EP1137050A1 - Kapazitive Einkoppelstruktur für Niederdruckgasentladungslampe - Google Patents

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EP1137050A1
EP1137050A1 EP01000029A EP01000029A EP1137050A1 EP 1137050 A1 EP1137050 A1 EP 1137050A1 EP 01000029 A EP01000029 A EP 01000029A EP 01000029 A EP01000029 A EP 01000029A EP 1137050 A1 EP1137050 A1 EP 1137050A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
dielectric
low
gas discharge
discharge lamp
lamp
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01000029A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Albrecht Dr. Kraus
Bernd Dr. Rausenberger
Wilhelm-Albert Dr. Groen
Horst Dannert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Philips Corporate Intellectual Property GmbH
Koninklijke Philips Electronics NV
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Filing date
Publication date
Application filed by Philips Corporate Intellectual Property GmbH, Koninklijke Philips Electronics NV filed Critical Philips Corporate Intellectual Property GmbH
Publication of EP1137050A1 publication Critical patent/EP1137050A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/02—Details
    • H01J61/04—Electrodes; Screens; Shields
    • H01J61/06—Main electrodes
    • H01J61/067—Main electrodes for low-pressure discharge lamps
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J65/00—Lamps without any electrode inside the vessel; Lamps with at least one main electrode outside the vessel
    • H01J65/04—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
    • 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 relates to a low-pressure gas discharge lamp with at least one Discharge vessel and at least two capacitive coupling structures, which at an operating frequency f is operated. Furthermore, the invention relates to a device for backlighting a liquid crystal display with at least one Low pressure gas discharge lamp as a light source and optics for generating a Backlight
  • Known gas discharge lamps consist of a vessel with a filling gas in which the Gas discharge expires, and usually two metallic electrodes placed in the discharge vessel are melted down An electrode supplies the electrons for the discharge, which pass through the second electrode can be fed back to the outer circuit.
  • the release of the electrons usually takes place by means of glow emission (hot electrodes), but can also be caused by Emission in a strong electric field or directly by ion bombardment (ion-induced Secondary emission) (cold electrodes).
  • hot electrodes glow emission
  • ion-induced Secondary emission cold electrodes
  • the charge carriers are operated directly in the gas volume via an electromagnetic High frequency alternating field (typically greater than 1 MHz for low pressure gas discharge lamps) generated.
  • the electrons move within closed orbits of the discharge vessel, conventional electrodes are missing in this operating mode.
  • capacitive coupling structures are used as electrodes. These are usually formed from insulators (dielectrics), which are in contact with one side Have gas discharge and on the other hand electrically conductive (for example by means of a metallic contact) are connected to an external circuit. At one the AC voltage applied to the capacitive electrodes forms in the discharge vessel an alternating electric field, on the linear electric fields of which Move load carriers. In the high frequency range (f> 10 MHz), the capacitive ones are similar Lamps the inductive lamps, since the charge carriers here also in the entire gas volume be generated. The surface properties of the dielectric electrode are of minor importance here (so-called ⁇ discharge mode).
  • fluorescent lamps In various devices, it is advantageous to use fluorescent lamps with little Diameter (less than 5 mm) and the highest possible amount of light per lamp length (Lumens per cm). In addition, most areas of application require a high level Switching resistance of the lamp. This applies especially to the use of gas discharge lamps in a backlight for a liquid crystal display (LCD backlight).
  • LCD backlight liquid crystal display
  • Hot cathode lamps require a minimum discharge vessel diameter of approx. 10 mm to accommodate the coil and anode shield. If you do without the anode shield, one can reach inner diameters of approx. 6 mm however, the lifespan is greatly reduced due to the increased blackening. Besides that hot cathode lamps have switching behavior that is unacceptable for many areas of application and are difficult to dim.
  • Fluorescent gas discharge lamps with a small lamp diameter have so far only been possible in the form of cold cathode lamps or in the form of capacitive gas discharge lamps with an operating frequency in the high frequency range (greater than 1 MHz).
  • Cold cathode lamps have the advantage of being able to be operated at low frequencies (30-50 kHz). Therefore, they have a low electromagnetic radiation.
  • the discharge current is severely limited (to a maximum value of approx. 10 mA). The current limitation is due to the greatly increased sputtering rate of electrode material as a function of the discharge current.
  • the current limitation must prevent the electrode from heating up locally to such an extent that thermal emission occurs with a sputter rate that is also greatly increased.
  • the detached electrode material settles in the discharge vessel and leads to a rapid blackening of the lamp.
  • the high operating frequency in conjunction with a high current density in the lamp (high current, small lamp diameter) leads to strong electromagnetic radiation. This requires extensive measures in the overall system of lamp, reflector, driver electronics, etc. to limit this electromagnetic radiation. Since the power is coupled in capacitively via the discharge vessel, the operating frequency is limited downwards (to approximately 1 MHz) by the capacitance of the coupling area.
  • a capacitive gas discharge lamp which has a dielectric Has layer between external electrodes and the gas discharge.
  • the external Electrodes are connected to an AC power source that has a voltage of 500 V. outputs up to 10000 V at a frequency of 120 Hz.
  • the dielectric layer has one high dielectric constant e greater than 100, preferably greater than 2000.
  • the capacitive Coupling of the external AC voltage by means of the dielectric layer leads to an ionization and excitation of the gas in the lamp, so that the luminous gas discharge arises.
  • dielectric constant and operating frequency is a high luminous flux of the lamp only with a very large size of the coupling structures and thus to reach the entire lamp. It also requires a high luminous flux with such a lamp, an extraordinarily high operating voltage and thus an expensive driver circuit.
  • the secondary emission coefficient is in this frequency range ⁇ noticeably worse, so that gas discharge is less efficient and a smaller amount of light is generated
  • the object of the invention is to provide a low-pressure gas discharge lamp which capacitive coupling better efficiency in a small size, one high luminous flux, low operating voltage, low electromagnetic radiation, has a high switching stability and a long service life.
  • each capacitive coupling structure is formed from at least one dielectric with a thickness d and a dielectric constant ⁇ , the condition d / (f ⁇ ⁇ ) ⁇ 10 ⁇ 8 cm ⁇ s applying to each dielectric.
  • the gas discharge lamp consists of a transparent discharge vessel with a customary filling gas (for example, a rare gas or a rare gas with mercury for low-pressure gas discharge lamps) and is operated at an alternating current source with the operating frequency f.
  • the material for the discharge vessel and the filling gas can be selected in accordance with the desired spectrum of the radiation generated.
  • the discharge vessel can also be coated so that the lamp according to the invention emits radiation of a specific frequency range (for example in the UV range).
  • At least two spatially separated capacitive coupling structures are arranged on the discharge vessel.
  • the dielectric of the capacitive coupling structure can consist of one or more layers. Each layer must meet the condition d / ( ⁇ ⁇ f) ⁇ 10 -8 cm ⁇ s separately.
  • d / ( ⁇ ⁇ f) ⁇ 10 -8 cm ⁇ s separately.
  • the condition d / (f ⁇ ⁇ )> 10 -9 cm ⁇ s applies to at least one dielectric, as a result of which the lamp obtains a positive current-voltage characteristic.
  • Gas discharge lamps must be ballasted in a suitable manner in order to ensure a stationary gas discharge. This ballast is usually integrated into an electrical ballast in which a circuit also generates the ignition voltage required to start the lamp.
  • the material of the capacitive coupling structures, their geometry and the operating frequency are preferably selected such that the mean voltage across the dielectrics approximately corresponds to the voltage across the plasma in the discharge vessel of the lamp (at d / ( ⁇ ⁇ f) ⁇ 5 ⁇ 10 -9 cm ⁇ s), the capacitive coupling structures can be used to ballast the lamp.
  • a ballasting element can thus be dispensed with in the lamp driver circuit, which can save considerable costs.
  • self-ballasting the lamp it is possible to operate several such lamps in parallel on a single driver, which can also lead to considerable savings in the driver's costs.
  • a lamp according to the invention overcomes when operating in the frequency domain from 150 Hz to 1 MHz the disadvantages of known lamps.
  • a material with an essentially one is preferably used negative temperature dependence of the dielectric constant.
  • dielectric materials are known in which the value of the dielectric constant increases with increasing Temperature drops especially above a certain temperature. In particular, in the area of low temperatures the dielectric constant also increases briefly. When the lamp is in operation, the dielectric heats up due to the power coupling, which lowers the dielectric capacitance and the height of the couplable Performance is limited. In this way the lamp output is stabilized and already ballasted the lamp with the existing coupling structure.
  • a particularly suitable embodiment of the invention has an essentially hollow cylindrical discharge vessel with an inner diameter d i , wherein the inner diameter d i can be less than 10 mm.
  • Hollow cylindrical discharge vessels are particularly suitable because the manufacture and processing by other gas discharge lamps is well known. Small inner diameters make the lamps easier to handle and have many applications for the lamp.
  • the hollow cylindrical discharge vessel can be designed, for example, in the form of a spiral, in the form of letters or numbers or the like.
  • the lamp is further developed by capacitive coupling structures which are also essentially of a hollow cylindrical shape and which have the inside diameter d i and are pressure-tightly connected to the discharge vessel.
  • the dielectric can be connected to the discharge vessel particularly easily, for example by means of a glass soldering technique.
  • a mixture is preferably selected for the filling gas in the discharge vessel, which mixture at least contains an inert gas or an inert gas and mercury.
  • Lamp a variety of gas mixtures can be used as the fill gas.
  • fill gases used in known low pressure gas discharge lamps be used. This gives the advantage of the known handling.
  • the vote the fill gas can also be determined by the application of the lamp, so as to to support the desired color (wavelength of the emitted radiation) or shape.
  • the discharge current of the gas discharge is greater than 10 mA.
  • the use of a large discharge current enables higher luminances to be generated than in known lamps.
  • the dielectric preferably consists of a paraelectric, ferroelectric or antiferroelectric solid.
  • Oxide ceramics eg BaTiO 3 , SrTiO 3 , PbTiO 3 , PbZiO 3 ) are preferred, which can also consist of one composition.
  • the discharge vessel consists of a UV-transparent material and is filled with a UV-emitting filling gas.
  • a UV transparent Material can, for example, use a glass tube for the discharge vessel become.
  • the discharge vessel can also be coated with a phosphor are provided, which the radiation emitted by the filling gas into a desired spectrum (especially in the UV range).
  • the phosphor can emit radiation emit that corresponds to the spectrum of solar radiation, so the lamp for Applications for body tanning is suitable.
  • each capacitive coupling structure is formed from at least one dielectric with a thickness d and a dielectric constant ⁇ , the condition d / (f ⁇ ⁇ ) for each dielectric ⁇ 10 -8 cm ⁇ s applies.
  • the lamp according to the invention permits the unexpected combination of high luminance, low electromagnetic radiation, low operating voltage, high Switching resistance and long service life.
  • the lamp is next to the backlight device still particularly suitable for decorative and general lighting, for Advertising lighting, as a light source for fax machines, scanners and copiers, as a brake light for motor vehicles, for emergency signal and orientation lighting and as a UV light source.
  • a UV light source it can be used in particular for the disinfection / disinfection of air and Water, for surface cleaning for paint treatment, for gluing, for hardening (paint, Adhesives), for body tanning (for particularly flat tanning devices) and for devices used in the field of photochemistry, pollutant degradation and deposition processes end up.
  • the gas discharge lamps specified in the exemplary embodiments use a dielectric solid which has the properties according to the invention as the dielectric base material for the capacitive coupling structure.
  • An oxide ceramic is preferably used as the material for the dielectric of the capacitive coupling structures. This consists, for example, of a composition of BaTiO 3 , about 1% Nb 2 O 5 and a few parts per thousand Co 3 O 4 .
  • the composite is granulated accordingly, brought into a mold with a binder and then sintered.
  • the material produced in this way has a dielectric constant ⁇ which has a temperature-dependent profile according to the diagram in FIG. 8.
  • the dielectric constant When the lamp is in operation, the dielectric constant always remains so high that the condition d / ( ⁇ ⁇ f) ⁇ 10 -8 cm ⁇ s is guaranteed. If the temperature of the oxide ceramic reaches a value when the lamp is in operation, at which the dielectric constant drops with increasing temperature, this behavior contributes to stabilizing the lamp's output. If the coupled-in power increased, a rise in the temperature of the oxide ceramic would result in a sharp reduction in the dielectric capacitance, and thus in an increased voltage drop, in a reduction in the current and thus the power, or in other words: the lamp has a strong positive UI characteristic .
  • the material for the dielectric must be on the surface facing the gas discharge is, donate electrons easily.
  • To characterize the emission properties of the dielectric serves the relationship between ion current and electron current at the Surface of the side of the dielectric facing the plasma. This ratio is called ion-induced secondary emission coefficient ⁇ .
  • ⁇ ion-induced secondary emission coefficient
  • the surface and the light-generating part of the plasma form a narrow, approximately 1 mm thick plasma boundary layer from The power given off in the plasma boundary layer can assume high values and significantly reduces the efficiency (lumens per watt) of the Lamp.
  • a high secondary emission coefficient ⁇ leads to this power share reduce and increase the efficiency of the lamp.
  • Such materials are therefore suitable for the dielectric in a special way, where during the operation of the lamp attach additional electrons to the surface facing the plasma, and that to one Secondary emission coefficients ⁇ > 0.01 lead.
  • a capacitive gas discharge lamp is shown with a glass tube 1, which serves as a gas discharge vessel.
  • the glass tube 1 coated from the inside has an inner diameter of 3 mm, an outer diameter of 4 mm, a length of 40 cm and is filled with 50 mbar Ar and 5 mg Hg.
  • a dielectric coupling structure at both ends is formed in each case by a cylindrical tube 2 made of the dielectric material (oxide ceramic, which fulfills the property d / ( ⁇ ⁇ f) ⁇ 10 -8 cm ⁇ s).
  • the dielectric cylinder 2 has an outer diameter of 4 mm with a wall thickness of 0.5 mm and a length of 10 mm.
  • the glass tube 1 is closed by the coupling structure 2, which has the same inner diameter, by means of a soldering process in a vacuum-tight manner with a disk-shaped, dielectric cap 3.
  • a layer of silver paste is applied to the dielectric cylinder 2, which was previously burned out, so that electrical contacting 4 is possible.
  • the lamp is connected to an external power network.
  • a lamp driver circuit 5 serves as an external power network, which supplies a current of 30 mA at 40 kHz and an average voltage of approximately 350 V.
  • the lamp delivers a luminous flux of approximately 600 lumens in stationary operation.
  • the driver 5 also contains a part for igniting the lamp, which is able to supply voltages of 1500 V for a short time.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a coupling structure according to the invention in cross section.
  • the cross section was placed in the area of the dielectric tube 2.
  • the interior filled with a filling gas is surrounded by a first dielectric layer 6, which is followed by a second dielectric layer 7 made of BaTiO 3 .
  • a metallization 8, which serves for electrical contacting, is applied to the dielectric layers.
  • the dielectric layer 6 can be made very thin ('coating'), since it can be applied to the layer 7 serving as a type of substrate.
  • FIG. 3 shows four lamps, each of the discharge vessels 1 shown in FIG. 1 and coupling structures 2 have been shown, which are connected in parallel to a common driver circuit 5 operated. Because each individual lamp due to the material properties of the Dielectric has a stabilizing feedback, which is like self-ballasting acts, a common driver circuit 5 can be used. There are not any separate ballasts with ignition circuits and ballasting for each lamp necessary.
  • FIG. 4 shows a lamp which has the data of the lamp from FIG. 1 and is bent into a coil.
  • Coupling structures 2, which are connected to a driver circuit 5, are respectively attached to the ends of the helix 9.
  • many other forms are conceivable into which the lamp described in FIG. 1 can be brought.
  • Other uses are also conceivable as a miniaturized decorative lamp with a significantly higher luminance than known fluorescent lamps (for example for compact shelf lighting).
  • the discharge tube can be bent as desired without changing the lamp properties.
  • radiation in a desired wavelength range can also be generated.
  • the gas discharge lamp with the dimensions from FIG.
  • the lamp 1 can, for example, be filled with 25 mbar pure neon.
  • a lamp can be used as a red brake light behind the rear window of a car.
  • the lamp according to the invention can also be used for other purposes (for example also as a turn signal lamp, for interior and instrument lighting, etc.).
  • Another advantageous application of the lamp is its use as emergency signal and orientation lighting, since in addition to the lowest possible energy consumption, certain shapes and colors are also required.
  • the gas discharge lamp according to the invention is particularly well suited as a UV radiation source and all known fields of application of UV radiation sources.
  • the discharge vessel 1 of the lamp is filled with a suitable filling gas (for example noble gas and mercury) and consists in a known manner of a UV-permeable material (for example a glass tube).
  • a suitable filling gas for example noble gas and mercury
  • the glass tube can also be coated on the inside or outside with a suitable phosphor which generates a desired UV spectrum.
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of a device for backlighting a liquid crystal display.
  • This is a lamp described in Figure 1 10 for lateral light irradiation into a light guide 13 of a 15 "LCD backlight used.
  • the device consists of a driver circuit 12 which with a low pressure gas discharge lamp 10 is connected.
  • the lamp 10 is with a Provided reflector 11, which radiates the light into the light guide 13, from where it by means of a rear, structured reflector plate for liquid crystal display (LCD panel) coupled out towards the front via a diffuser 14 and a reflective polarization filter 15 becomes.
  • the liquid crystal display is not shown for reasons of clarity. LCDs of known construction can be used. Because of the higher amount of lumens per lamp length, it is possible to double the amount of light, for example a cold cathode lamp on the LCD screen without additional To take measures with respect to electromagnetic interference, since the operating frequency remains unchanged.
  • FIG. 6 shows a similar device for backlighting a liquid crystal display shown.
  • Two of the lamps 10 described in FIG. 1 are used lateral light irradiation into a light guide 16 of a 15 "LCD backlight used.
  • the light from the lamps 10 is reflected by the reflectors 11 from two sides the light guide 16 coupled and via a diffuser 14 and a reflective polarization filter 15 coupled forward towards the LCD panel. Due to the higher amount of Lumens per lamp length is also possible here, twice the amount of light, for example to get a cold kakode lamp on the LCD screen without additional Take measures regarding electromagnetic interference, since the operating frequency remains unchanged.
  • Two cold cathode lamps (on the right and left side of the light guide 16) can be replaced by a single capacitive lamp 10, which provides the same brightness values on the LCD screen.
  • Liquid crystal display will be a plurality of lamps 10 described in Figure for rear Light radiation used in a light guide of an 18 "LCD backlight.
  • the lamps 10 are arranged in a reflector 11.
  • the light from the individual lamps 10 is homogenized by means of an optical filter 17 and a diffuser 14 and passed through then a reflective polarization filter 15 before it to the not shown LCD panel is uncoupled.
  • the optical filter 17 prevents the light of the Lamps 10 strikes the diffuser 14 directly. Due to the higher amount of lumens per Lamp length is also possible here, twice the amount of light than, for example, one Get cold cathode lamp on the LCD screen without additional measures regarding electromagnetic interference, since the operating frequency remains unchanged remains.
  • two cold cathode lamps can be replaced by a single one capacitive lamp 10 are replaced, which have the same brightness values on the LCD screen deliver. All capacitive lamps 10 can with due to their self-ballasting operated by a single electronic driver circuit 12.
  • FIG. 8 shows a diagram which shows the course of the dielectric constant ⁇ of an oxide ceramic made of BaTiO 3 , about 1% Nb 2 O 5 and a few parts per thousand Co 3 O 4 as a function of the temperature.
  • the dielectric constant ⁇ fluctuates up to approximately this temperature at very large values by approximately 5000. If the temperature of the dielectric increases further as a result of the power coupling, the dielectric coefficient drops sharply due to the essentially negative temperature coefficient of the dielectric material. This reduces the dielectric capacitance of the coupling structure, so that a higher voltage drops across the dielectric and a lower current flows. Therefore, less power can be coupled into the discharge vessel, which leads to a drop in the temperature in the dielectric. This negative feedback leads to an increased stabilization and ballasting of the lamp in stationary operation.

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Niederdruckgasentladungslampe mit wenigstens einem Entladungsgefäß und wenigstens zwei kapazitiven Einkoppelstrukturen, die bei einer Betriebsfrequenzf 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 ε gebildet wird, wobei für jedes Dielektrikum die Bedingung d/(f·ε) < 10<-8> cm·s gilt. Damit kann deutlich mehr Licht pro Lampenlänge (lumen/cm) erzeugt werden. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Niederdruckgasentladungslampe mit wenigstens einem Entladungsgefäß und wenigstens zwei kapazitiven Einkoppelstrukturen, die bei einer Betriebsfrequenzf 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 Elektronen erfolgt meist mittels Glühemission (heiße Elektroden), kann jedoch auch durch Emission in einem starken elektrischen Feld oder direkt durch Ionenbeschuß (ioneninduzierte 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 Niederdruckgasentladungslampen) 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 Gasvolumen erzeugt werden. Die Oberflächeneigenschaften der dielektrischen Elektrode sind hier von geringer Bedeutung (sogenannter α-Entladungsmodus). Bei niedrigeren Frequenzen 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 Durchmesser (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 Gasentladungslampen 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, durch sich jedoch aufgrund des verstärkten Abschwärzens stark die Lebensdauer reduziert. Anßerdem haben Heißkathodenlampen ein für viele Anwendungsgebiete unakzeptables Schaltverhalten 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 Gasentladungslampen 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 Abstrahlung 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 dielektrische 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 e 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 Gasentladung entsteht. Bei dieser Kombination von Dielektrizitätszahl und Betriebsfrequenz ist ein hoher Lichtstrom der Lampe nur mit einer sehr großen Baugröße der Einkoppelstrukturen und damit der gesamten Lampe zu erreichen. Außerdem erfordert ein hoher Lichtstrom bei einer solchen Lampe eine außerordentlich hohe Betriebsspannung und damit eine teure Treiberschaltung. Zusätzlich ist in diesem Frequenzbereich der Sekundäremissionskoeffizient 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 Abstrahlung, 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 betrieben. 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 erfindungsgemäße 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 Einkoppelstruktur 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 verlassen, die durch geeignete Wahl einer Kombination aus Materialeigenschaft und Geometrie 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 geeigneter 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 Entladungsgefäß der Lampe entspricht (bei d/(ε·f) ≈ 5·10-9cm·s), so können die kapazitiven Einkoppelstrukturen zur Ballastierung der Lampe genutzt werden. Damit kann in der Lampentreiberschaltung auf ein ballastierendes Element verzichtet werden, was erhebliche Kosten einsparen kann. Außerdem wird es durch die Eigenballastierung der Lampe möglich, mehrere solcher Lampen parallel auf einem einzigen Treiber zu betreiben, was ebenfalls zu erheblichen Einsparungen in den Kosten des Treibers führen kann.
Insbesondere überwindet eine Lampe gemäß der Erfindung bei Betrieb im Frequenzbereich 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 insbesondere im Bereich niedriger Temperaturen die Dielektrizitätszahl auch kurzfristig ansteigen. Bei Betrieb der Lampe erwärmt sich das Dielektrikum aufgrund der Leistungseinkoppelung, wodurch sich die dielektrische Kapazität erniedrigt und die Höhe der einkoppelbaren 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 Entladungsgefäße eignen sich besonders, da die Fertigung und Verarbeitung durch andere Gasentladungslampen gut bekannt ist. Kleine Innendurchmesser machen die Lampen leichter handhabbar und scharfen viele Anwendungsmöglichkeiten für die Lampe. Das hohlzylindrische 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 wenigstens ein Edelgas oder ein Edelgas und Quecksilber enthält. Für die erfindungsgemäße Lampe können eine Vielzahl von Gasmischungen als Füllgas verwendet werden. Insbesondere 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=3mm eine Verdoppelung der Leuchtdichte im Vergleich zu Kaltkathodenlampen auf etwa 60000cd/m2 erzielt werden.
Das Dielektrikum besteht vorzugsweise aus einem paraelektrischen, ferroelektrischen oder antiferroelektrischen Feststoff. Bevorzugt eignen sich Oxidkeramiken (z.B. BaTiO3, SrTiO3, PbTiO3, PbZiO3), 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 Strahlung 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 Hintergrundbeleuchtung 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 Leuchtdichte, geringer elektromagnetischer Abstrahlung, niedriger Betriebsspannung, hoher Schaltfestigkeit und langer Lebensdauer. Die Lampe ist neben der Vorrichtung zur Hintergrundbeleuchtung 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 Vorrichtungen im Bereich Photochemie, Schadstoffabbau und Abscheidungsprozesse verwendet enden.
Im folgenden sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen
Figur 1:
eine schematische Darstellung einer ersten möglichen Ausführungsform einer Gasentladungslampe gemäß der Erfindung,
Figur 2:
eine schematische Darstellung einer dielektrischen Einkoppelstruktur im Querschnitt,
Figur 3:
eine parallele Anordnung mehrerer Lampen an einer gemeinsamen Treiberschaltung,
Figur 4:
eine weitere denkbare Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gasentladungslampe,
Figur 5:
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Hintergrundbeleuchtung einer Flüssigkristall-Anzeige,
Figur 6:
eine schematische Darstellung einer weiteren Vorrichtung zur Hintergrundbeleuchtung einer Flüssigkristall-Anzeige,
Figur 7:
eine schematische Darstellung einer dritten Vorrichtung zur Hintergrundbeleuchtung einer Flüssigkristall-Anzeige und
Figur 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 Feststoff, 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 Diagramm in der Figur 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 Dielektrizitätszahl mit steigender Temperatur eintritt, so trägt dieses Verhalten zur Leistungsstabilisierung 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 Reduktion 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 zugewandt 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 Oberfläche 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 Figur 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 stationären 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 Figur 8 dargestellten Diagramms befindet. Diese Eigenschaft kann zur Stabilisierung der Lampe in Bezug auf die eingekoppelte Leistung genutzt werden.
Die Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Einkoppelstruktur 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 Figur 3 werden vier Lampen, die jeweils die in Figur 1 gezeigten Entladungsgefäße 1 und Einkoppelstrukturen 2 haben, gezeigt, die parallel an einer gemeinsamen Treiberschaltung 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 Figur 4 ist eine Lampe dargestellt, die die Daten der Lampe aus Figur 1 besitzt und zu einer Wendel gebogen ist. An den Enden der Wendel 9 sind jeweils Einkoppelstrukturen 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 Figur 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 gebogen 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 Gasentladungslampe mit den Abmessungen aus Figur 1 kann beispielsweise mit 25 mbar reinem Neon gefüllt werden. Eine solche Lampe kann als rot-leuchtendes Bremslicht hinter der Heckscheibe 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 Erfindung 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-Lichtquellen 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-Strahlungsquellen realisieren zu können. Daher erzielt eine derart ausgestaltete Lampe in Vorrichtungen für Anwendungen mit UV-Strahlungsquellen deutliche Vorteile gegenüber bekannten Vorrichtungen. Sie ist insbesondere geeignet für Vorrichtungen zur Entkeimung/Desinfektion von Luft und Wasser, zur Oberflächenreinigung, zur Lackbehandlung zum Kleben, zum Härten (Lack, Klebstoffe), zur Körperbräunung (Realisierung besonders kompakter/flacher Bräunungsgeräte) und für Vorrichtungen im Bereich Photochemie, Schadstoffabbau und Abscheidungsprozesse.
Die Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Hintergrundbeleuchtung einer Flüssigkristall-Anzeige. Dabei wird eine in der Figur 1 beschriebene Lampe 10 zur seitlichen Lichteinstrahlung in einen Lichtleiter 13 einer 15"LCD-Hintergrundbeleuchtung 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 ausgekoppelt wird. Die Flüssigkristall-Anzeige ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. 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. dektromagnetischer Interferenz zu treffen, da die Betriebsfrequenz unverändert bleibt.
In der Figur 6 ist eine ähnliche Vorrichtung zur Hintergrundbeleuchtung einer Flüssigkristall-Anzeige dargestellt. Es werden zwei der in Figur 1 beschriebenen Lampen 10 zur seitlichen Lichteinstrahlung in einen Lichtleiter 16 einer 15"LCD-Hintergrundbeleuchtung 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 Polarisationsfilter 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 beispielsweise bei einer Kaltkakhodenlampe 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 mindestens zwei kapazitive Lampen 10, so können diese aufgrund ihrer Selbstballastierung mit einer einzigen elektronischen Treiberschaltung 12 betrieben werden. Neben der Einsparung 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 Figur 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 durchläuft 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 BildSchirm liefern. Alle kapazitiven Lampen 10 können aufgrund ihrer Selbstballastierung mit einer einzigen elektronischen Treiberschaltung 12 betrieben werden.
In Figur 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 Keramiktemperatur 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 eingekoppelt 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 Einkoppelstruktuten (2) betrieben bei einer Betriebsfrequenz f als Lichtquelle (10) und einer Optik (13,14,15) zur Erzeugung einer Hintergrundbdeuchtung,
    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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