EP0981831B1 - Entladungslampe mit dielektrisch behinderten elektroden - Google Patents
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- H01J65/042—Lamps in which a gas filling is excited to luminesce by an external electromagnetic field or by external corpuscular radiation, e.g. for indicating plasma display panels by an external electromagnetic field
- H01J65/046—Lamps in which a gas filling is excited to luminesce by an external electromagnetic field or by external corpuscular radiation, e.g. for indicating plasma display panels by an external electromagnetic field the field being produced by using capacitive means around the vessel
Definitions
- the invention is based on a discharge lamp according to the preamble of claim 1.
- This discharge lamp has a discharge vessel including a gas filling, at least parts of the discharge vessel being used for radiation of a desired spectral range, in particular light, i.e. visible electromagnetic radiation, or also ultraviolet (UV) and vacuum ultraviolet (VUV) radiation are transparent.
- a desired spectral range in particular light, i.e. visible electromagnetic radiation, or also ultraviolet (UV) and vacuum ultraviolet (VUV) radiation are transparent.
- UV radiation i.e. visible electromagnetic radiation
- VUV vacuum ultraviolet
- the discharge lamp which is suitable for operation by means of dielectric barrier discharge.
- dielectric barrier discharge either the electrodes of one polarity or all electrodes, that is to say both polarities, are separated from the gas filling or from the discharge during operation by means of a dielectric layer (one-sided or two-sided dielectric barrier discharge, see for example WO 94/23442 or EP 0 363 832).
- dielectric barrier is also used for this dielectric layer and the term “barrier discharge” is also used for discharges produced in this way.
- the dielectric barrier does not have to be a layer applied to an electrode specifically for this purpose, but can also be formed, for example, by a discharge vessel wall if electrodes are arranged on the outside of such a wall or inside the wall.
- EMI electromagnetic interference radiation
- the discharge lamp comprise an electrically conductive shield which at least partially surrounds the discharge vessel.
- the shield is electrically isolated from at least one electrode, depending on the electrical potential, and possibly from all electrodes.
- the thickness d D and the dielectric constant ⁇ D of the dielectric as well as the thickness d B and the dielectric constant ⁇ B of the barrier, which are the electrodes separates from the gas filling specifically coordinated so that the following relationships are fulfilled: d D ⁇ D ⁇ F d B ⁇ B and F ⁇ 1.5, preferably F ⁇ 2.0, particularly preferably F ⁇ 2.5.
- the electrical power is already coupled to the shield to an unacceptable degree. Reliable operation of the dielectric barrier discharge within the discharge vessel of the lamp is then no longer reliably guaranteed under all operating conditions.
- the capacitive decoupling of the shield from the dielectric barrier discharge also increases with increasing factor F.
- relatively high factors F are aimed for.
- high factors F mean a large ratio between the thicknesses of the dielectric and the barrier.
- the thickness of the dielectric must be correspondingly greater than the thickness of the barrier in this case.
- the thickness of the dielectric is limited for cost and design reasons. Consequently, there is only the possibility of reducing the thickness of the barrier, which in turn places high demands on the precision of the barrier in order not to negatively influence the uniformity of the dielectric barrier discharge. In a specific individual case, a suitable compromise may have to be made here.
- the dielectric constant ⁇ B of the barrier is larger or even significantly larger than the dielectric constant ⁇ D of the dielectric, correspondingly high factors F can also be realized.
- the dielectric which separates the shield from the electrodes, is formed by the wall of the discharge vessel itself.
- the electrodes with an electrical potential different from the shielding are targeted on the inner wall of the discharge vessel arranged.
- the dielectric between the shield and the electrodes can also be constructed from two or more layers with different dielectric numbers. Under certain circumstances, this can be particularly useful in the area of the electrodes in order to be able to reliably meet the above-mentioned conditions there even with a relatively thin discharge vessel wall.
- the barrier can also be constructed from several layers with different dielectric numbers.
- ⁇ Di , ⁇ Di , d Bi, ⁇ Bi denote the thicknesses or dielectric constants of the respective layer i.
- the index i assumes the value 1 for a single-layer system, the values 1 and 2 for a two-layer system and accordingly the values 1, 2, ... n for an n-layer system.
- the electrodes are arranged such that the layer of the vessel wall facing the interior of the discharge vessel is thinner than the layer facing the shield.
- the shield is designed, for example, as a metallic jacket with an opening.
- the opening defines the effective radiation area of the lamp.
- At least part of the jacket is further developed into cooling fins.
- the jacket performs a double function, namely, on the one hand, the shielding effect and, on the other hand, the dissipation of the heat loss generated by the discharge and / or possibly the electronics for operating the lamp. Since the lamp is expediently in particularly close contact with the jacket, a good homogenization of the temperature distribution along the contact zone between lamp and jacket is also ensured.
- the shielding effect can be further improved if at least the part of the outer wall of the discharge vessel facing the jacket opening is covered by an electrically conductive, transparent layer, e.g. made of indium tin oxide (ITO).
- ITO indium tin oxide
- the jacket and the transparent layer are electrically contacted with one another.
- the jacket can also be realized entirely by the electrically conductive, transparent layer.
- the cooling effect of the jacket must then be dispensed with in this variant.
- the shield can be at floating electrical potential, but is advantageous with a ground, e.g. Earth, connected potential to prevent possible electromagnetic radiation from the shield itself.
- a ground e.g. Earth
- the figure shows a cross section of a rod-shaped aperture fluorescent lamp with shielding in a schematic representation.
- the lamp 1 consists essentially of a tubular discharge vessel 2 with a circular cross-section, which is surrounded by a shield, and three strip-shaped electrodes 3-5, which are applied to the inner wall of the discharge vessel 2 parallel to the longitudinal axis of the tube. Each of the inner wall electrodes 3-5 is covered with a dielectric layer 6-8. Furthermore, with the exception of a rectangular aperture 9, the inner wall of the discharge vessel 2 is provided with a reflection double layer 10 made of Al 2 O 3 and TiO 2 . A phosphor layer 11 is applied to the reflection double layer 10 and also to the inner wall of the vessel in the area of the aperture 9. The reflection double layer 10 reflects the light generated by the phosphor layer 11. In this way, the luminance of the aperture 9 is increased.
- the outer diameter of the tubular discharge vessel 2 is approximately 9 mm.
- Xenon with a filling pressure of 21.3 kPa (160 torr) is located in the discharge vessel 2.
- the electrodes 3-5 are passed gas-tight to the outside through a first end of the discharge vessel 2 and pass there into an external power supply (not shown). At its other end, the discharge vessel 2 is also sealed gas-tight with a dome (not shown) formed from the vessel.
- a first 5 of the three electrodes 3-5 is provided for a first polarity of a supply voltage, while the other two electrodes 4, 5 are provided for the second polarity.
- the first electrode 5 is diametrical to the aperture 9 and the other two electrodes 4, 5 are in the immediate vicinity arranged on both long sides of the aperture 9.
- the width and the length of the aperture 5 are approximately 6.5 mm and 255 mm, respectively.
- the barrier consists of glass solder with a dielectric constant of approx. 8 and a thickness of approx. 250 ⁇ m. This results in a quotient from the barrier thickness to the dielectric constant of approx. 0.031 mm.
- the discharge vessel 2 consists of low-alkali soda-lime glass (Schott # 8350) with a dielectric constant of approx. 7 and a wall thickness of approx. 0.6 mm. This results in a quotient from wall thickness to dielectric constant of approx. 0.086 mm. This quotient is approx. 2.77 times larger than the corresponding quotient for the barrier. Consequently, the relationship required in the general description is fulfilled here.
- the shielding of the lamp 1 consists of a solid, essentially cuboid, metallic jacket 12 and a transparent layer 13.
- the jacket 12 has an opening corresponding to the lamp aperture 9 in such a way that only the aperture 9 of the lamp is visible from the outside.
- the transparent layer 13 consists of indium tin oxide (ITO) and covers the outer wall of the discharge vessel 2 only in the area of the aperture 9.
- ITO indium tin oxide
- the transparent layer 13 is electrically contacted with the jacket 12 along its opening and therefore completes the shielding effect of the jacket 12 versus EMI.
- the jacket 12 has a number of cooling fins 14 on its side opposite the opening.
- a thermal paste 15 improves the heat transfer between the discharge vessel 2 and the jacket 12.
- the phosphor layer 11 is a three-band phosphor. It consists of a mixture of the blue component BaMgAl 10 O 17 : Eu, the green component LaPO 4 : Ce, Tb and the red component (Y, Gd) BO 3 : Eu.
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Description
- Die Erfindung geht aus von einer Entladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Diese Entladungslampe weist ein eine Gasfüllung einschließendes Entladungsgefäß auf, wobei zumindest Teile des Entladungsgefäßes für Strahlung eines gewünschten Spektralbereiches, insbesondere Licht, d.h. sichtbare elektromagnetische Strahlung, oder auch Ultraviolett(UV)- sowie Vakuumultraviolett(VUV)-Strahlung transparent sind. Eine Anzahl Elektroden erzeugt bei geeigneter elektrischer Versorgung eine Entladung in der Gasfüllung. Die Entladung erzeugt entweder direkt die gewünschte Strahlung oder die durch die Entladung emittierte Strahlung wird mit Hilfe eines Leuchtstoffes in die gewünschte Strahlung konvertiert.
- Es handelt sich dabei insbesondere um eine Entladungslampe, die für den Betrieb mittels dielektrisch behinderter Entladung geeignet ist. Zu diesem Zweck sind entweder die Elektroden einer Polarität oder alle Elektroden, d.h. beiderlei Polarität, mittels einer dielektrischen Schicht von der Gasfüllung bzw. im Betrieb von der Entladung getrennt (einseitig bzw. zweiseitig dielektrisch behinderte Entladung, siehe z.B. WO 94/23442 bzw. EP 0 363 832). Für diese dielektrischen Schicht ist auch die Bezeichnung "dielektrische Barriere" und für derartig erzeugte Entladungen auch der Begriff "Barrierenentladung" gebräuchlich.
- Ferner ist noch klarzustellen, daß die dielektrische Barriere keine speziell zu diesem Zweck auf eine Elektrode aufgebrachte Schicht sein muß, sondern beispielsweise auch durch eine Entladungsgefäßwand gebildet sein kann, wenn Elektroden auf der Außenseite einer solchen Wand oder innerhalb der Wand angeordnet sind.
- Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Entladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit reduzierter elektromagnetischer Störstrahlung (EMI) bereitzustellen.
- Diese Aufgabe wird bei einer Lampe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
- Die Erfindung schlägt vor, daß die Entladungslampe eine elektrisch leitende Abschirmung umfaßt, welche das Entladungsgefäß zumindest teilweise umgibt. Außerdem ist die Abschirmung durch ein Dielektrikum von mindestens einer Elektrode, je nach den elektrischen Potentialverhältnissen gegebenenfalls auch von allen Elektroden, galvanisch getrennt. Um weitgehend zu verhindern, daß die im Betrieb den Lampenelektroden zugeführte elektrische Leistung kapazitiv an die elektrisch leitende Abschirmung ankoppelt, sind die Dicke dD und die Dielektrizitätszahl εD des Dielektrikums sowie die Dikke dB und die Dielektrizitätszahl εB der Barriere, welche die Elektroden von der Gasfüllung trennt, gezielt so aufeinander abgestimmt, daß folgende Beziehungen erfüllt sind:
- Unterhalb der unteren Grenze, d.h. wenn der Faktor F ungefähr 1,5 beträgt, koppelt die elektrische Leistung bereits in unakzeptabler Stärke an die Abschirmung an. Ein zuverlässiger Betrieb der dielektrisch behinderten Entladung innerhalb des Entladungsgefäßes der Lampe ist dann nicht mehr unter allen Betriebsbedingungen sicher gewährleistet.
- Prinzipiell nimmt die kapazitive Entkopplung der Abschirmung von der dielektrisch behinderten Entladung mit zunehmendem Faktor F ebenfalls zu. Insofern werden an sich relativ hohe Faktoren F angestrebt. Für den Fall, daß die Dielektrizitätszahlen des Dielektrikums und der Barriere ungefähr gleich sind bedeuten hohe Faktoren F ein großes Verhältnis zwischen den Dicken des Dielektrikums bzw. der Barriere. Mit anderen Worten muß in diesem Fall die Dicke des Dielektrikums entsprechend größer als die Dicke der Barriere sein. Allerdings sind der Dicke des Dielektrikums aus Kosten- und konstruktiven Gründen Grenzen gesetzt. Folglich bleibt nur die Möglichkeit, die Dicke der Barriere zu verkleinern, was aber wiederum hohe Ansprüche an die Präzision der Barriere stellt, um die Gleichmäßigkeit der dielektrisch behinderten Entladung nicht negativ zu beeinflussen. Im konkreten Einzelfall ist hier gegebenenfalls ein geeigneter Kompromiß einzugehen.
- Ist die Dielektrizitätszahl εB der Barriere allerdings größer oder gar deutlich größer als die Dielektrizitätszahl εD des Dielektrikums, sind durchaus auch entsprechend hohe Faktoren F realisierbar.
- Unter den vorgenannten Prämissen sind zahlreiche konkrete Ausgestaltungen denkbar.
- In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist das Dielektrikum, welches die Abschirmung von den Elektroden trennt, durch die Wand des Entladungsgefäßes selbst gebildet. Dazu sind zumindest die Elektroden mit von der Abschirmung verschiedenem elektrischen Potential gezielt auf der Innenwand des Entladungsgefäßes angeordnet. Dieses Vorgehen hat unter anderem den Vorteil, daß sich die oben genannte Beziehungen gut erfüllen läßt, solange εB nicht zu klein gegenüber εD gewählt wird, da die Wand des Entladungsgefäßes aus mechanischen Gründen in der Regel dicker als die Barriere der Elektroden ist.
- Andererseits kann das Dielektrikum zwischen Abschirmung und Elektroden auch aus zwei oder mehr Schichten mit unterschiedlichen Dielektrizitätszahlen aufgebaut sein. Dies kann unter Umständen insbesondere im Bereich der Elektroden sinnvoll sein, um auch bei relativ dünner Entladungsgefäßwand die oben genannten Bedingungen dort sicher erfüllen zu können. Auch die Barriere kann im Prinzip aus mehreren Schichten mit unterschiedlichen Dielektrizitätszahlen aufgebaut sein.
- Bei der Verwendung von mehreren Schichten ist allerdings zu berücksichtigen, daß in der oben genannten Ungleichung die beiden Quotienten durch die Summen
- Ebenso ist es möglich, zumindest die Elektroden mit von der Abschirmung verschiedenem elektrischen Potential innerhalb der Wand des Entladungsgefäßes anzuordnen. In diesem Falle erfolgt die Anordnung der Elektroden so, daß die dem Innern des Entladungsgefäßes zugewandte Schicht der Gefäßwand dünner ist, als die der Abschirmung zugewandte Schicht.
- Die Abschirmung ist beispielsweise als metallischer Mantel mit einer Öffnung ausgebildet. Die Öffnung definiert die effektive Abstrahlfläche der Lampe.
- In einer besonders vorteilhaften Variante ist zusätzlich zumindest ein Teil des Mantels zu Kühlrippen weitergebildet. Dadurch übernimmt der Mantel eine Doppelfunktion, nämlich zum einen die Abschirmwirkung und zum anderen die Abführung der durch die Entladung und/oder gegebenenfalls die Elektronik zum Betreiben der Lampe erzeugten Verlustwärme. Da die Lampe zweckmäßigerweise in besonders engem Kontakt mit dem Mantel steht, ist außerdem eine gute Homogenisierung der Temperaturverteilung längs der Kontaktzone zwischen Lampe und Mantel gewährleistet.
- Die Abschirmwirkung kann noch weiter verbessert werden, wenn zumindest der der Mantelöffnung zugewandte Teil der Außenwandung des Entladungsgefäßes von einer elektrisch leitfähigen, transparenten Schicht, z.B. aus Indium-Zinn-Oxid (ITO), bedeckt ist. Zudem sind Mantel und transparente Schicht miteinander elektrisch kontaktiert.
- Ferner kann der Mantel auch gänzlich durch die elektrisch leitfähige, transparente Schicht realisiert sein. Allerdings muß bei dieser Variante dann auf die Kühlwirkung des Mantels verzichtet werden.
- Die Abschirmung kann sich auf schebendem elektrischen Potential befinden, ist aber vorteilhaft mit einem auf Masse, z.B. Erde, liegenden Potential verbunden, um eine eventuelle elektromagnetische Abstrahlung der Abschirmung selbst zu verhindern.
- Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
- Es zeigt die Figur einen Querschnitt einer stabförmigen Apertur-Leuchtstofflampe mit Abschirmung in schematischer Darstellung.
- Es handelt sich um eine Apertur-Leuchtstofflampe 1 für OA(Office Automation)-Anwendungen. Die Lampe 1 besteht im wesentlichen aus einem röhrförmigen Entladungsgefäß 2 mit kreisförmigem Querschnitt, das von einer Abschirmung umgeben ist, sowie drei streifenförmigen Elektrode 3-5, die auf der Innenwandung des Entladungsgefäßes 2 parallel zur Rohrlängsachse aufgebracht sind. Jede der Innenwandungselektroden 3-5 ist mit einer dielektrischen Schicht 6-8 bedeckt. Ferner ist die Innenwandung des Entladungsgefäßes 2 mit Ausnahme einer rechteckigen Apertur 9 mit einer Reflexionsdoppelschicht 10 aus Al2O3 und TiO2 versehen. Auf der Reflexionsdoppelschicht 10 sowie auch auf der Gefäßinnenwandung im Bereich der Apertur 9 ist eine Leuchtstoffschicht 11 aufgebracht. Die Reflexionsdoppelschicht 10 reflektiert das von der Leuchtstoffschicht 11 erzeugte Licht. Auf diese Weise wird die Leuchtdichte der Apertur 9 erhöht.
- Der Außendurchmesser des rohrförmigen Entladungsgefäßes 2 beträgt ca. 9 mm. Innerhalb des Entladungsgefäßes 2 befindet sich Xenon mit einem Fülldruck von 21.3 kPa 160 torr).
- Die Elektroden 3-5 sind durch ein erstes Ende des Entladungsgefäßes 2 hindurch gasdicht nach außen geführt und gehen dort jeweils in eine äußere Stromzuführung (nicht dargestellt) über. An seinem anderen Ende ist das Entladungsgefäß 2 mit einer aus dem Gefäß geformten Kuppel (nicht dargestellt) ebenfalls gasdicht verschlossen.
- Eine erste 5 der drei Elektroden 3-5 ist für eine erste Polarität einer Versorgungsspannung vorgesehen, während die beiden anderen Elektroden 4, 5 für die zweite Polarität vorgesehen sind. Die erste Elektrode 5 ist diametral zur Apertur 9 und die beiden anderen Elektroden 4, 5 sind in unmittelbarer Nähe zu beiden Längsseiten der Apertur 9 angeordnet. Die Breite und die Länge der Apertur 5 betragen ca. 6,5 mm bzw. 255 mm.
- Die Barriere besteht aus Glaslot mit einer Dielektrizitätszahl von ca. 8 und einer Dicke von ca. 250 µm. Daraus resultiert ein Quotient aus Barrierendicke zu Dielektrizitätszahl von ca. 0,031 mm.
- Das Entladungsgefäß 2 besteht aus alkaliarmem Natron-Kalk-Glas (Schott #8350) mit einer Dielektrizitätszahl von ca. 7 und einer Wandstärke von ca. 0,6 mm. Daraus resultiert ein Quotient aus Wandstärke zu Dielektrizitätszahl von ca. 0,086 mm. Dieser Quotient ist ca. 2,77 mal größer als der entsprechende Quotient für die Barriere. Folglich ist hier die in der allgemeinen Beschreibung geforderte Beziehung erfüllt.
- Die Abschirmung der Lampe 1 besteht aus einem massiven im wesentlichen quaderförmigen, metallischen Mantel 12 und einer transparenten Schicht 13. Der Mantel 12 weist eine Öffnung entsprechend der Lampenapertur 9 auf derart, daß nur noch die Apertur 9 der Lampe von außen sichtbar ist. Die transparente Schicht 13 besteht aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) und bedeckt die Außenwandung des Entladungsgefäßes 2 nur im Bereich der Apertur 9. Die transparente Schicht 13 ist mit dem Mantel 12 entlang seiner Öffnung elektrisch kontaktiert und komplettiert deshalb die abschirmende Wirkung des Mantels 12 gegenüber EMI. Der Mantel 12 weist auf seiner der Öffnung entgegengesetzten Seite eine Anzahl von Kühlrippen 14 auf. Eine Wärmeleitpaste 15 verbessert die Wärmeübertragung zwischen Entladungsgefäß 2 und Mantel 12.
- Bei der Leuchtstoffschicht 11 handelt es sich um einen Dreibandenleuchtstoff. Er besteht aus einer Mischung der Blaukomponente BaMgAl10O17:Eu, der Grünkomponente LaPO4:Ce,Tb und der Rotkomponente (Y,Gd)BO3:Eu.
- Die resultierenden Farbkoordinaten betragen x = 0,395 und y = 0,383, d.h. die von der Entladung erzeugte UV-Strahlung wird in weißes Licht konvertiert.
Claims (6)
- Entladungslampe (1)• mit einem zumindest teilweise transparenten und mit einer Gasfüllung gefüllten Entladungsgefäß (2),• einer Anzahl Elektroden (3-5), die auf oder in Wandungen des Entladungsgefäßes (2) angeordnet sind,• und mindestens einer dielektrischen Barriere (6-8) aus einer oder mehreren Schichten mitzwischen zumindest einer Elektrode (3-5) und der Gasfüllung, geeignet für eine dielektrisch behinderte Entladung in dem Entladungsgefäß (2) zwischen Elektroden unterschiedlicher Polarität,- den Dicken dBi und mit- den Dielektrizitätszahlen εBi
gekennzeichnet durch• eine elektrisch leitende Abschirmung (12, 13), welche das Entladungsgefäß (2) zumindest teilweise umgibt,• mindestens einem Dielektrikum (2) aus einer oder mehreren Schichten mitwelches mindestens eine Dielektrikum (2) die Abschirmung (12,13) von zumindest einer Elektrode (3-5) galvanisch trennt,- den Dicken dDi und mit- den Dielektrizitätszahlen εDi,• und die Beziehung - Entladungslampe nach Anspruch 1, wobei die Abschirmung (12) mit einem auf Masse, z.B. Erde, liegenden Potential verbunden ist.
- Entladungslampe nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Abschirmung eine transparente Schicht (13) umfaßt, welche zumindest auf einem Teilbereich (9) der Außenwandung des Entladungsgefäßes (2) angeordnet ist.
- Entladungslampe nach Anspruch 3, wobei die transparente Schicht (13) aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) besteht.
- Entladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Elektroden (3-5) auf der Innenwand des Entladungsgefäßes (2) angeordnet sind und wobei das Dielektrikum, welches die Abschirmung (12, 13) von den Elektroden (3-5) trennt, durch die Wand des Entladungsgefäßes (2) gebildet ist.
- Entladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Teil der Abschirmung (12) zu Kühlrippen (14) weitergebildet ist.
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