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PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Erzeugen von Licht durch elektrische
Hochfrequenz-Entladung in einem ionisierbaren Medium innerhalb eines abgedichteten Gefässes, das wenigstens ein ionisierbares Gas bei einem gegebenen Druck enthält, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Medium ein elektromagnetisches Feld gekoppelt wird, das eine Grösse aufweist, die ausreichend ist, um die Zündung einer Entladung herbeizuführen und nach erfolgter Zündung die hochfrequente Entladung aufrecht zu erhalten, wobei Frequenz und Amplitude des Hochfrequenzfeldes derart gewählt werden, dass im Durchschnitt die freien
Elektronen in dem Medium auf einer Wegstrecke, die gleich der mittleren freien Weglänge der Elektronen ist, in einer Zeit, die ungefähr gleich einem Viertel der Periodendauer dieses Hochfrequenzfeldes ist, auf Ionisierungsgeschwindigkeit beschleunigt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Frequenz zwischen 3 und 300 Megahertz angewandt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei gegebener Amplitude des Hochfrequenzfeldes dessen Frequenz so gewählt wird, dass der Wirkungsgrad der Umwandlung von Hochfrequenzenergie in emittierte Strah- lungsenergie ein Maximum wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei gegebener Frequenz die Amplitude des Hochfrequenzfeldes so gewählt wird, dass der Wirkungsgrad der Umwandlung von Hochfrequenzenergie in emittierte Strahlungsenergie ein Maximum wird.
5. Elektrodenlose Entladungslampe zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Entladungsgefäss mit dem ionisierbaren Medium eine Induktionsspule mit nichtmagnetischem Kern zur Erzeugung des elektromagnetischen hochfrequenten Feldes so angeordnet ist, dass ein wesentlicher Teil des Feldes den Entladungsraum durchsetzt.
6. Elektrodenlose Entladungslampe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspule einen elektrisch nicht leitenden Kern aufweist.
7. Elektrodenlose Entladungslampe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspule mit einem Hochfrequenzoszillator verbunden ist, dessen Ausgangsspannung eine Frequenz zwischen 3 und 300 MHz aufweist.
8. Elektrodenlose Entladungslampe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspule und ein mit dieser in Reihe geschalteter Kondensator den die Frequenz des Hochfrequenzoszillators bestimmenden Schwingkreis bilden.
9. Elektrodenlose Entladungslampe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspule innerhalb einer Höhlung im Entladungsgefäss in den Entladungsraum ragt.
10. Elektrodenlose Entladungslampe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Entladungsgefäss ein inertes Startgas und Quecksilberdampf enthält und an der Innenseite der Gefässwand eine Phosphorschicht aufweist, die durch Absorption der vom ionisierten Quecksilberdampf emittierten ultravioletten Strahlung weisses Licht innerhalb des sichtbaren Spektrums emittiert
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Licht durch elektrische Hochfrequenz-Entladung in einem ionisierbaren Medium innerhalb eines abgedichteten Gefässes, das wenigstens ein ionisierbares Gas bei einem gegebenen Druck enthält, und eine elektrodenlose Entladungslampe zur Durchführung des Verfahrens.
Die Glühlampe ist eine hauptsächliche Beleuchtungsquelle in Häusern und Geschäften. Jedoch verdampft ihr Licht emittierender Glühfaden und wird mit dem Gebrauch schwach, so dass er leicht bricht oder sich von seinen Stützen löst. Somit ist die Lebensdauer einer Glühlampe kurz und unbestimmbar. Insbesondere ist der Wirkungsgrad einer Glühlampe beim Umwandeln von elektrischer Energie in Licht sehr gering, beispielsweise ungefähr 15 Lumen pro Watt elektrischer Energie.
Leuchtstofflampen sind im allgemeinen wirksamer und dauerhafter als Glühlampen. Jedoch erfordert die herkömmliche Leuchtstofflampe sowohl ein Vorschaltgerät und eine besondere Befestigung, die installiert werden muss, bevor eine Lampe verwendet werden kann. Ferner sind die Elektroden im Laufe der Zeit der Zersetzung ausgesetzt.
Beleuchtungsvorrichtungen, in welchen Elektroden fehlen, sind an sich bekannt, jedoch nicht im Handel erhältlich.
Vorrichtungen dieser Art sind zum Beispiel in den US-PS 3500 1 f8 und 3521120 beschrieben. Es wird davon ausgegangen, dass Hochfrequenz-Lufttransformatoreen keine wirksame Einkopplung der Energie in die Gasentladung ergeben, woraus ein Energieverlust in Form unerwünschter und möglicherweise gefährliçher Strahlung resultiere. Solche Vorrichtungen hätten aus diesem Grund nie erfolgreich über einen grösseren Zeitraum mit einem annehmbaren Wirkungsgrad gearbeitet. Es wird deshalb vorgeschlagen, einen Ferritkern innerhalb der Induktionsspule anzuordnen, um ein wirksames Einkoppeln der Energie in die elektrodenlose Gasentladung zu fördern. Tatsächlich sind jedoch Ferritmaterialien in einer solchen Anordnung eher von Nachteil.
Erstens erhöhen solche Materialien die Induktivität der Induktionsspule in einem solchen Ausmass, dass ein angemessener Hochfrequenzbetrieb unmöglich ist. So sind Ferritkernvorrichtungen Niederfrequenzvorrichtungen, und ihr Betrieb erfordert übermässig hohe Induktionsfeldstärken. Zweitens fördern Hystereseverluste in Ferritkernen ein Erhitzen des Ferritmaterials, und der in der um den Ferritkern gewundenen Spule zirkulierende Strom fördert auch ein konduktives Erwärmen des Kernes, ebenso direkte und indirekte optische Strahlung, die von der Entladung emittiert wird und auf den Kern oder dazwischenliegendes Material trifft, und wie jeder Ohmsche Effekt in dem Kern.
Es ist bekannt, dass bei der Curietemperatur, normalerweise in der Nähe von 100" bis 150 Celsius die Permeabilität der meisten bekannten Ferrite diskontinuierlich bis zu einem sehr geringen Wert abnimmt. Wenn diese Kerntemperatur im Betrieb erreicht wird, nimmt die Stromaufnahme der Induktionsspule infolge der grossen Abnahme ihrer Induktivität und damit die Grösse des Induktionsfeldes wesentlich ab, die Entladung erlischt, und der nun unbelastete Transistor setzt schnell aufgrund der thermischen Instabilität aus. Auch sind die Kosten eines geeigneten Ferritkernes für solche Vorrichtungen in der gleichen Grössenordnung wie die Kosten des gesamten Restes der elektronischen Einrichtung, welche die Entladung in Gang hält.
Somit vermindert ein solcher Kern nicht nur die Wirksamkeit und die Betriebssicherheit einer solchen Vorrichtung, sondern hat auch eine Verteuerung derselben zur Folge.
Bei der bekannten Vorrichtung legt eine Entladungs-Hilfsstarteinrichtung ein elektrisches Feld an die Lampe, um eine anfängliche Ionisierung zu schaffen. Hierauf wird Energie mit Hilfe des magnetischen Wechselfeldes der Ferritkernes an die Entladung gekoppelt. Eingangsspannung und Strom für die Primärwicklung mit fünf Windungen des Ferrittransformators sind 50 Volt bzw. 0,6 Ampere bei einer Frequenz von 50 Kilohertz, während die induzierte Spannung und der Strom entsprechend als annähernd 10 Volt bzw. 3 Ampere angegeben sind, mit einem Kernverlust von annähernd 3 Watt. Die Lichtausbeute ist mit 40 Lumen pro Watt angegeben, aber wesentliche Schaltkreisverluste sind in diesem Wert nicht enthalten.
Laboruntersuchungen haben bestätigt, dass die gleichge
richtete Eingangsspannung zu diesem Schaltkreis 155 Volt beträgt, wenn sie von einer 110 Volt-Wechselstrom-Leitung abgeleitet wird. Ein Eingang von 50 Volt zu dem Ferrittransformator ist lediglich im A-Betrieb des Hochfrequenz-Oszillators erzielbar, wo ein 30 Watt-Hochfrequenzausgang eine Eingangsenergie von mehr als 60 Watt erfordert. Demzufolge kann die gesamte Lichtausbeute dieser Vorrichtung nicht grösser als 20 Lumen pro Watt sein, ein Wert, der lediglich etwas über der Lichtausbeute einer herkömmlichen Glühlampe liegt.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist demgegenüber dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Medium ein elektromagnetisches Feld gekoppelt wird, das eine Grösse aufweist, die ausreichend ist, um die Zündung einer Entladung herbeizuführen und nach erfolgter Zündung die hochfrequente Entladung aufrecht zu erhalten, wobei Frequenz und Amplitude des Hochfrequenzfeldes derart gewählt werden, dass im Durch- schnitt die freien Elektronen in dem Medium auf einer Wegstrecke, die gleich der mittleren freien Weglänge der Elektronen ist, in einer Zeit, die ungefähr gleich einem Viertel der
Periodendauer dieses Hochfrequenzfeldes ist, auf Ionisierungsgeschwindigkeit beschleunigt wird.
Im allgemeinen beschränken nach dem Stand der Technik die elektronischen Komponenten die Wahl der Frequenz und/ oder der Amplitude des zu erzeugenden Hochfrequenzfeldes.
Mit Vorteil wird man deshalb bei gegebenen Werten für Feldfrequenz, Gasdruck und Gaszusammensetzung die Amplitude oder bei gegebenen Werten für Feldamplitude, Gasdruck und Gaszusammensetzung die Frequenz des Hochfrequenzfeldes wählen, um die Umwandlungswirksamkeit von Hochfrequenzenergie in Licht auf ein Maximum zu bringen. Im allgemeinen liegt für einen guten Wirkungsgrad die Frequenz vorzugsweise in dem Bereich von 3 bis 300 Megahertz. Ferner kann die Wirksamkeit der Umwandlung von Gleichstromenergie zu Hochfrequenzenergie ebenfalls optimiert werden durch Beachten der Beschränkungen, die dem Wert der Frequenz undloder Amplitude des Hochfrequenzfeldes durch die Arbeitskenngrössen der die Hochfrequenz erzeugenden elektronischen Komponenten auferlegt sind.
Zusammengefasst sind, da die freie Weglänge von der besonderen Gaszusammensetzung und dem besonderen Druck abhängt, der Druck und die Gaszusammensetzung des ionisierbaren Mediums und die Frequenz und die Amplitude des Hoch- frequenzfeldes die vier in Wechselbeziehung stehenden Variablen, welche den Wirkungsgrad bestimmen, mit welcher die Hochfrequenzenergie, die mit dem Medium gekoppelt ist, in Licht umgewandelt wird. Der Umwandlungswirkungsgrad als Funktion einer dieser Variablen, während die anderen drei Grössen konstant gehalten werden, hat einen optimalen Wert bei einem besonderen Wert dieser einen Variablen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein abgedichtetes Gefäss, das wie eine Glühbirne ausgebildet ist, mit Quecksilberdampf und einem inerten Zündgas wie beispielsweise Argon gefüllt. Eine Schicht von fluoreszierendes Licht emittierendem Phosphor ist an der Innenfläche des Gefässes vorgesehen, und eine Induktionsspule ist in einem offenen zylindrischen Raum angeordnet, der sich durch das Gefäss erstreckt, so dass ein wesentlicher Teil ihres magnetischen Induktionsfeldes im Entladungsraum liegt.
Ein Hochfrequenzoszillator, der einen Schwingkreis aufweist, der die Spule in Reihe mit einem Kondensator einschliesst, ist innerhalb eines Sockels angeordnet, welcher in eine herkömmliche Glühbirnenfassung einschraubbar ist. Der Oszillator erzeugt elektrische Energie bei einer Hochfrequenz von 4 Megahertz, die an die Spule angelegt wird, um das Feld zu erzeugen. Das elektrische Feld an der Spule leitet die Ioni- sierung des Quecksilberdampfes in dem Gefäss ein, und das magnetische Induktionsfeld hält eine solche Ionisierung aufrecht, um ultraviolettes Licht zu emittieren, welches den Phosphor erregt, um weisses Licht zu emittieren.
Eine elektrisch isolierte, Ultraviolett reflektierende Schicht kann unter dem Phosphor an der Innenfläche des Abschnittes des Gefässes vorgesehen sein, der den zylindrischen Hohlraum begrenzt, um das emittierte ultraviolette Licht besser auszunützen.
Nachstehend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht einer elektrodenlosen Entladungslampe, wobei das Gefäss von dem Sockel entfernt ist,
Fig. 2 eine Seitenansicht der Lampe nach Fig. 1, wobei das Gefäss an dem Sockel angeordnet ist,
Fig. 3 ein Schaltschema des Hochfrequenzoszillators, der innerhalb des Sockels der in Fig. 1 und 2 gezeigten Lampe angeordnet ist,
Fig. 4 ein Schaltschema einer Abänderung des Hochfrequenzoszillators nach Fig. 3,
Fig. 5 eine graphische Darstellung des Umwandlungswirkungsgrades der in Fig. 1 und 2 gezeigten Lampe als Funktion der Frequenz und der Amplitude des magnetischen Induktionsfeldes, und
Fig. 6 eine graphische Darstellung der Entladungsparameter, Druck, Frequenz und Induktionsfeldamplitude für ein bestimmtes Gas.
Im krassen Gegensatz zu dem Stand der Technik wurde gefunden, dass ein wirksames Einkoppeln von Energie in die Entladung kein besonderes Problem darstellt, wenn das Entla .dungssystem für das nachfolgend beschriebene Verfahren entworfen wird und die Entladung selbst der mit Verlust behaftete Teil des Resonanzkreises des elektronischen Systems ist. So werden innerhalb praktischer Grenzen keine bemerkenswerten Grenzwertbedingungen festgestellt in bezug auf die Induktionssystemausbildung bei der Erzeugung von elektrodenlosen Gasentladungen insbesondere für Beleuchtungszwecke.
So wurden elektrodenlose Gasentladungen erfolgreich sowohl innerhalb als auch ausserhalb herkömmlicher Hochfrequenz Spulen, Schleifen mit einer Windung uns ausgedehnter Konstruktionen wie beispielsweise Bifilarkreisen erzeugt, wobei die Form des Entladungsgefässes von der Kugelform bis zu einem langen Zylinder variiert worden ist. Es wurde beobachtet, dass praktisch jede Art von Induktor für die wirksame Erregung von elektrodenlosen Lampen anwendbar ist. So kann man ohne weiteres erreichen, dass induzierte Ströme längs einer langen zylindrischen Lampe an einer Seite der Lampe hin- und an der anderen Seite der Lampe zurückfliessen, indem man einfach die Lampe nahe einem kurzgeschlossenen Hochfrequenzstrom führenden Bifilarschaltkreis anordnet, welcher längs der Lampe verläuft.
Ein solcher Schaltkreis kann beispielsweise erfolgreich herkömmliche Leuchtstofflampen speisen, in denen vorher ein Glühfaden durchgebrannt war.
Die vorliegende Erfindung schliesst Ferrit- und andere
Kernmaterialien für wirtschaftlich brauchbare Anordnungen aus den obengenannten Gründen aus. Die Kopplung von Hoch- frequenzenergie aus der kernlosen Spule mit der Entladung stellt kein ernsthaftes Problem für den Fachmann dar, vorausgesetzt, dass nur die geeigneten Entladungsparameter in der beschriebenen Weise ausgewählt werden. Tatsächlich wird eine maximale Energieübertragung auf die Entladung verwirk licht, wenn die Induktionsspule und das Plasma die induktiven Elemente eines abgestimmten Schwingkreises bilden. Im Resonanzfall ist die Impedanz, die der Hochfrequenzquelle von der durch die Induktionsspule und dem von ihrem Feld beeinflussten Plasma gebildeten Induktivität in Verbindung mit einem geeigneten Kondensator dargeboten wird, ein rein ohm'scher Widerstand.
Der Stand der Technik lehrt die Notwendigkeit von Start hilfen für die Zündung der Entladung, die von der Kolbenerwärmung über die kapazitive Entladungstechnik bis zur Verwendung von Aufwärtstransformatoren zur Erzielung einer Überspannung für die Zündung des neutralen Gases reichen.
Eine solche Hilfseinrichtung ist als nicht notwendig gefunden worden, wenn das erfindungsgemässe Verfahren bei der Auswahl der geeigneten Entladungsparameter angewendet wird.
Weiterhin erhöht eine Entladungs-Hilfsstarteinrichtung die Systemkosten und setzt die Zuverlässigkeit des Systems herab und muss demzufolge von wirtschaftlichen elektrodenlosen Lichtbogenleuchtsystemen ausgeschlossen werden. Bei Betrachtung der Kriterien, welche die wirtschaftliche Brauchbarkeit einer elektrodenlosen Leuchtstofflampe bestimmen, muss beachtet werden, dass der Wirkungsgrad, die Zuverlässigkeit des Systems und Komponentenkosten die Hauptfaktoren sind, welche in Kombination die wirtschaftliche Brauchbarkeit der Erfindung bestimmen. Die vorliegende Erfindung lehrt das Verfahren zum Optimieren der elektrodenlosen Niederdruck Gasentladung, die bei Verwendung in einem elektrodenlosen Leuchtstofflampensystem, das mit herkömmlichen Edison-Fassungs-Beleuchtungskörpern vereinbar ist, einen Wirkungsgrad erzielt, welcher dem herkömmlicher Leuchtstofflampen nahe kommt.
Die Systemzuverlässigkeit wird durch geeignete Ausbildung im Optimierungsverfahren und weiterhin durch das Fortlassen und Entfernen von unnötigen Komponenten erhöht.
Somit wurden Ferritkerne, Mehrfachwindungen, Hilfsstartschaltkreise, äussere Reflektoren und ähnliche Komponenten als schädlich für die Systemzuverlässigkeit gefunden und von jeder realistischen Systemausbildung ausgeschlossen. Ein solches Fortlassen reduziert günstig und merklich die Systemkosten und erhöht die Zuverlässigkeit und wurde als wesentlich in einem Erzeugnis gefunden, das für weitverbreitete Produktion und Verwendung bestimmt ist.
In den Fig. 1 und 2 ist ein abgedichtetes, lichtdurchlässiges Glasgefäss 10 mit einem ionierbaren gasförmigen Medium gefüllt, das ein Gemisch aus Quecksilberdampf und einem inerten Gas wie beispielsweise Argon umfasst. Das Gefäss 10 ist in der Form einer Glühbirne gezeigt; jedoch ist jedes abgedichtete Gefäss wie beispielsweise eine Kugel ausreichend. Typischerweise ist der Partialdruck des Argons in der Grössenordnung von 1 bis 5 Torr. Der Zweck des Argons liegt in dem Erleichtern der Einleitung einer Quecksilberentladung innerhalb des Gefässes 10 über den bekannten Penning-Effekt, wie dies unten beschrieben ist. Ein offener zylindrischer Hohlraum 11 erstreckt sich durch die Mitte des Gefässes 10.
Der Abschnitt der Innenfläche des Gefässes 10, der den Hohlraum 11 begrenzt, ist mit einer Schicht 12 eines elektrisch isolierenden, ultraviolettes und weisses Licht reflektierenden Materials wie beispielsweise Magnesiumoxyd oder Zirkoniumoxyd beschichtet und kann wiederum mit herkömmlichem Phosphor beschichtet werden, um die Wirksamkeit zu erhöhen. Eine Schicht 13 aus Phosphor wie beispielsweise herkömmliches Halophosphat oder Fluorphosphat liegt über der Schicht 12 an dem Abschnitt des Gefässes 10, welcher den Hohlraum 11 begrenzt. Die Innenfläche des Restes des Gefässes 10 ist mit einer Schicht aus Phosphor beschichtet.
Ein hohler zylindrischer Spulenkörper in Form eines Dornes 18 aus einem nichtleitenden, nicht magnetischen Material ist so bemessen, dass er in den Hohlraum 11 passt. Ein Ende des Dornes 18 ist an einem Sockel 19 befestigt, der in eine herkömmliche Glühbirnenfassung schraubbar ist. Der Sockel 19 enthält einen Hochfrequenzoszillator mit einem Schwingkreis, der eine Induktionsspule 20 einschliesst, die um die Oberfläche des Dornes 18 gewickelt ist oder darauf einen Niederschlag bildet. Der einzige Zweck des Dornes 18 besteht darin, die Spule 20 zu stützen, so dass er aus jedem geeigneten Material geringer Kosten konstruiert sein kann.
Das von dem Sockel 19 entfernte Ende der Spule 20 kann mit dem Hochfrequenzoszillator über eine abgeschirmte Leitung verbunden sein, die sich durch die hohle Mitte des Dornes 18 erstreckt Der Sockel 19 hat Kontakte 21 und 22, über welche ein herkömmlicher Wechselstrom von 220 Volt und 50 Hertz zu dem Hochfrequenzoszillator geführt wird. Wenn das Gefäss 10 und der Sockel 19 zusammengebaut sind, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, liegt das von der Spule 20 erzeugte Feld in enger Nähe zu dem ionisierbaren Medium innerhalb des Gefässes 10, so dass die Hochfrequenzenergie von dem Oszillator wirksam mit dem Medium gekoppelt ist.
Der Abschnitt des Gefässes 10, welcher den Sockel 19 berührt, kann damit verkittet sein, um eine zufällige Demontage der Lampe zu verhindern, oder er kann mechanisch mittels einstellbarer Klemmen oder Schrauben gehalten werden, um ein Entfernen der Lampe gewünschtenfalls zu ermöglichen.
In der unten in Verbindung mit Fig. 3 beschriebenen Weise ist der Hochfrequenzoszillator so ausgebildet, um eine ausreichend hohe Spannung an der Spule 20 zu induzieren, wenn die Lampe anfänglich eingeschaltet wird, so dass das sich ergebende elektrische Feld den Quecksilberdampf ionisiert, um eine Entladung zu zünden, und zwar ohne einen äusseren Startschaltkreis. Nachdem die Entladung aufgebaut ist, wird die Hochfrequenzenergie von dem Oszillator über das magnetische Induktionsfeld der Spule 20 mit der Entladung gekoppelt.
Der ionisierte Quecksilberdampf emittiert überwiegend ultraviolettes Licht, das eine Wellenlänge von 253,7 Nanometer aufweist. Ein Teil des ultravioletten Lichtes fliesst auswärts zu der Schicht 14, von welcher es absorbiert wird und den Phosphor erregt, der weisses Licht emittiert, das für eine Beleuchtung zweckmässig ist. Der Rest des ultravioletten Lichtes fliesst einwärts zu dem Hohlraum 11 und wird entweder von der Schicht 13 absorbiert oder von der Schicht 12 zurück in das Innere des Gefässes 10 reflektiert, ohne durch dessen Glaswand zu fliessen. Von der Schicht 13 emittiertes weisses Licht wird ebenfalls von der Schicht 12 zurück in das Innere des Gefässes 10 reflektiert. Dieses weisse Licht fliesst durch die Schicht 14 und das Gefäss 10, um zu dem gesamten, von der Lampe erzeugten Lichtstrom beizutragen.
Durch die Schicht 12 wird ein Austritt von ultraviolettem oder weissem Licht aus dem Entladungsraum in den Hohlraum 11 vermieden, und, da die Schicht 12 innerhalb des Gefässes 10 angeordnet ist, wird eine Schwächung des ultravioletten Lichtes durch nutzlose Übermittlung durch die Glaswand des Gefässes 10 vermieden.
Das Verfahren zum Auswählen der Betriebsfrequenz und der Induktionsfeldstärke ergibt sich am besten durch Berücksichtigung der Betriebserfordernisse der elektrodenlosen Entladung selbst. Die induzierte Spannung, welche die Entladung aufrecht erhält, wird von der Änderungsgeschwindigkeit des magnetischen Flusses im Entladungsraum bestimmt. Da der Entladungsraum normalerweise von der Lampengeometrie hier festgelegt ist, kann man die induzierte Spannung auf den geeigneten Wert lediglich durch Einstellen des Wertes des Produktes der magnetischen Induktion B und der Kreisfrequenz co dieses Feldes einstellen.
Bei einer elektrodenlosen Niederdruckentladung muss die Induktionsfeldfrequenz teilweise auf der Basis der optimierten Zündkriterien für das benützte, die Entladung bildende Gas (oder Dampf), bei dem zu betrachtenden Betriebsdruck ausgewählt werden, primär wegen des nicht notwendigen Verlustes, welcher ein wiederholtes Ionisieren des Gases oder Dampfes zwischen den Spitzen der induzierten Betriebsspannung begleitet.
Es muss beachtet werden, dass vor dem anfänglichen Zünden das Induktionsfeld nicht mit der Lampe oder deren Inhalt zusammenwirkt. Das anfängliche Feld muss demzufolge in seiner Natur elektrisch und von ausreichender Stärke sein, um die Entladung einzuleiten. Ein solches Feld wird geeignet von dem axialen elektrischen Feld der erfindungsgemässen Induktionsspule geschaffen und hat einen Wert von L di/dt pro Spulen länge, wobei L die Luftinduktivität der Spule und di/dt die Änderungsgeschwindigkeit des Induktionsspulenstromes ist, gegeben in der Grösse durch ei. Somit ist die Grösse des elektrischen Startfeldes der Frequenz, mit welcher die Induktionsspule betrieben wird, und dem Induktionsspulenstrom direkt proportional. Eine äussere Starteinrichtung ist nicht erforderlich, wenn eine geeignete Wahl dieser Parameter vorgenommen wird.
Auf dieser Basis kann bei den meisten reinen, die Entladung bildenden Gasen bei geringem Druck eine optimale Feldfrequenz angegeben werden, wenn beachtet wird, dass ein freies Elektron im Entladungsraum auf einer Wegstrecke gleich seiner mittleren freien Weglänge in einer Zeit, die annähernd einen Viertel der Periodendauer des sinusförmigen elektrischen Zündfeldes ist, auf Ionisierungsgeschwindigkeit beschleunigt wird. Frequenzen, die höher als die obige sind, erzielen eine geringere als maximale Ionisierungsgeschwindigkeit, weil das typische Ionisierungselektron, das ausser Phase mit dem angelegten Feld ist, nicht die Ionisierungsgeschwindigkeit innerhalb seiner freien Weglänge erzielt, da das Feld sich umgekehrt und das Partikel abbremst, welches dann thermi sche Kollisionen, jedoch keine ionisierenden herbeiführt.
Frequenzen, die geringer als die obige sind, ergeben eine geringere als maximale Ionisierungsgeschwindigkeit, weil die Elektronen Geschwindigkeit am Ende der mittleren freien Weglänge geringer ist als diejenige, die für das Ionisieren erforderlich ist.
Weiterhin kann in jedem Fall eine adäquate Ionisierung zum Aufrechterhalten der Entladung nur durch Erhöhen der Grösse des Induktionsfeldes von dem minimalen Wert gewährleistet werden, der erforderlich ist, um einen geringeren als optimalen Ionisierungsgrad auszugleichen.
In den meisten Fällen der elektrodenlosen Niederdruckentladungen wird die Induktionsfeldfrequenz, bestimmt auf der Basis des obigen Kriteriums, von einigen Megahertz bis einigen
100 Megahertz, vorzugsweise 3 MHz bis 300 MHz sein, die ein Induktionsfeld von einigen wenigen Gauss für typische Entladungen in allgemeinen Niederdruckgasen mit Entladungsenergieniveaus in der Grössenordnung von einigen Zehn Watt ergibt.
Zum Ausnutzen des Penning-Effektes ist ein Gemisch von die Entladung bildenden Gasen und/oder Dämpfen erforderlich, in welchem der Hauptteil wenigstens einen metastabilen Zustand mit einer Energie grösser als die Ionisierungsenergie des Minderheitteiles aufweist. Es ist bekannt, dass Auswahlregel-Zwangsbedingungen eine Entregung des metastabilen Zustandes durch Strahlung höchst unwahrscheinlich machen, da solche Zustände durch ungewöhnlich lange Lebensdauer im
Bereich von 10 bis 100 Millisekungen gekennzeichnet sind und ein Abbau dieser Zustände grösstenteils ein Kollisionsprozess ist. Im Penning-Gemisch ergibt ein Kollisionsabbau des meta stabil angeregten Hauptteiles eine Ionisierung der Minderheitsbestandteile, da metastabile Energie des ersteren die Ionisie rungsenergie des letzteren übersteigt.
Das Verfahren ist demzufolge sehr wirksam zum der Ionisierung, da jede solche Kolli sion eine Ionisierungskollision ist.
Für Leuchtstofflampen besteht ein zweckmässiges, Plasma bildendes Penning-Gemisch aus einer kleinen Menge Quecksil berdampf innerhalb von Argon. Quecksilberentladungen bei geringem Druck sind wirksame Quellen ultravioletter Strah- lung bei 253,7 nm, die normalerweise für Phosphoranregungen verwendet werden. Ein elektrisches Zünden von Quecksilber, das 10,4 Elektronenvolt erfordert, wird durch das Vorhandensein von Argon erleichtert, welches metastabile Zustände bei
11,49 und 11,66 Elektronenvolt aufweist. In diesem Gemisch sind die Zündkriterien für Quecksilber wegen der relativ langen Lebensdauer des metastabil erregten Argons weniger streng.
Somit ist ein Betrieb des Induktionsfeldes geringerer Frequenz für eine Entladung in einem Penning-Gemisch möglich, als im Fall einer Entladung in reinem Quecksilber. Im allgemeinen werden bei Anwendungen, bezogen auf Leuchtstoffbeleuchtung, wobei das die Entladung bildende Gas ein Penning Gemisch aus Helium, Neon oder Argon und Quecksilber ist und der Gesamtdruck unter Betriebsbedingungen ein bis einige Torr ist, Feldfrequenzen von wenigen Megahertz für elektrodenlosen Leuchtstofflampenbetrieb ausreichen. Die Amplitude des Induktionsfeldes, das für das Aufrechterhalten der Entladung bei der oben gestimmten Frequenz erforderlich ist, wird dann direkt von der Betriebsspannung erreicht, die meist 0,4 bis 0,8 Volt pro Zentimeter Entladungsweg ist.
Zusammengefasst stehen die Grösse und Frequenz des magnetischen Induktionsfeldes, die Gaszusammensetzung des Mediums und der Gasdruck alle in Wechselbeziehung miteinander, so dass im Durchschnitt freie Elektronen in dem Medium auf Ionisierungsgeschwindigkeit auf einer Wegstrecke gleich deren freier Weglänge in einer Zeit beschleunigt werden, die annähernd gleich einer Viertelperiode der Feldfrequenz ist. Dies bewirkt eine optimale Umwandlung von Hoch- frequenzenergie in Licht. Da der Umwandlungswirkungsgrad von der Amplitude des magnetischen Induktionsfeldes, der Zusammensetzung des Gases oder des verwendeten Gasgemisches und von dem Druck des Gases oder Partialdrucken des verwendeten Gasgemisches abhängt, hat der Umwandlungswirkungsgrad als Funktion einer dieser Parameter, einen optimalen Wert für einen gegebenen Wert dieses einen Parameters.
In Fig. 5 ist der Umwandlungswirkungsgrad nea einer Entladung als Funktion der Frequenz f und der magnetischen Induktion B dargestellt. Wie dort gezeigt ist, besteht für jede Frequenz ein entsprechender Wert der Amplitude, bei welchem die Umwandlungswirksamkeit maximal ist, und für jede Amplitude ist ein entsprechender Wert der Frequenz vorhanden, bei welcher der Umwandlungswirkungsgrad maximal ist.
In Fig. 6 ist die magnetische Induktion B als Funktion der Frequenz f des Feldes und des Kehrwertes des Gasdruckes P für ein bestimmtes Gas dargestellt.
Der Stand der Technik bezüglich elektronischer Komponenten legt eine Begrenzung in der Frequenz von Hochfrequenzenergie auf, die ohne bemerkenswerten Verlust des Umwandlungswirkungsgrades von Gleichstromenergie bei einem Kostenfaktor erzeugt werden kann, der erlaubt, dass die sich ergebende Lampe vergleichbar mit Glühbirnen ist. Es wird Bezug genommen auf Fig. 3 für eine Erläuterung einer Ausführungsform des in dem Sockel 19 angeordneten Hochfrequenzoszillators, welcher eine Frequenz von wenigen Megahertz mit durchschnittlich kostenden Komponenten schafft. Es ist von besonderer Bedeutung, dass kein Ferritkern erforderlich ist, um eine wirksame Umwandlung von elektrischer Energie in Licht zu erzeugen. Die Wechselstromenergie von 220 Volt, 50 Hertz, die an Kontakte 21 und 22 angelegt ist, wird in Gleichstrom von ungefähr 170 Volt von dem Gleichrichter 26 umgewandelt.
Ein Glättungskondensator 27, der an dem Ausgang des Gleichrichters 26 angeschlossen ist, glättet den Gleich- strom. Ein Ende des Gleichrichters 26 ist geerdet. Das andere Ende des Gleichrichters 26 ist über einen Vorschaltwiderstand 28 mit der Basis eines Transistors 29 und über eine Hochfrequenzdrosselspule 30 mit dem Kollektor des Transistors 29 verbunden. Ein Kondensator 21 und die Induktionsspule 20 sind in Reihe zwischen dem Kollektor und der Basis des Transistors 29 angeschlossen. Ein Kondensator 32 ist zwischen dem Kollektor des Transistors 29 und der Erde angeschlossen, und ein Kondensator 33 ist zwischen der Basis des Transistors 29 und der Erde angeschlossen. Der Emitter des Transistors 29 ist über einen Vorschaltwiderstand 34 und einen Kondensator 35 geerdet.
Der Schaltkreis arbeitet als Colpitts-Oszillator, modifiziert durch einen Kondensator 31 in Reihe mit der Spule 20, das heisst als Clapp-Oszillator. Die Frequenz des Oszillators wird von dem parallelen Resonanzkreis bestimmt, der die Spule 20 und die effektive Kapazität der Kondensatoren 31,32 und 33 in Reihe und die Elektrodenkapazität des Transistors 29 umfasst.
(Nach dem Zünden der Entladung beeinflusst der durch gestrichelte Linien gezeigte Belastungskreis 36 etwas die Oszillatorfrequenz.) Hochfrequenzströme von dem Schwingkreis werden durch die Spule 30 vom Widerstand 28 abgehalten und über den Kondensator 27 zur Erde abgeleitet. Der Kondensator 31 ist verglichen mit den Kondensatoren 32 und 33 klein; somit ist der Reihenresonanzkreis, der den Kondensator 31 und die Spule 20 umfasst, bei der Oszillatorfrequenz nahe der Resonanz. Vor dem Zünden besteht nur ein geringer Verlust, das heisst Energieverbrauch oder Wirkwiderstand, in dem Reihenresonanzkreis, der den Kondensator 31 und die Spule 20 umfasst, somit ist seine Güte Q hoch. Die Reihenschaltung des Kondensators 31 und der Spule 20 erzeugen daher eine hohe Resonanzspannung an der Spule 20 vor dem Zünden.
Nachdem die Entladung aufgebaut ist, steigt der Energieverbrauch an, und die Güte Q des Schwingkreises nimmt ab; folglich wird die Resonanzüberhöhung der an der Spule 20 liegenden Spannung wesentlich kleiner.
Der Schaltkreis nach Fig. 3 hat die folgenden Komponentenwerte und -arten; Transistor 29 - Motorola Typ 2 N 6498; Kollektor/Emitterkapazität des Transistors 29 - ungefähr 100 Pikofarad; Basis/Emitterkapazität des Transistors 2 ungefähr 400 Pikofarad; Kondensator 31 - 200 Pikofarad; ondensator 32 - 360 Pikofarad; Kondensator 33 - 3900 Pikofarad; Kondensator 35 - 2000 Pikofarad; Kondensator 27 - 150 Mikrofarad; Widerstand 28 - 39 000 Ohm; Widerstand 34 - 20 Ohm; Spule 30 - 40 Mikrohenry; Induktionsspule 20 - 13,7 Mikrohenry.
Der Oszillator schwingt in Resonanz bei 3,6 Megahertz in seinem unbelasteten Zustand, das heisst vor dem Zünden des Quecksilberdampfes. Nach dem Zünden reduziert die von der Entladung in den Schwingkreis reflektierte Induktivität die gesamte effektive Induktivität des Schwingkreises. Ähnlich erhöht die Nähe der Entladung die effektive Kapazität der Induktionsspule etwas, und die von der Entladung absorbierte Energie erhöht bemerkenswert den wirksamen Reihenwiderstand des Schwingkreises. Das Ergebnis ist ein Anstieg der Frequenz des Oszillators in seinem belasteten Zustand auf ungefähr 4 Megahertz. Mit einer effektiven Eingangsspannung von 50 Hertz und 220 Volt verbraucht der Kreis 25 Watt. Die entsprechende Gleichstromeingangsenergie zu dem Oszillator beträgt 23,8 Watt, wobei ein gesamter Ausgang an weissem Licht von 840 Lumen erzeugt wird.
Der verwendete 2 N 6498 Transistor hat eine Grenzfrequenz von 5 MHz und arbeitet in dem beschriebenen Kreis im A-Betrieb bei einem gemessenen Kollektorwirkungsgrad von 44 44%. Somit ist die gesamte Leuchtwirksamkeit der obigen Vorrichtung 840 Lumen/25 Watt oder 33,6 Lumen pro Watt; die Gleichstromleuchtwirksamkeit beträgt 840 Lumen/23,8 Watt oder 35,3 Lumen pro Watt; die Hochfrequenzleuchtwirksamkeit beträgt 840/0,44 x 23,8 oder 80,2 Lumen pro Watt. Eine Verbesserung würde das Einsetzen eines Transistors höherer Frequenz sein, um den C-Betrieb zu ermöglichen, wobei ein Kollektorwirkungsgrad von 70% allgemein ist, um eine gesamte Lichtausbeute von 53,5 Lumen pro Watt der Wechselstromeingangsenergie zu erzeugen.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 4, wobei ein modifizierter Oszillator weniger Komponenten als der Oszillator nach Fig. 3 verwendet. Ähnliche Komponenten tragen die gleichen Bezugsziffern in Fig. 3 und 4. In Fig. 4 ist ein Transistor 38 gezeigt, der so hergestellt ist, dass er eine Elektrodenkapazität hat, die ohne äussere Kondensatoren die Kapazität schafft, die für den Schwingkreis spezifisch ist. So ersetzt die Kollektor/ Emitterkapazität 39 des Transistors 38 den Kondensator 32 in Fig. 3, und die Emitter/Basiskapazität 40 des Transistors 38 ersetzt den Kondensator 33 in Fig. 3. Weiterhin wird eine Komponentenverringerung durch Verbinden des erdverlegten Ausganges des Gleichrichters 26 mit einem Zwischenpunkt an der Induktionsspule 20 erzielt, an welchem das Hochfrequenzpotential Null ist.
Als Ergebnis sind die Spule 30 und der Kondensator 27 nicht mehr notwendig, um den Durchgang von Hochfrequenzstrom durch den Widerstand 28 zu verhindern.
Obwohl die Apparatur zum Erzeugen des Hochfrequenzfeldes, gekoppelt mit dem ionisierbaren Medium, als eine Induktionsspule beschrieben ist, die eine Anzahl von Windungen aufweist und von einem Dorn getragen ist, können andere Ausbildungen zum Erzeugen eines Hochfrequenzfeldes verwendet werden. Diese Tatsache hat eine wesentliche praktische Anwendungsmöglichkeit im Betrieb von herkömmlich verfügbaren rohrförmigen Leuchtstofflampen, nachdem sich ihre Fäden oder Elektroden abgenutzt haben. In einem solchen Fall kann eine Drahtspule um die gesamte Umhüllung der abgenutz- ten Leuchtstofflampe angeordnet werden und von einem Hochfrequenzoszillator in der oben beschriebenen Weise erregt werden. Ein solcher Betrieb kann die nützliche Lebensdauer einer Leuchtstofflampe um ein Beträchtliches verlängern.
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PATENT CLAIMS
1. Method of generating light by electrical
High-frequency discharge in an ionizable medium within a sealed vessel which contains at least one ionizable gas at a given pressure, characterized in that an electromagnetic field is coupled to the medium which is of a magnitude sufficient to ignite a discharge to bring about and after ignition to maintain the high-frequency discharge, the frequency and amplitude of the high-frequency field being chosen so that on average the free
Electrons in the medium are accelerated to ionization speed over a distance which is equal to the mean free path of the electrons in a time which is approximately equal to a quarter of the period of this high-frequency field.
2. The method according to claim 1, characterized in that a frequency between 3 and 300 megahertz is used.
3. The method according to claim 1, characterized in that for a given amplitude of the high-frequency field its frequency is selected so that the efficiency of the conversion of high-frequency energy into emitted radiation energy is a maximum.
4. The method according to claim 1, characterized in that at a given frequency, the amplitude of the high-frequency field is selected so that the efficiency of the conversion of high-frequency energy into emitted radiation energy is a maximum.
5. Electrodeless discharge lamp for carrying out the method according to claim 1, characterized in that an induction coil with a non-magnetic core for generating the electromagnetic high-frequency field is arranged on the discharge vessel with the ionizable medium in such a way that a substantial part of the field penetrates the discharge space.
6. Electrodeless discharge lamp according to claim 5, characterized in that the induction coil has an electrically non-conductive core.
7. Electrodeless discharge lamp according to claim 5, characterized in that the induction coil is connected to a high-frequency oscillator whose output voltage has a frequency between 3 and 300 MHz.
8. Electrodeless discharge lamp according to claim 7, characterized in that the induction coil and a capacitor connected in series with it form the resonant circuit which determines the frequency of the high-frequency oscillator.
9. Electrodeless discharge lamp according to claim 5, characterized in that the induction coil projects into the discharge space within a cavity in the discharge vessel.
10. Electrodeless discharge lamp according to claim 5, characterized in that the discharge vessel contains an inert starting gas and mercury vapor and has a phosphor layer on the inside of the vessel wall which emits white light within the visible spectrum through absorption of the ultraviolet radiation emitted by the ionized mercury vapor
The invention relates to a method for generating light by electrical high-frequency discharge in an ionizable medium within a sealed vessel which contains at least one ionizable gas at a given pressure, and an electrodeless discharge lamp for carrying out the method.
The incandescent lamp is a major source of lighting in homes and businesses. However, its light-emitting filament evaporates and becomes weak with use, so that it is easily broken or detached from its supports. This means that the service life of an incandescent lamp is short and indefinite. In particular, the efficiency of an incandescent lamp when converting electrical energy into light is very low, for example approximately 15 lumens per watt of electrical energy.
Fluorescent lamps are generally more efficient and durable than incandescent lamps. However, the conventional fluorescent lamp requires both a ballast and special fixture to be installed before a lamp can be used. Furthermore, the electrodes are subject to deterioration over time.
Lighting devices in which electrodes are absent are known per se, but are not commercially available.
Devices of this type are described, for example, in U.S. Patents 3,500,158 and 3,521,120. It is assumed that high-frequency air transformers do not result in effective coupling of the energy into the gas discharge, which results in a loss of energy in the form of undesirable and possibly dangerous radiation. For this reason, such devices would never have worked successfully for an extended period of time with an acceptable level of efficiency. It is therefore proposed to arrange a ferrite core within the induction coil in order to promote an effective coupling of the energy into the electrodeless gas discharge. In fact, however, ferrite materials tend to be disadvantageous in such an arrangement.
First, such materials increase the inductance of the induction coil to such an extent that adequate high frequency operation is impossible. Thus, ferrite core devices are low frequency devices and require excessively high induction field strengths to operate. Second, hysteresis losses in ferrite cores encourage heating of the ferrite material, and the current circulating in the coil wound around the ferrite core also promotes conductive heating of the core, as does direct and indirect optical radiation emitted by the discharge that strikes the core or material in between , and like any Ohmic effect in the core.
It is known that at the Curie temperature, normally in the vicinity of 100 "to 150 Celsius, the permeability of most known ferrites decreases discontinuously to a very low value. When this core temperature is reached during operation, the current consumption of the induction coil decreases as a result of the large Decrease in their inductance and thus the size of the induction field, the discharge is extinguished, and the now unloaded transistor quickly fails due to the thermal instability. Also, the cost of a suitable ferrite core for such devices is in the same order of magnitude as the cost of the rest of the electronic device that keeps the discharge going.
Thus, such a core not only reduces the effectiveness and operational safety of such a device, but also makes it more expensive.
In the known apparatus, an auxiliary discharge starting device applies an electric field to the lamp to create an initial ionization. Energy is then coupled to the discharge with the aid of the magnetic alternating field of the ferrite core. The input voltage and current for the five turn primary winding of the ferrite transformer are 50 volts and 0.6 amps, respectively, at a frequency of 50 kilohertz, while the induced voltage and current are reported as approximately 10 volts and 3 amps, respectively, with a core loss of approximately 3 watts. The light output is specified as 40 lumens per watt, but this value does not include significant circuit losses.
Laboratory tests have confirmed that the same
directed input voltage to this circuit is 155 volts when derived from a 110 volt ac line. An input of 50 volts to the ferrite transformer can only be achieved in A-mode of the high-frequency oscillator, where a 30-watt high-frequency output requires an input power of more than 60 watts. As a result, the total light output of this device cannot be greater than 20 lumens per watt, a value that is only slightly higher than the light output of a conventional incandescent lamp.
In contrast, the method according to the invention is characterized in that an electromagnetic field is coupled to the medium, which has a size that is sufficient to cause the ignition of a discharge and to maintain the high-frequency discharge after ignition, with the frequency and amplitude of the high-frequency field be chosen such that, on average, the free electrons in the medium on a path which is equal to the mean free path of the electrons, in a time which is approximately equal to a quarter of the
Period of this high-frequency field is accelerated to ionization speed.
In general, according to the prior art, the electronic components limit the choice of frequency and / or the amplitude of the high-frequency field to be generated.
It is therefore advantageous to choose the amplitude for given values for field frequency, gas pressure and gas composition, or the frequency of the high-frequency field given given values for field amplitude, gas pressure and gas composition in order to maximize the conversion efficiency of high-frequency energy into light. In general, the frequency is preferably in the range of 3 to 300 megahertz for good efficiency. Further, the efficiency of converting direct current energy to radio frequency energy can also be optimized by observing the constraints placed on the value of the frequency and / or amplitude of the radio frequency field by the operating characteristics of the electronic components generating the radio frequency.
In summary, since the free path depends on the particular gas composition and the particular pressure, the pressure and gas composition of the ionizable medium and the frequency and amplitude of the high-frequency field are the four interrelated variables that determine the efficiency with which the High frequency energy coupled with the medium is converted into light. The conversion efficiency as a function of one of these variables, while the other three quantities are kept constant, has an optimal value for a particular value of this one variable.
In a preferred embodiment of the invention, a sealed vessel that is designed like a light bulb is filled with mercury vapor and an inert ignition gas such as argon. A layer of fluorescent light emitting phosphor is provided on the inner surface of the vessel and an induction coil is placed in an open cylindrical space extending through the vessel so that a substantial part of its magnetic induction field is in the discharge space.
A high-frequency oscillator, which has a resonant circuit which includes the coil in series with a capacitor, is arranged within a base which can be screwed into a conventional light bulb socket. The oscillator generates electrical energy at a high frequency of 4 megahertz that is applied to the coil to create the field. The electric field on the coil initiates the ionization of the mercury vapor in the vessel, and the magnetic induction field maintains such ionization to emit ultraviolet light, which excites the phosphor to emit white light.
An electrically isolated, ultraviolet reflective layer may be provided under the phosphor on the inner surface of the portion of the vessel which delimits the cylindrical cavity in order to better utilize the emitted ultraviolet light.
Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. In the drawing show:
1 shows a partially sectioned side view of an electrodeless discharge lamp, the vessel being removed from the base,
FIG. 2 shows a side view of the lamp according to FIG. 1, the vessel being arranged on the base,
3 shows a circuit diagram of the high-frequency oscillator which is arranged within the base of the lamp shown in FIGS. 1 and 2,
FIG. 4 is a circuit diagram of a modification of the high-frequency oscillator according to FIG. 3,
5 shows a graph of the conversion efficiency of the lamp shown in FIGS. 1 and 2 as a function of the frequency and the amplitude of the magnetic induction field, and
6 is a graph of the discharge parameters, pressure, frequency and induction field amplitude for a particular gas.
In stark contrast to the prior art, it has been found that an effective coupling of energy into the discharge is not a particular problem if the discharge system is designed for the method described below and the discharge itself is the lossy part of the resonance circuit of the electronic System is. Thus, within practical limits, no notable limit value conditions are determined with regard to the induction system design in the generation of electrodeless gas discharges, in particular for lighting purposes.
Electrodeless gas discharges have been successfully generated both inside and outside conventional high-frequency coils, loops with one turn and extensive constructions such as bifilar circles, whereby the shape of the discharge vessel has been varied from a spherical shape to a long cylinder. It has been observed that virtually any type of inductor can be used to effectively excite electrodeless lamps. So one can easily achieve that induced currents flow along a long cylindrical lamp on one side of the lamp and back on the other side of the lamp by simply placing the lamp close to a short-circuited high-frequency current carrying bifilar circuit which runs along the lamp.
Such a circuit can, for example, successfully feed conventional fluorescent lamps in which a filament was previously burned out.
The present invention includes ferrite and others
Core materials for economically viable arrangements for the reasons given above. The coupling of high frequency energy from the coreless coil to the discharge does not pose a serious problem to the skilled person, provided that only the appropriate discharge parameters are selected in the manner described. In fact, maximum energy transfer to the discharge is achieved when the induction coil and the plasma form the inductive elements of a tuned resonant circuit. In the case of resonance, the impedance presented to the high-frequency source by the inductance formed by the induction coil and the plasma influenced by its field in conjunction with a suitable capacitor is a purely ohmic resistance.
The prior art teaches the need for starting aids for the ignition of the discharge, ranging from the piston heating to the capacitive discharge technique to the use of step-up transformers to achieve an overvoltage for the ignition of the neutral gas.
Such an auxiliary device has not been found to be necessary if the method according to the invention is used in the selection of the suitable discharge parameters.
Furthermore, an auxiliary discharge starting device increases the system cost and degrades the reliability of the system and consequently must be excluded from economical electrodeless arc lighting systems. In considering the criteria that determine the economic viability of an electrodeless fluorescent lamp, it must be noted that efficiency, system reliability and component cost are the main factors which, in combination, determine the economic viability of the invention. The present invention teaches the method of optimizing low pressure electrodeless gas discharge which, when used in an electrodeless fluorescent lamp system compatible with conventional Edison socket lighting fixtures, achieves an efficiency approaching that of conventional fluorescent lamps.
System reliability is increased through suitable training in the optimization process and further through the omission and removal of unnecessary components.
Thus, ferrite cores, multiple turns, auxiliary starting circuitry, external reflectors and similar components have been found detrimental to system reliability and have been excluded from any realistic system design. Such omission beneficially and markedly reduces system costs and increases reliability, and has been found to be essential in an article intended for widespread production and use.
In FIGS. 1 and 2, a sealed, translucent glass vessel 10 is filled with an ionizable gaseous medium which comprises a mixture of mercury vapor and an inert gas such as argon. The vessel 10 is shown in the form of a light bulb; however, any sealed vessel such as a sphere is sufficient. Typically the partial pressure of argon is on the order of 1 to 5 torr. The purpose of the argon is to facilitate the initiation of a mercury discharge within the vessel 10 via the well-known Penning effect, as described below. An open cylindrical cavity 11 extends through the center of the vessel 10.
The portion of the inner surface of the vessel 10 which delimits the cavity 11 is coated with a layer 12 of an electrically insulating, ultraviolet and white light reflecting material such as magnesium oxide or zirconium oxide and can in turn be coated with conventional phosphorus in order to increase the effectiveness. A layer 13 of phosphorus such as conventional halophosphate or fluorophosphate lies over the layer 12 on the section of the vessel 10 which delimits the cavity 11. The inner surface of the rest of the vessel 10 is coated with a layer of phosphorus.
A hollow cylindrical bobbin in the form of a mandrel 18 made of a non-conductive, non-magnetic material is dimensioned such that it fits into the cavity 11. One end of the mandrel 18 is attached to a base 19 which can be screwed into a conventional light bulb socket. The base 19 contains a high frequency oscillator with a resonant circuit which includes an induction coil 20 which is wound around the surface of the mandrel 18 or forms a deposit thereon. The sole purpose of the mandrel 18 is to support the spool 20 so that it can be constructed of any suitable low cost material.
The end of the coil 20 remote from the base 19 may be connected to the radio frequency oscillator by a shielded line extending through the hollow center of the mandrel 18. The base 19 has contacts 21 and 22 through which a conventional alternating current of 220 volts and 50 Hertz is fed to the high frequency oscillator. When the vessel 10 and the base 19 are assembled as shown in FIG. 2, the field generated by the coil 20 is in close proximity to the ionizable medium within the vessel 10 so that the radio frequency energy from the oscillator is effective with the Medium is coupled.
The portion of the vessel 10 which contacts the base 19 can be cemented therewith to prevent accidental disassembly of the lamp, or it can be held mechanically by means of adjustable clamps or screws to enable removal of the lamp, if desired.
In the manner described below in connection with FIG. 3, the high frequency oscillator is designed to induce a sufficiently high voltage on coil 20 when the lamp is initially turned on so that the resulting electric field ionizes the mercury vapor to produce a discharge to ignite, without an external starting circuit. After the discharge is established, the high frequency energy from the oscillator is coupled to the discharge via the magnetic induction field of the coil 20.
The ionized mercury vapor emits mainly ultraviolet light, which has a wavelength of 253.7 nanometers. Part of the ultraviolet light flows outward to the layer 14, by which it is absorbed and excites the phosphor, which emits white light which is useful for illumination. The rest of the ultraviolet light flows inwards to the cavity 11 and is either absorbed by the layer 13 or reflected by the layer 12 back into the interior of the vessel 10 without flowing through its glass wall. White light emitted by the layer 13 is also reflected back into the interior of the vessel 10 by the layer 12. This white light flows through the layer 14 and the vessel 10 in order to contribute to the entire luminous flux generated by the lamp.
The layer 12 prevents ultraviolet or white light from escaping from the discharge space into the cavity 11, and since the layer 12 is arranged inside the vessel 10, a weakening of the ultraviolet light through useless transmission through the glass wall of the vessel 10 is avoided .
The method of selecting the operating frequency and the induction field strength is best obtained by considering the operating requirements of the electrodeless discharge itself. The induced voltage which sustains the discharge is determined by the rate of change of the magnetic flux in the discharge space. Since the discharge space is normally determined by the lamp geometry here, the induced voltage can be set to the appropriate value only by adjusting the value of the product of the magnetic induction B and the angular frequency co of this field.
In the case of an electrodeless low-pressure discharge, the induction field frequency has to be selected partly on the basis of the optimized ignition criteria for the gas (or vapor) used, which forms the discharge, at the operating pressure to be considered, primarily because of the unnecessary loss caused by repeated ionization of the gas or vapor accompanied between the peaks of the induced operating voltage.
It must be noted that before the initial ignition, the induction field does not interact with the lamp or its contents. The initial field must therefore be electrical in nature and of sufficient strength to initiate the discharge. Such a field is suitably created by the axial electrical field of the induction coil according to the invention and has a value of L di / dt per coil length, where L is the air inductance of the coil and di / dt is the rate of change of the induction coil current, given in size by ei. Thus, the size of the electrical starting field is directly proportional to the frequency with which the induction coil is operated and the induction coil current. An external starting device is not required if these parameters are appropriately selected.
On this basis, an optimal field frequency can be specified for most of the pure gases forming the discharge at low pressure, provided that it is observed that a free electron in the discharge space covers a distance equal to its mean free path in a time that is approximately a quarter of the period of the sinusoidal electrical ignition field is accelerated to ionization speed. Frequencies higher than the above achieve a lower than maximum ionization speed because the typical ionization electron, which is out of phase with the applied field, does not achieve the ionization speed within its free path, since the field reverses and the particle decelerates which then thermal collisions, but no ionizing ones.
Frequencies less than the above result in less than maximum ionization velocity because the electron velocity at the end of the mean free path is less than that required for ionization.
Furthermore, adequate ionization to maintain the discharge can only be ensured in any case by increasing the size of the induction field from the minimum value which is required to compensate for a lower than optimal degree of ionization.
In most cases of the low pressure electrodeless discharges, the induction field frequency determined on the basis of the above criterion is from a few megahertz to a few
100 megahertz, preferably 3 MHz to 300 MHz, which results in an induction field of a few Gauss for typical discharges in general low pressure gases with discharge energy levels in the order of magnitude of a few tens of watts.
To take advantage of the Penning effect, a mixture of gases and / or vapors forming the discharge is required, in which the main part has at least one metastable state with an energy greater than the ionization energy of the minority part. It is known that selection rule constraints make de-excitation of the metastable state by radiation extremely unlikely, since such states are caused by unusually long lifetimes in the
Range from 10 to 100 milliseconds are marked and a reduction of these states is largely a collision process. In the Penning mixture, a collision breakdown of the metastable excited main part results in ionization of the minority components, since the metastable energy of the former exceeds the ionization energy of the latter.
The method is therefore very effective for ionization, since each such collision is an ionization collision.
For fluorescent lamps there is an appropriate Penning mixture which forms plasma and consists of a small amount of mercury vapor within argon. Mercury discharges at low pressure are effective sources of ultraviolet radiation at 253.7 nm, which are normally used for phosphorus excitation. An electrical ignition of mercury, which requires 10.4 electron volts, is facilitated by the presence of argon, which in metastable states
11.49 and 11.66 electron volts. In this mixture, the ignition criteria for mercury are less strict because of the relatively long life of the metastable argon.
It is thus possible to operate the induction field at a lower frequency for a discharge in a Penning mixture than in the case of a discharge in pure mercury. In general, in applications relating to fluorescent lighting, where the gas forming the discharge is a Penning mixture of helium, neon or argon and mercury and the total pressure under operating conditions is one to a few Torr, field frequencies of a few megahertz are sufficient for electrodeless fluorescent lamp operation. The amplitude of the induction field, which is required to maintain the discharge at the frequency set above, is then achieved directly from the operating voltage, which is usually 0.4 to 0.8 volts per centimeter of discharge path.
In summary, the size and frequency of the magnetic induction field, the gas composition of the medium and the gas pressure are all interrelated so that on average free electrons in the medium are accelerated to ionization speed on a distance equal to their free path in a time that is approximately equal to one Quarter period of the field frequency. This results in an optimal conversion of high frequency energy into light. Since the conversion efficiency depends on the amplitude of the magnetic induction field, the composition of the gas or the gas mixture used and on the pressure of the gas or partial pressures of the gas mixture used, the conversion efficiency as a function of one of these parameters has an optimal value for a given value of this one parameter .
In Fig. 5 the conversion efficiency nea of a discharge as a function of the frequency f and the magnetic induction B is shown. As shown there, for each frequency there is a corresponding value of the amplitude at which the conversion efficiency is maximum, and for each amplitude there is a corresponding value of the frequency at which the conversion efficiency is maximum.
In Fig. 6 the magnetic induction B is shown as a function of the frequency f of the field and the reciprocal value of the gas pressure P for a specific gas.
The prior art relating to electronic components places a limit on the frequency of radio frequency energy that can be produced without appreciable loss in conversion efficiency of DC energy at a cost that allows the resulting lamp to be comparable to incandescent bulbs. Reference is made to FIG. 3 for an explanation of an embodiment of the high-frequency oscillator which is arranged in the base 19 and which creates a frequency of a few megahertz with average cost components. It is of particular importance that a ferrite core is not required to produce an efficient conversion of electrical energy to light. The 220 volt, 50 Hertz AC power applied to contacts 21 and 22 is converted to approximately 170 volt DC power by rectifier 26.
A smoothing capacitor 27, which is connected to the output of the rectifier 26, smooths the direct current. One end of the rectifier 26 is grounded. The other end of the rectifier 26 is connected to the base of a transistor 29 via a series resistor 28 and to the collector of the transistor 29 via a high-frequency choke coil 30. A capacitor 21 and the induction coil 20 are connected in series between the collector and the base of the transistor 29. A capacitor 32 is connected between the collector of transistor 29 and ground, and a capacitor 33 is connected between the base of transistor 29 and ground. The emitter of transistor 29 is grounded via a series resistor 34 and a capacitor 35.
The circuit operates as a Colpitts oscillator, modified by a capacitor 31 in series with the coil 20, that is to say as a Clapp oscillator. The frequency of the oscillator is determined by the parallel resonance circuit which comprises the coil 20 and the effective capacitance of the capacitors 31, 32 and 33 in series and the electrode capacitance of the transistor 29.
(After the discharge has ignited, the load circuit 36 shown by dashed lines influences the oscillator frequency somewhat.) High-frequency currents from the resonant circuit are kept away from the resistor 28 by the coil 30 and diverted to earth via the capacitor 27. The capacitor 31 is small compared to the capacitors 32 and 33; thus the series resonance circuit comprising the capacitor 31 and the coil 20 is close to resonance at the oscillator frequency. Before ignition, there is only a small loss, that is to say energy consumption or effective resistance, in the series resonance circuit which comprises the capacitor 31 and the coil 20, so its quality Q is high. The series connection of the capacitor 31 and the coil 20 therefore generate a high resonance voltage on the coil 20 before ignition.
After the discharge has built up, the energy consumption increases and the Q of the resonant circuit decreases; consequently, the excess resonance of the voltage applied to coil 20 is significantly smaller.
The circuit of Figure 3 has the following component values and types; Transistor 29 - Motorola Type 2 N 6498; Collector / emitter capacitance of transistor 29 - approximately 100 picofarads; Base / emitter capacitance of transistor 2 approximately 400 picofarads; Capacitor 31-200 picofarads; ondensator 32-360 picofarads; Capacitor 33-3900 picofarads; Capacitor 35-2000 picofarads; Capacitor 27-150 microfarads; Resistance 28-39,000 ohms; Resistor 34 - 20 ohms; Coil 30-40 microhenries; Induction coil 20 - 13.7 microhenry.
The oscillator oscillates in resonance at 3.6 megahertz in its unloaded state, i.e. before the mercury vapor ignites. After ignition, the inductance reflected by the discharge in the resonant circuit reduces the total effective inductance of the resonant circuit. Similarly, the proximity of the discharge increases the effective capacitance of the induction coil somewhat, and the energy absorbed by the discharge remarkably increases the effective series resistance of the resonant circuit. The result is an increase in the frequency of the oscillator in its loaded state to approximately 4 megahertz. With an effective input voltage of 50 Hertz and 220 volts, the circuit consumes 25 watts. The corresponding DC input power to the oscillator is 23.8 watts, producing a total white light output of 840 lumens.
The 2 N 6498 transistor used has a cut-off frequency of 5 MHz and works in the circuit described in A mode with a measured collector efficiency of 44 44%. Thus, the total lighting efficiency of the above device is 840 lumens / 25 watts or 33.6 lumens per watt; the DC luminosity is 840 lumens / 23.8 watts or 35.3 lumens per watt; the high frequency luminous efficacy is 840 / 0.44 x 23.8 or 80.2 lumens per watt. One improvement would be to use a higher frequency transistor to enable C operation, with a collector efficiency of 70% being general, to produce a total light output of 53.5 lumens per watt of AC input power.
Referring to FIG. 4, a modified oscillator uses fewer components than the oscillator of FIG. 3. Similar components have the same reference numbers in FIGS. 3 and 4. In FIG. 4, a transistor 38 is shown which is manufactured so that it has an electrode capacitance which, without external capacitors, creates the capacitance which is specific for the resonant circuit. Thus, the collector / emitter capacitance 39 of the transistor 38 replaces the capacitor 32 in FIG. 3, and the emitter / base capacitance 40 of the transistor 38 replaces the capacitor 33 in FIG Achieved intermediate point on induction coil 20 at which the high frequency potential is zero.
As a result, the coil 30 and the capacitor 27 are no longer necessary to prevent the passage of high frequency current through the resistor 28.
Although the apparatus for generating the radio frequency field coupled to the ionizable medium is described as an induction coil having a number of turns and carried by a mandrel, other configurations for generating a radio frequency field can be used. This fact has substantial practical application in the operation of conventionally available tubular fluorescent lamps after their filaments or electrodes have worn out. In such a case, a wire coil can be placed around the entire envelope of the worn fluorescent lamp and excited by a high frequency oscillator in the manner described above. Such operation can significantly extend the useful life of a fluorescent lamp.