DK152234B

DK152234B - Elektrodefri udladningslampe

Info

Publication number: DK152234B
Application number: DK367576AA
Authority: DK
Inventors: Donald Drury Hollister
Original assignee: Diablo Lighting Inc
Priority date: 1975-08-13
Filing date: 1976-08-13
Publication date: 1988-02-08
Also published as: JPS5238787A; LU75603A1; BE845186A; DE2636449A1; IL50254A0; IE43936B1; US4010400A; NL178208C; IE43936L; IL50254A; US4119889A; JPS5778766A; JPS5939863B2; FR2321188A1; IT1067668B; MX144296A; FR2321188B1; IN147230B; DK152234C; NL7608897A

Description

1 DK 152234 B

* Deri foreliggende opfindelse angår en elektrodefri udladnings- lampe omfattende en forseglet kolbe, et ioniserbart medium i kolben indeholdende mindst en bestemt ioniserbar gas ved et givet tryk, som er i stand til at udsende strålingsenergi, når den udsættes for et højfrekvensfelt, og organer indbefattende en induktionsspole som er anbragt i tæt fysisk nærhed af mediet i kolben for kobling til mediet af et elektrisk felt med en frekvens på mindst tre MHz og en størrelse, der er tilstrækkelig til at starte ionisering af mediet og til samtidig kobling til mediet i kolben af et højfrekvent magne-tiksk induktionsfelt, der er tilstrækkeligt til opretholdelse af ioniseringen, hvor mediet har et tryk på fra ca. 1 til flere torr.

Glødelampen er en hovedlyskilde i hjem og erhverv. Dens lysemi tterende glødetråd fordamper imidlertid og bliver svag ved brugen, hvorfor den let knækker eller løsner sig fra sine holdere. Levetiden af en glødelampe er således kort og uforudsigelig. Hvad der er mere vigtigt er, at virkningsgraden af en glødelampe ved omdannelse af elektrisk energi til lys er meget lav, f.eks. ca. 15 lyslumen pr. watt af den elektriske effekt.

Fluorescenslamper er i almindelighed mere effektive og holdbare end glødelamper. Den sædvanlige fluorescenslampe kræver imidlertid både en ballast og et særligt armatur, som skal installeres, før en lampe kan anvendes. Endvidere er elektroderne udsat for nedbrydning over et tidsrum.

Indenfor den kendte teknik findes der alternative forslag til belysningsorganer, hvor der ikke findes elektroder. Ingen af disse organer er imidlertid endnu kommercielt tilgængelige.

En type belysningsorganer omtalt i USA patentskrift nr. 3,5oo,118 og 3.521,12o er baseret på den ide, at højfrekvenstransformatorer med luftkerner, når de anvendes til overføring af energi til elektrodefri lysbu'eudiadninger, giver ineffektiv energikobling til udladningen, hvilket medfører et effekttab ved stråling, som er prohibitivt, og som kan være farligt, I denne forbindelse er det angivet, at sådanne organer aldrig har været drevet med held over nyttige tidsrum med en rimelig virkningsgrad, I det ovennævnte USA patent 3.521,12ο er det klart angivet, at en ferritmagnetkerne i induktionsspolen ikke blot er ønskelig, men nødvendig for at frembringe effektiv energikobling til en elektrodefri lysbue.

Ferritmaterialer frembringer, når de benyttes til en sådan anvendelse, betydelig ineffektivitet. For det første forøger sådanne materialer induktansen af induktionsspolen i en sådan grad, at drift

2 DK 152234 B

kerne er således naturnødvendigt lavfrekvente anordninger, og deres drift kræver meget høje induktionsfeltstyrker. For det andet frembringer hysteresetabene i ferritkerner opvarmning af ferritmaterialet, og den cirkulerende strøm i spolen, der er viklet omkring ferritkernen, frembringer også opvarmning af kernen ved varmeledning ligesom direkte og indirekte optisk stråling, som' udsendes ved udladningen og rammer kernen eller mellemliggende materiale, og ligesom eventuelle ohmske effekter, som findes i kernen. Det er velkendt, at permeabilite-ten af de fleste almindelige ferritter aftager diskontinuerligt til en meget lav værdi ved curietemperaturen, sædvanligvis i nærheden af 1oo°C - 15o°C. Når denne kernetemperatur opnås under anordningens drift, bliver induktionsspolen i virkeligheden ubelastet ved den store formindskelse i dens induktans, størrelsen af induktionsfeltet falder væsentligt, udladningen slukkes, og den nu ubelastede transistor svigter hurtigt på grund af termisk overbelastning. Prisen for en egnet ferritkerne til sådanne anordninger er også af samme størrelsesorden som prisen for hele den øvrige del af det elektroniske system, som strømforsyner' udladningen. En sådan kerne fremmer således ikke kun systemets ineffektivitet og reducerer dets driftspålidelighed, men hæver også betydeligt prisen på det elektroniske system.

Indenfor den omtalte kendte teknik påtrykker et hjælpeudlad-ningsstartkredsløb et elektrisk felt på lampen for at opnå indledende ionisering. Derefter kobles energien til udladningen ved hjælp af det vekslende magnetfelt i ferritkernen. Indgangsspænding og -strøm til en primærvikling med fem vindinger på ferrittransformatoren er henholdsvis 5o volt og o,6 ampere ved en frekvens af 5o kHz, medens den inducerede spænding og strøm er angivet at være henholdsvis ca. 1o volt og 3 ampere med et kemetab på ca, 3 watt. Det påståede lysudbytte for anordningen er 4o lumen pr, watt,· men betydelige kredsløbstab er ikke indbefattet i dette tal,

Laboratorieundersøgelser har bekræftet, at den ensrettede indgangsspænding til dette kredsløb, når den tages fra et 11o volt vekselspændingsnet, er 155 volt. En indgangsspænding på 5o volt til ferri ttransformatoren kan kun opnås under klasse A betingelser, hvor en 3o watt højfrekvensudgang kræver en indgangseffekt til kredsløbet større end 6o watt. Det samlede lysudbytte for kredsløbet kan for denne anordning derfor ikke være større end 2o lumen pr. watt, et tal der kun er lidt større end lysudbyttet for en sædvanlig glødelampe.

Det for udladningslampen ifølge den foreliggende opfindelse ejendommelige er, at induktionsspolen er viklet omkring en umagnetisk kerne, οσ at induktionssDolen alene tilveiebrincer det ncSdvendiae

3 DK 152234B

elektriske felt til at initiere ioniseringen af mediet og samtidig tilvejebringer det nødvendige magnetiske induktionsfelt til at opretholde ioniseringen, hvor størrelsen af spidsværdien og frekvensen af det magnetiske induktionsfelt er valgt til at optimere virkningsgraden ved omdannelse af højfrekvensenergi, som er koblet til mediet, til udsendt strålingsenergi.

I almindelighed sætter teknikkens stade indenfor elektroniske komponenter begrænsninger i frekvensen og/eller størrelsen af det højfrekvente magnetiske induktionsfelt, som kan frembringes effektivt. Følgelig er et aspekt ved opfindelsen udvælgelsen af størrelsen af induktionsfeltet for en given feltfrekvens, et givet gastryk og en given gassammensætning for at maksimere omdannelsesvirkningsgraden af højfrekvent energi til lys. Et andet aspekt ved opfindelsen er udvælgelsen af frekvensen af det magnetiske induktionsfelt for en given feltstyrke, et givet gastryk og en given gassammensætning for at maksimere omdannelsesvirkningsgraden af højfrekvent energi til lys. For at opnå en god omdannelsesvirkningsgrad ligger frekvensen i alminde- s lighed fortrinsvis i området 3<r3oo MHz. Som et resultat heraf kan virkningsgraden af omdannelsen af jævnstrømsenergi til højfrekvensenergi også optimeres ved iagttagelse af begrænsningerne, som lægges på værdien af frekvensen og/eller størrelsen af det magnetiske induktionsfelt af arbejdskårakteristikkerne for de elektroniske komponenter, der frembringer højfrekvensen,.

Da middelværdien af den frie vejlængde afhænger af den pågældende gassammensætning og det pågældende tryk, er trykket af det ioni-serba.re medium, gassammensætningen af det ioniserbare medium, frekvensen af det magnetiske induktionsfelt og størrelsen af det magnetiske induktionsfelt de fire indbyrdes sammenknyttede variable, som bestemmer virkningsgraden, hvormed højfrekvensenergien, der kobles til mediet, omdannes til lys. Omdannelsesvirkningsgraden som en funktion af en hvilken som helst af disse variable, medens de tre andre holdes konstant, har en optimal værdi ved en bestemt værdi af den ene variable.

Den foreliggende opfindelse udelukker ferrit- og andre kernematerialer fra kommercielt levedygtige anvendelser af grunde, som er forklaret ovenfor. Kobling af højfrekvent energi fra luftkernespolen til udladningen frembyder ikke noget alvorligt problem for fagmanden, forudsat at de korrekte udladningsparametre er valgt som angivet heri. Maksima.! virkningsgrad af' energioverførsel til udladningen opnås i virkeligheden, når induktionsspolen og plasmaet tillades'at danne de

4 DK 152234 B

sansen, som frembydes overfor højfrekvenskilden af induktansen, dannet af induktionsspolen og dens plasma i forbindelse med en egnet resonanskondensator/ en ren resistans pr. definition.

• Den kendte teknik angiver almindeligvis, at der findes et behov for hjælpeudladningsstartorganer, og fremgangsmåder, der strækker sig fra betydelig lampekolbeopvarmning, kapacitive udladningsmetoder til anvendelse af optransformerende transformatorer til at forsyne den neutrale gas med overspænding, kan nævnes. Sådanne midler har vist sig' unødvendige, når den heri angivne udladningslampe ifølge opfindelsen anvendes i forbindelse med udvælgelse af egnede udladningsparametre, Endvidere forøger hjælpeudladningsstartorganer systemets pris og formindsker systemets pålidelighed og skal derfor udelades i udførelsen af kommercielt levedygtige elektrodefrie lysbuebelysningssystemer. Ved betragtning af kriterierne til bestemmelse af kommerciel levedygtighed af en elektrodefri fluorescenslampe skal man tage i betragtning, at driftseffektivitet, pålidelighed af systemet og komponentpris er de primære faktorer, som i fællesskab fastlægger den kommercielle troværdighed af opfindelsen. Den foreliggende beskrivelse angiver metoden til optimering for den elektrodefrie lav- * / trykslysbueudladning, som, når den anvendes i udformningen af et elektrodefrit fluorescenslampesystem, der er kompatibelt med standard-husholdningsarmaturer med Edison-sokkel, giver en virkningsgrad, der nærmer sig virkningsgraden for sædvanlige fluorescenslamper. Systemets pålidelighed forøges ved korrekt udformning i henhold til den heri angivne optimeringsmetode og forøges yderligere ved elimineringen og fjernelsen af komponenter, som er blevet unødvendige under hensyn til denne metode. Ferritkerner, flérdobbelte viklinger, hjælpe-startkredsløb,' udvendige reflektorer og lignende komponenter har således vist sig skadelige for systemets pålidelighed og udelades i enhver realistisk systemudformning. Denne fjernelse reducerer gunstigt og betydeligt systemets pris, ligesom den forøger dets pålidelighed og har vist sig væsentlig i et produkt bestemt til omfattende produktion og anvendelse.

Opfindelsen skal herefter forklares nærmere under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 viser et sidebillede delvis i snit af en udførelsesform for en elektrodefri udladningslampe ifølge opfindelsen med kolben fjernet fra soklen,

5 DK 152234B

fig. 2 et sidebillede af lampen i fig. 1 med kolben monteret på soklen, fig. 3 et skematisk kredsløbsdiagram for en højfrekvensoscillator anbragt i soklen i lampen vist i fig. 1 og 2, fig. 4 et skematisk kredsløbsdiagram for en modifikation af højfrekvensoscillatoren i fig. 3, fig. 5 en symbolsk tredimensional afbildning af omdannelsesvirkningsgraden for lampen vist i fig. 1 og 2 som en funktion af det magnetiske induktionsfelts frekvens og størrelse og fig. 6 en symbolsk afbildning af udladningsparametrene, tryk, induktionsfeltfrekvens og induktionsfeltstørrelse for en bestemt udladningsdannende gas.

I skarp kontrast til den kendte tekniks interesse for koblingen har det vist sig, at den effektive kobling af energi til udladningen ikke frembyder noget særligt problem, når udladningssystemet udformes efter den nedenfor beskrevne metode, og selve udladningen gøres til den tabsbehæftede del af det elektroniske systems resonanskredsløb. Indenfor praktiske grænser er der således ikke fundet nogen nævneværdige af koblingen forårsagede begrænsninger i udformningen af induktionssystemet ved frembringelsen af elektrodefrie lysbueudladninger og navnlig elektrodefrie lysbueudladninger egnet til fluorescensbelysningsanvendelser. Elektrodefrie lysbueudladninger er således med held blevet frembragt både i og udenfor sædvanlige højfrekvensreso-nanssolenoider, enkeltvindingssløjfer og udvidede konstruktioner, såsom bifilare kredsløb, hvor udladningsbeholderformen er blevet ændret fra sfærisk til en lang cylinder. Man har fundet, at en hvilken som helst induktionsspoleform, som kan afledes af en konform omdannelse af en simpel resonanssløjfe eller -flade, er anvendelig til effektiv fødning af elektrodefrie lamper. Det er således fuldt ud muligt at bringe inducerede strømme til at gennemløbe.længden af en lang cylindrisk lampe på den ene side af lampen og at vende tilbage via den anden side af lampen ved blot at anbringe lampen i umiddelbar nærhed af et kortsluttet bifilart kredsløb, som leder en højfrekvent strøm, og som forløber hen langs lampen. Et sådant kredsløb har f.eks. med held strømforsynet kasserede sædvanlige fluorescen-slam-per, hvori en glødetråd var blevet defekt tidligere.

6 DK 152234 B

I fig. 1 og 2 er en forseglet lystransmitterende glaskolbe 1o fyldt med et ioniserbart gasformigt medium omfattende en blanding af kviksølvdamp og en inaktiv gas, såsom argon. Kolben 1o er vist udformet som en glødelampepære. Enhver forseglet kolbe, såsom med kugleform, vil imidlertid være tilstrækkelig. Partieltrykket af argon skal typisk være af størrelsesordenen 1-5 torr. Formålet med argon er at lette starten af kviksølvudladningen i kolben 1o ved den velkendte Penning-effekt som beskrevet nedenfor. Et åbent cylindrisk hulrum 11 strækker sig gennem midten af kolben 1o. Den del af den indvendige overflade af kolben 1o, som omgiver hulrummet 11, er belagt med et åg 12 af et elektrisk isolerende materiale, der reflekterer ultraviolet og hvidt lys, såsom magnesiumoxid eller zirconiumoxid, og kan være overtrukket med standardfosforer for at forøge virkningsgraden. Et lag 13 af fosfor, såsom en hvilken som helst af standardhalofosfaterne eller fluorofosfaterne, ligger ovenpå laget 12 på den del af kolben 1o, som omgiver hulrummet 11. Den indvendige overflade af den øvrige del af kolben 1o er belagt med et lag 14 af fosfor.

En hul cylindrisk spoleform eller kerne 18 udført af et eller andet ikke ledende umagnetisk materiale er dimensioneret til at passe i hulrummet 11. Den ene ende af kernen 18 er fastgjort til en sokkel 19, som er bestemt til indskruning i en sædvanlig glødelampefatning. Soklen 19 indeholder en højfrekvensoscillator med en afstemt kreds, der indeholder en induktionsspole 2o, der er viklet omkring eller aflejret på overfladen af kernen 18. Det eneste formål med kernen 18 er at understøtte spolen 2o, hvorhos den kan udføres af et eller andet egnet billigt materiale.

Den ende af spolen 2o, som vender bort fra soklen 19, kan forbindes

DK 152234B

7 til højfrekvensoscillatoren ved hjælp af en skærmet ledning, der passerer gennem den hule midte af kernen 18. Soklen 19 har kontakter 21 og 22, over hvilke en sædvanlig 12o volt vekselstrøm af frekvensen 6o Hz føres til højfrekvensoscillatoren. Når kolben lo og soklen 19 er samlet, som vist i fig. 2, ligger feltet, der frembringes af spolen 2o, i umiddelbar nærhed af det ioniserbare medium i kolben lo, så at højfrekvenseffekten fra oscillatoren kan kobles effektivt til mediet set ud fra et fysisk synspunkt. Den del af kolben lo, som berører soklen 19, kan kittes dertil for at forhindre adskillelse af lampen ved et uheld eller fastholdes mekanisk ved hjælp af indstillelige klemmer eller skruer for at muliggøre lampeudskiftning om ønsket.

På den nedenfor i forbindelse med fig. 3 beskrevne måde er højfrekvensoscillatoren udformet til at inducere en tilstrækkeligt høj spænding over spolen· 2o, når strømmen til at begynde med tilsluttes lampen, så at det resulterende elektriske felt nedbryder, dvs. ioniserer, kviksølvdampen til dannelse af en lysbueudladning uden et ydre starterkredsløb. Efter at udladningen er etableret, kobles højfrekvensenergi fra* oscillatoren til udladningen over det magnetiske induktionsfelt fra spolen 2o. Den ioniserede kviksølvdamp udsender overvejende ultraviolet lys med en bølgelængde af 253,7 nm. En del af det ultraviolette lys passerer udad til laget 14, hvor det absorberes af og anslår fosforet, som udsender hvidt lys, der er egnet til belysning. Den øvrige del af det ultraviolette lys passerer indad mod hulrummet 11 og bliver enten absorberet 1 af laget 13 eller reflekteret tilbage af laget 12 ind i det indre af kol-· ben lo uden at passere gennem dennes glasvæg. Hvidt lys, som udsendes af laget 13, bliver også reflekteret tilbage til det indre af kolben lo af laget 12. Dette hvide lys passerer gennem laget 14 og kolben lo for at bidrage til den samlede belysning, som fås ved hjælp af lampen. I kraft af tilstedeværelsen af laget 12 undgås tab af ultraviolet eller hvidt lys gennem den del af kolben lo, som omgiver hulrummet 11, og i kraft af beliggenheden af laget 12 inden i kolben lo undgås dæmpning af det ultra-' violette lys ved unødvendig nytteløs transmission gennem kolben lo's glasvæg.

Fremgangsmåden ved valg af driftsfrekvens og induktionsfeltstyrke forklares bedst ved betragtning af driftkravene til selve den elek-' trodefrie lysbue.Den inducerede spænding, som opretholder udladningen, er bestemt af ændringshastigheden af magnetisk flux over udladningsvejen. Da udladningsområdet sædvanligvis er fastlagt af krav til lampeudformningen, er man kun i stand til at indstille den inducerede spænding til det korrekte niveau ved indstilling af værdien af produktet af den magnetiske i 8

DK 152234B

kvens vælges delvis på basis af optimerede nedbrydningskriterier for den pågældende udladningsdannende gas eller damp, som anvendes ved det betragtede arbejdstryk primært på grund af det unødvendige og urimelige tab, som ledsager gentagen ionisering af den udladningsdannende gas eller damp mellem cykliske spidser af den inducerede vedligeholdelsesspænding.

Det skal erkendes, at induktionsfeltet forud for den indledende nedbrydning ikke samvirker med lampen eller dens indhold. Nedbrydningsfeltet skal derfor være elektrisk i sin art og af tilstrækkelig styrke til at starte udladningen. Et sådant felt tilvejebringes hensigtsmæssigt af det aksiale elektriske felt i induktionsspolen ifølge opfin-delsen og har en værdi L ^ pr. spolelængde, hvor L er spolens tomrumsinduktans, og 4^ er ændringshastigheden af induktionsspolestrømmen angivet i størrelse ved u»i. Ifølge opfindelsen er størrelsen af det elektriske startfelt således direkte proportional med frekvensen, ved hvilken induktionsspolen drives,og med induktionsspolestrømmen. Ydre startorganer er ikke påkrævet ved konstruktionen ifølge opfindelsen, hvis der foretages et kyndigt valg af disse parametre.

På dette grundlag kan der ved de fleste rene udladningsdannende gasser ved lavt tryk bestemmes en optimeret feltfrekvens ved betragtning af, at en typisk udladningselektron skal accelereres til ioniseringshastighed over en afstand lig med dens gennemsnitlige frie vejlængde på en tid, der tilnærmelsesvis er lig med en fjerdedel af sinusperioden for det elektriske nedbrydningsfelt. Frekvenser højere end den ovenfor angivne vil give en ioniseringshastighed, der er mindre end den maksimale, fordi den "typiske" ioniseringselektron, som er ude af fase med det påtrykte felt, ikke vil opnå ioniseringshastighed indenfor sin gennemsnitlige frie vejlængde, fordi feltet vil vende og decelerere partiklen, som følgelig kan foretage "termiske" kollisioner, men ikke ioniserende kollisioner. Frekvenser lavere end den ovenfor angivne giver en ioniseringshastighed mindre end den maksimale, fordi den elektroniske hastighed ved enden af den gennemsnitlige frie vejlængde vil være mindre end den krævede hastighed for ionisering. I begge tilfælde kan tilstrækkelig ionisering til udladningsopretholdelse endvidere kun tilsikres ved at forøge størrelsen af induktionsfeltet fra den krævede minimumsværdi for at kompensere for en ioniseringshastighed, der er mindre end den optimale. Da kravet til udladningseffekt er proportionalt med kvadratet på størrelsen af induktionsfeltet og dets afledede, ledsager et betydeligt og unødvendigt effekttab et ukorrekt valg af dette felts frekvens.

I de fleste tilfælde af elektrodefri lysbueudladning ved lavt tryk vil induktionsfeltets frekvens bestemt på basis af det ovenfor an-

9 DK 152234B

nogle få gauss til typiske udladninger i sædvanlige lavtryksgasser med udladningseffektniveauer af størrelsesordenen nogle få multipla af lo watt.

En vigtig situation opnås, når visse blandinger af udladningsdannende gasser og/eller dampe anvendes til at udnytte Penning-ef-fekten i en elektrodefri lysbueudladning. Udnyttelse af Penning-effekten kræver, at der findes en blanding af udladningsdannende gasser, hvor majoritetsarten har mindst en metastabil tilstand med energi større end ioniseringsenergien af minoritetsarten. Som det er kendt, gør udvælgelsesregelbegrænsninger strålingsdeexcitation af den metastabile tilstand meget usandsynlig, og følgelig er disse tilstande karakteriseret ved usædvanligt lange levetider, som ligger fra lo til loo millisekunder, og depopulation af sådanne tilstande er overvejende en kollisionsproces.

I Penning-blandingen resulterer kollisionsdepopulation af den metasta-bilt anslåede majoritetsart i ionisering af minoritetsbestanddelen, fordi den metastabile energi af den førstnævnte overstiger ioniseringsenergien for den sidstnævnte. Processen er derfor meget effektiv ved frem- i bringelse af ionisering, fordi hver sådan kollision er en ioniserende kollision.

Indenfor fluorescenslampeteknologien er en hensigtsmæssig plasmadannende Penning-blanding sammensat af en minoritetsmængde af kviksølvdamp i en argonhovedmængde. Kviksølvudladninger ved lavt tryk er effektive kilder for den ultraviolette stråling ved 253,7 nm, som · normalt anvendes til fosforexcitation. Elektrisk nedbrydning af kviksølv, som kræver lo,4 elektronvolt pr. atom, lettes ved tilstedeværelsen af argon, som har metastabile tilstande ved 11,49 og 11,66 elektronvolt.

I denne blanding bliver begyndelsesnedbrydningskriterier for kviksølv lettet betydeligt på grund af den relativt lange levetid af det metastabil t anslåede argon. Drift af induktionsfeltet ved lavere frekvens er således mulig ved udladning i en Penning-blanding i forhold til udladning i rent kviksølv. Anvendelser i forbindelse med fluorescensbelysning, hvor den udladningsdannende gas er en Penning-blanding af helium, neon, eller argon og kviksølv,og det samlede tryk under driftsforhold er en til flere torr, vil frekvenser i det lave megahertzområde i almindelighed være tilstrækkelige til elektrodefri fluorescenslampedrift. Størrel- i sen af induktionsfeltet, som kræves for opretholdelse af udladningen ved den ovenfor bestemte frekvens, fås da direkte af vedligeholdelsesspændingsbehovet og er oftest en eller to volt pr. tomme af udladningsvejen.

Størrelsen og frekvensen af det magnetiske induktionsfelt,

DK 152234B

ioniseringshastighed over en afstand lig med deres frie middelvejlængde i en tid, der tilnærmelsesvis er lig med en fjerdedel af sinusperioden af feltets frekvens. Dette tilvejebringer optimal omdannelsesvirkningsgrad fra højfrekvensenergi til lys. Da omdannelsesvirkningsgraden afhænger af størrelsen af det magnetiske induktionsfelt, frekvensen af det magnetiske induktionsfelt, sammensætningen af den anvendte gas eller gasblanding og trykket af den anvendte gas eller partialtrykkene af den anvendte gasblanding,har omdannelsesvirkningsgraden som en funktion af en hvilken som helst af disse parametre med de andre tre parametre holdt konstant således en optimal værdi for en given værdi af den nævnte ene parameter. Når andre forhold kræver visse værdier for tre af parametrene, sædvanligvis gassammensætning, tryk og frekvens eller størrelse af det magnetiske induktionsfelt, kan den tilbageværende parameter, dvs. størrelsen eller frekvensen af det magnetiske induktionsfelt, således varieres for at opnå den optimale omdannelsesvirkningsgrad.

Fig. 5 viser omdannelsesvirkningsgraden for en udladning som en funktion af frekvensen f og størrelsen B af det magnetiske induktionsfelt. Som vist i figuren er der for en eller anden bestemt frekvens en tilsvarende værdi af størrelsen, ved hvilken omdannelsesvirkningsgraden er maksimum, og der er for en hvilken som helst bestemt størrelse B en tilsvarende værdi af frekvensen, ved hvilken omdannelsesvirkningsgraden er maksimum. Endvidere er de optimale værdier af omdannelsesvirkningsgraden i almindelighed størst mellem 3 og 3oo MHz.

Fig.’ 6 viser størrelsen B af det magnetiske induktionsfelt som en funktion af frekvensen f af feltet og den reciprokke af gastrykket P for en bestemt gas.

Teknikkens stade med hensyn til elektroniske komponenter sætter en begrænsning for frekvensen af højfrekvensenergien, som kan frembringes uden nævneværdigt tab i omdannelsesvirkningsgrad fra jævnstrømsenergi ved en pris, som tillader, at den resulterende lampe er konkurrencedygtig med glødelamper. Der skal nu henvises til fig. 3 i forbindelse med en beskrivelse af en udførelsesform for højfrekvensoscillatoren anbragt i soklen 19, som tilvejebringer en lav megahertzfrekvens med komponenter til moderate priser. Det er af særlig betydning, at der ikke kræves nogen ferritkerne for at frembringe en effektiv omdannelse af elektrisk energi til lys. Vekselstrømsenergi af 12o volt 6o Hz, som føres til kontakter 21 og 22, omdannes til jævnstrøm ved ca. 17o volt af en ensretter 26. En udglatningskondensator 27, der er forbundet over udgangen på ensretteren 26, filtrerer jævnstrømmen. Den ene terminal på ensretteren 26 er jordet. Den anden terminal på ensretteren 26 er over 11

DK 152234B

En kondensator 31 og induktionsspolen 2o er forbundet i serie mellem kollektoren og basis i transistoren 29. En kondensator 32 er forbundet mellem kollektoren i transistoren 29 og jord, og en kondensator 33 er forbundet mellem basis i transistoren 29 og jord. Emitteren i transistoren 29 er forbundet med jord over en forspændingsmodstand 34 og en kondensator 35. Kredsløbet arbejder som en Colpitts-oscillator modificeret med kondensatoren 31 i serie med spolen 2o, dvs. en elapposcillator. Frekvensen af oscillatoren er bestemt af parallelresonanskredsløbet omfattende spolen 2o og den effektive kapacitans af kondensatorerne 31,32 og 33 i serie og kapacitansen mellem elektroderne i transistoren 29. (Efter nedbrydning af udladningen påvirker dens reaktans 36, som er vist punkteret, oscillatorfrekvensen lidt). Spolen 3o tjener til at spærre for overføring af højfrekvensstrømme fra det afstemte kredsløb til modstanden 28, og sådanne eventuelle strømme kortsluttes til jord af kondensatoren 27. Kondensatoren 31 er lille sammenlignet med kondensatorerne 32 og 33. Serieresonanskredsløbet omfattende kondensatoren 31 og spolen 2o er således i nærheden af resonans ved oscillatorfrekvensen. Før ned- i brydning er der et lille tab, dvs. effektspredning eller effektiv modstand,! serieresonanskredsløbet omfattende kondensatoren 31 og spolen 2o, dets godhed Q er således højt.Som følge heraf tjener serieforbindelsen af kondensatoren 31 og spolen 2o til at multiplicere den til rådighed værende spænding, som tilføres over spolen 2o,adskillige gange før nedbrydning. Det resulterende store langsgående elektriske felt, som frem- i bringes af spolen 2o, er tilstrækkeligt med hjælp af argongassen til at nedbryde kviksølvdampen for at frembringe den inducerede udladning uden et ydre startkredsløb. Elimineringen af et ydre startkredsløb medfører betydelige prisbesparelser og forenkling af udførelsen. Efter at udladningen er etableret, vokser effektforbruget og det afstemte kredsløbs Q formindskes. Følgelig reduceres multipliceringen af den til rådighed værende spænding, som tilføres over spolen 2o, væsentligt.

Kredsløbet i fig. 3 har følgende komponentværdier og typer: transistor 29 - Motorola type 2N6498, kollektor-emitterkapacitans i transistoren 29 - ca. loo picofarad, basis-emitterkapacitans i transisto-· ren 29 - ca. 4oo picofarad, kondensatoren 31 - 2oo picofarad, kondensatoren 32 - 36o picofarad, kondensatoren 33 - 39oo picofarad, kondensato- i ren 35 - 2ooo picofarad, kondensatoren 27 - 15o mikrofarad, modstanden 28 - 39.000 ohm, modstanden 34 - 2o ohm, spolen 3o - 4o mikrohenry, induktionsspolen 2o - 13,7 mikrohenry.

Oscillatoren har resonans ved 3,6 MHz i sin ubelastede tilstand, dvs. før nedbrydning af kviksølvdampen. Efter nedbrydning reduce- 12

DK 152234B

de måde forøger udladningens nærhed den effektive kapacitans af induktionsspolen lidt, og effekten, som optages ved udladningen, forøger betydeligt den effektive seriemodstand i det afstemte kredsløb. Resultatet er en forøgelse af frekvensen af oscillatoren i dens belastede tilstand til ca. 4 MHz. Med en 60 Hz indgangsspænding på 12o volt effektivværdi forbruger kredsløbet 25 watt målt med et vekselstrømswattmeter "ved væggen". Den tilsvarende jævnstrømsindgangseffekt til oscillatoren er 23,8 watt og frembringer en samlet ydelse af hvidt lys på 84o lumen. Den anvendte transistor 2N6498 har en afskæringsfrekvens på 5 MHz og en lagertid på 1,4 mikrosekund og arbejder i det beskrevne kredsløb under klasse A-forhold ved en målt kollektorvirkningsgrad på 44%. Det samlede lysudbytte af den ovenfor angivne anordning er således 84o lumen/25 watt eller 33,6 lumen pr. watt. Jævnstrømslysudbyttet er 84o/23,8 eller 35,3 lumen pr. watt. Højfrekvenslysudbyttet er 84o/o,44 x 23,8 eller 8o,2 lumen pr. watt. En indlysende forbedring ville bestå i at anvende en transistor for højere frekvens for at muliggøre klasse C drift, hvor 7o% kollektorvirkningsgrad er almindelig for at frembringe et lysudbytte for > det samlede system på 53,5 lumen pr. watt af vekselstrømsindgangseffekten.

Fig. 4 viser en modificeret oscillator, hvori der anvendes færre komponenter end i oscillatoren i fig. 3. Ens komponenter bærer de samme henvisningsbetegnelser i fig. 3 og 4. I fig. 4 anvendes en transistor 38, som er fremstillet til at have en kapacitet mellem elektroderne,' som uden ydre kondensatorer tilvejebringer den foreskrevne kapacitans for det afstemte kredsløb. Kollektor-emitterkapacitansen 39 i transistoren 38 er således lig med kapacitansen af kondensatoren 32 og kollektor-ba-siskapacitansen af transistoren 29 i fig. 3, og emitter-basiskapacitan-sen 4o i transistoren 38 er lig med kapacitansen af kondensatoren 33 og emitter-basiskapacitansen af transistoren 29 i fig. 3. Endvidere opnås komponentreduktion ved at forbinde udgangen på ensretteren 26 med et mellemliggende punkt på induktionsspolen 2o, ved hvilket højfrekvenspotentialet er nul. Som følge heraf behøves spolen 3o og kondensatoren 27 ikke for at forhindre passage af højfrekvent strøm gennem modstanden 28.

Selv om midlet til frembringelse af det magnetiske felt, der er koblet til det ioniserbare medium, er vist som en induktionsspole med ! et antal vindinger understøttet på en kerne, kan der anvendes andre former til frembringelse af et magnetisk induktionsfelt. Dette har en vigtig praktisk anvendelse ved drift af eksisterende i handlen værende rørformede fluorescenslamper, efter at deres glødetråde eller elektroder er blevet udslidt. I et sådant tilfælde kan en spole af tråd lægges omkring

Viol o Irarvr-w^-n a*P Αλπ η/3c* 1 /34-o -F1 nAvocflncl ramwo r\rr ef r^mfnrcvnoc fra on >

DK 152234B

ge den nyttige levetid af fluorescenslampen adskellige gange.

Forskellige og talrige andre arrangementer er mulige indenfor opfindelsens rammer. Eksempelvis ville en højfrekvens højere end 4 MHz tilvejebringe større virkningsgrad og ville følgelig være ønskelig, hvis elektroniske kredsløbskomponenter, som kunne frembringe disse højere højfrekvenser effektivt til en rimelig pris, var til rådighed.

Claims

14 DK 152234 B Patentkrav.

1. Elektrodefri udladningslampe omfattende en forseglet kolbe (To), et ioniserbart medium i kolben indeholdende mindst en bestemt ioniserbar gas ved et givet tryk, som er i stand til at udsende strålingsenergi, når den udsættes for et højfrekvensfelt, og organer indbefattende en induktionsspole (2o), som er anbragt i tæt fysisk nærhed af mediet i kolben (1o) for kobling til mediet af et elektrisk felt med en frekvens på mindst tre MHz og en størrelse, der er tilstrækkelig til at starte ionisering af mediet og til samtidig kobling til mediet i kolben af et højfrekvent magnetisk induktionsfelt, der er tilstrækkeligt til opretholdelse af ioniseringen, hvor mediet har et tryk på fra ca, 1 til flere torr, kendetegnet ved, at induktionsspolen (2o) er viklet omkring en umagnetisk kerne (18) , og at induktionsspolen alene tilvejebringer det nødvendige elektriske felt til at initiere ioniseringen af mediet og samtidig tilvejebringer det nødvendige magnetiske induktionsfelt til at opretholde ioniseringen, hvor størrelsen af spidsværdien og frekvensen af det magnetiske induktionsfelt er valgt til at optimere virkningsgraden ved omdannelse af 'højfrekvensenergi, som er koblet til mediet, til udsendt strålingsenergi,

2. Lampe ifølge krav 1, kendetegnet ved, at spidsværdiens størrelse og frekvensen af det elektriske felt er valgt således, at de frie elektroner i mediet i gennemsnit accelereres til ioniseringshastighed over en afstand lig med deres frie middelvejlængde i en tid, der tilnærmelsesvis er lig med en fjerdedel af perioden af det elektriske felt,

3. Lampe ifølge krav 1, kendetegnet ved, at det højfrekvente magnetiske induktionsfelt har en bestemt størrelse af spidsværdien, og at dets frekvens er valgt for at optimere virkningsgraden af omdannelse af højfrekvensenergi koblet til mediet til udsendt strå-lingsenergi

4. Lampe ifølge krav 1, kendetegnet ved, at det højfrekvente magnetiske induktionsfelt har en bestemt frekvens, og at størrelsen af dets spidsværdi er valgt for at optimere virkningsgraden af omdannelse af højfrekvensenergi koblet til mediet til udsendt strålingsen'e'rgi,

5. Lampe ifølge krav 1, kendetegnet ved, at koblingsorganerne omfatter en højfrekvensoscillator med en frekvensbestemmende resonanskreds indeholdende induktionsspolen (2a) og en kondensator (31) i serie med induktionsspolen, hvilken kondensator og hvilken

15 DK 152234 B induktionsspole samvirker med højfrekvensoscillatoren til frembringelse over induktionsspolen af det elektriske felt med en størrelse, der er tilstrækkelig til at starte ionisering af mediet i kolben (lo) til dannelse af en strålingsudsendende udladning.

6. Lampe ifølge krav 5, kendetegne t ved, at resonanskredsens godhed (Q) er tilstrækkeligt stor til, at det elektriske felt over induktionsspolen (2o) bevirker begyndende ionisering af mediet i kolben (lo), og at induktionsfeltet fra induktionsspolen er tilstrækkeligt stort til at opretholde strålingsudsendende ionisering af mediet.

7. Lampe ifølge krav 6, kendetegnet ved, at ionisering af mediet formindsker resonanskredsens godhed (Q) til en værdi, der er tilstrækkelig til at optimere virkningsgraden af omdannelse af højfrekvensenergi koblet til mediet til udsendt strålingsenergi.

8. Lampe ifølge krav 5, kendetegnet ved, at højfrekvensoscillatoren har en frekvens mellem 3 MHz og 3oo MHz.