DE10014407A1 - Niederdruckgasentladungslampe - Google Patents
NiederdruckgasentladungslampeInfo
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- 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
Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine Niederdruckgasentladungslampe mit wenigstens einem Entladungsgefäß und wenigstens zwei kapazitiven Einkoppelstrukturen, die bei einer Betriebsfrequenz f betrieben wird. Um bei der Niederdruckgasentladungslampe mit kapazitiver Einkoppelung eine bessere Effizienz bei einer kleinen Baugröße, einen hohen Lichtstrom, eine niedrige Betriebsspannung, geringe elektromagnetische Abstrahlung, eine hohe Schaltfestigkeit und eine lange Lebensdauer zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass jede kapazitive Einkoppelstruktur aus wenigstens einem Dielektrikum mit einer Dicke d und einer Dielektrizitätszahl epsilon gebildet wird, wobei für jedes Dielektrikum die Bedingung d/(f È epsilon) < 10·-8· cm È s gilt. Damit kann deutlich mehr Licht pro Lampenlänge (lumen/cm) erzeugt werden.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Niederdruckgasentladungslampe mit wenigstens einem
Entladungsgefäß und wenigstens zwei kapazitiven Einkoppelstrukturen, die bei einer Be
triebsfrequenz f betrieben wird. Weiterhin betrifft die Erfindung noch eine Vorrichtung
zur Hintergrundbeleuchtung einer Flüssigkristall-Anzeige mit wenigstens einer solchen
Niederdruckgasentladungslampe als Lichtquelle und einer Optik zur Erzeugung einer
Hintergrundbeleuchtung.
Bekannte Gasentladungslampen bestehen aus einem Gefäß mit einem Füllgas, in dem die
Gasentladung abläuft, und meist zwei metallischen Elektroden, die in das Entladungsgefäß
eingeschmolzen sind. Eine Elektrode liefert die Elektronen für die Entladung, die über die
zweite Elektrode wieder dem äußeren Stromkreis zugeführt werden. Die Abgabe der Elek
tronen erfolgt meist mittels Glühemission (heiße Elektroden), kann jedoch auch durch
Emission in einem starken elektrischen Feld oder direkt durch Ionenbeschuß (ionenindu
zierte Sekundäremission) hervorgerufen werden (kalte Elektroden). Bei einer induktiven
Betriebsart werden die Ladungsträger direkt im Gasvolumen über ein elektromagnetisches
Wechselfeld hoher Frequenz (typischerweise größer als 1 MHz bei Niederdruckgasent
ladungslampen) erzeugt. Die Elektronen bewegen sich auf geschlossenen Bahnen innerhalb
des Entladungsgefäßes, herkömmliche Elektroden fehlen in dieser Betriebsart. Bei einer
kapazitiven Betriebsart werden kapazitive Einkoppelstrukturen als Elektroden verwendet.
Diese werden meist aus Isolatoren (Dielektrika) gebildet, die auf einer Seite Kontakt zur
Gasentladung haben und auf der anderen Seite elektrisch leitfähig (beispielsweise mittels
einem metallischen Kontakt) mit einem äußeren Stromkreis verbunden sind. Bei einer an
die kapazitiven Elektroden angelegten Wechselspannung bildet sich im Entladungsgefäß
ein elektrisches Wechselfeld aus, auf dessen linearen elektrischen Feldern sich die
Ladungsträger bewegen. Im Hochfrequenzbereich (f < 10 MHz) ähneln die kapazitiven
Lampen den induktiven Lampen, da die Ladungsträger hier ebenfalls im gesamten Gas
volumen erzeugt werden. Die Oberflächeneigenschaften der dielektrischen Elektrode sind
hier von geringer Bedeutung (sogenannter α-Entladungsmodus). Bei niedrigeren Frequen
zen ändern die kapazitiven Lampen ihre Betriebsart und die für die Entladung wichtigen
Elektronen müssen ursprünglich an der Oberfläche der dielektrischen Elektrode emittiert
und in einem sogenannten Kathodenfallgebiet vervielfacht werden, um die Entladung
aufrechtzuerhalten. Daher ist dann das Emissionsverhalten des dielektrischen Materials
bestimmend für die Funktion der Lampe (sogenannter γ-Entladungsmodus). Die im
Kathodenfallgebiet deponierte Leistung steht der Lichterzeugung nicht zur Verfügung und
verringert folglich die Effizienz der Lampe (Lumen pro Watt).
In verschiedenen Vorrichtungen ist es vorteilhaft, Fluoreszenzlampen mit geringem Durch
messer (kleiner als 5 mm) und einer möglichst hohen Lichtmenge pro Lampenlänge
(Lumen pro cm) einzusetzen. Zudem erfordern die meisten Anwendungsgebiete eine hohe
Schaltfestigkeit der Lampe. Dies gilt speziell für die Verwendung von Gasentladungslam
pen in einer Hintergrundbeleuchtung für eine Flüssigkristall-Anzeige (LCD Backlight).
Heißkathodenlampen erfordern einen minimalen Durchmesser des Entladungsgefäßes von
ca. 10 mm, um Wendel und Anodenschild unterbringen zu können. Verzichtet man auf
den Anodenschild, kann man zu Innendurchmessern von ca. 6 mm gelangen, wodurch
sich jedoch aufgrund des verstärkten Abschwärzens stark die Lebensdauer reduziert. Außer
dem haben Heißkathodenlampen ein für viele Anwendungsgebiete unakzeptables Schalt
verhalten und lassen sich nur schwer dimmen.
Fluoreszenzgasentladungslampen mit geringem Lampendurchmesser (maximal 5 mm) sind
bisher nur in Form von Kaltkathodenlampen oder in Form von kapazitiven Gasentla
dungslampen mit einer Betriebsfrequenz im Hochfrequenzbereich (größer als 1 MHz)
möglich. Kaltkathodenlampen haben den Vorteil, bei niedrigen Frequenzen (30-50 kHz)
betrieben werden zu können. Daher weisen sie eine geringe elektromagnetische Abstrah
lung auf. Bei Kaltkathodenlampen ist jedoch der Entladungsstrom stark begrenzt (auf
einen Höchstwert von ca. 10 mA). Die Stromlimitierung hat ihren Grund in der stark
gesteigerten Sputter-Rate von Elektrodenmaterial in Abhängigkeit des Entladungsstromes.
Außerdem muss durch die Stromlimitierung verhindert werden, dass sich die Elektrode
lokal so stark erhitzt, dass es zur thermischen Emission mit einer ebenfalls stark überhöhten
Sputter-Rate kommt. Das herausgelöste Elektrodenmaterial setzt sich im Entladungsgefäß
ab und führt damit zu einer schnellen Abschwärzung der Lampe.
Bei einer kapazitiven Entladungslampe mit einer Betriebsfrequenz f < 1 MHz führt die
hohe Betriebsfrequenz in Verbindung mit einer hohen Stromdichte in der Lampe (hoher
Strom, geringer Lampendurchmesser) zu einer starken elektromagnetischen Abstrahlung.
Dies erfordert umfangreiche Maßnahmen im Gesamtsystem von Lampe, Reflektor,
Treiberelektronik, usw., um diese elektromagnetische Abstrahlung zu begrenzen. Da die
Leistung kapazitiv über das Entladungsgefäß eingekoppelt wird, ist über die Kapazität der
Einkoppelfläche die Betriebsfrequenz nach unten beschränkt (auf etwa 1 MHz).
Aus der US 2,624,858 ist eine kapazitive Gasentladungslampe bekannt, die eine dielek
trische Schicht zwischen externen Elektroden und der Gasentladung besitzt. Die externen
Elektroden sind mit einer Wechselstromquelle verbunden, die eine Spannung von 500 V
bis 10000 V bei einer Frequenz von 120 Hz abgibt. Die dielektrische Schicht weist eine
hohe Dielektrizitätszahl ε größer als 100, vorzugsweise größer als 2000 auf. Die kapazitive
Einkoppelung der externen Wechselspannung mittels der dielektrischen Schicht führt zu
einer Ionisierung und Anregung des Gases in der Lampe, so dass die leuchtende Gasent
ladung entsteht. Bei dieser Kombination von Dielektrizitätszahl und Betriebsfrequenz ist
ein hoher Lichtstrom der Lampe nur mit einer sehr großen Baugröße der Einkoppelstruk
turen und damit der gesamten Lampe zu erreichen. Außerdem erfordert ein hoher Licht
strom bei einer solchen Lampe eine außerordentlich hohe Betriebsspannung und damit
eine teure Treiberschaltung. Zusätzlich ist in diesem Frequenzbereich der Sekundäremis
sionskoeffizient γ merklich schlechter, so dass die Gasentladung weniger effizient abläuft
und eine kleinere Lichtmenge erzeugt wird.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Niederdruckgasentladungslampe zu schaffen, die bei
einer kapazitiven Einkoppelung eine bessere Effizienz bei einer kleinen Baugröße, einen
hohen Lichtstrom, eine niedrige Betriebsspannung, geringe elektromagnetische Abstrah
lung, eine hohe Schaltfestigkeit und eine lange Lebensdauer aufweist.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass jede kapazitive Einkoppelstruktur aus wenigstens
einem Dielektrikum mit einer Dicke d und einer Dielektrizitätszahl ε gebildet wird, wobei
für jedes Dielektrikum die Bedingung d/(f.ε) < 10-8 cm.s gilt. Die Gasentladungslampe
besteht in bekannter Weise aus einem transparenten Entladungsgefäß mit einem üblichen
Füllgas (zum Beispiel für Niederdruck-Gasentladungslampen ein Edelgas oder ein Edelgas
mit Quecksilber) und wird an einer Wechselstromquelle mit der Betriebsfrequenz f be
trieben. Dabei kann das Material für das Entladungsgefäß und das Füllgas entsprechend
des gewünschten Spektrums der erzeugten Strahlung gewählt werden. Insbesondere kann
auch eine Beschichtung des Entladungsgefäßes vorgenommen werden, so dass die erfin
dungsgemäße Lampe Strahlung eines bestimmten Frequenzbereichs emittiert (z. B. im UV-
Bereich). Am Entladungsgefäß sind mindestens zwei räumlich voneinander getrennte
kapazitive Einkoppelstrukturen angeordnet. Das Dielektrikum der kapazitiven Einkoppel
struktur kann aus einer oder mehreren Schichten bestehen. Jede Schicht muss hierbei
separat die Bedingung d/(ε.f) < 10-8 cm.s erfüllen. Selbstverständlich ist eine Vielzahl von
weiteren Einkoppelstrukturen denkbar, ohne den Schutzbereich des Anspruchs zu ver
lassen, die durch geeignete Wahl einer Kombination aus Materialeigenschaft und Geo
metrie des Dielektrikums die erfindungsgemäße Eigenschaft besitzen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen und dem
Ausführungsbeispiel angegeben. Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung gilt
für wenigstens ein Dielektrikum die Bedingung d/(f.ε) < 10-9 cm.s, wodurch die Lampe
eine positive Strom-Spannungscharakteristik erhält. Gasentladungslampen müssen in ge
eigneter Weise mit einem Ballast versehen werden, um eine stationäre Gasentladung zu
gewährleisten. Dieser Ballast wird meist in ein elektrisches Vorschaltgerät integriert, in dem
auch eine Schaltung die zum Starten der Lampe erforderliche Zündspannung erzeugt.
Vorzugweise wählt man bei der erfindungsgemäßen Lampe das Material der kapazitiven
Einkoppelstrukturen, deren Geometrie und die Betriebsfrequenz so, dass die mittlere
Spannung über den Dielektrika ungefähr der Spannung über dem Plasma im Entladungs
gefäß der Lampe entspricht (bei d/(ε.f) ≈ 5.10-9 cm.s), so können die kapazitiven Einkop
pelstrukturen zur Ballastierung der Lampe genutzt werden. Damit kann in der Lampentrei
berschaltung auf ein ballastierendes Element verzichtet werden, was erhebliche Kosten ein
sparen kann. Außerdem wird es durch die Eigenballastierung der Lampe möglich, mehrere
solcher Lampen parallel auf einem einzigen Treiber zu betreiben, was ebenfalls zu erheb
lichen Einsparungen in den Kosten des Treibers führen kann.
Insbesondere überwindet eine Lampe gemäß der Erfindung bei Betrieb im Frequenzbe
reich von 150 Hz bis 1 MHz die Nachteile bekannter Lampen.
Bei der Wahl des Dielektrikum wird vorzugsweise ein Material mit einer im wesentlichen
negativem Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätszahl genommen. Es sind einige
dielektrische Materialien bekannt, bei denen der Wert der Dielektrizitätszahl bei steigender
Temperatur insbesondere oberhalb einer bestimmten Temperatur sinkt. Dabei kann insbe
sondere im Bereich niedriger Temperaturen die Dielektrizitätszahl auch kurzfristig an
steigen. Bei Betrieb der Lampe erwärmt sich das Dielektrikum aufgrund der Leistungsein
koppelung, wodurch sich die dielektrische Kapazität erniedrigt und die Höhe der einkop
pelbaren Leistung begrenzt wird. Auf diese Weise wird die Leistung der Lampe stabilisiert
und bereits mit der vorhandenen Einkoppelstruktur eine Ballastierung der Lampe erreicht.
Eine besonders geeignete Ausführungsform der Erfindung besitzt ein im wesentlichen
hohlzylindrisch geformtes Entladungsgefäß mit einem Innendurchmesser di, wobei der
Innendurchmesser di weniger als 10 mm betragen kann. Hohlzylindrische Entladungsge
fäße eignen sich besonders, da die Fertigung und Verarbeitung durch andere Gasentla
dungslampen gut bekannt ist. Kleine Innendurchmesser machen die Lampen leichter
handhabbar und schaffen viele Anwendungsmöglichkeiten für die Lampe. Das hohlzylin
drische Entladungsgefäß kann in Abhängigkeit von der Anwendung beispielsweise die
Form einer Spirale, in Form von Buchstaben oder Zahlen o. ä. gestaltet werden. Vorteilhaft
weitergebildet wird die Lampe durch ebenfalls im wesentlichen hohlzylindrisch geformte
kapazitive Einkoppelstrukturen, die den Innendurchmesser di besitzen und druckfest mit
dem Entladungsgefäß verbunden sind. Durch Verwendung der gleichen Abmessungen
kann das Dielektrikum besonders einfach beispielsweise mittels einer Glaslottechnik mit
dem Entladungsgefäß verbunden werden.
Für das Füllgas im Entladungsgefäß wird vorzugsweise eine Mischung gewählt, die wenig
stens ein Edelgas oder ein Edelgas und Quecksilber enthält. Für die erfindungsgemäße
Lampe können eine Vielzahl von Gasmischungen als Füllgas verwendet werden. Insbeson
dere können die in bekannten Niederdruckgasentladungslampen verwendeten Füllgase
eingesetzt werden. Daraus ergibt sich der Vorteil der bekannten Handhabung. Die Wahl
des Füllgases kann auch von der Anwendung der Lampe bestimmt werden, um so eine
gewünschte Farbe (Wellenlänge der emittierten Strahlung) oder Form zu unterstützen.
Bei einer Weiterbildung der Lampe ist der Entladungsstrom der Gasentladung größer als
10 mA. Die Verwendung eines großen Entladungsstromes ermöglicht die Erzeugung
höherer Leuchtdichten als bei bekannten Lampen. Die Höhe der Leuchtdichte wird vom
verwendeten Füllgas bestimmt. Über die erfindungsgemäßen Dielektrika können so große
Leistungen eingekoppelt werden, dass das Plasma im Entladungsgefäß die höchstmöglichen
Leuchtdichten erreicht. Beispielsweise kann bei einem Innendurchmesser von di = 3 mm eine
Verdoppelung der Leuchtdichte im Vergleich zu Kaltkathodenlampen auf etwa
60000 cd/m2 erzielt werden.
Das Dielektrikum besteht vorzugsweise aus einem paraelektrischen, ferroelektrischen oder
antiferroelektrischen Feststoff. Bevorzugt eignen sich Oxidkeramiken (z. B. BaTiO3,
SrTiO3, PbTiO3, PbZrO3), die auch aus einer Komposition bestehen können.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besteht das Entladungsgefäß aus einem
UV-transparenten Material und ist mit einem UV-emittierenden Füllgas gefüllt. Als UV-
transparentes Material kann beispielsweise ein Glasrohr für das Entladungsgefäß verwendet
werden. Es kann auch eine Beschichtung des Entladungsgefäßes mit einem Leuchtstoff
vorgesehen werden, die die vom Füllgas emittierte Strahlung in ein gewünschtes Spektrum
(insbesondere im UV-Bereich) umwandelt. Der Leuchtstoff kann zum Beispiel eine Strah
lung emittieren, die dem Spektrum der Sonnenstrahlung entspricht, so dass die Lampe für
Anwendungen zur Körperbräunung geeignet ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch eine Vorrichtung zur Hintergrundbeleuch
tung einer Flüssigkristall-Anzeige gelöst, bei der jede kapazitive Einkoppelstruktur aus
wenigstens einem Dielektrikum mit einer Dicke d und einer Dielektrizitätszahl ε gebildet
wird, wobei für jedes Dielektrikum die Bedingung d/(f.ε) < 10-8 cm.s gilt.
Die erfindungsgemäße Lampe gestattet die unerwartete Kombination von hoher Leucht
dichte, geringer elektromagnetischer Abstrahlung, niedriger Betriebsspannung, hoher
Schaltfestigkeit und langer Lebensdauer. Die Lampe ist neben der Vorrichtung zur Hinter
grundbeleuchtung noch besonders geeignet für Dekor- und Allgemeinbeleuchtung, für
Reklamebeleuchtung, als Lichtquelle für Faxgeräte, Scanner und Kopierer, als Bremslicht
für Kraftfahrzeuge, für Notsignal- und Orientierungsbeleuchtung und als UV-Lichtquelle.
Als UV-Lichtquelle kann sie insbesondere zur Entkeimung/Desinfektion von Luft und
Wasser, zur Oberflächenreinigung, zur Lackbehandlung, zum Kleben, zum Härten (Lack,
Klebstoffe), zur Körperbräunung (für besonders flache Bräunungsgeräte) und für Vorrich
tungen im Bereich Photochemie, Schadstoffabbau und Abscheidungsprozesse verwendet
werden.
Im folgenden sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher
erläutert werden. Dabei zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten möglichen Ausführungsform
einer Gasentladungslampe gemäß der Erfindung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer dielektrischen Einkoppelstruktur im
Querschnitt,
Fig. 3 eine parallele Anordnung mehrerer Lampen an einer gemeinsamen Treiber
schaltung,
Fig. 4 eine weitere denkbare Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gasent
ladungslampe,
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Hintergrundbeleuch
tung einer Flüssigkristall-Anzeige,
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer weiteren Vorrichtung zur Hinter
grundbeleuchtung einer Flüssigkristall-Anzeige,
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer dritten Vorrichtung zur Hintergrund
beleuchtung einer Flüssigkristall-Anzeige und
Fig. 8 ein Diagramm mit dem Verlauf der Dielektrizitätszahl ε einer Oxidkeramik
in Abhängigkeit von der Temperatur.
Die in den Ausführungsbeispielen angegebenen Gasentladungslampen verwenden als
dielektrisches Basismaterial für die kapazitive Einkoppelstruktur einen dielektrischen Fest
stoff, der die erfindungsgemäßen Eigenschaften besitzt. Vorzugsweise wird als Material für
das Dielektrikum der kapazitiven Einkoppelstrukturen eine Oxidkeramik verwendet. Diese
besteht beispielsweise aus einer Komposition von BaTiO3, etwa 1% Nb2O5 und wenigen
Promille Co3O4. Das Komposit wird entsprechend granuliert, mit einem Binder in eine
Form gebracht und anschließend gesintert. Das so entstandene Material weist eine
Dielektrizitätszahl ε auf, die einen temperaturabhängigen Verlauf entsprechend dem Dia
gramm in der Fig. 8 besitzt. Im Betrieb der Lampe bleibt die Dielektrizitätszahl stets so
hoch, dass die Bedingung d/(ε.f) < 10-8 cm.s gewährleistet bleibt. Erreicht die Temperatur
der Oxidkeramik im Betrieb der Lampe einen Wert, bei dem der Abfall der Dielektrizitäts
zahl mit steigender Temperatur eintritt, so trägt dieses Verhalten zur Leistungsstabili
sierung der Lampe bei. Würde nämlich die eingekoppelte Leistung steigen, so käme es
durch eine Temperaturerhöhung der Oxidkeramik zu einer starken Reduktion der
dielektrischen Kapazität und damit über einen erhöhten Spannungsabfall zu einer Reduk
tion des Stromes und damit der Leistung. Oder anders ausgedrückt: die Lampe besitzt eine
starke positive U-I-Charakteristik.
Das Material für das Dielektrikum muss an der Oberfläche, die der Gasentladung zuge
wandt ist, leicht Elektronen abgeben. Zur Charakterisierung der Emissionseigenschaften
des Dielektrikums dient das Verhältnis zwischen Ionenstrom und Elektronenstrom an der
Oberfläche der plasmazugewandten Seite des Dielektrikums. Dieses Verhältnis wird als
ioneninduzierter Sekundäremissionskoeffizient γ bezeichnet. Zwischen dielektrischer Ober
fläche und dem lichterzeugenden Teil des Plasma bildet sich eine schmale, etwa 1 mm
dicke Plasmagrenzschicht aus. Die in der Plasmagrenzschicht abgegebene Leistung kann
hohe Werte annehmen und reduziert signifikant die Effizienz (Lumen pro Watt) der
Lampe. Ein hoher Sekundäremissionskoeffizient γ führt dazu, diesen Leistungsanteil zu
verringern und die Effizienz der Lampe zu steigern. Daher eignen sich solche Materialien
für das Dielektrikum in besonderer Weise, bei denen sich während des Betriebs der Lampe
zusätzliche Elektronen an der plasmazugewandten Oberfläche anlagern, und die zu einem
Sekundäremissionskoeffizienten γ < 0,01 führen.
In Fig. 1 ist eine kapazitive Gasentladungslampe mit einem Glasrohr 1 dargestellt, das als
Gasentladungsgefäß dient. Das von innen phosphorbeschichtete Glasrohr 1 besitzt einen
Innendurchmesser von 3 mm, einen Außendurchmesser von 4 mm, eine Länge von 40 cm
und ist mit 50 mbar Ar und 5 mg Hg gefüllt. Eine dielektrische Einkoppelstruktur an
beiden Enden wird jeweils von einem zylinderförmigen Rohr 2 aus dem dielektrischen
Material (Oxidkeramik, welche die Eigenschaft d/(ε.f) < 10-8 cm.s erfüllt) gebildet. Der
dielektrische Zylinder 2 hat einen Außendurchmesser von 4 mm bei einer Wanddicke von
0,5 mm und einer Länge von 10 mm. Das Glasrohr 1 wird durch die Einkoppelstruktur 2,
die den gleichen Innendurchmesser besitzt, mittels eines Lötverfahrens vakuumdicht mit
einer scheibenförmigen, dielektrischen Kappe 3 verschlossen. Auf dem dielektrischen
Zylinder 2 ist eine Schicht Silberpaste aufgebracht, die zuvor ausgebrannt wurde, so dass
eine elektrische Kontaktierung 4 möglich ist. Mittels dieser Kontaktierung 4 wird die
Lampe mit einem externen Stromnetz verbunden. Als externes Stromnetz dient in diesem
Ausführungsbeispiel eine Lampentreiberschaltung 5, die bei 40 kHz und einer mittleren
Spannung von etwa 350 V einen Strom von 30 mA liefert. Die Lampe liefert im statio
nären Betrieb einen Lichtstrom von ungefähr 600 Lumen. Der Treiber 5 enthält ferner
einen Teil zum Zünden der Lampe, der kurzfristig Spannungen von 1500 V zu liefern in
der Lage ist. Nach der Zündung bildet sich eine stationäre Gasentladung aus. Elektronen
gelangen auf die Oberfläche des Dielektrikums und bleiben dort haften, was zu einer
Erhöhung des ioneninduzierten Sekundäremissionskoeffizienten γ führt. Dadurch wird die
Effizienz der Gasentladungslampe erhöht. Nach kurzer Zeit hat das Dielektrikum solch
hohe Temperaturen erreicht, dass sich die Dielektrizitätszahl ε im Bereich der negativen
Steigung des in der Fig. 8 dargestellten Diagramms befindet. Diese Eigenschaft kann zur
Stabilisierung der Lampe in Bezug auf die eingekoppelte Leistung genutzt werden.
Die Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Einkoppel
struktur im Querschnitt. Der Querschnitt wurde im Bereich des dielektrischen Rohres 2
gelegt. Der mit einem Füllgas gefüllte Innenraum wird von einer ersten dielektrischen
Schicht 6 umgeben, an die sich eine zweite dielektrische Schicht 7 aus BaTiO3 anschließt.
Auf den dielektrischen Schichten ist eine Metallisierung 8 aufgebracht, die zur elektrischen
Kontaktierung dient. Die dielektrische Schicht 6 kann sehr dünn ausgeführt sein
("Coating"), da sie auf die als eine Art Substrat dienende Schicht 7 aufgebracht werden
kann.
In Fig. 3 werden vier Lampen, die jeweils die in Fig. 1 gezeigten Entladungsgefäße 1
und Einkoppelstrukturen 2 haben, gezeigt, die parallel an einer gemeinsamen Treiber
schaltung 5 betrieben werden. Da jede einzelne Lampe durch die Materialeigenschaften des
Dielektrikums eine stabilisierende Rückkopplung besitzt, die wie eine Eigenballastierung
wirkt, kann eine gemeinsame Treiberschaltung 5 verwendet werden. Es sind keine
separaten Vorschaltgeräte mit Zündschaltungen und Ballastierungen für jede Lampe
notwendig.
In der Fig. 4 ist eine Lampe dargestellt, die die Daten der Lampe aus Fig. 1 besitzt und
zu einer Wendel gebogen ist. An den Enden der Wendel 9 sind jeweils Einkoppelstruk
turen 2 angebracht, die mit einer Treiberschaltung 5 verbunden sind. Damit entsteht eine
Dekorlampe mit Leuchtdichten weit über denen bekannter Energiesparlampen. Natürlich
sind viele andere Formen denkbar, in die die in der Fig. 1 beschriebene Lampe gebracht
werden kann. Es sind auch weitere Verwendungen als miniaturisierte Dekorlampe mit
einer wesentlich höheren Leuchtdichte als bekannte Fluoreszenzlampen denkbar (z. B. für
eine kompakte Regalbeleuchtung). Hierzu kann das Entladungsrohr nach Belieben ge
bogen werden, ohne die Lampeneigenschaften zu ändern. Durch Wahl eines geeigneten
Füllgases und/oder Phosphorbeschichtung des Entladungsgefäßes kann außerdem eine
Strahlung in einem gewünschten Wellenlängenbereich erzeugt werden. Die Gasentladungs
lampe mit den Abmessungen aus Fig. 1 kann beispielsweise mit 25 mbar reinem Neon
gefüllt werden. Eine solche Lampe kann als rot-leuchtendes Bremslicht hinter der Heck
scheibe eines PKW eingesetzt werden. Im Automobilbereich kann die erfindungsgemäße
Lampe zudem auch für andere Zwecke (z. B. auch als Blinkerleuchte, zur Innenraum-
sowie zur Instrumentenbeleuchtung etc.) Verwendung finden. Eine weitere vorteilhafte
Anwendung der Lampe ist der Einsatz als Notsignal- und Orientierungsbeleuchtung, da
hier neben einem möglichst niedrigen Energieverbrauch auch bestimmte Formen und
Farben gefordert werden.
Unabhängig von der Form der Lampe eignet sich die Gasentladungslampe gemäß der Er
findung insbesondere gut als UV-Strahlungsquelle und alle bekannten Anwendungsgebiete
von UV-Strahlungsquellen. Das Entladungsgefäß 1 der Lampe wird mit einem geeigneten
Füllgas (z. B. Edelgas und Quecksilber) gefüllt und besteht in bekannter Weise aus einem
UV-durchlässigen Material (z. B. ein Glasrohr). Das Glasrohr kann hierbei innen oder
außen noch mit einem geeigneten Leuchtstoff beschichtet sein, welcher ein gewünschtes
UV-Spektrum erzeugt. Die beschriebenen Vorteile der Gasentladungslampe mit einer
kapazitiven Einkoppelung gemäß der Erfindung führen zu der Möglichkeit, UV-Licht
quellen mit einer besonders hohen UV-Lichtmenge pro Lampenlänge bei einer besonders
kompakten Bauweise, einer geringen elektromagnetischen Abstrahlung, einer hohen
Schaltfestigkeit, einer hohen Effizienz, einer niedrigen Betriebsspannung und einer langen
Lebensdauer im Vergleich zu bekannten Niederdruck-Gasentladungs-UV-Strahlungs
quellen realisieren zu können. Daher erzielt eine derart ausgestaltete Lampe in Vorrich
tungen für Anwendungen mit UV-Strahlungsquellen deutliche Vorteile gegenüber
bekannten Vorrichtungen. Sie ist insbesondere geeignet für Vorrichtungen zur Ent
keimung/Desinfektion von Luft und Wasser, zur Oberflächenreinigung, zur Lackbe
handlung, zum Kleben, zum Härten (Lack, Klebstoffe), zur Körperbräunung (Realisierung
besonders kompakter/flacher Bräunungsgeräte) und für Vorrichtungen im Bereich Photo
chemie, Schadstoffabbau und Abscheidungsprozesse.
Die Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Hintergrundbe
leuchtung einer Flüssigkristall-Anzeige. Dabei wird eine in der Fig. 1 beschriebene
Lampe 10 zur seitlichen Lichteinstrahlung in einen Lichtleiter 13 einer 15"LCD-Hinter
grundbeleuchtung genutzt. Die Vorrichtung besteht aus einer Treiberschaltung 12, die mit
einer Niederdruckgasentladungslampe 10 verbunden ist. Die Lampe 10 ist mit einem
Reflektor 11 versehen, der das Licht in den Lichtleiter 13 einstrahlt, von wo aus es mittels
einer rückwärtigen, strukturierten Reflektorplatte zur Flüssigkristall-Anzeige (LCD Panel)
nach vorne hin über einen Diffusor 14 und ein reflektives Polarisationsfilter 15 ausgekop
pelt wird. Die Flüssigkristall-Anzeige ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht darge
stellt. Es können LCD bekannter Bauweise verwendet werden. Durch die höhere Menge
an Lumen pro Lampenlänge ist es möglich, die doppelte Lichtmenge als beispielsweise bei
einer Kaltkathodenlampe auf dem LCD Bildschirm zu erhalten, ohne zusätzliche
Maßnahmen bzgl. elektromagnetischer Interferenz zu treffen, da die Betriebsfrequenz
unverändert bleibt.
In der Fig. 6 ist eine ähnliche Vorrichtung zur Hintergrundbeleuchtung einer Flüssig
kristall-Anzeige dargestellt. Es werden zwei der in Fig. 1 beschriebenen Lampen 10 zur
seitlichen Lichteinstrahlung in einen Lichtleiter 16 einer 15"LCD-Hintergrundbeleuch
tung genutzt. Das Licht der Lampen 10 wird mittels der Reflektoren 11 von zwei Seiten in
den Lichtleiter 16 eingekoppelt und über einen Diffusor 14 und ein reflektives Polarisa
tionsfilter 15 nach vorn zum LCD-Panel hin ausgekoppelt. Durch die höhere Menge an
Lumen pro Lampenlänge ist es auch hier möglich, die doppelte Lichtmenge als beispiels
weise bei einer Kaltkathodenlampe auf dem LCD Bildschirm zu erhalten, ohne zusätzliche
Maßnahmen bzgl. elektromagnetischer Interferenz zu treffen, da die Betriebsfrequenz
unverändert bleibt. Wahlweise können zwei Kaltkathodenlampen (an der rechten und
linken Seite des Lichtleiters 16) durch eine einzige kapazitive Lampe 10 ersetzt werden,
welche dieselben Helligkeitswerte auf dem LCD Bildschirm liefert. Verwendet man minde
stens zwei kapazitive Lampen 10, so können diese aufgrund ihrer Selbstballastierung mit
einer einzigen elektronischen Treiberschaltung 12 betrieben werden. Neben der Einspa
rung jeder zweiten Lampe ergibt sich dabei eine Einsparung in den Kosten des Treibers 12
sowie eine erhöhte Ausfallsicherheit aufgrund der geringeren Anzahl verwendeter Lampen.
Bei der in der Fig. 7 dargestellten Vorrichtung zur Hintergrundbeleuchtung einer
Flüssigkristall-Anzeige werden mehrere in Figur beschriebene Lampen 10 zur rückwärtigen
Lichteinstrahlung in einen Lichtleiter einer 18"LCD-Hintergrundbeleuchtung genutzt.
Die Lampen 10 sind in einem Reflektor 11 angeordnet. Das Licht der Einzellampen 10
wird mittels eines optischen Filters 17 und eines Diffusors 14 homogenisiert und durch
läuft anschließend einen reflektiven Polarisationsfilter 15, bevor es zum nicht gezeigten
LCD Panel ausgekoppelt wird. Der optische Filter 17 verhindert, dass das Licht der
Lampen 10 direkt auf den Diffusor 14 trifft. Durch die höhere Menge an Lumen pro
Lampenlänge ist es auch hier möglich, die doppelte Lichtmenge als beispielsweise bei einer
Kaltkathodenlampe auf dem LCD Bildschirm zu erhalten, ohne zusätzliche Maßnahmen
bzgl. elektromagnetischer Interferenz zu treffen, da die Betriebsfrequenz unverändert
bleibt. Wahlweise können auch hier jeweils zwei Kaltkathodenlampen durch eine einzige
kapazitive Lampe 10 ersetzt werden, welche dieselben Helligkeitswerte auf dem LCD Bild
schirm liefern. Alle kapazitiven Lampen 10 können aufgrund ihrer Selbstballastierung mit
einer einzigen elektronischen Treiberschaltung 12 betrieben werden.
In Fig. 8 ist ein Diagramm dargestellt, das den Verlauf der Dielektrizitätszahl ε einer
Oxidkeramik aus BaTiO3, etwa 1% Nb2O5 und wenigen Promille Co3O4 in Abhängigkeit
von der Temperatur zeigt. Bei einer geeigneten thermischen Verbindung zwischen
Lampenhalterung und Keramik lässt sich im stationären Betrieb der Lampe eine Keramik
temperatur von über 130°C realisieren. Die Dielektrizitätszahl ε schwankt bis etwa zu
dieser Temperatur bei sehr großen Werten um etwa 5000. Wenn die Temperatur des
Dielektrikums durch die Leistungseinkoppelung weiter ansteigt, kommt es aufgrund des
im wesentlichen negativen Temperaturkoeffizienten des dielektrischen Materials zu einem
starken Abfall der Dielektrizitätszahl. Dadurch verkleinert sich die dielektrische Kapazität
der Einkoppelstruktur, so dass eine höhere Spannung über dem Dielektrikum abfällt und
ein geringerer Strom fließt. Daher kann weniger Leistung in das Entladungsgefäß einge
koppelt werden, was zu einem Absinken der Temperatur im Dielektrikum führt. Diese
negative Rückkopplung führt zu einer erhöhten Stabilisierung und Ballastierung der
Lampe im stationären Betrieb.
Claims (13)
1. Niederdruckgasentladungslampe mit einem Entladungsgefäß (1) und wenigstens zwei
räumlich voneinander getrennten kapazitiven Einkoppelstrukturen (2) betrieben bei einer
Betriebsfrequenz f,
dadurch gekennzeichnet,
dass jede kapazitive Einkoppelstruktur (2) aus wenigstens einem Dielektrikum mit einer
Dicke d und einer Dielektrizitätszahl ε gebildet wird, wobei für jedes Dielektrikum die
Bedingung d/(f.ε) < 10-8 cm.s gilt.
2. Niederdruckgasentladungslampe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass für wenigstens ein Dielektrikum die Bedingung d/(f.ε) < 10-9 cm.s gilt.
3. Niederdruckgasentladungslampe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Betriebsfrequenz f im Bereich von 150 Hz bis 1 MHz liegt.
4. Niederdruckgasentladungslampe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Dielektrizitätszahl des Dielektrikums eine im wesentlichen negative
Temperaturabhängigkeit besitzt.
5. Niederdruckgasentladungslampe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Entladungsgefäß (1) im wesentlichen hohlzylindrisch mit einem
Innendurchmesser di geformt ist und der Innendurchmesser di kleiner als 10 mm ist.
6. Niederdruckgasentladungslampe nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die kapazitive Einkoppelstruktur (2) im wesentlichen hohlzylindrisch geformt ist, den
Innendurchmesser di besitzt und druckfest mit dem Entladungsgefäß (1) verbunden ist.
7. Niederdruckgasentladungslampe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Entladungsgefäß (1) mit einem wenigstens ein Edelgas enthaltenden Füllgas gefüllt
ist.
8. Niederdruckgasentladungslampe nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Füllgas Quecksilber enthält.
9. Niederdruckgasentladungslampe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Betriebsfrequenz f kleiner als 150 kHz ist.
10. Niederdruckgasentladungslampe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Entladungsstrom der Gasentladung größer als 10 mA ist.
11. Niederdruckgasentladungslampe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Dielektrikum aus einem paraelektrischen, ferroelektrischen oder
antiferroelektrischen Feststoff besteht.
12. Niederdruckgasentladungslampe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Entladungsgefäß (1) aus einem UV-transparenten Material besteht und mit einem
UV-emittierenden Füllgas gefüllt ist.
13. Vorrichtung zur Hintergrundbeleuchtung einer Flüssigkristall-Anzeige mit wenigstens
einer Niederdruckgasentladungslampe mit einem Entladungsgefäß (1), wenigstens zwei
kapazitiven Einkoppelstrukturen (2) betrieben bei einer Betriebsfrequenz f als Lichtquelle
(10) und einer Optik (13, 14, 15) zur Erzeugung einer Hintergrundbeleuchtung,
dadurch gekennzeichnet,
dass jede kapazitive Einkoppelstruktur (2) aus wenigstens einem Dielektrikum mit einer
Dicke d und einer Dielektrizitätszahl ε gebildet wird, wobei für jedes Dielektrikum die
Bedingung d/(f.ε) < 10-8 cm.s gilt.
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