DE69322731T2 - Fluoreszierende Lichtquelle - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft fluoreszierende Lichtquellen. Insbesondere betrifft diese Erfindung kompakte Fluoresenzlichtquellen, bei welchen eine aus zwei Röhrenabschnitten bestehende Leuchtstofflampe durch kapazitive Kopplung von hochfrequenter elektrischer Energie an eine Niederdruckentladung innerhalb der Leuchtstofflampe mit Energie versorgt wird. Durch die Schaffung eines hochfrequenten magnetischen Felds im Bereich der kapazitiven Kopplungselektroden kann ein verbesserter Betrieb erreicht werden.
• Kompakte fluoreszierende Lampen bzw. Leuchtstofflampen sind als Ersatz für Glühlampen entwickelt worden, weil Leuchtstofflampen beachtlich effizienter sind und eine längere Betriebsdauer besitzen als Glühlampen. Eine kompakte Leuchtstofflampe besitzt grob die Form einer Glühlampe und kann in einer herkömmlichen Lampenfassung installiert werden. Kompakte Leuchtstofflampen nach dem Stand der Technik besaßen einen oder mehrere Nachteile. Ein Lampenballastschaltkreis bzw. ein Vorschaltgerät ist erforderlich, weil Leuchtstofflampen nicht unmittelbar mit Netzspannung betrieben werden können. Der Vorschaltkreis erhöht die Lampenkosten und muß im Sockel der Lampe untergebracht werden. Darüberhinaus ist der Formfaktor der Leuchtstofflampenröhre für die Verwendung als Glühlampenersatz nicht ideal, weil das pro Volumeneinheit emittierte Licht in einer langen Leuchtstofflampenröhre kleinen Durchmessers maximimiert ist.
• Derzeitige Kompaktleuchtstofflampen besitzen einen Aufbau mit einem Entladungsrohr oder mit zwei Entladungsrohren. Kompaktleuchtstofflampen besitzen typischerweise ein Paar gerader Rohre, die an oder nahe einem Ende miteinander verbunden sind, um ein allgemein U-förmiges Rohr zu bilden.
• Herkömmliche Kompaktleuchtstofflampen mit einem Entladungsrohr besitzen an einander gegenüberliegenden Enden Glühfadenkathoden, und es erstreckt sich eine kontinuierliche Entladung zwischen den Glühfadenkathoden. Eine Kompaktleuchtstofflampe, die einen frequenzumwandelnden Ballast verwendet, um eine 60 Hz-Netzspannung in eine Frequenz von 20 bis 30 kHz umzuwandeln, ist in dem U. S. Patent Nr. 4 857 806 offenbart, das am 15. Aug. 1989 an Nilssen ausgegeben wurde. Der Hochfrequenzausgang des Ballasts wird an die Lampenglühfäden angelegt.
• Im Stand der Technik wurden Kompaktleuchtstofflampen offenbart, die elektrodenlose Leuchtstofflampen verfügbar machten. Ein in einer in sich zurückkehrenden Höhlung der Lampenhülle enthaltener Closed-Loop- Magnetkerntransformator induziert in einer elektrodenlosen Leuchtstofflampe eine Entladung gemäß US-A-4 005 330. Innerhalb der Hülle einer elektrodenlosen Leuchtstofflampe wird durch eine Magnetkern spule eine Entladung in der Lichtquelle induziert, wie sie in der US-A-4 017 764 offenbart ist. In beiden der oben genannten Patente wird die Betriebsfrequenz auf etwa 50 kHz limitiert, und zwar wegen der verlustreichen Natur magnetischer Materialien bei hoher Frequenz. Eine eine Luftkern spule zur induktiven Kopplung bei einer Frequenz von etwa 4 MHz verwendende elektrodenlose Leuchtstofflichtquelle ist in der US-A-4 010 400 offenbart. Eine derartige Lichtquelle besitzt jedoch eine Tendenz, bei Betriebsleistung zu strahlen, und zeigt eine ungleichmäßige Plasmaerregung.
• Eine Frequenzen im Bereich von 100 MHz bis 300 GHz verwendende elektrodenlose Leuchtstoff-Lichtquelle ist in der US-A-4 189 661 offenbart. Dabei wird eine mit Leuchtstoff beschichtete elektrodenlose Niederdruckentladungslampe mit UV-Emission, die als Ausgang in einer Abschlußleuchte dient, mit Hochfrequenz(energie) typischerweise bei 915 MHz, betrieben.
• Eine Kompaktleuchtstofflichtquelle, bei welcher Hochfrequenzleistung kapazitiv an eine Niederdruckentladung gekoppelt ist, ist in der US-A-4 266 167 offenbart. Die Lampenhülle besitzt eine derjenigen einer Glühlampe entsprechende äußere Form. Ein äußerer Leiter, typischerweise ein leitendes Netz, ist auf der Außenfläche der Lampenhülle angeordnet. In einer in sich zurückkehrenden Höhlung in der Lampenhülle ist ein innerer Leiter angebracht. Es werden Frequenzen im Bereich von 10 MHz bis 10 GHz empfohlen. Eine elektrodenlose Entladungsröhre, bei welcher Hochfrequenzenergie durch externe Elektroden an eine Entladung gekoppelt ist, ergibt sich aus der US-A-4 798 997 (gegenüber welcher der Anspruch 1 abgegrenzt worden ist). Eine anderweitige elektrodenlose Leuchtstofflichtquelle, die von einer Hochfrequenzleistungsquelle mit Energie versorgt wird, ist in der US-A-4 427 923 offenbart. In allen denjenigen Lampen, die bei hoher Frequenz arbeiten, ist es wichtig, Strahlung der Hochfrequenzenergie zu minimieren.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine fluoreszierende Lichtquelle bzw. Leuchtstofflichtquelle geschaffen, die eine Leuchtstofflampe mit ersten und zweiten Elektroden umfaßt, die an oder nahe ihren Enden angeordnet sind, um hochfrequente elektrische Energie an eine Niederdruckentladung innerhalb der Leuchtstofflampe zu koppeln; und eine Hochfrequenzquelle, die eine Frequenz im Bereich von etwa 3 MHz bis 300 MHz aufweist, sowie eine erste Ausgangsleitung, die elektrisch an die erste Elektrode, und eine zweite Ausgangsleitung, die elektrisch an die zweite Elektrode angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtstofflampe zwei parallele, im wesentlichen geradlinige Rohrabschnitte und eine Verbindung zwischen diesen im wesentlichen geradlinigen Rohrabschnitten an oder nahe einem Ende umfaßt, wobei die ersten und zweiten Elektroden einander benachbart an oder nahe dem anderen Ende angeordnet sind.
• Die Leuchtstofflichtquelle umfaßt zwei allgemein geradlinige Rohrabschnitte und eine Verbindung zwischen den geradlinigen Rohrabschnitten an oder nahe einem Ende. Die erste und die zweite Elektrode können somit nahe beeinander an oder nahe dem anderen Ende angeordnet sein. Beispiele für Kompaktleuchtstofflampen mit einem Entladungsrohr umfassen U-förmige Leuchtstofflampenrohre und parallele Lampenrohre, die miteinander durch eine "Kiss-Verbindung" verbunden sind.
• Die kapazitiven Koppelelektroden können aus leitenden Schichten auf der Außenfläche der Kompaktleuchtstofflampen an oder nahe den Enden derselben bestehen. Bei dieser Ausgestaltung ist die Kompaktleuchtstofflampe elektrodenlos. Bei einer alternativen Konfiguration können die Elektroden aus Kaltkathodenelektroden bestehen, die innerhalb der Kompaktleuchtstofflampe an oder nahe den Enden derselben angeordnet sind. Bei der Kompaktleuchtstofflampe sind Glühfäden zur Emission von Elektroden nicht erforderlich.
• Wenn die an die Kompaktleuchtstofflampe angelegte Hochfrequenzspannung ausreicht, eine Niederdruckentladung zu initiieren, ist eine Starteinrichtung nicht erforderlich. Wird eine niedrigere Hochfrequenzspannung verwendet, kann die Lichtquelle für die Initiierung einer Niederdruckentladung innerhalb der Leuchtstofflampe eine Starteinrichtung aufweisen. Die Starteinrichtung kann aus an die Hochfrequenzquelle angeschlossenen Elementen für die Erzeugung eines hochfrequenten elektrischen Feldbereichs innerhalb der Leuchtstofflampe bestellen. Die Hochfrequenzquelle arbeitet vorzugsweise in einem Frequenzbereich von etwa 3 MHz bis 300 MHz und höchst vorzugsweise in einem Frequenzbereich von etwa 10 MHz bis 100 MHz.
• Wenn die Leuchtstofflichtquelle ferner Elemente zur Induzierung eines hochfrequenten magnetischen Feldes innerhalb der Leuchtstofflampe nahe den Elektroden aufweist, erhöht das hochfrequente magnetische Feld lokal die Plasmadichte und die Hüllenkapazität und reduziert die Hochfrequenzspannung über die Leuchtstofflampe und die Hüllenverluste. Als Ergebnis erhöht das hochfrequente magnetische Feld die Effizienz und die Lebenserwartung der fluoreszierenden Lichtquelle.
• Die ersten und zweiten Elektroden können aus leitenden Wicklungen bestehen, die auf die Außenfläche der Leuchtstofflampe an oder nahe den Enden derselben aufgewunden sind, um innerhalb der Leuchtstofflampe ein axiales magnetisches Feld zu induzieren. Bei einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die leitenden Wicklungen zwecks verstärkter kapazitiver Kopplung aus flachen Bandleitern auf der Außenfläche der Leuchtstofflampe. Bei einer anderen Ausführungsform bestehen die erste und zweite Elektrode jeweils aus einer leitenden Schicht auf der Außenfläche der Leuchtstofflampe, sowie einer rund um die leitende Schicht angeordneten Leiterspule für die Induzierung eines axialen magnetischen Feldes innerhalb der Leuchtstofflampe. Jede Leiterschicht ist vorzugsgweise mit einem axialen Spalt versehen, um einen Stromfluß in Umfangsrichtung zu verhindern. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Leiterspulen zur magnetischen Verstärkung Teil einer Resonanz-Tankschaltung der Hochfrequenzquelle.
• Die Leuchtstofflampe besteht aus einer Kompaktleuchtstofflampe mit zwei geradlinigen Rohrabschnitten und einer Verbindung zwischen den geradlinigen Rohrabschnitten. Wird eine Kompaktleuchtstofflampe mit einem Entladungsrohr verwendet, kann das magnetische Feld innerhalb der Leuchtstofflampe durch das Vorsehen eines ferromagnetischen Elements zwischen den geradlinigen Rohrabschnitten an einem oder beiden Enden der leitenden Spulen verstärkt werden.
• Sofern erforderlich, kann die Lichtquelle eine Starteinrichtung für die Zündung einer Niederdruckentladung innerhalb der Leuchtstofflampe enthalten.
• Die fluoreszierende Lichtquelle würde normalerweise einen Lampensockel für die Halterung der Kompaktleuchtstofflampe aufweisen. Die Hochfrequenzquelle kann dann derart innerhalb des Lampensockels montiert werden, daß sich die Lichtquelle in einer herkömmlichen Lampenfassung installieren läßt.
• Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen werden im folgenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung diskutiert werden. Es zeigt:
• Fig. 1 eine Draufsicht auf eine fluoreszierende Lichtquelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 2 ein schematisches Diagramm eines Beispiels einer Hochfrequenzquelle, die für die fluoreszierende Lichtquelle geeignet ist;
• Fig. 3 eine graphische Darstellung der Entladungsleistung einer fluoreszierenden Lampe als Funktion der Hochfrequenzspannung;
• Fig. 4 eine graphische Darstellung des relativen Lichtstroms als Funktion der Entladungsleistung;
• Fig. 5 eine teilweise schematische Ansicht einer Kompaktleuchtstofflampe mit einem Entladungsrohr in der Lichtquelle nach Fig. 1, bei der externe kapazitive Kopplungselektroden und eine Zündeinrichtung dargestellt sind;
• Fig. 6 eine teilweise schematische Ansicht einer anderweitigen Ausführungsform der Erfindung, die eine Kompaktleuchtstofflampe mit Kaltkathodenelektroden und ein dielektrisches Material mit hoher Dielektrizitätskonstante zur Förderung der Zündung enthält;
• Fig. 7 ein schematisches Diagramm einer Kompaktleuchtstofflampe, welche eine hochfrequente magnetische Verstärkung der kapazitiven Kopplung verwendet;
• Fig. 8 ein schematisches Diagramm einer Kompaktleuchtstofflampe, die eine hochfrequente magnetische Verstärkung der kapazitiven Kopplung verwendet und ferromagnetisches Material zur Verstärkung des magnetischen Feldes innerhalb der Leuchtstofflampe aufweist; und
• Fig. 9 ein schematisches Diagramm einer Kompaktleuchtstofflampe, die eine hochfrequente magnetische Verstärkung der kapazitiven Kopplung verwendet und leitende Schichten zur Vergrößerung der Elektrodenfläche besitzt.
• Eine Ausführungsform der fluoreszierenden Lichtquelle in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Eine Kompaktleuchtstofflampe 10 mit einem Entladungsrohr wird von einer Hochfrequenzquelle 12 gespeist.
• Die Hochfrequenzquelle 12 ist vorzugsweise in einem Sockel 14 der Lichtquelle eingebaut. Der Sockel 14 trägt die Kompaktleuchtstofflampe 10 und besitzt einen Stecker 16 für die Installation in einer herkömmlichen Lampenfassung. Die Hochfrequenzquelle 12 wird über den Stecker 16 durch herkömmliche Netzspannung gespeist.
• Bei Kompaktleuchtstofflampen 10 enthält die Lampenhülle aus Glas ein Füllmaterial wie Argon und Quecksilber zur Stützung einer Niederdruckentladung und besitzt auf seiner Innenfläche eine Leuchtstoffbeschichtung. Der Ausdruck "Kompaktleuchtstofflampe" soll jedwede Leuchtstofflampe mit zwei allgemein geradlinigen Rohrabschnitten umfassen, die an oder nahe einem Ende miteinander verbunden sind. Beispiele hierfür umfassen U-förmige Lampenrohre, wie in Fig. 1 gezeigt, sowie parallele Rohrabschnitte, die durch eine "Kiss-Verbindung" miteinander verbunden sind. Das fluoreszierende Lampenrohr 10 besitzt kapazitive Kopplungselektroden 20 und 22 an oder nahe seinen Enden zwecks kapazitiver Kopplung hochfrequenter elektrischer Energie von der Quelle 12 an eine Niederdruckentladung innerhalb der Lampe 10. Mit der Elektrode 20 ist eine Ausgangsleitung 24 der Hochfrequenzquelle 12 verbunden, während eine Ausgangsleitung 26 mit der Elektrode 22 verbunden ist. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 sind die Elektroden 20 und 22 auf einer Außenfläche der Lampenhülle ausgebildet. Die Niederdruckentladung innerhalb der fluoreszierenden Lampe 10 emittiert Strahlung, typischerweise im Ultraviolettbereich, welche die Emission von sichtbarem Licht seitens der Leuchtstoffschicht stimuliert. Der Stand der Technik kennt geeignete Leuchtstoffbeschichtungen.
• Die Hochfrequenzquelle 12 besitzt vorzugsweise eine Ausgangsfrequenz im Bereich von etwa 3 MHz bis 300 MHz. Eine Betriebsfrequenz im Bereich von etwa 10 MHz bis 100 MHz wird besonders bevorzugt. Die Verwendung von Hochfrequenzen anstelle von Mikrowellenfrequenzen (1 GHz oder mehr) erlaubt es, die Leuchtstofflampe mit einer verhältnismäßig preiswerten, effizienten und leicht herzustellenden Leistungsquelle zu betreiben. Die Technik der kapazitiven Kopplung ist vorteilhafter als die induktiven Kopplungstechniken nach dem Stand der Technik, und zwar wegen ihrer einfacheren Verwirklichung und verhältnismäßig hohen Effizienz bei niedriger Entladungsleistung. Zum Unterschied von der induktiven Kopplung macht es die Technik der kapazitiven Kopplung möglich, Kompaktleuchtstofflampen mit einem Entladungsrohr oder mit zwei Entladungsrohren effektiv zu speisen.
• Bei der Lampe nach Fig. 1 wird an die äußeren Elektroden 20 und 22 hochfrequente elektrische Energie angelegt. Durch die unter jeder Elektrode liegende Glashülle hindurch ist Verschiebungsstrom gekoppelt, vorzugsweise mit ausreichender Hochfrequenzspannung, um eine Niederdruckentladung zu initiieren. Den äußeren Elektroden gegenüberliegend bilden sich auf der Innenseite der Glaswand Plasmahüllen. Der Verschiebungsstrom koppelt durch die Hüllen, die sich zwischen dem ladungsneutralen Plasmakörper und der Wand bilden, und es wird Leitungsstrom durch die Plasmasäule getrieben. Die resultierende Gasentladungssäule ist virtuell identisch der Entladung in einer herkömmlichen fluoreszierenden Lichtquelle. Die den Elektroden benachbarte Plasmahülle bildet jedoch einen erheblichen Unterschied gegenüber einer herkömmlichen fluoreszierenden Lampe bzw. Leuchtstofflampe, insofern nämlich, als die Hüllen einen Kondensator bilden, der als Ballast für die Entladung wirkt und den Entladungsstrom begrenzt. Darüberhinaus sind Ionen ströme in der Hochfrequenzentladung erheblich niedriger, als sie in einer fluoreszierenden Entladungslampe mit niedriger Frequenz gefunden werden, was einen geringeren Ionenfluß zu den Elektrodenbereichen ergibt.
• In Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm einer geeigneten Hochfrequenzquelle 12 gezeigt. Ein einzelner Feldeffekttransistor 30 fungiert als Verstärker und Oszillator bei einer Frequenz von 27,12 MHz. Ein Brückengleichrichter 32 und ein Kondensator 34 wandeln Wechselnetzspannung bei 60 Hz in eine Gleichstromspannung um. Der Transistor 30 arbeitet in eine resonante Tankschaltung, die einen Induktor 36 und einen Kondensator 38 aufweist und eine ausreichende Start- und Betriebsspannung an die Ausgangsleitungen 24 und 26 liefert, um sofort eine Entladung innerhalb der Leuchtstofflampe 10 zu initiieren. Die Ausgangsspannung beträgt typischerweise etwa 350 Volt. Der gezeigte Schaltkreis kostet wenig, ist einfach herzustellen und benutzt einen kommerziell verfügbaren Allzwecktransistor. Der Schaltkreis erzeugt etwa 8 bis 12 Watt Hochfrequenzleistung mit einer Effizienz zwischen 60 Prozent und 70 Prozent. Da der Transistor 30 mit einem geerdeten Drain arbeitet, kann der Drain an eine verfügbare Wärmeabfuhr angeschlossen werden. Die Lampe wird symmetrisch gespeist, wodurch einerseits Ionenfluß zum Elektrodenbereich und andererseits Hochfrequenzstrahlung reduziert werden.
• In den Fig. 3 und 4 sind typische Kurvenzüge der Betriebscharakteristiken der fluoreszierenden Lichtquelle nach der vorliegenden Erfindung dargestellt. Durch die Kurve 50 in Fig. 3 ist die Entladungsleistung als eine Funktion der Entladungsspannung dargestellt, wobei die Leuchtstofflampe bei 27 MHz getrieben wird. In Fig. 4 ist der relative Lichtstrom als eine Funktion der Entladungsleistung durch die Kurve 52 repräsentiert. Die Betriebscharakteristiken in den Fig. 3 und 4 zeigen an, daß die fluoreszierende Lichtquelle nach der Erfindung durch Reduktion der auf die Kompaktleuchtstofflampe aufgebrachten Hochfrequenzsspannung dimmbar ist. Die Lampe kann mit 3 bis 10 Watt bei näherungsweise dem gleichen Wirkungsgrad (Lumen pro Watt) bei sämtlichen Leistungspegeln betrieben werden. Der Hochfrequenzquellenschaltkreis nach Fig. 2 kann modifiziert werden, um eine variable Hochfrequenzsspannung zur Dimmung zu liefern. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, arbeitet die Leuchtstofflampe bei etwa 350 bis 400 Volt, was 8 bis 10 Watt in der Entladung entspricht. Der Gesamtstrom während normalen Betriebs wird auf 50 bis 60 Lumen pro Watt geschätzt. Eine bevorzugte Betriebsfrequenz ist 27,12 MHz, weil der FCC bei dieser Frequenz Strahlung von signifikanter Leistung erlaubt.
• Die in der fluoreszierenden Lichtquelle gemäß der vorliegenden Erfindung verwendete Kompaktleuchtstofflampe erzeugt weniger Hochfrequenzstrahlung als eine geradlinige Leuchtstofflampe, weil die in Fig. 1 gezeigte Kompaktleuchtstofflampe auf sich selbst zurückgefaltet ist und dadurch die Hochfrequenzstrahlung limitiert. Ein weiterer Vorteil der Kompaktleuchtstofflampengestaltung besteht darin, daß die Kopplungsenden nahe beieinander liegen und es dadurch bequem machen, die Hochfrequenzquelle ohne lange Leitungen und mögliche Strahlungsverluste durch Leitungskopplung anzuschließen.
• Eine vergrößerte Ansicht eines Endes der Leuchtstofflampe 10 ist in Fig. 5 gezeigt. Die Elektroden 20 und 22 können Metallschichten oder Bänder an der Außenfläche der Kompaktleuchtstofflampe 10 an oder nahe ihren Enden sein. Wegen der Kompaktleuchtstofflampengestalt sind die Elektroden 20 und 22 einander benachbart und liegen relativ nahe zusammen. Vorzugsweise besitzen die Elektroden 20 und 22 eine verhältnismäßig große Oberfläche, um die kapazitive Kopplung an das Plasma der Niederdruckentladung innerhalb der Leuchtstofflampe 10 zu verstärken. Bei dieser Ausführungsform werden innerhalb der Leuchtstofflampe 10 keine inneren Elektroden oder Glühfäden benötigt. Bei einer Frequenz von 27,12 MHz sind äußere Metallschichten oder Bänder, näherungsweise 20 Millimeter (3/4 Zoll) lang, zur kapazitiven Kopplung der hochfrequenten elektrischen Energie an die Entladung geeignet.
• Wie oben bemerkt, stellt die Hochfrequenzquelle 12 typischerweise eine Hochfrequenzspannung von ausreichender Größe zur Verfügung, um innerhalb der Leuchtstofflampe 10 eine Niederdruckentladung zu initiieren. Obgleich die zur Initiierung der Entladung erforderliche Hochfrequenzsspannung von der Lampenkonstruktion abhängt, ist eine typische Hochfrequenzspannung etwa 350 Volt. In Fällen, in denen die Hochfrequenzsspannung nicht ausreicht, um verläßlich die Entladung zu initiieren, wird vorzugsweise eine zusätzliche Zündeinrichtung verwendet. Ein Beispiel eines einfachen Zündschaltkreises ist in Fig. 5 gezeigt. In der Elektrode 22 ist eine Einkerbung 60 ausgebildet. In der Einkerbung 60 ist ein dünner Draht 62 an die Lampenhülle angeschlossen. Das andere Ende des Drahts 62 wird mit der Elektrode 20 verbunden. Wird die Hochfrequenzspannung der Quelle 12 an die Elektroden 20 und 22 angelegt, wird innerhalb der Lampe 10 der Einkerbung 60 benachbart ein hoher Feldbereich erzeugt, der das Zünden einer Entladung initiiert. Da die Kontaktfläche zwischen dem Draht 62 und der Leuchtstofflampe 10 in der Einkerbung 60 sehr klein ist, ist der Stromfluß sehr klein und der normale Betrieb ist nicht signifikant beeinträchtigt. Sobald an einem Punkt der Leuchtstofflampe 10 eine Entladung initiiert worden ist, erstreckt sich die Entladung anschließend durch die Länge der Lampe zwischen den Elektroden 20 und 22.
• Eine zur Verwendung in einer fluoreszierenden Lichtquelle nach der vorliegenden Erfindung geeignete, alternative Ausführungsform einer Kompaktleuchtstofflampe ist in Fig. 6 gezeigt. Eine Kompaktleuchtstofflampe 70 hat innenmontierte Kaltkathodenelektroden 72 und 74 an oder nahe einander gegenüberliegenden Enden. Die Kaltkathodenelektroden 72 und 74 können aus Nickel oder aus mit Quecksilber imprägniertem Nickel bestehen (um Quecksilber abzugeben). Um das Zünden zu verstärken, ist zwischen den Armen der Kompaktleuchtstofflampe 70 ein dielektrisches Füllmaterial 76 hoher Dielektrizitätskonstante angeordnet. Das Material hoher Dielektrizitätskonstante vergrößert das elektrische Feld innerhalb des Rohrs in dem Volumen zwischen den Elektroden 72 und 74 genügend, um einen Durchschlag zu initiieren. Das Material hoher Dielektrizitätskonstante kann beispielsweise Glas sein (εγ 5).
• Das Betriebsverhalten von kapazitiv gekoppelten, hochfrequenzgespeisten, fluoreszierenden Lichtquellen kann durch das Hervorrufen einer hilfsweisen induktiven Hochfrequenzentladung nahe den kapazitiven Kopplungselektroden verbessert werden. Das hochfrequente magnetische Feld erhöht örtlich die Plasmadichte und die Hüllenkapazität und reduziert sowohl die hochfrequente Spannung über die Leuchtstofflampe als auch die Hüllenverluste. Als Ergebnis erhöht das hochfrequente magnetische Feld die Effizienz und die Lebenserwartung der fluoreszierenden Lichtquelle.
• Kapazitiv gekoppelte, hochfrequenzgespeiste fluoreszierende Lichtquellen sind bei Entladungsströmen effizient, bei welchen die Hüllenverluste klein sind. Die Hülle ist der dünne Bereich nahe jeder kapazitiven Kopplungselektrode, wo ein Plasma nicht existiert. Da Hüllenverluste dem Produkt aus dem Ionenstrom an der Elektrode und aus der Durchschnittsspannung über die Hülle proportional sind, tritt ein effizienterer Betrieb typischerweise bei niedrigeren Strömen auf. Niedrigere Ströme können jedoch gegebenenfalls keinen ausreichenden Lichtstrom aus der Leuchtstofflampe erzeugen. Da der Entladungsstrom durch die Impedanz der Elektrodenhülle limitiert ist, werden höhere Entladungsströme durch Vergrößerung der Hochfrequenzspannung über die Hülle erhalten. Mit anwachsender Hochfrequenz-Hüllenspannung wächst die Durchschnittsspannung zwischen dem Plasma und den Elektroden infolge von Gleichrichteffekten, und die Hüllenverluste wachsen grob als Quadrat des Entladungsstroms. Bei starken elektrischen Strömen kann die Entladung gegebenenfalls nicht länger eine effiziente Lichtquelle bilden, weil Ionenverluste einen großen Prozentsatz der gesamten Entladungsleistungsverteilung ausmachen können. Die Ionenverluste tragen nicht zur Erzeugung von Licht bei.
• Obgleich die unten beschriebene hochfrequente magnetische Verstärkungstechnik die Hüllenverluste bei sämtlichen Entladungsströmen reduziert, ergibt sich ihr Hauptwert bei höheren Entladungsströmen, bei welchen die Hüllenverluste bedeutend sind. Allgemein gesprochen verkörpert die Technik die Aufbringung eines hochfrequenten magnetischen Feldes im Bereich der Leuchtstofflampe nahe den kapazitiven Kopplungselektroden. Die Wirkung des hochfrequenten magnetischen Feldes besteht darin, die Elektronendichte nahe den kapazitiven Kopplungselektroden zu verstärken. Die verstärkte bzw. erhöhte Elektronendichte resultiert in einem Abfall an kapazitiver Reaktanz in der Hülle und führt letztlich zu einer niedrigeren Spannung über die Hülle, als ohne hochfrequente magnetische Verstärkung (bei einem gegebenen Entladungsstrom) vorhanden wäre.
• In Fig. 7 ist ein schematisches Diagramm einer Kompaktleuchtstofflampe mit hochfrequenter magnetischer Verstärkung gezeigt. Um eine Kompaktleuchtstofflampe 104 sind nahe ihren Enden leitende Wicklungen 100 und 102 gewunden. Jede der Wicklungen 100 und 102 umfaßt einige Windungen. Die Wicklungen 100 und 102 sind vorzugsweise als einzelne, kontinuierliche Leiter gewickelt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform bilden die Wicklungen 100 und 102 das induktive Element 36 (siehe Fig. 2) der resonanten Tankschaltung in der Hochfrequenzquelle 12. Diese Ausgestaltung spart Platz für den Schaltkreis der Hochfrequenzquelle, die vorzugsweise in dem Sockel der fluoreszierenden Lichtquelle angebracht ist, wie in Fig. 1 gezeigt und oben beschrieben. Die Wicklungen 100 und 102 sind derart gewickelt, daß sie jeweils das magnetische Feld der anderen verstärken und um innerhalb der Leuchtstofflampe 104 nahe deren Enden ein allgemein axiales magnetisches Feld zu erzeugen, wie durch die magnetischen Feldlinien 106 angegeben ist. Das Hochfrequenzpotential an den Wicklungen 100 und 102 ist kapazitiv durch die Glasenden der Kompaktleuchtstofflampe 104 gekoppelt und erzeugt eine kapazitive Hochfrequenzentladung, die die Kompaktleuchtstofflampe 104 füllt. Um die kapazitive Kopplung zu verstärken, können die Wicklungen 100 und 102 als ein flaches Leiterband ausgebildet sein, das auf die Enden der Leuchtstofflampe 104 aufgewickelt ist. Bei der Ausführungsform nach Fig. 7 erfüllen die Wicklungen 100 und 102 die Funktionen einer kapazitiven Kopplung von hochfrequenter elektrischer Energie an die Entladung innerhalb der Leuchtstofflampe 104 und Erzeugung eines hochfrequenten magnetischen Feldes in den kapazitiven Kopplungsbereichen.
• Wenn der Strom durch die Wicklungen 100 und 102 fließt, wird ein zeitvariierter Magnetfluß in eine Richtung längs der Achse jeder Wicklung innerhalb des von der Wicklung eingeschlossenen Volumens erzeugt. Der zeitvariierte Magnetfluß induziert ein zeitvariiertes elektrisches Feld, das einen elektrischen Strom in einer Ebene senkrecht zu der Achse jeder Wicklung 100 und 102 und innerhalb des von den Wicklungen angeschlossenen Volumens treibt. Der induzierte Strom ist in seiner Richtung dem Strom in den Wicklungen 100 und 102 entgegengesetzt. Der induzierte Strom verstärkt die Elektronendichte in dem von den Wicklungen 100 und 102 eingeschlossenen Plasmavolumen und resultiert in einer Reduzierung der kapazitiven Reaktanz zwischen dem Plasma und den Elektroden und letztlich in einer Reduktion von Hüllenleistungsverlusten.
• Eine Abwandlung der hochfrequenten magnetischen Verstärkungstechnik ist in Fig. 8 gezeigt. Entsprechende Elemente in Fig. 7 und 8 besitzen die gleichen Bezugszeichen. Die Reluktanz des Magnetwegs an den Enden der Wicklungen 100 und 102 ist durch ferromagnetische Elemente 110 und 112 verringert. Das ferromagnetische Element 110 erstreckt sich zwischen den Enden der geradlinigen Rohrabschnitte der Leuchtstofflampe 104, und das ferromagnetische Element 112 schafft einen Magnetweg zwischen den Enden der Wicklungen 100 und 102 in einem intermediären Bereich der Lampe 104. Die verringerte Reluktanz vergrößert für einen vorgegebenen Wicklungsstrom den Magnetfluß innerhalb der Leuchtstofflampe 104. Der verstärkte Magnetfluß vergrößert das induzierte elektrische Feld und verstärkt somit die Wirkung für einen vorgegebenen Wicklungsstrom. Es ist verständlich, daß jeweils eins oder beide der ferromagnetischen Elemente 110 und 112 verwendet werden können.
• Eine die hochfrequente magnetische Verstärkung verkörpernde Leuchtstofflampe mit einer vergrößerten Elektrodenfläche zwecks verstärkten hochfrequenten kapazitiven Koppelns ist in Fig. 9 gezeigt. Auf der Außenfläche der Leuchtstofflampe 104 an oder nahe den Enden derselben sind leitende Schichten 120 und 122 angeordnet. Jede der leitenden Schichten 120 und 122 ist mit einem axialen Spalt 124 versehen, um Stromfluß in Umfangsrichtung zu vermeiden, der das magnetisch induzierte elektrische Feld in dem Plasma verringern würde. Die Wicklungen 100 und 102 umgeben jeweils die leitenden Schichten 120 und 122. Jede Wicklung ist an dem Hochspannungsende der Wicklung (an den Punkten 126 und 128) mit der leitenden Schicht verbunden. Die Wicklung sollte die leitende Schicht nicht berühren, ausgenommen an einem Punkt, um einen Kurzschluß der Windungen der Wicklung zu vermeiden. Wie oben angegeben, kann die kapazitive Koppelelektrodenfläche auch durch die Verwendung einer flachen Bandwicklung vergrößert werden. Aus den Fig. 7 bis 9 und der obigen Beschreibung wird es offensichtlich sein, daß die kapazitive Koppelelektrode und die Einrichtung zur hochfrequenten magnetischen Verstärkung separate Elemente sein können, wie in Fig. 9 gezeigt, oder auch in einem Element integriert sein können, wie in Fig. 7 gezeigt.
• Die hochfrequente magnetische Verstärkungstechnik wurde in Verbindung mit einer Kompaktleuchtstofflampe mit einem Entladungsrohr gezeigt und beschrieben. Sie kann jedoch auch auf geradlinige Leuchtstofflampen und auf Kompaktleuchtstofflampen mit zwei Entladungsrohren angewendet werden.
• Eine fluoreszierende Lichtquelle nach der vorliegenden Erfindung kann eine verbesserte fluoreszierende Lichtquelle darstellen, welche für den Ersatz einer Glühlampe geeignet ist, und die aus Kompaktleuchtstofflampe besteht, welche auf kapazitive Weise durch hochfrequente elektrische Energie gespeist wird, welche kompakt und hochfrequenzgetrieben ist und sehr wenig Hochfrequenzstrahlung erzeugt, und welche schließlich preiswert und einfach herzustellen ist.
• Eine fluoreszierende Lichtquelle nach der vorliegenden Erfindung kann ferner eine hocheffiziente fluoereszierende Lichtquelle bilden, bei welcher eine Leuchtstofflampe von hochfrequenter elektrischer Energie gespeist ist.

Claims (14)

1. Fluoreszenzlichtquelle mit einer Leuchtstofflampe (10; 70; 104), die erste und zweite Elektroden (20, 22; 72, 74; 100, 102; 120, 122) aufweist, die an oder nahe den Enden derselben zwecks kapazitiver Kopplung von hochfrequenter elektrischer Energie an eine Niederdruckentladung innerhalb der Fluoreszenzlampe angeordnet sind, sowie eine Hochfrequenzquelle (12) mit einer Frequenz im Bereich von etwa 3 MHz bis etwa 300 MHz, einer ersten Ausgangsleitung (24), die elektrisch an die erste Elektrode (20; 72; 100; 120) gekoppelt ist, und mit einer zweiten Ausgangsleitung (26), die elektrisch an eine zweite Elektrode (22; 74; 102; 122) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluoreszenzlampe zwei parallele, im wesentlichen geradlinige Rohrabschnitte und eine Verbindung zwischen diesen im wesentlichen geradlinigen Rohrabschnitten an oder nahe einem Ende aufweist, wobei die ersten und zweiten Elektroden (20, 22; 72, 74; 100, 102; 120, 122) einander benachbart an oder nahe dem anderen Ende angeordnet sind.

2. Lichtquelle nach Anspruch 1, bei welcher die Elektroden (72, 74; 100, 102; 120, 122) Einrichtungen (76; 110, 112; 100) für die Induzierung eines hochfrequenten magnetischen Feldes innerhalb der Fluoreszenzlampe (70; 104) nahe den Elektroden aufweisen.

3. Lichtquelle nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die ersten und zweiten Elektroden (20, 22; 100, 102; 120, 122) jeweils aus einer leitenden Schicht auf der Außenfläche der Fluoreszenzlampe (10; 104) bestehen.

4. Lichtquelle nach Anspruch 3, bei welcher rund um die leitende Schicht (120, 122) eine leitende Wendel (100) zur Induzierung eines axialen, hochfrequenten, magnetischen Feldes innerhalb der Fluoreszenzlampe (104) angeordnet ist.

5. Fluoreszenzlichtquelle nach Anspruch 3, bei welcher die leitende Schicht (20, 22; 120, 122) aus einem flachen Band besteht, das auf der Außenfläche der Fluoreszenzlampe (10; 104) angeordnet ist.

6. Lichtquelle nach Anspruch 5, bei welcher die leitende Schicht die Form einer Wendel aufweist.

7. Lichtquelle nach irgendeinem der Ansprüche 3 bis 6, bei welcher jede leitende Schicht (120, 122) zur Verhinderung eines Stromflusses in Umfangsrichtung einen axialen Spalt (124) auf weist.

8. Fluoreszenzlichtquelle nach Anspruch 4 oder 6, bei welcher die leitenden Wendeln (100, 102; 100) Teil eines Resonanzspeicherkreises der Hochfrequenzquelle (12) sind.

9. Lichtquelle nach Anspruch 8, welche zusätzlich ferromagnetisches Material (110, 112) zwischen den geradlinigen Rohrabschnitten an einem oder an beiden Enden der leitenden Wendeln aufweist, um die magnetische Feldstärke innerhalb der Leuchtstofflampe für einen gegebenen Strom durch die leitenden Wendeln (100; 102) zu verstärken.

10. Lichtquelle nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die ersten und zweiten Elektroden (72, 74) Kaltkathodenelektroden sind.

11. Lichtquelle nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, welche zusätzlich eine Starteinrichtung (60, 62) für das Hervorrufen einer Niederdruckentladung innerhalb der Leuchtstofflampe aufweist.

12. Lichtquelle nach Anspruch 11, bei welcher die Starteinrichtung (60, 62) aus einer Einrichtung für das Aufbringen der Spannung der Hochfrequenzquelle auf einen lokalisierten Bereich der Leuchtstofflampe (10) besteht.

13. Lichtquelle nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Hochfrequenzquelle (12) eine Frequenz im Bereich von etwa 10 MHz bis 100 MHz besitzt.

14. Lichtquelle nach Anspruch 13, bei welcher die Hochfrequenzquelle (12) eine Frequenz von etwa 27 MHz besitzt.