专利名称：高亮度无电极低压光源的制作方法
技术领域：
本发明涉及电灯，特别涉及低压高亮度荧光灯光源，它比常规的有电极荧光灯每单位长度产生大得多的光量。
背景技术：
特高输出(VHO)荧光灯和金属卤化物高亮度放电(HID)弧光灯提供有效的高流明输出和良好的颜色再现。VHO荧光灯是基于常规的有电极的荧光灯技术。为使电极有长寿命(约10000小时)，这些灯中的缓冲气体压力约为2乇，放电电流一般低于1.5A。为使紫外线辐射中的饱和度最小且提供可接受的效能，VHO荧光灯在缓冲气体压力约为2乇下用较轻的气体工作，例如氖。对长寿命和效能的要求限制了这些灯可工作的参数范围，主要是限制了这些灯可有效产生的最大轴向光亮度。因此，VHO荧光灯对于它们所产生的光量来说显得较长，其效能为中等水平，典型地不超过每瓦特70流明。可是，由于VHO荧光灯可适合于提供均匀、稳定和丰富的发光色谱，因而它们广泛地应用于要求良好而稳定的颜色再现和瞬间导通和关断的大型商店中。
金属卤化物HID灯是比VHO荧光灯紧凑得多的弧光灯。整个灯的总长度(包括灯罩)约为8或10英寸。HID灯的寿命一般为7000～10000小时。HID灯典型地在几个大气压的气体压力下放电工作，因而与低压荧光灯的工作完全不同。由于HID灯要用约5～10分钟来建立这种气体压力，因此它不能快速发光。此外，若切断电源，即使瞬间切断，HID灯也需要10分钟以上重新启动。并且，HID灯的颜色再现和总流明输出在其寿命过程中有些变化，并在寿命终了才能换灯，以避免发热的灯可能的突然性故障。HID灯广泛地用于如街灯、隧道和露天体育场等室外照明。
被称为QL照明系统的电感耦合荧光灯包括灯壳，该灯壳有带凹腔的常规荧光灯形状；设置在凹腔中的电源耦合器；和高频发生器。QL照明系统结构较复杂和需要冷却。此外，QL照明系统典型地工作于2.65MHz的频率，这是一个必须当心防止射频干扰的频率。
无电极荧光灯已由下列美国专利公开US3500118，Anderson，1970.3.10.颁发；US3987334，Anderson，1976.10.19颁发；和由“Illuminating Engineering”(照明工程)，1969.4.，P236～244，Anderson。无电极电感耦合灯包括放电管中的低压汞/缓冲气体放电，放电管构成连续的闭合电通道。放电管的通道经过一个或多个环形铁氧体磁芯的中心，使放电管成为变压器的次级。通过把正弦电压加到绕在围绕着放电管的环形铁芯上的几匝导线绕组上，使电功率耦合来用于放电。流过初级绕组的电流产生随时间变化的磁通，该磁通沿放电管感应出维持放电的电压。放电管的内表面上涂有荧光体，受被激发的汞汽原子射出的光子照射，该荧光体发射出可见光。
Anderson所述的无电极灯的放电电流在0.25和1.0A之间，缓冲气体压力在0.5～5乇之间。Anderson所述的无电极灯中用氩作缓冲气体。此外，Anderson所述的无电极灯中，用约重2.5Kg的铁氧体材料激励32W的放电。用Anderson所述的灯参数制造的灯有高铁芯损耗，因此效率极低。并且，由于用于变压器铁芯中的铁氧体材料，Anderson灯出人意料地重。
发明概述按照本发明，电灯组件包括无电极灯，无电极灯包括其中充以压力低于约0.5乇的汞蒸汽和缓冲气体的闭合环形的管状灯壳；环绕灯壳放置的变压器铁芯；设置在变压器铁芯上的输入绕组；和与输入绕组相耦合的射频电源。射频电源供给汞蒸汽和缓冲气体足够的射频能量，以使在灯壳内产生放电电流等于或大约2A的放电。
优选地，无电极灯包括所述灯壳内表面上的荧光体，用于响应于放电发射的紫外线发射出预定波长范围的辐射。灯壳的横截面尺寸最好在约1～4英寸的范围。第一实施例中，灯壳为椭圆形。第二实施例中，灯壳包括其端部相连的第一和第二平行管以构成闭合环。缓冲气体最好是惰性气体，例如氪。
射频电源的频率在约50KHz～3MHz较好，在约100KHz～约400KHz的范围更好。变压器铁芯最好是环绕灯壳的环形构形。变压器铁芯最好用铁氧体材料构成。铁芯功率损耗最好低于或等于射频电源供给的总功率的5％。
按照本发明的另一方案，电灯组件包括无电极灯，无电极灯包括其中充以压力低于约0.5乇的汞蒸汽和缓冲气体的管状灯壳。灯壳包括第一和第二平行管，它们为直管，在一端或其附近用第一侧边管相连，在另一端或其附近用第二侧边管相连，从而构成闭合环。该电灯组件还包括绕灯壳的第一侧边管设置的第一变压器铁芯，绕灯壳的第二侧边管设置的第二变压器铁芯，分别设置于第一和第二变压器铁芯上的第一和第二输入绕组，以及与第一和第二输入绕组相耦合的射频电源。射频电源把足够的射频能量供给汞蒸汽和缓冲气体，以便在灯壳内产生放电电流等于或大于约2A的放电。
按照本发明的另一方案，提供使包括无电极灯的电灯工作的方法，该无电极灯包括其中充以缓冲气体和汞蒸汽的闭合环形管状灯壳。该方法包括下列步骤在灯壳中建立低于约0.5乇的汞蒸汽和缓冲气体的压力，和感应耦合给汞蒸汽和缓冲气体以足够的射频能量，从而在灯壳中产生放电电流等于或大于约2A的放电。
按照本发明的再一方案，电灯组件包括无电极灯，无电极灯包括其中充以压力低于约0.5乇的汞蒸汽和缓冲气体的闭合环形管状灯壳；和用于感应耦合给汞蒸汽和缓冲气体以足够的射频能量以在灯壳内形成放电电流等于或大于约2A的放电的装置。附图简介为更好地理解本发明，参照本文中所附的附图进行说明，其中
图1概略示出按照本发明的无电极荧光灯的第一实施例；图2是展示本发明无电极荧光灯的电气连接的概略图；图3概略示出按照本发明第二实施例的无电极荧光灯；图4示出对于图3中无电极荧光灯的作为放电功率的函数的流明和每瓦特流明的曲线；和图5示出对于图3中无电极荧光灯的作为灯功率的函数的放电电压、铁芯损耗和功率因数的曲线。
详细描述图1和2中示出按照本发明的放电灯的第一实施例。灯10无电极，并包括管状的闭合环构形的灯壳12。灯壳12包围了一个放电区14，其中包含缓冲气体和汞汽。通常在灯壳12内表面上构成荧光涂层16。用第一变压器铁芯22和第二变压器铁芯24将来自RF电源20的RF(射频)能量电感耦合到无电极灯10。变压器铁芯22和24的每一个最好具有围绕灯壳12的环形构形。RF电源20被连到第一变压器铁芯22上的绕组30和被连到第二变压器铁芯24上的绕组32.导电带条26粘接在灯壳12外表面上并与RF电源20电连接，利用该导电带条26协助启动无电极灯10的放电。
工作时，变压器铁芯22和24使RF能量电感耦合来用于灯壳12内的低气体压力放电。无电极灯10用作各变压器的次级电路。绕组30和32最好同相地驱动，它们可以按图2所示那样并联连接。在灯壳12上放置变压器22和24，以使由变压器铁芯22和24在放电中所感应的电压相加。流过绕组30和32的RF电流产生随时间改变的磁通，该磁通沿灯壳12感应出维持放电的电压。灯壳12内的放电发射出紫外光，紫外光激励荧光涂层16，发出可见光。这种结构中，由可透过可见光的材料例如玻璃来制造灯壳12。一种适用的玻璃是Pyrex(商标名)。替换地，可用内表面涂有阻挡层如氧化铝的软玻璃例如钠钙玻璃制造外壳。在另一种结构中，用无电极灯作紫外光源。这种结构中，不用荧光涂层16，并用透过紫外线的材料例如石英制造灯壳12。
为输出高流明，灯壳直径最好在约1英寸～约4英寸的范围。填充材料包括缓冲气体和少量的产生汞蒸汽的汞。缓冲气体最好是惰性气体，氪更好。已发现在灯工作时中等功率负荷下，氪提供单位瓦特上的较高流明。高功率负荷时也最好用氪。灯壳12可以有任何构成闭合环的形状，包括图1所示的卵形，圆形，椭圆形或如下所述的将一系列直管连成的闭合环形。
最好用例如锰锌铁氧体等高导磁率、低损耗的铁氧体材料制造变压器铁芯22和24。变压器铁芯22和24绕灯壳12构成闭合环，它一般为直径稍大于灯壳12外径的环形。为将铁芯22和24装在灯壳上需将铁芯切开。该切开的端部最好要进行研磨，以使变压器铁芯装在灯壳12上之后各切割端之间的间隙最小。
由于变压器铁芯的铁氧体材料较贵，因此希望限制其用量。一种方法是，将少部分的灯壳缩颈为较小直径，将较小直径的变压器铁芯置于灯壳的较小直径部分。灯壳的较小直径部分的长度应保持最小，以使放电电压最小。另一种方法是，用单个变压器铁芯使RF能量耦合来用于放电。
绕组30和32的每个都包括载运初级电流的足够尺寸的几匝线圈。各变压器被做成使初级电压降低和初级电流升高，一般其变比因子为5-10。通常，初级绕组30和32各有大约8～12匝。
RF电源频率在约50KHz～3MHz的范围，最好在约100KHz～约400KHz的范围。作为实例，约100v～200v范围的初级电压和约1A的初级电流可产生20v～30v的放电电压和约5A数量级的放电电流。
本发明的电灯组件利用一组参数的组合，它产生高流明输出、每瓦特高流明、低铁芯损耗和长寿命。已确定，缓冲气体压力低于约0.5乇和放电电流等于或大于约2.0A，则产生预定的性能。优选地，缓冲气体压力等于或小于约0.2乇放电电流等于或大于约5.0A。在较大灯管直径下，本发明灯组件的性能满足或超过常规的特高输出有电极荧光灯的流明输出和每瓦特流明的性能。
已发现，由于铁氧体磁芯的损耗随放电电压增加而急剧增加，因而在电感耦合放电中使放电电压最小化很重要。与现有技术的无电极荧光灯相比，缓冲气体的原子重量较大、灯管的直径较大和工作电流较大会使放电电压减小。本发明的灯仅需要0.4Kg的铁氧体材料来激发120瓦特的放电。这种构形中的铁氧体损耗约为3％。一般来说，本发明的灯中变压器铁芯的功率损耗低于或等于由RF电源提供的总功率的5％。并且，在本发明的灯中，变压器铁芯体积与放电功率之比一般低于1立方厘米／瓦特。
对本发明灯的分析表明恰当地选择放电电流对于在驱动感应放电时引起的铁氧体铁芯损耗有决定性作用。根据下面的分析可理解铁氧体铁芯损耗与放电电流的关系。一般地说，低气体压力放电具有负的电压／电流特性。因而，放电电压Vd与放电电流Id有这样的关系，即放电电压Vd与Id-k成比例。由于电压和电流基本上是同相的，因而放电功率Pd与Id1-k成比例。铁氧体损耗Pc与放电电压Vd的n次幂成比例，放电电压Vd等于用变压器铁芯上的匝数除以初级电压。因此，Pc正比于Vdn，而Vdn又正比于Id-kn。Pc/Pd的比值可写作ξ=Pc/PdαId-[k(n-1)+1]典型地，0.2＜k＜0.4，2.5＜n＜3.1。取k=0.3，n=2.8作典型值，上述ξ的表达式简化为ξαId-1.5对于给定的铁氧体铁芯，放电电流从0.5A增加至5A，ξ就以10-1.5的因子减小，或者说铁芯损耗约减小到三十分之一。该分析说明了在较大放电电流时可获得较大的耦合效率。但是，这并不意味着简单地增加现有技术中无电极荧光灯的放电电流，就可产生期望的灯性能。将放电功率有效地转换为紫外辐射也是很重要的。为了在大电流下从汞有效地产生紫外辐射，使缓冲气体压力低于约0.5乇很重要。因此，把高放电电流和低缓冲气体压力相结合是很重要的。最好，放电电流Id等于或大于约2.0A左右，缓冲气体压力低于约0.5乇左右。
本发明的无电极荧光灯的启动放电相当容易。在启动放电之前RF电源的输出电压一般为工作电压的两或三倍。该电压加在灯壳12上的导电带26上，足以激励放电。本发明范围内还可利用其它的启动器。若需要，启动放电后可使导电带或其它启动器与灯的电路不导通。
现参照图1和2的构形描述按照本发明无电极荧光灯的实例。灯壳由填充有惰性气体和汞蒸汽的闭合环状放电玻璃管构成，灯壳内表面上涂有荧光体。放电通道的长度是66厘米(cm)，管子外径是38毫米(mm)。灯壳内填充压力为约0.2乇的氪和约6毫乇的汞蒸汽。两个环形铁氧体铁芯(由Magnetics，Spang公司的一个部所制成的P型)被各自切成两件，各件的端部被研磨平滑。环绕灯壳组装各环形铁芯，在各铁氧体磁芯上绕着六匝初级线圈。铁芯外径75mm，内径40mm，厚12.6mm，两个铁芯的总横截面为4.4cm2。用频率为250KHz的正弦信号RF电源驱动该灯。以下是一组工作条件下的灯性能。放电电流5A；放电功率120W，每厘米1.8W；光输出是10000流明；每瓦特流明80；铁芯功率损耗与放电功率之比是0.054；铁芯体积80cm3；铁芯体积与放电功率之比是0.67cm3/W；放电电压25v有效值(RMS)；放电电场是0.37v/cm；铁芯磁通密度是500高斯；铁芯损耗是6.5W，0.08W/cm3；和总功率126.5W。
图3示出按照本发明无电极高亮度荧光灯的第二实施例。无电极灯50包括灯壳52，灯壳52包括两个平行设置的直管54和56。管54和56在各端密封，在一端或其附近用侧边管58进行互连，在另一端或其附近用侧边管60进行互连。每根侧管58和60使直管54和56之间的气体相连通，借此构成闭环的结构。直管54和56在下列方面比其它形状有重要的优点，即容易制造和容易涂敷荧光体。可是，正如上所述，灯可制成几乎任何的构成闭合放电通道的形状，即使是非对称的。优选实施例中，管54和56每个都长40cm，直径为5cm。侧边管58和60每个都长3.8cm，直径为3.8cm。管54和56的直径增加，减小了放电电压，从而减少了铁氧体损耗。把管58和60直径减小为3.8cm，可减小铁氧体尺寸以及也降低了铁氧体损耗。
图3所示的灯中填充约0.2乇的氪缓冲气体和6毫乇的汞蒸汽。变压器铁芯62和64分别安装成环绕在侧边管58和60上。各变压器铁芯是被切成两块、其端部被研磨的BE2环形铁氧体磁芯。八匝导线的初级绕组缠绕在各铁氧体磁芯上。各铁芯的外径8.1cm，内径4.6cm，横截面积4.4cm2，和体积88cm3。用图2所示连接法连接的200KHz的正弦波RF电源驱动初级绕组。
图3中的灯的流明输出和每瓦特流明作为放电功率的函数示于图4中，曲线70代表流明输出，曲线72代表每瓦特流明。测量是在灯工作100小时之后在40℃的冷点温度下进行。如图4所示，说明输出随放电功率增加而增大，而每瓦特流明(LPM)在150W处出现峰值。在LPM峰值处，用92LPM的效能(包括铁氧体磁芯损耗)产生14000流明。在该LPM处的轴向流明密度是每英寸415流明，比常规VHO荧光灯大2.75倍。150W处的放电电流约为6A。用这里所披露参数工作，可使本发明的灯同时达到较高的流明输出、高效能和高轴向流明密度，因而使它成为对于常规的VHO荧光灯和高亮度、高压放电灯的有吸引力的替代品。
图3的灯的所选电性能作为灯功率的函数被显示于图5。曲线76代表放电电压；曲线78代表铁芯损耗；曲线80代表功率因数。放电电压和铁芯损耗参见左边的座标，功率因数则参见右边的座标。随着灯功率增加，放电电压降低。减小的放电电压致使铁芯损耗相应减小。图5强调了保持低放电电压的重要性。灯的总功率在50W时铁芯损耗为其40％，而总功率为150W时，铁芯损耗仅为其6％左右。图4所示的随放电功率增至150W的LPW的增加，主要与铁芯损耗的相应减小有关。灯的显著的总体性能归因于工作参数的选择(主要气体压力、温度、放电灯直径和放电电流)。BE2铁芯材料并不认为是最佳铁芯材料。测量表明，用如Philips制造的3F3优质铁芯材料，铁芯损耗几乎可以以2的因子被减小。
在150W时，放电时的平均电场约为0.75v/英寸。由于电极的电压降相对于总的放电电压是可观的(实际上没有发自电极电压降区域的光)，在电极放电中的这样的小电场会导致效率相当差的光源。考虑到阴极蒸发和效能，在这些条件下不能长时间地进行电极放电。相反，由于本发明的灯为无电极的构形，因而期望它有很长的寿命。
尽管已经展示和描述了目前认为是最佳的本发明实施例，但显而易见，本领域的技术人员可进行各种改变和改进，而不背离由所附权利要求书所限定的本发明的范围。
权利要求
1.一种电灯组件，包括无电极灯，它包括闭合环形的管状灯壳，灯壳内充有压力低于约0.5乇的汞蒸汽和缓冲气体；环绕所述灯壳放置的变压器铁芯；设置在所述变压器铁芯上的输入绕组；和耦合到所述输入绕组的射频电源，用于把足够的射频能量供给所述汞蒸汽和所述缓冲气体以便在所述灯壳内产生放电电流等于或大于约2A的放电。
2.如权利要求1所限定的电灯组件，其特征在于，其中所述无电极灯包括所述灯壳内表面上的荧光体，所述荧光体响应于由所述放电发射的紫外线，产生在预定波长范围内的辐射。
3.如权利要求1所限定的电灯组件，其特征在于其中所述射频电源的频率在50KHz至3MHz之间。
4.如权利要求1所限定的电灯组件，其特征在于，其中所述射频电源频率在100KHz至400KHz之间。
5.如权利要求1所限定的电灯组件，其特征在于，其中所述缓冲气体包括惰性气体。
6.如权利要求1所限定的电灯组件，其特征在于其中所述缓冲气体包括氪。
7.如权利要求1所限定的电灯组件，其特征在于其中所述管状灯壳的横截面尺寸在1～4英寸的范围。
8.如权利要求1所限定的电灯组件，其特征在于其中所述变压器铁芯具有环形结构。
9.如权利要求1所限定的电灯组件，其特征在于还包括环绕所述灯壳放置的第二变压器铁芯，和放置在所述第二变压器铁芯上并与所述射频电源相连的第二输入绕组。
10.如权利要求1所限定的电灯组件，其特征在于，其中所述灯壳为卵形。
11.如权利要求1所限定的电灯组件，其特征在于，其中所述灯壳包括第一和第二平行管，它们在其端部相连，构成闭合环。
12.如权利要求1所限定的电灯组件，其特征在于，其中所述变压器铁芯由铁氧体材料构成。
13.如权利要求12所限定的电灯组件，其特征在于，其中所述铁芯功率损耗与所述变压器铁芯有关，其中总功率由所述射频电源供给，以及其中所述铁芯功率损耗低于或等于由所述射频电源供给的总功率的15％。
14.如权利要求12所限定的电灯组件，其特征在于，其中所述变压器铁芯的体积与所述无电极灯的放电功率之比低于2cm3/W。
15.如权利要求1所限定的电灯组件，其特征在于其中所述灯壳中的压力等于或低于约0.2乇，放电电流等于或大于约5A。
16.如权利要求1所限定的电灯组件，其特征在于，其中所述灯壳由透过紫外线的材料构成，以及所述无电极灯发射紫外光。
17.一种电灯组件，包括无电极灯，它包括其中充以压力低于约0.5乇的汞蒸汽和缓冲气体的管状灯壳，所述灯壳包括第一和第二平行管，在平行管一端或其附近与第一侧边管相连，在平行管另一端或其附近与第二侧边管相连，从而构成闭合环；环绕在所述灯壳的第一侧边管上放置的第一变压器铁芯；环绕在所述灯壳的第二侧边管上放置的第二变压器铁芯；分别设置在所述第一和第二变压器铁芯上的第一和第二输入绕组；和耦合到所述第一和第二输入绕组的射频电源，用于把足够的射频能量供给所述汞蒸汽和所述缓冲气体，以便在所述灯壳内产生放电电流等于或大于2A的放电。
18.如权利要求17所限定的电灯组件，其特征在于，其中所述无电极灯还包括在所述灯壳内表面上的荧光体，所述荧光体响应于由所述放电发射出的紫外线，发射可见光的辐射。
19.如权利要求17所限定的电灯组件，其特征在于其中所述灯壳由透过紫外线的材料构成，所述无电极灯发射紫外线辐射。
20.如权利要求17所限定的电灯组件，其特征在于其中所述射频电源的频率在50KHz至3MHz的范围内。
21.如权利要求17所限定的电灯组件，其特征在于其中所述灯壳的所述第一和第二平行管每个的横截面尺寸都在1至4英寸的范围内。
22.如权利要求17所限定的电灯组件，其特征在于其中所述第一变压器铁芯和所述第二变压器铁芯每个都具有环形结构。
23.如权利要求17所限定的电灯组件，其特征在于其中所述第一变压器铁芯和所述第二变压器铁芯都由铁氧体材料构成。
24.如权利要求17所限定的电灯组件，其特征在于其中所述灯壳中的压力低于或等于约0.2乇，所述放电电流等于或大于约5A。
25.一种使包括无电极灯的电灯工作的方法，该无电极灯包括闭合环形的管状灯壳，灯壳内充有汞蒸汽和缓冲气体，所述方法包括下列步骤在所述灯壳内建立所述汞蒸汽和所述缓冲气体的低于约0.5乇的压力；和把足够的射频能量感应耦合给所述汞蒸汽和所述缓冲气体，以便在所述灯壳内产生放电电流等于或大于约2A的放电。
26.如权利要求25所限定的使电灯工作的方法，其特征在于，其中建立压力的步骤包括建立所述汞蒸汽和所述缓冲气体的低于或等于约0.2乇的压力，感应耦合射频能量的步骤包括感应耦合足够的射频能量，以产生等于或大于约5A的放电电流。
27.一种电灯组件，包括无电极灯，它包括闭合环形的管状灯壳，灯壳内充有压力低于约0.5乇的汞蒸汽和缓冲气体；和用于把足够的射频能量感应耦合给所述汞蒸汽和所述缓冲气体以便在所述灯壳内产生放电电流等于或大于约2A的放电的装置。
28.如权利要求27所限定的电灯组件，其特征在于其中所述无电极灯包括所述灯壳内表面上的荧光体，所述荧光体响应于由所述放电发射的紫外线，产生预定波长范围的辐射。
29.如权利要求27所限定的电灯组件，其特征在于其中所述射频能量的频率在50KHz～3MHz的范围。
30.如权利要求27所限定的电灯组件，其特征在于所述的缓冲气体包括氪。
31.如权利要求27所限定的电灯组件，其特征在于其中所述管状灯壳的横截面尺寸在1～4英寸的范围。
32.一种无电极电灯组件，包括无电极灯，它包括闭合环形的管状灯壳，灯壳内充有压力低于约0.5乇的汞蒸汽和氪；环绕所述灯壳放置的铁氧体变压器铁芯；和设置在所述变压器铁芯上、与射频电源相连的输入绕组。
全文摘要
一种电灯组件，包括无电极灯，无电极灯有闭合环形的管状灯壳，灯壳内充有压力低于约0.5乇的汞蒸汽和缓冲气体；环绕灯壳放置的变压器铁芯；放置在变压器铁芯上的输入绕组；和与输入绕组相连的射频电源。射频电源把足够的能量供给汞蒸汽和缓冲气体，以便在灯壳内产生放电电流等于或大于约2A的放电。无电极灯优选地包括在灯壳内表面上的荧光体，用于响应于由放电发射出的紫外线，发射预定波长范围内的辐射。
文档编号H01J65/04GK1165582SQ96191079
公开日1997年11月19日 申请日期1996年7月18日 优先权日1995年9月15日
发明者V·A·戈亚卡, B·亚历山德罗维奇, R·B·皮杰克, E·斯塔尼克¤ 申请人:电灯专利信托有限公司