DE2601666B2 - Elektrodenlose Leuchtstofflampe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrodenlose Leuchtstofflampe mit einem evakuierbaren, im allgemeinen toroidförmigen Kolben aus lichtdurchlässigem Material, einem ionisierbaren Gas innerhalb des Kolbens, einem auf die Innenseite des Kolbens aufgebrachten Leuchtstoff, einer einen toroidförmigen Ferritkern aufweisenden Transformatoreinrichtung, die den Kolben umgibt und ein elektrisches Feld in dem ionisierbaren Gas induziert zur Erzeugung der elektrischen Entladung, einer hochfrequenten Stromversorgung und Kopplungsmitteln zur Übertragung der hochfrequenten Leistung von der Stromversorgung auf die Transformatoreinrichtung.

Eine elektrodenlose Leuchtstofflampe der vorstehenden Art ist in dem Artikel über elekirodenlose Leuchtstofflampen in der Zeitschrift »Illuminating Engineering« Band 64, 1969, Nr. 4, Seiten 236-238, beschrieben. Dieser Artikel gibt eine zusammenfassende Beschreibung der frühen allgemeinen Prinzipien für elektrodenlüse Leuchtstofflampen. Die in diesem Artikel beschriebene Leuchtstofflampe ist eine 32-Watt-Lampe, der insgesamt 100 Watt Leistung zugeführt wurden und deren Verluste derart waren, daß die für Beleuchtungszwecke zur Verfügung stehende Leistung etwa 50 Watt betrug. Die Verluste im Ferritkern lagen bei 50 kHz in der Größenordnung von 80 bis 100 Watt. Zieht man einen 25%igen Verlust im Vorschaltgerät in Betracht, so bleibt nur unzureichend Leistung, um die Lampe zu betreiben. Anders ausgedrückt, beträgt bei einer Eingangsleistung von 100 Watt und einem Vorschaltgerätverlust von 25% der Ferritkernverlust bei 50 kHz 80 Watt, So daß 'ür die Lampe als solche keine Leistung mehr übrig bleibt.

In der US-PS 3521120 ist eine elektrodenlose Leuchtstofflampe mit einem ringförmig gestalteten Kolben, an den ein stabförmiger Ferritkern angepaßt ist, beschrieben. Dieser stabförmige Ferritkern führt beim Betrieb dieser Lampe zur Ausbildung eines hochfrequenten Magnetfeldes in der den Kolben umgebenden Luft, das eine unangenehme Quelle für elektromagnetische Strahlung und Störung darstellt.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, die elektrodenlose Leuchtstofflampe der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, 4aß sie einen höheren Wirkungsgrad unter weitgehender Vermeidung des den Kolben umgebenden hochfrequenten Magnetfeldes aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die folgenden Merkmale:

a) der Rohrdurchmesser des toroidförmigen Kolbens ist auf einem Abschnitt seines Hauptumfangs gleichförmig verengt und

b) die Transformatoreinrichtung weist eine Permeabilität von mindestens 2000 und einen Kernverlust von nicht mehr als 50% bei Frequenzen zwischen etwa 25 kHz und etwa 1 MHz auf und umgibt den Kolben um den verengten Abschnitt herum.

Mit der erfindungsgemäßen Lampe kann z. B. bei 50 kHz eine 85%ige Wirksamkeit erzielt werden, was bedeutet, daß mit einer Leistungszuführung von 50-55 Watt eine 40-Watt-Lampe betrieben werden kann.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.

Im folgenden wefden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel der Lampe, die für eine Flanschbefestigung auf einem elektrischen Verteilerkasten ausgelegt ist,

Fig. 2 eine andere Ausführungsform der Lampe,

Fig. 3 eine Ansicht von unten auf die Lampe und die Befestigungskomponenten für das Vorschaltgerät,

Fig. 4 eine Teilschnittansicht durch den Transformatorkern und den Lampenkolben.

Fig. 1 stellt eine elektrodenlose Leuchtstofflampe dar, die für eine Flanschbefestigung auf einem elektrischen Verteilerkasten ausgebildet ist. Ein mit Leuchtstoff überzogener toroidförmiger Glaskolben 11 bildet zusammen mit einer integral angeordneten Transformatoreinrichtung 12 eine abnehmbare Leuchtstofflampe 9. Die innerhalb des Transformators 12 erzeugte Wärme wird zu einem Radiator 16 geleitet für eine Abgabe an die umgebende Luft. Der Radiator ist auf einen Bolzen 17 geschraubt.

Die elektrodenlose Leuchtstofflampe, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, umfaßt einen im allgemeinen toroidförmigen Glaskolben 11 mit einer integral angebrachten Transfonnatoreinrichtung 12. Der Kolben 11 kann aus üblichem Lampenglas gebildet sein und ist innen mit einem Leuchtstoff überzogen, wie er für Leuchtstofflampen bekannt ist. Der Kolben 11 enthält ein Füllgas 21, das üblicherweise eine Mischung aus einem Edelgas, wie Krypton und Quecksilberdampf, bei einem Druck von etwa 133 Pa oder weniger ist. Die Leuchtstoffe können die ultraviolette Strahlung des Quecksilbers absorbieren, die im allgemeinen einen Spitzenwert bei etwa 2,537 · 10~⁵ cm hat, und sie können nach einer Anregung Strahlung innerhalb des sichtbaren Spektrums emittieren, um eine hocheffiziente und angenehme Lichtausbeute zu liefern. In diesem Ausführungsbeispiel erzeugt das ionisierte Gas nicht das emittierte Licht, sondern eine Strahlung, die die Emission von Licht von einem Leuchtstoff bewirkt. Dies gestattet eine relativ geringe Hingangsleistung in das ionisierbare Gas. In einer typischen Lampe von 3300 Lumen hat der Kolben 11 einen äußeren Hauptdurchmesser von 20 cm, einen inneren Hauptdurchmesser von 5 cm und einen inneren Durchmesser im verengten Abschnitt von 7,5 cm. Der Kolben Jt ist über einem kleinen Abschnitt auf seinem Umfang verengt, um eine Rille 19 zur Befestigung der Transformatoreinrichtung 12 zu bilden. Die Tiefe der Rille 19 und die Abmessungen der Transformatoreinrichtung sind so gewählt, daß die zusammengesetzte Lampe einen Toroid mit im wesentlichen konstantem äußeren Hauptdurrhmesser bildet. In einer typischen Lampe mit 3300 Lumen hat die Verengung einen Durchmesser von etwa 2,5 cm.

Der Aufbau der Transformatoreinrichtung 12 ist in Fig. 2 dargestellt. Der Lampenkolben 11, der innen mit dem Leuchtstoff 20 überzogen und dem Gas 21 gefüllt 'St, ist bei He entlang einer Rille 19 verengt. Ein toroidförmiger Ferritkern 22 ist mit einer Primärwicklung 23 umwickelt und in einem ringförmigen Transformatorbecher 24 aus Metall enthalten. Die Einheit aus dem Ferritkern 22, der Wicklung 2?. und dem Transformatorbecher 24 bildet die Transformatoreinrichtung 12, die den Kolben 11 koppelt und die Rille 19 füllt. Mit dem Metallbecher 24 ist ein wärmeleitendes Band 25 verbunden. Dieses Band 25 bildet einen Ring 2Sa, der das nicht dargestellte Vorschaltgerät umgibt und mit diesem in Kontakt steht. Somit wird ein Pfad gebildet, über den in dem Ferritkern 22 und der Wicklung 23 erzeugte Wärme zum Vorschaltgerät und von dort zum Radiator 16 (s. Fig. 1) geleitet werden kann. Das Metallband 25 äst aus elastischem Material bergstellt und mechanisch vorgespannt.

Der allgemeine Aufbau eines Sockels für den Kolben 11 ist in Fig. 3 dargestellt, die eine Teilansicht von unten auf den Kolben nach Entfernen des v_orschaltgeräts wiedergibt. Das metallische Federband 25 bildet einen koaxialen Kreis innerhalb des toroidförmigen Kolbens 11 und ist für einen gleitenden Einsatz des Vorschaltgeräts geeignet.

Einzelheiten des Aufbaus der Transformatoreinrichtung 12 gemäß Fig. 2 sind in der Schnittansicht von Fig. 4 dargestellt. Die Transformatoreinrichtung

ι» 12 liegt innerhalb der Rille 19 und füllt diese im wesentlichen aus. Die Rille 19 ist durch die Verengung Ha in dem Glaskolben 11 erzeugt. Die Transformatoreinrichtung weist einen toroidförmigen Ferritkern 22 auf, der durch eine Primärwicklung 23 gekoppelt ist. Ein Transformatorbecher 24 aus Metall überdeckt den Kern und die Wicklung und bildet somit einen physikalischen Schutz gegen Abnutzung und weiterhin einen Wärmeleitungspfad zu einem nicht gezeigten Metallband. Eine mit einem Dielektrikum (das

2i) Glas sein kann) gefüllte Rille 24·.. >.n dem Metallbecher

24 umgibt den Hauptdurchmesser der Transformatoreinrichtung. Wäre dieser Spalt nicht vorhanden, würde der Metallbecher 24 als eine, eine einzelne Windung aufweisende, kurzgeschlossene Wicklung

2Ί auf uen Transformator wirken und einen Betrieb der Lampe effektiv verhindern. Der Metallbecher 24 kann aus Kupfer, Aluminium oder irgendeinem anderen Metall mit guten thermischen Leitungseigenschaften bestehen. Während des Lampenbutriebs besteht eine in kleine hochfrequente Spannung über diesem Spalt. Es kann deshalb wünschenswert sein, den Transformatorbecher mit einem dielektrischen Überzug (nicht gezeigt) zu isolieren oder die Rüle auf dem Innenumfang des Bechers anzuordnen, wo eine zufällige Κοπή taktberührung mit geringerer Wahrscheinlichkeit auftritt.

Ein dielektrischer Block 29, der die Kontaktstücke 28 des Kolbens 11 trägt, ist mit dem TraniJormatorbecher 24 und dem Kolben 11 verbunden und dient JH zur Unterstützung eines elektrischen Leitungspfades von nicht dargestellten Kontaktstücken zur Primärwicklung.

Das Vorschaltgerät liefert Hochfrequenzleistung für die Transformatoreinrichtung und dient zur Stabi-■ii lisierung der Plasmaentladung. Derzeitige Überlegungen bezüglich der Kernerhitzung und der Kosten für die Bauelemente begrenzen den Betrieb der Stromversorgung auf einen Frequenzbereich von etwa

25 kHz bis etwa 1 MHz mit einer bevorzugten Be-•v) triebsfrequenz von etwa 50 kHz.

Augenscheinlich ist die Wahl des Kernmaterials ein wichtiger Faktor für einen Betrieb dieser Lampe. Das Fc/ritmaterial muß so ausgewählt sein, daß es eine hohe Permeabilität und einen niedrigen internen

V) Wärmeverlusi Lei der Betriebsfrequenz aufweist. Ferrit ist ein keramikähnliches Material, das sich durch ferromagnetische Eigenschaften auszeichnet und gewöhnlich eine Spinell-Struktur mit einem kubischen Kristallgitter hat und das die allgemeine Formel

in MeFe₂O₄ hat, worin Me ein Metall ist,

Es ist erforderlich, daß die verwendetet. Kerne aus einem derartigen Material sind und eine solche Konfiguration haben, daß die Kernverluste nicht größer ah 50% sind, damit eine effektive Kopplung der elektro-

r> magnetischen Energie ind ie Lichtquelle herbeigeführt werden kann. In ähnlicher Weise vermindern niedrigere Kernverluste die Erhitzung des Kernes und senken die Möglichkeit einer Zerstörung auf ein Mini-

26 Ol 666

mum und bringen den Wirkungsgrad des Kernes auf ein Maximum. Vorzugsweise werden die Kernverluste auf weniger als 25% der gesamten Eingangsleistung gehalten.

Es ist ein Kernmaterial 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 Verfugung mit diesen Charakteristiken über dem Frequenzhereich von 2? kHz bis 1 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 begrenzen die maxiamcle Frequenz, bei der eine praktische Lampe betrieben werden kann, auf etwa 50 kHz. Unter anderen Materialien wurde gefunden, daß ein handelsüblicher Ferrit, der sich durch Verluste von weniger als 30 mW cm"' bei 10~⁵ Weber/cnr Spitzenflußdichte für einen Betrieb bei 50 kHz auszeichnet, für eine Verwendung in der Lampe geeignet ist.

Das Plasma 33 innerhalb des Lampenkolbens gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel bildet einen Toroid mit etwa gleichförmigem Querschnitt. Wie in Fig. 4 gezeigt, ist das ionisierte Gasplasma jedoch etwas eingeengt in dem Bereich der Verengung 11a des Kolbens. FIs wird angenommen, daß der mit dieser Verengung verbundene Lichtverlust kleiner als 5 Lumen/Watt und akzeptabel ist im Hinblick auf die Vorteile, die durch diese Lampenfiguration erreichbar sind.

liier/u 2 Blatt /eiclinuimen

Claims (7)

Patentansprüche;

1. Elektrodenlose Leuchtstofflampe mit einem evakuierbaren, im allgemeinen toroidförmigen Kolben aus lichtdurchlässigem Material, einem ionisierbaren Gas innerhalb des Kolbens, einem auf die Innenseite des Kolbens aufgebrachten Leuchtstoff, einer einen toroidförmigen Ferritkern aufweisenden Transformatoreinrichtung, die den Kolben umgibt und ein elektrisches Feld in dem ionisierbaren Gas induziert zur Erzeugung er elektrischen Entladung, einer hochfrequenten Stromversorgung und Kopplungsmitteln zur Übertragung der hochfrequenten Leistung von der Stromversorgung auf die Transformatoreinrichtung, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

a) der Rohrdurchmesser des toroidförmigen Koibens (11) ist auf einem Abschnitt (Hfl) seines Hauptumfangs gleichförmig verengt und

b) die Transformatoreinrichtung (12) weist eine Permeabilität von mindestens 2000 und einen Kernverlust von nicht mehr als 50% bei Frequenzen zwischen etwa 25 kHz und etwa 1 MHz auf und umgibt den Kolben (11) um den verengten Abschnitt (lie) herum.

2. Elektrodenlose Leuchtstofflampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (11) einen äußeren Hauptdurchmesser von etwa 20 cm, einen i.ineren »iauptdurchmesser von etwa 6 cm und einen inneren Durchmesser im verengten Abschnitt von etwa 7,5 cm aufweist.

3. Elektrodenlose Leuchtstofflampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein leitfähiger Behälter (24) den Kern (22) und die Primärwicklung (23) überdeckt und daß in dem Behälter (24) dielektrisches Material angeordnet ist.

4. Elektrodenlose Leuchtstofflampe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Transformatoreinrichtung (12) etwa gleich dem nicht verengten Rohrdurchmesser des Kolbens (11) ist.

5. Elektrodenlose Leuchtstofflampe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (24) die Form eines ringförmigen Bechers mit einem dielektrisch gefüllten Spalt (24) aufweist, der sich über den größeren Umfang des Behälters (24) erstreckt.

6. Elektrodenlose Leuchtstofflampe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum Glas ist.

7. Elektrodenlose Leuchtstofflampe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (24) aus Kupfer besteht.

ίο