein Minimum und bringen den Wirkungsgrad des Kernes auf ein Maximum. Vorzugsweise werden die Kernverluste auf weniger als 25% der gesamten Eingangsleistung gehalten.

Es ist ein Kcrnmaicrial mit hoher Permeabilität erforderlich, um eine angemessene Kopplung der

hochfrequenten Energie mit dem Gas bei minimaler elektromagnetischer Strahlung sicherzustellen. Ein Ferrit mit einer relativen Permeabilität von wenigstens 2000 ist vorteilhaft. Es stehen geeignete Ferrite zur Verfügung mit diesen Charakteristiken über dem Frequenzbereich von 25 kHz bis I MHz. Vom Standpunkt der Verminderung der Ferritverluste ist ein Betrieb bei hoher Frequenz wünschenswert; aber die Kosten für gegenwärtig verfügbare Halbleiter für eine Verwendung in der hochfrequenten Leistungsquelle 21 begrenzen die maximale Frequenz, bei der eine praktische Lampe betrieben werden kann, auf etwa 50 kHz. Besonders geeignet ist ein Material, das sich durch Verluste von weniger als 3OmWCm-³ bei IO-⁵ Weber/cm² Spitzenflußdichte für einen Betrieb bei 50 kHz auszeichnet.

In einer typischen Lampe von beispielsweise 40 Watt hat der Ferritkern 18 eine Dicke von 1,3 cm, einen Innendurchmesser von 3 cm und einen Außendurchmesser von 5 cm. Die MagnetfluPJichte innerhalb des Kernes beträgt etwa iö"³ Weber/cm²

Obwohl es möglich ist, einen blanken Ferritkern innerhalb des Kolbens 11 zu verwenden, ist es vorteilhaft, den Kern 18 mit einer gasundurchlässigen Gla-schicht 25 vor dem Überziehen mit dem Leuchtstoff 20 zu versehen. Die Glasschicht 25 stellt eine minimale Entgasung des Ferritkernes sicher und gestattet konventionelle Erhitzungstechniken beim Aufbringen des Leuchststoffüberzuges.

Im Betrieb bildet das ionisierte Gas ein den Ferritkern koppelndes Plasma. Die Form dieses Plasmas kann durch Verändern des Gasdruckes innerhalb der Lampe über den Bereich von etwa 27 bis etwa 266 Pascal eingestellt werden. Es wurde gefunden, daß ein Gasdruck von etwa 133 Pascal ein Gasplasma erzeugt, das die Lampe gleichförmig ausleuchtet.

Die Form eines typischen Plasmas 22 ist in den Fig. 2b und 2c zusammen mit den Schnit ansichtcn gemäß Fig. 2d und 2e dargestellt. In diesen Ansichten wurden alle Lampenkomponenten mit Ausnahme des . erritkernes 18 zur Verbesserung der Klarheit weggelassen.

Trotz des verbesserten Wirkungsgrades der oben angegebenen Ferritmaterialien muß oberhalb von 10 Watt Wärme durch den Ferritkern einer 40-Watt-Lampe abgeführt werden. Da der Kern dieser Lampe im wesentlichen im Vakuum arbeitet, ist die Wärmeabfuhr ein kritisches Problem. So ist bekannt, daß die Curie-Punkte von Fcrritmaterialien, die für Anwendungen der vorliegenden Art geeignet sind, unterhalb ! 50"C liegen können und daß ferner die Wirkungsgrade von Leuchtstoffen bei Temperaturen oberhalb von 170"C abnehmen. Demzufolge erfordern diese Temperaturen Lampengestaltunpcn, die einen Lampenbeirieb unterhalb dieser Temperaturen gestatten.

Die Fig. 3a und 3b stellen eine Wärme vom Kern abführende Struktur dar, die für eine Verwendung mit der Lampe gemäß Γ i g. 2 geeignet ist. Ein Metallband 29 ist mit dem äußeren Umfang des Ferritkernes 18 verbunden und mit den Halterungsstäben 15 verschweißt. Eine Glasschicht 25 is! über den Kirn 18 und das Metallband 29 aufgebracht, um für einen thermischen Kontakt und eine Basis für den Leuchtstoff 20 zu sorgen. Die Halterungsstäbe 15 leiten Wärme über die Basis ll.-j des Lampenkolben*. Eine elektrische Verbindung mit der Primärwicklung 17 des Transformators kann durch zwei elektrische Verbindungssläbc I5,i oder in der in F i g. 4 gezeigten Weise hergestellt werden.

Ein Ausführungsbcispicl der Lampe, bei dem die Wärmeabfuhr vergrößert ist und das eine gleichförmige Leuchtstoffbcleuchlung liefert, ist in F i g. 4 dargestellt. In dieser Lampe ist ein Glaskolben Il mil einer Basis ll.i in einer ähnlichen Weise hergestellt wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß I"ig. 2a. Die Basis ist von zwei llalterungsstangen 15 und einer elektrischen Kontaktstangc 15a mit Vakuumdichtungen 16 durchbohrt. Die eine Stirnfläche eines ringförmigen Ferritkerncs 18 ist mil einem wärmeabfiihrenden Metallring 23 verbunden, der seinerseits mit den llaltcungsstähcn 15 verschweißt und durch diese gehalten isi. Eine Primärwicklung 17 ist auf den Kern gewickelt und bei 15/) zwischen den elektrischen Kontaktstab 15;) und einen der I laltcrungsstäbe 15 geschaltet. In ähnlicher Weise wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß F-" i g. 2a ist die Primärwicklung über Stäbe 15 und 15;) mit einer Vorschaltimpedanz 24 und einer hochfrequenten l.eis!i!ng'.vi.""i;rgiiMg2! vcrljündc-ii. die den Kern ieerregl.

Die innerhalb des Kernes erzeugte Wärme wird dadurch auf wirksame Weise zum Ring 23 und von dort zu den llaltcrungsstäben 15 geleitet, durch die sie aus dem Kolben Il hcrausgeleitct wird.

Fig. 5 stellt die Einzelheiten des in dieser Lampe verwendeten Kernaufbaues dar. Der Metallring 23 ist mil der einen Stirnfläche des Lcrrilkernes 18 verbunden. Der Ring 23 kann aus Kupfer. Aluminium. Beryllium oder einem anderen Material mit einet hohen thermischen Leitfähigkeit im Vergleich zu Ferrit bestehen. Die Halterungsstäbe 15 sind mit dem Ring 23 verschweißt und bilden einen Wärnieleitungspfad vom Kern zur Außenseite des nicht dargestellten Kolbens. Line Glasschicht 25 ist über den Kern 18 und den Metallring 23 aufgebracht, um eine gute thermische Bindung sicherzustellen, die Entgasung auf ein Minimum zu reduzieren und eine Grundlage für den Leuchtstoff 20 zu bilden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist eine schnellzündende Lampe. Bekanntlich ist zwar eine relativ niedrige Spannung ausreichend, um den Betrieb einer Gasentladung aufrechtzuerhalten, sobald cm Lichtbogen übergeschlagen hat. aber im allgemeinen ist eine hohe Spannung erforderlich, um einen ersten Überschlag herbeizuführen. Dies ist selbst in Gegenwart eines leicht lonisicrbaren inerten Gases der Fall, wie Argon, mit dessen Hilfe ein anfänglicher Überschlag bewirkt wird. um eine Ionisierung von Quecksilber zu erleichtern, dem üblichen die Lntladung tragenden Metalldampf, der in solchen entladungslampen verwendet wird. In vielen I allen wird diese hohe Zündspannung durch einen mechanischen Starter mit kapazitiven oder induktiven

^r> !-!lementen geliefert, der plötzlich trennt und dadurch einen Hochspannungsstoß an die Elektroden der Vorrichtung liefert, um eine anfängliche lonisalion zu bewirken. Alternative Anordnungen beinhalten die Verwendung von Vorschalttransformatorcn, um die

in erforderliche Spannung zu liefern. Hier wird dieses Problem auf schnelle, billige und einfache Weise dadurch gelöst, daß eine sekundäre Hilfswicklung auf dem Eerrilkern mit genügend Windungen zum Betrieb als eine AufwärtsSekundärwicklung verwendet wird.

!■-> um eine sehr hohe Spannung abzuzapfen, die an die Lampe angelegt werden kann, um die Induktion einer hohen Zündspannung zu bewirken, die schnell den Anfangsübcrschlag bewirkt, der für den Betrieb der vorliegenden Lampe notwendig ist.

P i g. 4 stellt eine solche schnellzündendc Lampe dar. Line sekundäre Hochspannungswicklung 27 ist auf den Kern 18 aufgebracht und mit einer Glasschicht 26 überdeckt. Bei der ersten Erregung induziert das Magnetfeld innerhalb des Kernes eine hohe Spannung

.'") über den Wicklungsenden 27,7. wodurch eine Glimmentladung dazwischen gebildet und dadurch das Gas 19 zuerst ionisiert wird. Das Plasma 28 in dieser Lampe hat die Lot in eines hohlen Toroids. der die Kernstruktur der Lampe umgibt.

in I i g. 6 stellt schematisch eine elektrische Schaltungsanordnung dar. die beim Betrieb dieser Lampen benutzt werden kann. Die hochfrequente Lcistungsqiielle 21 empfängt Leistung bei Netzspannung und Netzfrequenz von dem Edison-Schraubsockel 30 und liefen eine

i") Ausgangsgröße bei etwa 50 Volt bei 5OkIIz zum flrregen des F-erritkcrnes 18 über die Primärwicklung 17. F)ie Wicklungsenden 27,-? werden durch die sekundäre Hochspannungswicklung 27 erregt, um eine Glimmentladung in der Lampe zu erzeugen. Das

jfi dadurch innerhalb der Lampe gebildete Plasma 22 bildet dann eine eine einzelne Windung aufweisende Sekundärwicklung, die Leistung über den Ferritkern 18 abzieht. Eine Vorschaltimpedanz 24. die mit der hochfrequenten Leistungsquelle 21 und der Primärwick-

>' lung 17 in Reihe geschaltet ist. begrenzt den Plasmastrom. um einen stabilen Betrieb sicherzustellen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Leuchtstofflampe mit einem lichtdurchlässigen Koiben, einem Ferritkern mit einer Wicklung zum Erregen des Kernes mit einem hochfrequenten Magnetfeld und einem ionisierbaren Medium innerhalb des Kolbens, das eine elektrische Entladung aufgrund eines darin durch den Ferritkern induzierten elektrischen Feldes aufrechterhält und dabei Strahlung emittiert, sowie einem Leuchtstoff auf der Innenseite des Kolbens, der die Strahlung in sichtbares Licht umwandelt, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (11) im wesentlichen kugelförmig ausgebildet ist und der Ferritkern (18) eine geschlossene Schleife bildet, die in dem Kolben (U) enthalten ist.

2. Leuchtstofflampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (18) mit einem Glasmaterial (25) Oberzogen ist, das für Gas undurchlässig und zum Beschichten mit einem

I aifhtctrtff /TfII <yoeifrr»<*t i'ct

3. Leuchtstofflampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (18) mit einem metallischen wärmeleitenden Teil (23,29) verbunden ist, der ebenfalls mit dem Glasmaterial (25) überzogen ist.

4. Leuchtstofflampe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische wärmeleitende Teil (23, 29) aus Kupfer, Beryllium oder Aluminium besteht.

5. Leuchtstofflampe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ferritkern (18) ringförmig und der metallische wärmeleitende Teil (23, 29) ein Metallband is2, das mit dem nußenseitigen Umfang des Kernes (18) und mit .inem oder mehreren metallischen Halterungssläbcn (15) verbunden ist, oder ein flacher Ring ist, der mit einer flachen Oberfläche des Kernes (18) oder einem oder mehreren der metallischen Halterungsstäbe (15) verbunden ist.

6. Leuchtstofflampe nach Anspruch I oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ferritkern (18) einen rechteckigen Querschnitt hat, wobei die Kernachse im wesentlichen senkrecht zur Ebene eines Basisabschnittes (11 abliegt.