TW557641B - Dielectric barrier discharge lamp, and a method and circuit arrangement for igniting and operating this lamp - Google Patents

Description

557641 五、 發明說明 ( 1 : ) 發 明 背 景 本 發 明 係 有 關 一種介電障壁放電燈，及用於點火及操 作 此 燈 的 方 法 以及一種適合實現此方法的電路配置。 個 介 電 障 壁 放 電燈指的是以介電阻礙氣體放電作用爲 基 礎 的 電 磁 輻 射 源。 — 種 介 電 障 壁 放電燈必需預想至少一種所謂介電阻礙 成 電 極 〇 介 電 阻 礙式電極係藉一介電障壁而與放電容器 內 部 分 開 〇 這 種 介電障壁可設計成例如用以覆蓋該電極 的 介 電 層 或 者 藉由該燈本身的放電容器形成的，明確 地 說 當 該 電 極 係 配置在該放電容器的外壁上。 因 爲 該 介 電 障 壁的緣故，這種燈的作業需要的是在各 電 極 之 間 的 時 變 電壓，例如一種正弦交流電壓或脈波電 壓 y 如 美 國 專 利 第US-A 5 604 4 1 0號文件中所揭示的。 該 放 電 容 器 的 形狀在理論上是任意的，例如管狀或平 面 式 〇 特 別 是 ， 本發明有關一種所謂平面燈或含有或不 含 孔 徑 的 管 狀 燈 〇 在平面燈中 ，該放電容器實質上係由一基板及連接其上的 刖 板形成的 。光放射作用通常係透過該前板執行的。特別是 平面; 澄係適用於大面積照明工作例如用於顯示器的直接背 光 照 明 ，例如用於液晶顯示器但是也適用於一般照明。 在 管 狀 燈 的 例 子裡，該放電容器係由兩端密封的管形 成的 ， 其 光 放射作用係透過燈管的整個橫向表面或是只 透 過 — 伸 長 形 孔 徑（孔徑燈）而進行的。孔徑燈特別是用 在 辦 公 室 白 動 化 (OA)用品，例如彩色影印機及彩色掃瞄 -3-

557641 五、 發明說明 ( 2； ) 機 上 j 用 在 信 號 燈 上，例如 汽 車的煞車及方向燈；用於 輔 助 照 明 例 如 汽 車的內部 照 明燈；以及用於顯器的背 景 照 明 例 如 液 晶 顯示器內 當 作所謂邊緣形背光。 放 電 容 器 通 常 係 塡充有惰 性 氣體例如氙氣或是氣體混 合 物 0 所 謂 激 發 物 係於氣體 放 電期間形成的，此放電作 用 較 佳 的 是 藉 由 美 國專利申 請 案第US-A 5 604 4 1 0號件 中 所 揭 示 的 脈 波 操 作方法而 操 作的。激化物指的是例如 Mi 氣 之 類 的 受 激 分 子，這類 分 子在規則上是不受束縛且 會 在 回 到 基 態 時 發 射電磁輻 射 。在氙氣的例子裡，最大 分 子 能 y MU W 輻 射 是 大 槪172奈 米 (VUV輻射）。 • 習 知 設 計 美 國 專 利 甲 請 案 第 US-A 6 034 470號文件中揭示了一 種 具 有 介 電 阻 礙 式 電極的平 面 燈。該燈的放電容器係包 括 一 基 板和 —^ 刖 板 ，二者係 經 由一周圍框架依氣密方式 相 互 連 接 的 〇 該 基 板係設置 有 一光反射層，也就說只有 該 前板 會 扮 演 著 使光耦出的 角 色。該底板的內壁以及該 前板係 塗 覆 有 磷 層 (參見第6b 圖）。因此可在該前板上達 成 高 發 光效 率 及/或高發光度。 不過，當該燈落在暗處 例 如 落 在 LCD >顯示器內部時， 不利的是在將電壓加到 該 燈 各 電 極 上 之 後 有很長的 點 燈延遲。甚至會在處於暗 處 很 長 的 時 間 之 後 ，發生只 能在實質上高於正常作業電 壓 的 輔 助 下 才 能 爲 該燈點火 的 情況。 美 國 專 利 串 三 5円 案 第 US 5 006 ► 75 8號文件中揭示了一種 具 有 介 電 阻 礙 式 電 極對的平 面 4- 燈，這些電極對係依成對

557641 五、 發明說明（ 方 式 連 接 於高電 壓 源的兩個極點上。該電極包括埋藏於 1 平 面 玻 璃 介電質 的 電線。潛動（creeping)放電作用係於 作 業 期 間 形成於介 電表面的分別相鄰電極線之間。將一 塗 層 塗 覆 於該介 電 表面上以降低放電用的點火電壓。用於 該 塗 層 的 材料包括 鎂、鏡、鑭及鈽的氧化物（M g 0，Y b 2 〇 3 ，La2〇3 及 Ce02) ° 待磷層塗覆於該透明板上f在與該玻 璃 介 電 層 相對處 的 外壁上。不利的是，因爲用以降低該 介 電 表 面 之點火 電 壓的塗層不含任何磷層，結果犧牲了 具 有 最 大 可能發 光 效率的部分。 美 國 專 利申請 案 第US-A 6 097 1 5 5號文件中揭示了一 種 具 有 引 言所提 及 型式的介電障壁放電燈。該燈具有管 狀放 電 容 器，其 內 及/或外壁上至少配置有兩個平行於 該 放 電 容 器之縱 軸 像導體條的伸長形電極。此_也會在 處 於 暗 處 例如落 在 OA用品內部時產生點火問題。 發 明 之 扼 要說明 本 發 明 的目的 是 提供一種如申請專利範圍第1項之用 於 點 火 並 操作介 電 障壁放電燈之方法，該燈可同時施行 局 位 準 發 光效率 並 改良該燈的點火響應。 此 S 的係藉申請專利範圍第1項的特徵達成的。特別有利 的改良型式可在申請專利範圍第1項的各附屬項目而達成。 本 發 明 的另一 巨 的係標示出一種適於施行該方法的電 路 佈 置 0 此 巨 的 係藉由 指 向該電路佈置之各獨立項的特性所達 成 的 0 特 別有利 的 改良型式可在其附屬項目中找到。 -5-

557641 五、 發明說明 ( 4： 同 時 串 S.rfe δ円 保 護 的 是 適 用 於 該 方 法 的 燈 J 以 及 包括 該 燈 及 電 路佈 置 的 照 明 系 統 〇 根 據 本 發 明 用 以 點 火 及 操 作 — 介 電 障 壁 燈 的 方 法 提 出 由 縫 隙 將 至 少 一 個 伸 長 形 電 極 分 割 成 兩 個 組 成 電 極 並 在 依 這 種 方 式 修 正 的 燈 上 執 行 下 列 方 法 步 驟 0 在 點 火 階 段 中 係 將 點 火 電 壓 加 到 兩 個 組 成 電 極 之 間 其 方 式 是 在 由 兩 個 組 成 電 極 之 間 之 電 極 縫 隙 構 成 的 區 域 內 點 燃 輔 助 放 電 作 用 Ο 在 隨 後 的 正 常 作 業 中 ， 係 將 一 操 作 電 壓 加 到 各 電 極 之 間 以 此 方 式 是- 在各 電 極 之 間 引 燃 主 放 電 作用 〇 本 方 法 的 優 點 是 在 諸 因 素 中 易 於 藉 由 已 引 燃 的 輔 助 放 電 作 用 對 主 放 電 作 用 進 行 點 火 0 結 果 不 需 要 在 點 火 階 段 增加 其 操 作 電 壓 即使在暗 處 亦 然 〇 因 此在 設 計 具 供 應 操 作 電 壓 的 電 燈 電 壓 產 生 器 可 避 免時 則 較 高 電 氣 強 度 的 額 外 花 費 不 再 需 要 〇 只 有 用 於 電 極 縫 隙 以 便 爲 輔 助 放 電 作 用 進 行 點 火 的 驅 動 電 路必 須 設 計 成 適 用 於 高 介 電 強 度 y 以 確 保 可 靠 的 點 火 作 業 > 不 過 > 可 藉 由 非 常 簡 單 的 測 量 便 爲 輔 助 放 電 作 用 進 行 點 火所 需 要 的 電 壓 位 準 受 到 限 制 〇 因 此 ， 較 佳的 是 所 選 擇 的 電 極 縫 隙 是 小於 量 白 最 近 電 極 的距 離 或 是 小 於 具 有相 對 極 性 之 電 極 間 的 空 間 亦即 可 於 其 內 依 正 常 作 業 點 燃 主 要 放 電 作 用 的 空 間 Ο 這 可 確 保 該 輔 助 放 電 作 用 的 點 火 電 壓 會 低於在一沒 有 輔 助 放 電 的 輔 助 下 之 主 要 放 電 作用 的 點 火 電 壓 〇 此外 即 使 在 各 組 成 電 極 上 與 該 電 極 縫 隙 6 - 臨 界的各 丄山 點 兀 全 免 除 介 557641 五、 發明說明 ( 5： ) 電 阻 礙 (亦即無介電阻礙的輔助放電作用）或是只有一個 端 點 受 到 介 電 阻 礙 (一端介電阻礙式輔助放電）。這種非 介 電 阻 礙 式 輔 助 放 電 作 用 的 優 點是具有特別低的點火電 壓 雖 然 付 出 的 成 本 是 透 m 濺 鑛程序在兩個組成電極端 點 構 成 的 區 域 內 引 致 更 緊 緻 的 污染J見象。因此，有關這 — 點 上 有 利 的 是 可 爲 全 部 縫 隙 或至少爲各組成電極端點 設 置 有 —^ 介 電 層 (兩端介電阻礙式輔助放電），並用以接 受 多 少 較 高 的 點 火 電 壓 因 而 得到輔助放電作用。在實 質 上 低於 主 要 放 電 作 用 之 輔 助放電作用上的功率變動也 是 有 利 的 0 因 此 可使用 於 輔 助放電作用的驅動電路具 有 對 應 的 較 小 尺 寸 且 因 此 更 具成本效益。 進 一 步 的 優 點 是 y 在 離 開 某 一電極內的縫隙處-或是 必 要 時 離 開 複 數 個 電 極 縫 隙 處 •不需要在該燈之放電瓶 內 部 作 進 一 步的 修 正 〇 因 此 如同美國專利申請案第 US 5 006 758 號 文 件 中 一 開始 提及的，大致可避免在每 個 燈 的 流 明 數 上 產 生 負 效 應 0 在 正 常 作 業 中 較 佳 的 是 在 兩個組成電極之間選擇的 電 壓 低於 點 火 電 壓 及 /或該輔助放電作用的維持電壓。 因 此 在 正 常 作 業 中 壓 制 了 該 輔 助放電作用。這種情形的 優 點 是 該 主 要 放 電 作 用 及 該 燈 的照度均勻度整體上不致 受 到 影 響 此外在 正 常 作 業 中 壓低輔助放電用驅動電路 的 活 動 〇 特 別 較 佳的 是 在 正 常 作業將兩個組成電極之間 的 電 壓 値 選 擇 得 足 夠 低 J 以 避 免在主要放電作用上施加 任 何 影 響 〇 已 証 明 特 別 有 利 的 7- 是在正常作業中使兩個組

557641 五、發明說明（6) 成電極保持在實質上相同的電位上。 此外在正常作業中，較佳的是也在兩部式電極與其相 反電極之間施加操作電壓。結果，主要放電作用也會在 各組成電極與其鄰近相對電極之間延伸。這種情形的優 點是該兩部式電極不只扮演著點火目的的功能，同時會 對主要放電作用的生成作出貢獻，也就是說會在正常作 業中扮演著像正常電極的功能。 此外，較佳的是將操作電壓調變成耦合於氣體放電作 用中的脈波式作動電力，其脈波及脈波間速率的選擇方 式是使該主要放電作用包括有無數個部分放電作用。其 進一步細節可參見美國專利申請案第US-A 5 604 4 1 0號 文件中的說明。此外該文中已証明有利的是爲該兩部式 電極的相對電極及/或該兩部式電極本身設置有用於定 位這些部分放電作用的機制。此例中，較佳的是將該電 極縫隙定位在兩個機制之間，也就是將之定位在會於作 業期間點燃的兩個部分放電作用之間。以這種方式可藉 由此電極縫隙使該主要放電作用的原始部分放電模式保 持不變，例如，可藉由至少沿著具有某一極性之各電極 配置在相互間隔上的鼻狀突起施行用於定位各部分放電 作用的機制進一步的細節可參見美國專利第US 6 060 8 2 8號文件。 一種用以施行上述方法的電路佈置具有用於爲輔助放 電作用產生點火電壓的點火電路，以及設計成用以產生 用於主要放電作用之操作電壓的燈電壓產生器。該點火 557641 五、 發明說明 ( 7 ) 電 壓 在 點 火 變 壓 器 二 次 側 的兩個端子抽頭產生。該點火 變 壓 器 的 一 次 側 係 經 由 用 以施加電壓的第一裝置饋入直 流 電 壓 源 〇 該 第 —· 裝 置 係例如藉由連接到該點火變壓器 一 次 側 上 某 —* 端 子 的 可 控 制開關而施行的。此外，該點 火 電 路 具 有 一 第 二 裝 置 以 便使該點火變壓器的一次側形 成 短 路 〇 例 如 該 第 二 裝 置 指的是一種依與該點火變壓器 之 一 次 線 圈 呈 並 聯 連 接 的 可控制開關。可將一種習知線 圈 變 壓 器 或 壓 電 變 壓 器 考 量成點火變壓器。 對 —^ 種 兀 整 的 點 火 系 統 而言，係將該點火變壓器之二 次 側 的 第 一 端 子 連 接 到 該 介電障壁放電燈的某一組成電 極 上 〇 該 二 次 側 之 第 二 占山 子及該燈管電壓的第一輸出端 係 連 接 於 另 — 組 成 電 極 上 以及具有第一極性的未分割電 極 上 0 最 後 ， 該 燈 管 電 壓 產生益的弟_輸出端連接到具 有 第 二 極 性 的 各 電 極 上 〇 例 如 > 將 該 介 電 障 壁 放 電燈的伸長形電極施行成配置 在放 電 容 器 器 壁 上 的 電 極 條。這類電極條可例如藉由電 流 印 刷 技 術 (屏幕歹[ J ΕΓ "去、 鏤空列印法）列印成的。該電 極 縫 隙 會 將 相 關 的 電 極 軌 分割成沿著縱軸方向的兩個組 成 電 極 條 〇 圖 示 簡 說 以 下 巨 的 係在解 釋 用 實 施例的輔助下對本發明作更詳 盡 的 解 釋 〇 第 1 圖 顯 示 的 是 一 種 用 於平面介電障壁放電燈之電極 設 計 的 詳 細 圖 示 0 -9- 557641 五、發明說明（8) 第2圖顯示的是一種對具有第1圖之電極設計的介電 障壁放電燈進行點火及操作之電路佈置的簡化電路圖示。 發明之詳細說明 第1圖顯示的是一種用於平面介電障壁放電燈之電極 設計的細部圖示。該電極設計係意圖用於單極性電壓脈 波作業，且在此目的下具有數個陽極條A及陰極條K， 這些電極條係印刷在該平面燈（未顯示）之基板上。此例 中總是有一個陰極條係配置在兩個陽極條之間。爲求淸 晰，只顯示了兩個陽極條及一個陰極條的細部圖示。各 電極條係覆蓋有一扮演著介電障壁角色的薄玻璃層（未 顯示），每一個陰極條K都在兩側含有突起V，這類突 起會扮演著在作業期間所點燃之三角形部分放電作用E 的定位用機制的角色。藉由阻斷此陽極條的縫隙L將第 1圖中右手邊的陽極條分割成兩個陽極條A及A’。該電 極縫隙的長度1是大槪0.8毫米，不過落在該陰極K左 邊的另一陽極條則屬單部成。各組成陽極極A和^與 個別的最近陰極條K之間的空間是大槪6毫米。取決於 該底板的尺寸，重複增加這種電極設計細部結構，且基 本上使之覆蓋住該底板的整個內側。當作單一陽極條的 規則，或是在極大面積平面燈的例子裡，一些具有這種 電極縫隙的陽極條就足以支撐主要放電作用的點火作業 。各陽極條及陰極條會在該平面燈的邊緣區域內連接到 共同的供應引線（未標示）上。這種電極設計的作業模式會 因爲以下連同第2圖之電路佈置的解釋而變得更淸楚。 -10- 557641 五、發明說明（9) 依簡略形式顯示於第2圖內的電路佈置具有一點火變 壓器TR1。饋入有DC電壓源U1之一次電路係經由一 第一場效電晶體（FET)Ml連接於該點火變壓器TR1之一 次線圈的兩個端子上。一第二場效電晶體M2係與該一 次圈作並聯連接。該點火變壓器TR1之二次線圈之第一 端子係連接於陽極條A上，而該二次線圈的另一端子係 連接於組成電極條A’上，或者若適當的話連接於各組成 電極條上。該電路佈置也具有一燈管電壓產生器U2係 一方面連接到該陽極條A上且另一方面係連接於該陰極 條K上。該燈管電壓產生器U2會供應適用於脈波電力 注入作業的脈波電壓串，且可依美國專利第US 6 3 23 600號文件中所揭示的方式施行。吾人也可以使用其他 可控制開關以取代FET，M1，M2。 現在參照第1和2圖以作出下列功能性說明。在點火 階段的開始時，該燈管電壓產生器已供應出現在各陽極 條A與陰極條K之間的脈波操作電壓。現在可依脈波形 式經由其控制輸入端X驅動該場效電晶體Μ 1。因此會 在各陽極條Α與該點火變壓器TR1之二次側上的組成 電極A’之間產生高電壓。這會在由縫隙L構成的區域內 點燃一輔助放電作用（由於此中顯示的是正常作業，故 第一圖中看不見）。該輔助放電作用會啓動包括各部分 放電作用E的主要放電作用。 接著在正常作業開始時，將第一場效電晶體Μ1控制 在高電阻狀態內。反之，將由其控制輸入端Υ將第二場 -11- 557641 五、發明說明（1〇) 效電晶體M2控制在導通也就是低電阻狀態，且因此在 該一次側使該點火變壓器TR1出現短路。必然地，因此 使該點火變壓器二次側上的兩個端子以及連接其上的各 陽極條A及組成電極條A’落在相同的電位上。依這種 方式，操作電壓U2會在該組成電極條A’及陰極條K之 間進行正常作業。其優點是該組成電極條A’不僅可用以 點燃輔助放電作用，而是也可以用在主要放電作用上。 此區域可能在正常作業期間呈黑色的。 雖則已使用平面燈的實例詳細地解釋了本發明，但是 本發明並不受限於此。而是，可在不喪失有利效應下將 本發明應用在具有平面以外形狀之放電容器的介電障壁 放電燈的例子裡。因此，本發明可容易地應用在具有管 狀放電容器的管狀放電燈內，例如藉由依相互呈直徑相 對的將爲縫隙所阻斷的陰極條及陽極條配置在平行於該 放電容器縱軸的內側上。理論上依與上述相同的方式執 行該平面燈的驅動作業。 符號之說明 A，A' 組 成 電 極 E 主 放 電 作 用 K 相 反 電 極 L 電 極 縫 隙 Ml，M2 場 效 電 晶 體 (或開關） TR1 點 火 變 壓 器 U2 燈 管 電 壓 產 生器 -12-

Claims (1)

1. 557641 __\ V 1月乂>ij爹正_ 六、申請專利範圍 ---- 第91 1 207 1 5號「介電質障壁放電燈，及用於點火及操作 該燈之方法及電路佈置」專利案 (92年1月修正） 六、申請專利範圍： 1. 一種用於點火及操作具有伸長形電極（A，K)之介電障 壁放電燈之方法，其特徵爲藉由一縫隙（L)將至少一 個伸長形電極分割成兩個組成電極（A，A ’），以及施 行下列方法步驟： •在點火階段中： 係將點火電壓加到兩個組成電極（A，A ’）之間其 方式是在由兩個組成電極（A，A’）間之縫隙（L) 構成的區域內點燃一輔助放電作用， •在正常作業中： 係將一操作電壓加到各電極（A，K )之間其方式是 在各電極（A，K)之間引燃主放電作用（E)。 2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在正常作業中 ，兩個組成電極（A，A ’）之間的電壓値會小於該輔助 放電作用的點火電壓及/或維持電壓。 3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在正常作業中 ，在兩個組成電極（A，A ’）之間選擇足夠低的電壓値 以避免對主放電作用造成任何影響。 4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在正常作業中 ，係將兩個組成電極（A，A ’）保持在實質上相同的電 557641 六、申請專利範圍 位上。 5.如申請專利範圍第1項之方法，其中在正常作業中 ，係將操作電壓加在該兩部式電極（A，A，）與其相反 電極（K )之間，也就是說該主放電作用（E )也會在各 組成電極（A，A’）與其鄰近相對電極之間延伸。 6·如申請專利範圍第1至5項中任一項之方法，其中 係將操作電壓在調變成耦合於氣體放電作用的脈波 式作動電力其脈波及脈波間時段的選擇方式是使該 主放電作用包括無數個部分放電作用（E)。 7. 如申請專利範圍第6項之方法，其中該兩部式電極 的相對電極（K)及/或該兩部式電極本身設置有爲該 主放電作用之各部分放電作用（E)定位用的裝置。 8. 如申請專利範圍第7項之方法，其中係將縫隙（L )定 位在兩個部分放電作用（E)定位用裝置（V)之間，也 就是說將之定位在會於作業期間點燃的兩個部分放 電作用（E )之間。 9. 一種用以施行如申請專利範圍第1至8項中任一項 之方法的電路佈置，具有： •一點火電路，係包括： 一點火變壓器（TR1)，在其二次側上具有第一端子 (A)，和第二端子（A ’），設置兩個瑞子以便導出 , 點火電壓， 一第一裝置，係用於將電壓加到該點火變壓器 557641 六、申請專利範圍 (TR1)的一次側上， 一第二裝置，係用於使該點火變壓器（TR1 )的一次 側出現短路； •一燈管電壓產生器（U2 )係設計成用以產生操作電 壓，且具有第一和第二輸出端，該第一輸出端係 連接於該點火變壓器（TR1)二次側的第二端子上。 10.如申請專利範圍第9項之電路佈置，其中該第一裝 置指的是一種連接於該點火變壓器（TR1 )—次側之一 端子上的可控制開關（Ml)。 11·如申請專利範圍第9或1 0項之電路佈置，其中該第 二裝置指的是一種與該點火變壓器（TR1 )之一次線圈 呈並聯連接的可控制開關（M2 )。 12. —種具有伸長形電極的介電障壁放電燈，係適合如 申請專利範圍中第1到8項中任一項之點火及操作 方法，此燈的特徵爲藉由一縫隙（L)將至少一個伸長 形電極分割成兩個組成電極，此電極縫隙（L )的設置 係供輔助放電之用。 13·如申請專利範圍第1 2項之介電障壁放電燈，其中該 電極縫隙（L)的長度（1)是小於量自最近電極（K)的距 離（d) 〇 14.如申請專利範圍第1 2或1 3項之介電障壁放電燈， 其中該伸長形電極係施行成配置在該放電容器器壁 上的各電極條（A，A’，K)。 557641 六、申請專利範圍 15. 如申g靑專利範圍第1 4項之介電障壁放電燈’其中該 電極縫隙（L)會沿著縱軸方向將相關的電極條分割成 兩個組成電極條（A，A ’）。 16. —種照明系統，具有如申請專利範圍第9項之電路 佈置及如申請專利範圍第1 2或1 5項之介電障壁放 電燈，其中該點火變壓器（TR1)二次側之第一端子係 連接於某一組成電極（A ’）上，該二次側之第二端子 及該燈管電壓產生器（U2)的第一輸出端係連接於另 一組成電極及具有第一極性的未分割電極（A)上，且 該燈管電壓產生器的第二輸出端係連接於具有第二 極性的電極（K )上。