DE3920511A1 - Beleuchtungseinrichtung mit veraenderbaren farben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung mit veränderbaren Farben, die die Farbe des ausgesendeten Lichts mit einer einzigen Lampe verändern kann.

Die Beleuchtungseinrichtung mit veränderbaren Farben der angesprochenen Art kann nicht nur als eine Lichtquelle für Ausstellungszwecke, sondern auch wirkungsvoll als eine Haupt­ beleuchtungsquelle verwendet werden.

Die Beleuchtungsquelle mit veränderbaren Farben oder die Lichtquelle mit veränderbaren Farben ist auf verschiedene Arten erdacht und entwickelt worden, und teilweise wurde sie schon in der Praxis verwendet. Solche Vorrichtungen, die sich bereits im praktischen Gebrauch befinden, bestehen meistens aus einer Einheit, die in Kombination farbige Glühkolbenlam­ pen oder Leuchtstofflampen aufweist, deren ausgesendetes Licht so eingestellt wird, daß die Farbe des ausgesendeten Lichts verändert werden kann. Die Beleuchtung mit veränder­ baren Farben konnte mit einer solchen bekannten Anordnung erreicht werden, aber dabei gab es das Problem, eine genügend hohe zufriedenstellende Helligkeit zu erzielen. Außerdem war es mühsam, mit einer solchen Einheit aus den drei Kolben aus stückigen Röhren, die selbst sperrig war, eine genügend hohe Ausgangsleistung zu erhalten.

In einer JP-Patentveröffentlichung Nr. 53-42 386 (Dr. R. Ita­ tani) ist eine Lampe offenbart, in der Quecksilberdampf und Neongas in einer einzigen geraden Röhre versiegelt sind, und die Lampe wird gezündet, wobei die Feldstärke der positiven Säule verändert wird. In diesem Fall erzeugt eine Glimment­ ladung, die zum Zünden dieser Lampe verwendet wird, eine Lichtemission, in der der Quecksilberdampf eines niedrigeren Ionisationspotentials innerhalb der Lampe vorherrschend ist, so daß die Aussendung von blauem Licht ermöglicht wird, während die Lampe, die einen fluoreszierenden Stoff aufweist, eine Lichtemission von dem besonderen fluoreszierenden Stoff ermöglicht. Außerdem wächst, wenn eine Impulsspannung mit schnellem Anstieg an die Lampe angelegt wird, die Feldstärke innerhalb der positiven Säule und erzeugt eine Lichtemission, in der das Neon des höheren Ionisationspotentials vorherr­ schend ist, so daß, wenn die Lampe aus einer klaren Röhre besteht, eine Rotlichtemission erreicht werden kann, während die Lampe, die den fluoreszierenden Stoff aufweist, eine Lichtemission des fluoreszierenden Stoffs erlaubt, der die Rotlichtemission hinzugefügt wird. Weiter wird die Feldstärke innerhalb der positiven Säule verändert, indem die Spannungswellenform, die an die Lampe angelegt wird, geändert wird, oder indem der Zyklus der angelegten Impulsspannung verändert wird.

Die vorher erwähnte Lampe mit veränderbarer Farbe ist darin Epoche machend, daß sie es erlaubt, das ausgesendete Licht mit der Anordnung der einzigen Lampenröhre in der Farbe zu verändern, aber, da die Anordnung es erforderlich macht, die Feldstärke im Inneren der positiven Säule zu verändern, gab es immer noch ein Problem, das darin bestand, daß eine extrem hohe Impulsspannung von mehreren hundert bis mehreren tausend Volt erforderlich war, so daß die Steuerschaltung oder ähn­ liches kostenaufwendig gemacht wurde und die Geräuschentwick­ lung ebenfalls erheblich war.

Es ist deshalb eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Beleuchtungsvorrichtung mit veränderbaren Farben bereit­ zustellen, die in der Lage ist, die Farbe des ausgesendeten Lichts mit einer einfacheren, preiswerten Steuerschaltung mit niedriger Geräuschentwicklung zu verändern, und eine Ausgangsleistung erreicht, die hoch genug ist, damit die Vorrichtung als eine Hauptbeleuchtungseinrichtung verwendet werden kann.

Nach der vorliegenden Erfindung kann diese Aufgabe durch eine Beleuchtungsvorrichtung mit veränderbaren Farben gelöst wer­ den, in der zwei Gase, die sich jeweils in dem Ionisations­ potential unterscheiden, in einer lichtdurchlässigen Lampen­ röhre zusammen mit einer Thermionen-Emissionskathode und einer Elektronen-Durchgangsanode versiegelt sind, die sich in einem Abstand von einigen Millimetern bis einigen Zentimetern gegenüberliegen, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Spannung, die an die Kathode und die Anode angelegt wird, so verändert wird, daß das Lichtemissionsver­ hältnis der zwei Gase zur Emission von Licht mit veränderbaren Farben zu ändern ist.

Einzelheiten der Erfindung und einiger bevorzugter Ausfüh­ rungsbeispiele ergeben sich aus der nun folgenden detaillier­ ten Beschreibung. Dabei ist Fig. 1 eine schematische, perspektivische Ansicht, die eine Lampe zeigt, die einem Ausführungsbeispiel der Beleuchtungs­ vorrichtung mit veränderbaren Farben nach der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wobei ihre Lampenröhre teilweise entfernt dargestellt ist;

Fig. 2 ein schematisches Schaltungsdiagramm der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung;

Fig. 3 eine erklärende Ansicht eines Arbeitsaspekts der Vorrichtung aus Fig. 1;

Fig. 4 eine erklärende Ansicht betreffend eine angelegte Spannung mit dem in Fig. 3 gezeigten Arbeitsaspekt der Vor­ richtung aus Fig. 1;

Fig. 5 eine erklärende Ansicht eines weiteren Arbeitsaspekts der Vorrichtung aus Fig. 1;

Fig. 6 eine erklärende Ansicht betreffend eine angelegte Spannung mit dem in Fig. 5 gezeigten Arbeitsaspekt der Vor­ richtung aus Fig. 1;

Fig. 7 und 8 Spektraldiagramme für Lichtemissionen bei Anlegung von verschiedenen Spannungen in der Vorrichtung aus Fig. 1;

Fig. 9 ein schematisches Schaltdiagramm der Vorrichtung in einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 10 ein Farbartdiagramm zur Erklärung einer Betriebsart der Vorrichtung aus Fig. 9; und

Fig. 11 ein schematisches Schaltdiagramm der Vorrichtung in einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Beleuchtungsvorrichtung 10 mit veränderbaren Farben nach der vorliegenden Erfindung gezeigt, und diese Vorrichtung 10 umfaßt eine lichtdurchläs­ sige Lampenröhre 11. Die Innenwandfläche der Röhre 11 ist mit einem fluoreszierenden Stoff 12 mit bevorzugt einer Lichtkol­ benfarbe beschichtet oder weist keine solche Beschichtung auf, und zwei Gase mit unterschiedlichen Ionisationspoten­ tialen V ₁ und V ₂ sind in der Röhre 11 versiegelt. Was die Gase betrifft, so kann eine Kombination aus Quecksilberdampf und Neongas oder ähnlichem verwendet werden, unter Bedin­ gungen von bevorzugt 10^-2 bis 10^-4 Torr für den Quecksilber­ dampf und 10^-1 bis 10 Torr für das Neongas. Auf einem Basisteil 13 der Röhre 11 sind eine Thermionen­ emissions-Kathode 14 und eine Elektronendurchdringungs-Anode 15 in einem Abstand von einigen mm bis cm einander gegenüber­ liegend vorgesehen. Für die Kathode 14 läßt sich z.B. ein Wolframfaden mit einem Barium-Ba-Serien-Emitter, der darauf aufgebracht ist, verwenden. Zwischen die Kathode 14 und die Anode 15 ist eine Energieversorgunsquelle 16 geschaltet, während die Kathode 14 mit einer Kathodenheizquelle 17 verbunden ist, so daß eine Spannung zweckmäßigerweise über die Kathode 14 und die Anode 15 angelegt wird, und sich die Elektronen, die thermionisch von der Kathode 14 ausgesendet werden, zur Anode 15 bewegen, während sie mit Energie verse­ hen werden.

Genauer werden, unter zusätzlichem Bezug auf Fig. 3, die Elektronen ef, die von der Kathode 14 zur Anode 15 mit solchen Orten, wie es die Pfeile zeigen, ausgesendet werden, so wirken, daß eines der Gase, das im Ionisationspotential und im Druck höher ist, hauptsächlich ionisiert wird, wenn die Energie, die von der über die Kathode 14 und die Anode 15 angelegten Spannung bereitgestellt wird, hoch ist, und schließlich wird eine Erregungs-Lichtemission herbeigeführt. Ist im Gegensatz dazu die Energie für die Elektronen ef niedrig, dann wirken die Elektronen ef so, daß das andere Gas, das im Druck und im Ionisationspotential niedriger ist, hauptsächlich für seine Erregungs-Lichtemission ionisiert wird. Das heißt, daß die Energie der ausgesendeten Elektronen verändert werden kann, wenn das Potential der Anode 15, wie in Fig. 4 gezeigt, so geändert wird, daß es sich auf einer relativ höheren Spannung V _H und auf einer relativ niedrigeren Spannung V _L befindet, z.B. auf 25 V und 20 V. Das Verhältnis eines der Gase zur hauptsächlichen Herbeiführung der Ionisa­ tions- und Erregungs-Lichtemission wird dadurch verändert, so daß es, wenn zwei solche verschiedenen Lichtemissions-Gase wie Quecksilberdampf und Neongas verwendet werden, möglich wird, eine rosafarbene Lichtemission von dem Neon-Ne-Gas zu erhalten, wenn V _H =25 V ist, was aus dem Spektraldiagramm von Fig. 7 deutlich wird, und hauptsächlich eine blaufarbige Lichtemission von dem Quecksilber-Hg-Dampf zu erhalten, wenn V _L =20 V ist (eine Ne-Lichtemission kann nicht erlangt wer­ den), was aus dem Spektraldiagramm von Fig. 8 deutlich wird.

Nun soll die vorliegende Erfindung anhand eines anderen Ar­ beitsaspekts unter Bezug auf Fig. 5 erläutert werden. Die Elektronen ef, die von der Kathode 14 an solchen Orten ausge­ sendet werden, wie es durch Pfeile in Fig. 5 gezeigt ist, veranlassen die Erzeugung von Elektronen es mit niedrigerer Energie, wenn die in der Röhre 11 versiegelten Gase ionisiert werden. Wenn die Energie der Elektronen ef niedriger als e · V ₂ ist, aber höher als e · V ₁, wird das Gas des relativ niedrige­ ren Ionisationspotentials V ₁ (bei Anlegen einer solchen Span­ nung V _L wie in Fig. 6) für seine Lichtemission hauptsächlich ionisiert. Wenn die Energie der Elektronen ef höher als e · V ₂ ist, wird andererseits das andere Gas mit dem relativ höheren Ionisationspotential V ₂ (bei Anlegen einer solchen Spannung V _H wie in Fig. 6) für seine Lichtemission ionisiert. Wenn es vorkommt, daß die Zeit T _H des Anlegens der pulsierenden hohen Spannung V _H zu kurz ist, während eine Zeit T _L des Anlegens der relativ niedrigeren Spannung V _L länger ist, wird das Gas des Ionisierungspotentials V ₂ dazu veranlaßt, in der Erre­ gung, die innerhalb der Lebenszeit der Elektronen ef erzeugt wird, sich zu verringern, so daß die Lichtemission verringert wird, wodurch das Zustandekommen der Lichtemission hauptsäch­ lich des Gases des Ionisationspotentials V ₁ veranlaßt wird. Wenn es vorkommt, daß die Zeit T _H des Anlegens der relativ höheren Spannung V _H kurz ist, aber die Zeit T _L des Anlegens der relativ niedrigeren Spannung V _L auch kurz ist, wird die Emission von weiteren Elektronen ef veranlaßt, bevor die bereits ausgesendeten Elektronen verschwinden, so daß das Gas des Ionisationspotentials V ₂ für seine Lichtemission ioni­ siert wird. Entsprechend können die zwei verschiedenen Licht­ emissions-Spektren optimal dadurch erreicht werden, daß sowohl die höheren und niedrigeren Spannungen V _H und V _L als auch die längeren und kürzeren Zeiten T _H und T _L des Anlegens geeignet verändert werden.

Wenn bei der oben beschriebenen Vorrichtung die Ionisations­ potentiale V ₁ und V ₂ der versiegelten Gase und die relativ höheren und niedrigeren Spannungen V _H und V _L des Anlegens sich zueinander verhalten wie V ₁<V _L <V ₂; V _H <V ₂, dann kann das Lichtemissionsverhältnis der zwei versiegelten Gase so variiert werden, daß das veränderbare farbige Licht erzeugt wird. Außerdem wird jeder Fachmann es sofort würdigen, daß eine Steuerung zum Erreichen des oben genannten Verhältnisses mittels einer einfachen Schaltungsanordnung erreicht werden kann, und eine Beleuchtung, bei der die Farben wirksam ver­ ändert werden können, kann mittels des Anlegens von wesent­ lich niedrigeren Spannungen als in irgendeiner bekannten Vorrichtung an die Kathode 14 und die Anode 15 realisiert werden, während die Lichtemissions-Ausgangsleistung genügend erhöht wird.

Konkret wurde im Experiment eine Beleuchtung durchgeführt mit der Lampenröhre 11, die mit 70 mm äußerem Umfang und so gebaut wurde, daß sie als die in ihr versiegelten Gase den Quecksilber-Hg-Dampf von 10^-2 Torr bis 10^-4 und das Neon-N- Gas von etwa 0,5 Torr für die Erregungs-Lichtemission mit V _H von 24 V und V _L von 21V. Als ein Ergebnis konnte die rosa­ farbene Lichtemission des Neon-N-Gases nach Fig. 7 hauptsäch­ lich mit T _H <0,05 msec oder T _L <1,25 msec erreicht werden, und die blaufarbene Lichtemission hauptsächlich von dem Quecksilber-Hg-Dampf nach Fig. 8 konnte mit T _H <0,05 msec und T _L <1,25 msec erreicht werden.

Fig. 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Beleuch­ tungsvorrichtung mit veränderlichen Farben nach der vorlie­ genden Erfindung, in dem eine konstante Stromquelle 116 mit einer innerhalb einer Lampenröhre 111 vorgesehenen Kathode 114 und einer Anode 115 verbunden ist, und eine verstellbare Kathoden-Aufheizquelle 117 ist mit der Kathode 114 verbunden. Wenn diese Beleuchtungsvorrichtung des vorliegenden Ausfüh­ rungsbeispiels so gezündet wird, daß der Kathode 114 und der Anode 115 von der Quelle 116 ein konstanter Strom zugeführt wird, während eine Stromversorgung von der Kathoden-Aufheiz­ quelle 117 zu der Kathode 114 auf Null gestellt wird, so daß die Kathode 114 nicht aufgeheizt wird, werden die Elektronen ef mit einer Energie, die einer relativ hohen Kathodenfall- Spannung entspricht, von der Kathode 114 zu der Anode 115 ausgesendet. Diese Energie erreicht mehrere Vielfache von 10 V, wodurch das Neon-Ne-Gas, das in der Röhre 111 versiegelt ist, als ein inertes Gas hauptsächlich ionisiert wird, um die Erregungs-Lichtemission mit dem Neon als Hauptgas durchzu­ führen.

Wenn andererseits die Stromversorgung von der konstanten Stromquelle 116 zu der Kathode 114 und der Anode 115 gleich­ zeitig mit der Stromversorgung von der Kathoden-Aufheizquelle 117 zu der Kathode 114 durchgeführt wird, dann läßt eine er­ höhte Temperatur an der Kathode 114 die Kathodenfall-Spannung kleiner werden, so daß die Emissionsenergie ebenfalls gesenkt wird. Entsprechend wird das Neon-Ne-Gas als das inerte Gas mit einem relativ höheren Druck kaum ionisierbar gemacht wird, aber die Ionisierung des anderen Quecksilber-Hg-Dampf wird hauptsächlich veranlaßt, um die Erregungs-Lichtemission hauptsächlich mit dem Gas durchzuführen. Bei Steuerung des Aufheizstroms für die Kathode 114 wird das Lichtemissions- Verhältnis des Quecksilber-Hg-Dampfes und des Neon-Ne-Gases verändert, so daß die ausgesendete Lichtfarbe passend geän­ dert wird.

Noch konkreter wurde die Röhre 111 mit einer Außenabmessung von 50 mm gebaut, wobei die Innenwand mit einem fluoreszie­ renden Stoff beschichtet war, der beispielsweise die Farbe eines Lampenkolbens hatte; die versiegelten Gase waren der Quecksilber-Hg-Dampf von 10^-2 bis 10^-4 Torr und das Neon-Ne- Gas von etwa 5 Torr; ein Strom von 600 mA wurde von der konstanten Spannungsquelle 116 der Kathode 114 zugeführt, und die Speisespannung von der Kathoden-Aufheizquelle 117 wurde in einem Bereich von 0 bis 7 V verändert. Als ein Ergebnis konnte in dem Farbartdiagramm von Fig. 10 die Farbe des ausgesendeten Lichts in einem Bereich von Punkt A (x=0,534; y=0,398) bis zum Punkt B (x=0,439; y=0,435) verändert werden.

In dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 9 sind weitere Anord­ nungen und Betriebsarten dieselben wie in dem vorausgehenden Ausführungsbeispiel.

Fig. 11 zeigt eine Beleuchtungsvorrichtung mit veränderbaren Farben einer Wechselstrom-Beleuchtung in einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in dem ein Paar von Thermionenemissions-Elektroden 214 und 214 a einander gegenüberliegend in einer Lampenröhre 211 angeordnet sind; eine Spannung einer Wechselstromquelle 216 wird über ein Impedanzelement 218 an die Elektroden 214 und 214 a angelegt, und einstellbare Aufheizquellen 217 und 217 a werden bezüglich der beiden Elektroden 214 und 214 a eingefügt. Deshalb kann auch in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Fig. 9 im wesentlichen die gleiche Betriebsart wie in dem vorher­ gehenden realisiert werden, indem die Aufheizenergie von den jeweiligen Quellen 217 und 217 a auf die jeweiligen Elektroden 217 und 217 a eingestellt wird.

Weitere Anordnungen und Betriebsarten des Ausführungsbei­ spiels sind dieselben wie in den vorhergehenden Ausfüh­ rungsbeispielen.

Claims (6)

1. Beleuchtungsvorrichtung mit veränderlichen Farben, in der zwei Gase, die sich jeweils in ihrem Ionisationspotential unterscheiden, zusammen mit einer Thermionenemissions-Katho­ deneinrichtung und einer Elektronendurchgangs-Anodeneinrich­ tung, die sich in einem Abstand von einigen mm bis einigen cm gegenüberliegen, in einer lichtdurchlässigen Lampenröhren- Einrichtung versiegelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannung, die an die Kathoden- und Anodeneinrichtung angelegt ist, so veränderbar ist, daß das Lichtemissionsver­ hältnis der zwei Gase zur Aussendung von Licht mit veränder­ baren Farben verändert wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Gase Quecksilberdampf und Neongas sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Veränderung der Spannung vorgesehen ist, um an die Kathoden- und Anodeneinrichtung eine relativ höhere Spannung V _H und eine relativ niedrigere Spannung V _L anzule­ gen, wobei die angelegten Spannungen V _H und V _L in einem solchen Verhältnis zu den Ionisationspotentialen V ₁ und V ₂ der Gase stehen, daß V ₁<V _L <V ₂ und V _H <V ₂ gilt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem eine Einrichtung aufweist, um an die Kathoden­ und Anodeneinrichtung immer eine relativ niedrige Spannung V _L anzulegen,
wobei die Spannungsveränderungs-Einrichtung vorgesehen ist, um an die Kathoden- und Anodeneinrichtung eine relativ höhere pulsierende Spannung V _H anzulegen, und
wobei die angelegten Spannungen V _H und V _L in einem solchen Verhältnis zu den Ionisationspotentialen V ₁ und V ₂ der Gase stehen, daß V ₁<V _L <V ₂ und V _H, <V ₂ gilt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem eine Einrichtung aufweist, um der Kathoden- und Anodeneinrichtung immer einen konstanten Strom bereitzustel­ len, wobei die Spannungsveränderungs-Einrichtung eine Ein­ richtung zur Veränderung der Aufheizleistung bezüglich der Kathodeneinrichtung aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Bereitstellung des konstanten Stroms eine Wechselstromquelle ist, die vorgesehen ist, um den konstanten Strom über ein Impedanzelement zum Erreichen einer Wechsel­ strombeleuchtung bereitzustellen.