CN1319876A - 低压气体放电灯 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低压气体放电灯,它包括至少一个放电容器和至少两个电容耦合结构,并工作在工作频率f上。为了使低压气体放电灯达到较高效率连同小的结构体积、高光通量、低工作电压、低电磁辐射、高度耐开关过渡过程和长的使用寿命,建议每一个电容耦合结构(2)用至少一个具有厚度d和介电常数ε的绝缘体形成,每一个绝缘体遵守d/(f.ε)<10－8cm.s的条件。这样单位灯长度可以产生的光量(流明/cm)大得多。

Description

低压气体放电灯
本发明涉及低压气体放电灯，它包括至少一个放电容器和至少两个电容耦合结构，并工作在工作频率f下。本发明还涉及液晶显示器背光用的器件，其中为了产生背光，配置至少一个作为光源的这样的低压气体放电灯和光学系统。
已知的气体放电灯包括其中发生气体放电的含有填充气体的容器和通常密封在放电容器内的两个金属电极。一个电极提供放电用的电子，这些电子随后通过第二个电极加到外电流电路上。这些电子的作用一般是通过热离子发射(热电极)产生，尽管它或者也可以用强电场中的发射或直接通过离子轰击(离子诱导二次发射)(冷电极)产生。在感应工作方式下，载流子直接借助于高频(在低压气体放电灯的情况下一般要高于1MHz(兆赫))交变电磁场在气体体积中产生。电子在放电容器内沿着闭合回通路运动；在这种工作方式下没有通常的电极。在电容工作方式下，用电容耦合结构作为电极。这些电极通常是嵌入的，所以是绝缘体(绝缘材料)，它一方面与气体放电接触，另一方面，以电导方式(例如，通过金属触点)连接到外部电流电路。当交流电压加到电容电极上时，在放电容器内形成交变电场，于是载流子在所述交变电场的线性电场移动。在高频范围(f＞10MHz)内，电容灯类似于电感灯，因为在这个范围内载流子也在整个气体体积内产生。在这种情况下，绝缘电极的表面特性不那么重要(所谓α放电方式)。在较低的频率下，电容灯的工作方式改变，对于放电重要的电子必须最初从绝缘电极的表面发射，并在所谓阴极下降区倍增，从而维持放电。因而，绝缘材料的发射性能确定灯的功能(所谓γ放电方式)。阴极下降区沉淀的功率不能用来产生光，因而降低了灯的效率(流明/瓦)。
对于许多设备来说，使用直径小(小于5mm)的和灯单位长度的光通量(流明/cm)尽可能高的荧光灯是有利的。另外，大部分应用领域要求灯高度耐开关过渡过程。这对气体放电灯在液晶显示器背光(LCD背光)上的应用尤为如此。
为了能够装上线圈和阳极罩，热阴极灯要求放电容器约10mm的最小直径。当不必用阳极罩时，可以实现约6mm的内径，只是由于变黑加重，其使用寿命严重缩短。另外，热阴极灯的开关特性对许多应用领域而言是无法接受的，此外，它们难以变暗。
灯直径小(不超过5mm)的荧光气体放电灯至今只能以冷阴极灯或工作频率处于高频范围(高于1MHz)的电容气体放电灯的形式实现。冷阴极灯提供它们能在低频(30-50kHz)工作的优点。因此，它们的电磁辐射很弱。但是，冷阴极灯中的放电电流有严格限制(至约10mA的最大值)。电流的限制是由于电极材料的溅射率随着放电电流急剧增大。另外，电流限制有助于防止电极局部发热到这样的程度、以致溅射率急剧增大而出现热发射。释放的电极材料随后淀积在放电容器上，导致灯快速变黑。
在工作频率f＞1MHz的电容放电灯的情况下，高的工作频率与灯中高的电流密度(大电流，小的灯直径)结合引起强烈的电磁辐射。这使对由灯、反光镜、驱动电子线路等形成的整个系统都必须采取精心制定的步骤，以便限制这种电磁辐射。因为功率是通过放电容器以容性方式耦合的，所以工作频率向下受到耦合面的电容量限制(至1MHz左右)。
美国专利2,624,858公开了一种在外电极和气体放电之间设有绝缘层的电容气体放电灯。外电极连接到在120Hz频率下输出500V至10,000V电压的交流电源。绝缘层具有高的介电常数ε＞100，最好ε＞2000。外部交流电压通过绝缘层进行电容耦合引起灯内气体的电离和激活，使之出现发光气体放电。介电常数与工作频率的这种结合只能利用尺寸非常大的耦合结构才能达到灯的高光通量，使得整个灯也变得尺寸大。此外，在这样的灯中，高光通量需要极高的工作电压，因而需要昂贵的驱动电路。另外，在这个频率范围内，二次辐射系数γ明显地不那么令人满意，以致气体放电效率更低和产生光量更小。
本发明的一个目的是提供一种低压气体放电灯，它在有电容耦合存在的情况下，提供较高效率连同小的结构体积、高光通量、低工作电压、低电磁辐射、高度耐开关过渡过程和长的使用寿命。
达到这个目的的方法是：每一个电容耦合结构用至少一个具有厚度d和介电常数ε的绝缘层形成，每一个绝缘层遵守d/(f.ε)＜10-8cm.s的条件。所述气体放电灯以已知的方法包括含有一般填充气体(例如，在低压气体放电灯的情况下含有惰性气体或掺汞的惰性气体)的透明放电容器，并在工作频率为f的交流电源下工作。放电容器和填充气体的材料可以根据要求产生的辐射频谱选定。更具体地说，放电容器可以设有涂层，使得按照本发明的灯发出给定频率范围(例如，UV(紫外线)范围)的辐射。在放电容器上至少设置两个空间上隔开的耦合结构。电容耦合结构的绝缘层可以包括一层或多层。每一层要分别满足d/(f.ε)＜10-8cm.s的条件。显然，在本发明的范围内，多个进一步的耦合结构也是可行的，作为适当选择绝缘体材料特性和几何形状的结合的结果，所述结构具有本发明的特征。
在其他权利要求和按照本发明的实施例中公开了本发明有利的实施例。在本发明其他最佳实施例中，至少一个绝缘体遵守d/(f.ε)＞10-9cm.s的条件，使得该灯具有正的电流-电压特性。气体放电灯必须适当配备镇流器，以便保证稳定的气体放电。这种镇流器通常总合成电镇流装置，其中一个电路产生灯启动所需的点火电压。对于按照本发明的灯，最好这样选择电容耦合结构的材料、它们的几何形状和工作频率，使得绝缘体两端的平均电压相当于灯(d/(f.ε)≈ 5.10-9cm.s)的放电容器中等离子体两端的电压，以便电容耦合结构可以用于灯的镇流。这样，在灯的驱动电路中可以不用镇流元件，使成本大大降低。另外，灯的自镇流使多个这样的灯并联工作而只使用一个驱动器成为可能；这再次在驱动器的成本方面带来明显的节约。
按照本发明的灯克服现有灯的缺点，尤其是工作在150Hz至1MHz频率范围内。
绝缘材料最好具有介电常数明显的负温度依赖关系。已知某些绝缘材料，它们的介电常数值随着温度上升而下降，尤其是在超过给定温度时。介电常数也可以短暂地增大，尤其是在低温范围。在灯的工作期间，绝缘体由于功率的耦合而被加热，使得绝缘电容降低，因而可以耦合的最大功率受到限制。这样便稳定了灯的功率，从而用那里存在的耦合结构就已经获得灯的镇流。
本发明特别适用的实施例包括具有内径di的基本上是空心的圆柱形放电容器；那么内径di可以小于10mm。空心圆柱形放电容器尤其吸引人，因为根据其他气体放电灯它们的制造和处理是众所周知的。内径小使灯较易处理，并为灯找到许多用途。依用途而定，空心圆柱形放电容器可以构造成，例如，螺旋形、字符或数字等。灯的其他细节也具有基本上空心的圆柱形电容耦合结构，后者具有内径di，并以抗压力的方式连接到放电容器。使用同样尺寸的结果是，绝缘体可以特别简单地连接到放电容器，例如，利用玻璃焊接技术。
最好选择包含至少一种惰性气体或惰性气体和汞的混合物的放电容器中的填充气体。可以用多种气体混合物作为按照本发明的灯的填充气体。更具体地说，可以使用已知低压气体放电灯中用的填充气体。这提供一个处理方法已知的好处。也可以根据灯的用途选择填充气体，因而支持要求的颜色(所发射的辐射波长)或形状。
在按照本发明的灯的另一个实施例中，气体放电灯的放电电流大于10mA。大放电电流的使用使高于已知灯的亮度的产生成为可能。亮度水平决定于所用的填充气体。这样的大功率可以通过按照本发明的绝缘体耦合，使放电容器内的等离子体达到可能的最高亮度。例如，在内径di=3mm的情况下，与冷阴极灯相比，亮度可以加倍至6000(新烛光/米2)(cd/m2)左右。
绝缘体最好包括顺电的、铁电的、或反铁电的固体材料。尤其适用的是氧化物陶瓷(例如，BaTiO3,SrTiO3,PbTiO3,PbZrO3)，也可以包括混合物。
本发明的最佳实施例中的放电容器包括一种紫外线(UV)透明材料，并用发射UV的填充气体填充。例如，可以使用玻璃管作为放电容器用的UV透明材料。放电容器也可以设有发光材料涂层，后者把填充气体发出的辐射转变成要求的光谱(尤其是在UV的范围内)。例如，发光材料可以发出相当于太阳辐射光谱的辐射，使得灯可以用于晒太阳的用途。
本发明的目的也可以用液晶显示器背光器件来达到，其中每一个电容耦合结构包括至少一个厚度为d和介电常数为ε的绝缘体，每一个绝缘体遵守d/(f.ε)＜10-8cm.s的条件。
按照本发明的灯使高亮度、低电磁辐射、低工作电压、高度耐开关过渡过程和长使用寿命能出人意料的结合。除了用于背光器件外，这种灯尤其适用于装饰和一般照明，例如，用于广告用途的照明、作为传真机、扫描仪和复印机用的光源、作为机动车辆的制动信号灯用于报警和定向照明以及作为UV光源。作为UV光源，它尤其可以用于空气和水的杀菌/消毒、表面净化、油漆处理、胶合、(漆、粘结剂)的养护、晒太阳(尤其是平板形晒太阳器)以及光化学领域的设备、废物处理和分离加工。
下文参照附图详细地描述按照本发明的各个实施例。
图1示意地表示按照本发明的气体放电灯第一个可行的实施例；
图2是绝缘耦合结构的示意剖面图；
图3表示采用公用的驱动电路的多个灯的并联电路；
图4表示按照本发明的气体放电灯另一个可行的实施例；
图5示意地表示液晶显示器背光用的器件；
图6示意地表示液晶显示器背光用的另一种器件；
图7示意地表示液晶显示器背光用的第三种器件；而
图8表示说明氧化物陶瓷的介电常数ε随着温度变化的曲线图。
气体放电灯的各个实施例使用具有按照本发明的特性的绝缘固体材料作为电容耦合结构的绝缘原始材料。最好用氧化物陶瓷作为电容耦合结构的绝缘材料。它包括，例如，BaTiO3、约1％Nb2O5和千分之几CO3O4的混合物。该混合物相应地用粘结剂成型为颗粒状，随后烧结。这样生产的材料具有符合图8所示的随温度变化特性的介电常数ε。在灯的工作过程中，介电常数仍旧高到可继续满足d/(f.ε)＜10-8cm.s的条件。当氧化物陶瓷在灯工作过程中温度达到一个数值，在该数值下介电常数出现随着温度上升而下降的情况时，这种特性有助于稳定灯的功率。这是因为，若耦合功率要增大，则氧化物陶瓷的温度上升将导致绝缘电容急剧下降，从而通过增大电压降，减小电流，从而降低功率。换句话说，该灯有强烈的正的U-I特性。
绝缘体用的材料必须是在面向气体放电的表面有轻微的电子发射性的。为了描述绝缘体的这种发射特性，使用绝缘体面向等离子体一侧表面上离子电流和电子电流之间比率。这个比率称作离子诱导二次发射系数γ。绝缘体表面和等离子体产生光的部分之间，形成一个厚约1mm的狭窄的等离子体边界层。等离子体边界层中功率传输可以假定为高值，于是，灯的效率(流明/瓦)明显降低。高的二次发射系数γ导致这个功率分额的减小，从而使灯的效率提高。因此，可以特别适用作绝缘体的材料是那些在灯的工作过程中表现出有额外的电子淀积在面向等离子体的表面，而且导致二次发射系数γ＞0.01的材料。
图1表示一种电容气体放电灯，它包括用作气体放电容器的玻璃管1。其内表面涂有磷的玻璃管1具有3mm内径，4mm外径，40mm长度，并用50mbar(毫巴)Ar和5mg(毫克)Hg填充。两端的绝缘耦合结构用绝缘材料(满足d/(f.ε)＜10-8cm.s条件的氧化物陶瓷)制的各自的圆柱形管子2形成。绝缘的圆柱体2具有4mm的外径，0.5mm壁厚和10mm的长度。玻璃管1经具有同样内径的耦合结构2用焊接方法真空密封到圆盘形的绝缘帽3。绝缘圆柱体2配备有银涂料层，后者预先经过焙烧，因而能够电接触4。灯通过接点4连接到外部电源。在这个实施例中，外部电源是灯的驱动电路5，它在40kHz下提供30mA电流和约为350V平均电压。在稳态下，灯提供约600流明的光流。驱动器5还包括灯的点火部分，它能够短时间地提供电压1500V。点火后形成稳定的气体放电。电子到达绝缘材料的表面，并粘附于其上，因而增大离子诱导二次发射系数γ。气体放电灯的效率因而提高。短的时间周期之后，绝缘体达到这样高的温度，使得介电常数ε处于图8所示曲线的负斜率的范围内。在耦合功率方面，可以利用这个特性来稳定灯。
图2是按照本发明的耦合结构的示意剖面图。这个剖面图取自绝缘管2的区域。填充气体填充的内部空间用第一绝缘层6包围，后者与BaTiO3的第二绝缘层7相邻。在该绝缘层上设有用作电触点的金属化层8。绝缘层6的厚度可以非常小(涂层)，因为它可以淀积在作为衬底的层7上。
图3表示4盏灯，各设有图1所示的放电容器1和耦合结构2，这些灯用一个公用的驱动电路5并联工作。因为每一盏灯由于介质的材料特性都设有稳定反馈，起自镇流作用，所以可以使用一个公用的驱动电路5工作。不需要为每一盏灯设置单独的带有点火电路和镇流器的镇流装置。
图4表示一盏具有图1的灯规格并弯曲成螺旋线圈形的灯。各个耦合结构2设置在螺旋线圈9的两端，所述结构连接到驱动电路5。结果成为一盏亮度远远超过已知的节能灯的装饰灯。显然，图1的灯做成许多其他形状也是可行的。其他用途，诸如亮度比已知的荧光灯高得多的小型装饰灯(例如，紧凑的柜橱照明灯)也是可行的。为此目的，放电管可以弯曲成要求的形状，而不改变灯的特性。适当选择放电容器的填充气体和/或磷层还能产生要求波长范围的辐射。具有图1尺寸的气体放电灯可以填充，例如，25mbar的纯氖气。这样的灯还可以用作旅游车后窗后面的红色刹车灯。在汽车领域，按照本发明的灯还可以用于其他目的(例如，也可以用作闪光灯、内部照明或仪表照明等)。这种灯其他引人入胜的用途包括报警灯和转向灯，因为这样的用途不仅要求功率消耗尽可能低，而且还要有给定的形状和颜色。
不论灯的形状如何，按照本发明的气体放电灯都特别地适合作为UV辐射源和用于UV辐射源所有已知应用领域。灯的放电容器1用适当的填充气体(例如，惰性气体和汞)填充，并用UV透明材料以已知方式(例如，玻璃管)组成。玻璃管也可以在内侧或外侧设置适当的发光材料，所述发光材料产生要求的UV光谱。按照本发明的带有电容耦合结构的气体放电灯的上述优点使单位灯长UV光输出特别高、结构特别紧凑、电磁辐射低、高度耐开关过渡过程、效率高、工作电压低、与已知低压气体放电UV辐射源相比使用寿命长的UV光源的实现成为可能。因此，这样结构的灯与涉及UV辐射源应用的装置中的已知器件相比，提供了明显的优点。它特别适用于空气和水的杀菌/消毒、表面净化、油漆处理、胶合、(漆、粘结剂)的养护、晒太阳(实现特别紧凑/扁平晒太阳器)和光化学领域的设备、废物处理和分离过程。
图5是液晶显示器的背光器件的示意图。用参照图1描述的灯10作为侧向辐照灯光，照进15”LCD(液晶显示器)背光的光导体13。该设备包括连接到低压气体放电灯10的驱动电路12。灯10设有反光镜11，它把光射入光导体13，从此光通过背面、结构反射板，在向前方向经过散射体14和反光偏振滤光镜15射向液晶显示器(LCD面板)。为了清楚起见，略去了液晶显示器。例如，可以使用已知结构的LCD。由于单位长度流明量较大，例如与冷阴极灯相比，在LCD显示屏上可以获得大一倍的光量，而在电磁干扰方面不必采取额外措施，因为工作频率仍旧相同。
图6表示类似的液晶显示器的背光用的器件。参照图1描述的两盏灯10用作侧向辐照光，照入15”LCD背光的光导体16。灯10的光用反光镜11从两侧耦合进入光导体16，并在向前的方向上通过散射体14和反光偏振滤光镜15向LCD面板耦合出去。因为灯单位长度流明量较大，所以例如与冷阴极灯相比，在LCD显示屏上可以获得两倍的光量，而在电磁干扰方面不必采取额外措施，因为工作频率相同。若有必要，一盏电容灯10可以代替两盏冷阴极灯(在光导体16的右侧和左侧)，在LCD显示屏上产生同样的亮度值。至少使用两盏电容灯10时，因为它们的自镇流，它们可以用单一个电子驱动电路12工作。除了每两盏灯的节约外，在驱动器12的成本方面也有节约，而且由于使用的灯数较少，防止出现故障的程度较高。
在图7所示的液晶显示器的背光器件中，使用参照图1描述的多盏灯来把光从后面投射入18”LCD背光的光导体。灯10安排入反光镜11内。各盏灯的光用滤光镜17和散射体14均匀化，随后在向外耦合到LCD面板(未示出)之前穿过反光偏振滤光镜15。滤光镜17防止灯发出的光直接入射在散射体14上。由于单位灯长度的流明量较大，例如与冷阴极灯相比，在LCD显示屏上可以获得大一倍的光量，而在电磁干扰方面不必采取额外措施，因为工作频率相同。若有必要，一盏电容灯10可以代替两盏冷阴极灯，在LCD显示屏上产生同样的亮度值。因为它们的自镇流，所有的电容灯10可用一个电子驱动电路工作。
图8表示说明BaTiO3的，约含1％Nb2O5和千分之几的CO3O4的氧化物陶瓷的介电常数ε随着温度变化的曲线图。在灯支架和陶瓷之间形成适当的热耦合时，在灯稳定工作期间可以实现130℃以上的陶瓷温度。在这个温度下，介电常数ε波动在约5000的非常大的值左右。当绝缘体的温度由于耦合功率而进一步上升时，绝缘材料的明显的负温系数使介电常数急剧下降。结果，耦合结构的绝缘电容减小，使得在绝缘体两端的电压降较大，而电流较小。于是可以把较小的功率耦合入放电容器，导致绝缘体温度下降。这个负反馈导致稳定性的提高，并把灯镇流在稳定的工作方式下。

Claims (13)

1．一种低压气体放电灯，它包括放电容器(1)和至少两个空间上隔开的电容耦合结构(2)，并工作在工作频率f上，其特征在于：
每一个电容耦合结构(2)由至少一个具有厚度d和介电常数ε的绝缘体形成，每一个绝缘体遵守d/(f.ε)＜10-8cm.s的条件。
2．权利要求1的低压气体放电灯，其特征在于：至少一个绝缘体遵守d/(f.ε)＞10-9cm.s的条件。
3．权利要求1的低压气体放电灯，其特征在于：所述工作频率f是在150Hz至1MHz范围内。
4．权利要求1的低压气体放电灯，其特征在于：所述绝缘材料的介电常数具有明显的负温度依赖关系。
5．权利要求1的低压气体放电灯，其特征在于：所述放电容器(1)基本上呈空心的圆柱形，具有小于10mm的内径di。
6．权利要求5的低压气体放电灯，其特征在于：所述电容耦合结构(2)基本上呈空心圆柱形，具有内径di，并以防压缩的方式连接到放电容器(1)。
7．权利要求1的低压气体放电灯，其特征在于：所述放电容器(1)用至少含有一种惰性气体的填充气体填充。
8．权利要求7的低压气体放电灯，其特征在于：所述填充气体含汞。
9．权利要求1的低压气体放电灯，其特征在于：所述工作频率f小于150kHz。
10．权利要求1的低压气体放电灯，其特征在于：气体放电的放电电流大于10mA。
11．权利要求1的低压气体放电灯，其特征在于：所述绝缘体包括顺电的、铁电的、或反铁电的固体材料。
12．权利要求1的低压气体放电灯，其特征在于：所述放电容器(1)包括一种UV透明材料，并用发射UV的填充气体填充。
13．一种液晶显示器背光用的器件，它包括作为光源(10)的至少一个低压气体放电灯，该灯带有放电容器(1)和至少两个电容耦合结构(2)，工作在工作频率f上；和产生背光用的光学系统(13,14,15)，其特征在于：每一个电容耦合结构(2)包括至少一个具有厚度d和介电常数ε的绝缘层，每一个绝缘层满足d/(f.ε)＜10-8cm.s的条件。
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