CZ278979B6 - Fluorescent lamp - Google Patents

Description

(57) Anotace:

Řešení má výbojový prostor (3) omezený z vnějšku baňkou (1) a vnitřní element (2), umístěný v baňce (1) a omezující výbojový prostor (3) z vnitřku, a výbojové elektrody (7,8). Celá vnitřní stěna baňky (1) a vnější stěna vnitřního elementu (2) Jsou potaženy luminiscenční vrstvou (4,9) a uvnitř vnitřního elementu (2) je alespoň po části délky elektricky vodivý materiál (13) spojený elektricky alespoň s jednou výbojovou elektrodou. Vnitřní element (2) tvoří nosič kondenzátorových elementů (12), které jsou uložený vjeho vnitřním prostoru (11), orientují elektrické napětí kolmé k výbojové dráze a jsou spojeny vodiči (15,16) s vysokofrekvenčním generátorem (20) a předřadníky. Vnitřní prostor (11) vnitřního elementu (2) otevřený do atmosféry Je plynotěsně uzavřen vůči výbojovému prostoru (3).

Zářivka

Oblast techniky

Vynález se týká zářivky, ve které při přiložení napětí k elektrodám nastává v uzavřeném prostoru výboj v plynu.

Dosavadní stav techniky

Takové zářivky jsou známé z německého patentového spisu DE 11 99 882. Z německých spisů DE 27 25 412, č. DE 28 35 574, z amerických patentových spisů US 36 09 436 a US 2001 501 a z britského patentového spisu GB 518 204 je dále známé uspořádat ve vnitřním prostoru zářivek přídavně rovné nebo zahnuté výbojové trubice a opatřit je větším počtem výbojových elektrod. Z uvedeného německého patentového spisu DE 27 25 412 je dále známé opatřit vnější stěnu výbojové trubice přes polovinu jejího obvodu a po celé délce luminiscenční vrstvou. Zářivky podle uvedených spisů jsou malé, mají závitovou patici a k výboji dochází ve vnitřní výbojové trubici a v baňce zářivky. Elektrický výboj ve výbojových prostorech generuje nejprve ultrafialové záření, které se v luminiscenční vrstvě přeměňuje ve viditelné světlo. Ultrafialové záření, generované ve vnitřní výbojové trubici, se však zúčastní jen v malé míře na tvorbě viditelného světla, vyzařovaného z povrchu baňky do okolí. Z tohoto důvodu je světelný výtěžek takových zářivek poměrně nízký. Elektrická energie, která je potřebná k výboji ve vnitřní výbojové trubici, obnáší asi 50 % celkového elektrického příkonu a v celkovém efektu se těchto 50 % zúčastní jen asi 10 % z celkového světelného výtěžku. Další nedostatek známých zářivek spočívá v tom, že je obtížné dosáhnout homogenního rozložení světla na povrchu baňky. Velký počet výbojových elektrod, nezbytných v takových zářivkách, představuje další ekonomickou nevýhodu. Mimo to je pro řízení elektrod nezbytné složité a tedy drahé elektrické zapojení.

Ke stavu techniky patří i výbojky, které jsou z literatury známé pod označením kompaktní zářivky. Z publikace TechnischWissenschaftliche Abhandlung firmy Osram, 1986, sv. 12, str. 383 až 393, je známé, že tyto kompaktní zářivky jsou vybaveny vestavěnými předřadníky a závitovou patici a že jsou napájeny vyššími kmitočty napájecího proudu. Výhody kompaktních zářivek ve srovnání s zářivkami, popsanými v uvedených pat. spisech, jsou jejich vyšší účinnost a snížené blikání světla. I přes své výhody jsou však tyto kompaktní zářivky drahé a jejich světelný výtěžek je poměrně nízký. Pokud jde o zmíněnou zářivku podle německého patentového spisu 11 99 882, ze které vynález vychází, jedná se o výbojku, kde vnitřní element jako elektricky vodivý konstrukční prvek slouží především jako pomocná zapalovací elektroda a současně zvětšuje takzvanou rekombinační plochu výbojového prostoru.

Úkolem vynálezu je zlepšit účinnost takových zářivek a přitom snížit jejich výrobní náklady.

Podstata vynálezu

Tento úkol splňuje zářivka s výbojovým prostorem omezeným z vnějšku baňkou a obsahujícím výbojové elektrody a protáhlý

-1CZ 278979 B6 vnitřní element, omezující výbojový prostor z vnitřku, přičemž celá vnitřní stěna baňky a vnější stěna vnitřního elementu je povlečena luminiscenční vrstvou a uvnitř vnitřního elementu je alespoň v části celé délky uspořádán elektricky vodivý materiál, spojený s výbojovou elektrodou, podle vynálezu. Jeho podstatou je, že vnitřní element je ve svém vnitřním prostoru opatřen kondenzátorovými elementy sahajícími alespoň přes část jeho délky, které jsou spojeny vodiči s vysokofrekvenčním generátorem a předřadníky, přičemž vnitřní prostor vnitřního elementu, otevřený do atmosféry, je plynotěsně uzavřen proti výbojovému prostoru.

Podle výhodného provedení vynálezu jsou na obou koncích vnější stěny vnitřního elementu v blízkosti ústí plynotěsně umístěny výbojové elektrody, spojené vodiči s napěťovými zdroji a předřadníky. Na jednom konci vnější stěny vnitřního elementu je v blízkosti ústí plynotěsně uspořádána jedna výbojová elektroda a na opačném konci vnitřní stěny vnitřního elementu je vytvořen kondenzátorový element a je spojen vodičem s vysokofrekvenčním generátorem.

Podle dalšího výhodného provedení může být vnitřní prostor vnitřního elementu vyplněn alespoň v části své délky elektricky vodivým materiálem a je spojen vodiči s napěťovým zdrojem a předřadníky. Alternativně může být na vnitřní stěně vnitřního elementu alespoň po části jeho celé délky uspořádána mřížka, spojená vodičem s napěťovým zdrojem a předřadníky.

Princip funkce zářivky podle vynálezu spočívá na rozdíl od všech dosavadních zářivek na dvou elektrických polích, přičemž první pole leží mezi dvěma výbojovými elektrodami ve výbojovém prostoru, zatímco druhé pole, tvořené kondenzátorovými elementy, prochází od vnitřního prostoru vnitřního elementu kolmo k prvnímu poli.

Výhoda zářivky podle vynálezu spočívá v podstatně vyšším světelném výtěžku na jednotku přiváděné elektrické energie v porovnání se světelným výtěžkem běžných zářivek. Dosažitelná účinnost zářivky podle vynálezu je přibližně dvojnásobná než účinnost známých zářivek, napájených frekvencí 50 Hz. Účinnost zářivky podle vynálezu je asi l,6násobkem známých kompaktních zářivek, napájených s frekvencí 35 kHz. Další přednost spočívá v homogenním rozložení světla na povrchu baňky. Předřadníky, potřebné pro vytvoření obou elektrických polí, jsou výrobně jednoduché a levnější než předřadníky známých zářivek se srovnatelným světelným výtěžkem, nehledě na to, že celkové výrobní náklady na zářivku podle vynálezu jsou oproti nákladům na známé zářivky podstatně nižší.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je vysvětlen na příkladech provedení na připojených výkresech, kde na obr. 1 je částečný řez a pohled na zářivku podle vynálezu ve tvaru trubice, na obr. 2 je ve zvětšeném měřítku příčný řez zářivkou, vedený v rovině II-II na obr. 1, na obr. 3 je podélný řez koncem vnitřního elementu zářivky z obr. 1, na obr. 4- je podélný řez a pohled na zářivku ve tvaru žárovky, na obr. 5 jev řezu jedno provedení vnitřního elementu, na obr. 6 je grafické znázornění gradientu potenciálu v závislosti na proudové

-2CZ 278979 B6 hustotě, na obr. 7 je graf impulsového napětí na kondenzátorové desce v závislosti na čase, na obr. 8 je graf výbojového napětí v čase a na obr. 9 je princip funkce zářivky podle vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Zářivka podle obr. 1 až 3 sestává z baňky 1 ve tvaru trubky a z výbojového prostoru 3, který je omezen baňkou 1 a vnitřním elementem 2. Vnitřní stěna baňky 1 je pokryta luminiscenční vrstvou 4,. Výbojový prostor 3 je naplněn rtuťovými parami a vzácným plynem nebo směsí vzácných plynů. U obou vnitřních konců baňky jsou ve výbojovém prostoru 3 umístěny na vnitřním elementu 2 výbojové elektrody 7, 8^, mezi nimiž probíhá ve výbojovém prostoru

3. elektrický výboj. Vnější plocha vnitřního elementu 2 je na celé délce také pokryta luminiscenční vrstvou 9 nebo povlečena reflexní vrstvou ultrafialového záření. Vnitřní element 2 je umístěn soustředně s podélnou osou baňky 1 tak, že jeho ústí 10 je připevněno plynotěsně k vnitřním koncům baňky 1 a společně s baňkou zataveno do patic 5, 6. Vnitřní element 2 sestává stejně jako baňka 1 ze skleněné trubice.

V provedení podle obr. 3 je elektroda 8 plynotěsně přitavena na ústí 10 vnitřního elementu 2 a spojena vodiči 17 , 18 se sítí přes předřadníky. Elektroda 7 na druhém konci je stejným způsobem zatavena do druhé patice 5. Ve vnitřním prostoru 11 vnitřního elementu 2 je uspořádán jeden nebo několik kondenzátorových elementů 12, spojených vodiči 15, 16 s napěťovým zdrojem 21, který na naznačen na obr. 9 a uspořádán v delší patici 6. Kondenzátorový element nebo elementy 12 jsou z plechu, síta, kovové vrstvy a podobně. Tyto kondenzátorové elementy 12 však mohou sestávat také z jemných kovových třísek, z hliníkové vlny nebo kovové mřížky 14 kterými je vnitřní prostor 11 vnitřního elementu 2 jednoduše vyplněn. Vždy jde přitom o vodivý materiál 13.· Kondenzátorové elementy 12 tvoří tedy kondenzátory tím, že jsou při provozu zářivky nabité. Elektricky vodivá plazma ve výbojovém prostoru přitom tvoří druhý elektrický vodič kondenzátoru a stěna vnitřního elementu 2 tvoří dielektrikum. V tomto kondenzátoru osciluje elektrické pole, vyvolané napěťovým zdrojem v patici. Vodiči 17, 18 teče k elektrodě 8. proud, který vyvolává současně i mezi elektrodami 7 a 8 výboj.

Patice 5, 6 jsou uspořádány tak, aby se daly zasunout do normálních objímek. Délka zářivky z obr. 1 může být podle potřeby například 450 mm až 2 370 mm a průměr baňky 1 může být například 30 mm až 55 mm. Vzdálenost D mezi vnější stěnou baňky 1 a vnější stěnou vnitřního elementu 2 může být například 5 mm až 13 mm.

Obr. 4 a 5, kde je použito stejných vztahových značek, znázorňují tzv. kompaktní zářivku, která je opatřena v patici 6 zabudovanými předřadníky, tedy vysokofrekvenčním generátorem 20 a filtrační tlumivkou 24, j^e opatřena závitovou patici 19 a dá se tedy zašroubovat do běžných objímek pro žárovky. Kondenzátorový element 12 sahá po celé délce vnitřního prostoru 11 vnitřního elementu 2 a je s výhodou tvořen kovovou mřížkou 14 , která se při výrobě vnitřního elementu 2 jednoduše zasune do skleněné trubice. Vodič 22 spojuje kondenzátorový element 12 s neznázorněným napěťovým zdrojem, umístěným v patici 6.

-3CZ 278979 B6

V provedení podle obr. 5 je na vnitřním elementu 2 umístěna jenom jedna výbojová elektroda 8 na jeho ústí 10 a na druhém konci vnitřního prostoru 11 krátký kondenzátorový element 12, z něhož vede vodič 22 k napěťovému zdroji 21 v patici 6. Druhý pól napěťového zdroje 21 je spojen vodičem 16 a vysokofrekvenčním generátorem 20 s elektrodou 8. Elektrický obvod mezi kondenzátorovým elementem 12 a plazmou ve výbojovém prostoru 2 j^e uzavřen stěnou vnitřního elementu 2. Délka této zářivky může být například 150 mm až 250 mm a vnější průměr baňky 1 může být. 30 mm až 60 mm.

Vnitřní prostor 11 vnitřního elementu 2 není uzavřen vůči okolní.atmosféře, což platí i pro vnitřní prostor 11 vnitřního elementu 2. zářivky podle obr. 1. Všechny vodiče zářivek z obr. 1 až 5 jsou umístěny ve vnitřním prostoru 11 vnitřního elementu

2.

Podle žádaného výkonu a podle celkových geometrických a elektrotechnických parametrů zářivek se volí provedení s jedním kondenzátorovým elementem 12 nebo se dvěma oddělenými kondenzátorovými elementy 12. Závisí to na frekvenci napětí přiloženého ke kondenzátorovým elementům 12 a na tom, jaká je vzdálenost D mezi vnitřním elementem 2 a baňkou 1. Když je vzdálenost D malá, musí být frekvence elektrického napětí na kondenzátorových deskách vyšší, než při větší vzdálenosti D. Světelný výtěžek zářivky je nepřímo úměrný vzdálenosti D mezi vnitřním elementem 2 a baňkou 1, což znamená, že při zmenšení vzdálenosti D stoupá světelný výtěžek a naopak. Druhým parametrem, který zvyšuje účinnost zářivky, je frekvence napětí přiloženého ke kondenzátorovým elementům 12. Třetím důležitým parametrem ke zvýšení účinnosti zářivky je trvání tzv. monopolárního elektrického impulsu, přiváděného na kondenzátorové elementy 12,. Když je trvání impulsu krátké, tzn. , když je kratší doba vzrůstu impulsu, je účinnost zářivky vyšší.

Zářivka podle obr. 1 je připojena obvyklým způsobem k síťovému napětí s frekvencí 50 Hz. Po zapálení teče proud mezi elektrodami 7. a 8. a současně na něj působí kolmo napětí kondenzátorového elementu 12, jak ukazuje schematicky obr. 9. Toto kolmé napětí zvyšuje elektrický odpor plazmy ve výbojovém prostoru 3; odpor plazmy vzrůstá úměrně s tímto kolmým napětím, a to zejména tehdy, když je proudová hustota proudu v plazmě větší. Tento fyzikální jev řídí homogenitu elektrického proudu v celém výbojovém prostoru. Když například vzroste proudová hustota v lokálně omezeném malém prostoru rychleji než v sousedním prostoru, vzrůstá elektrický odpor v tomto prostoru s rychle vzrůstající proudovou hustotou působením kolmého napětí rychleji, čímž se brzdí zvyšování proudové hustoty v tomto omezeném prostoru. V konečném efektu se tím dosáhne v celém výbojovém prostoru homogenní proudová hustota, která zajišťuje homogenní rozložení viditelného světla na povrchu baňky 1.

Jak udává graf na obr. 6, je odpor plazmy ve výbojovém prostoru 2 závislý na vzdálenosti D. Když se vzdálenost D mezi vnitřní stěnou baňky 1 a vnější stěnou vnitřního elementu 2 zmenší, vzroste odpor plazmy. Odpor plazmy na 1 cm délky výboje lze zjistit z charakteristik na obr. 6, kde je na svislé ose vyneseno napěti V.cm na délku zářivky, označované také jako gradient nape

-4CZ 278979 B6 ti, a na vodorovné ose hustota mA.mm^-2 proudu protékajícího zářivkou. Všechny údaje na obr. 6 byly naměřeny bez kolmého napětí. Každá čára na obr. 6 udává závislost napětí na proudové hustotě při odlišné vzdálenosti D. Pro čáru I byla vzdálenost D = 13 mm, pro čáru II vzdálenost D = 10 mm, pro čáru III vzdálenost D = 8 mm a pro čáru IV vzdálenost D = 5 mm. Největší gradient potenciálu se projevuje u zářivky se vzdáleností D = 5 mm, zatímco zářivka se vzdáleností D = 13 mm má gradient potenciálu nejmenší. Údaje na obr. 6 se podstatně změní, když se ke kondenzátorovým elementům 12 přiloží pulsující napětí s krátkými impulsy. Je účelné aby kolmé napětí sestávalo z krátkých impulsů s vysokou opakovači frekvencí. Ke generování kolmého napětí jsou použitelné všechny známé, vysokofrekvenční generátory a nejvhodnější jsou takové, které vyrábějí impulsy, jejichž doba náběhu leží v oboru nanosekund (1.10^-9 s.). Tak například byl v patici 6 uspořádán malý vysokofrekvenční impulsový generátor podle německého spisu DOS 37 06 385. Frekvence vyrobených monopolárních impulsů je nastavitelná v širokém rozmezí. Polarita impulsů je stejná jako polarita nosné půlperiody síťového napětí.

Obr. 7 znázorňuje schematicky křivku oscilografu, která má v každé půlperiodě síťového napětí s kmitočtem 50 Hz monopolární impuls P. Na svislé ose je vyneseno impulsové napětí V a na vodorovné ose čas v ms. Tyto impulsy P se přivádějí na kondenzátorové elementy 12. Obr. 8 znázorňuje schematicky další graf kmitů napětí ve výbojovém prostoru 3., které osciluje působením impulsu P mezi hodnotou Vj a V₂ současně s impulsem P. Vyšší opakovači frekvence impulsů P než frekvence, znázorněná na obr. 7, vyvolává samozřejmě vyšší kmity napětí ve výbojovém prostoru 3.. Kmitavé kolmé napětí P na kondenzátorových deskách 12 vyvolává kmity plazmy ve výbojovém prostoru 3., které jsou nezávislé na frekvenci výbojového proudu mezi elektrodami Ί_ a 8. Každý známý vysokofrekvenční generátor 20., připojený ke kondenzátorovým elementům 12, vyvolává kmitání plazmy ve výbojovém prostoru 3., a tím podstatně zvyšuje světelný výtěžek takové zářivky.

Připojená tabulka obsahuje údaje o světelném výtěžku v jednotkách lumen na watt (lm.W^-1) pro zářivky se vzdáleností D=5mma D=8 mm, při různé elektrické energii, která je při kmitočtu 50 Hz přiváděna přes elektrody 7, 8. do výbojového prostoru, a při energii, která je při kmitočtu asi 35 kHz přiváděna do zářivky přes kondenzátorové elementy 12. Podle sloupce 2 tabulky obnáší elektrická energie s kmitočtem 50 Hz 88 % a elektrická energie s kmitočtem 35 kHz 12 %.

Světelný výtěžek zářivky podle obr. 1 se vzdáleností D = 5 mm je tedy 157 lm.W^-1 a se vzdáleností D = 8 mm 128 lm.W^-1. Údaje ve sloupcích 3 a 4 tabulky znamenají účinnost zářivky při jiných energetických poměrech.

Příklad podle sloupce 1 tabulky udává světelný výtěžek zářivky bez vysokofrekvenčního generátoru, přičemž na kondenzátorové elementy 12 byly přiváděny jen impulsy s frekvenci 50 Hz. Světelný výtěžek při takovém jednoduchém elektrickém zapojení zářivky z obr. 1 je 93 lm.W^-1.

-5CZ 278979 B6

Údaje v tabulce zřetelně ukazují, že se při tom ušetří drahé vysokofrekvenční generátory, protože elektrická energie s vysokou frekvencí přispívá k celkové elektrické energii jenom nepatrně. Při výkonu zářivky 30 W se jenom asi 8 W elektrické energie s frekvencí 35 kHz a asi 22 W při frekvenci 50 Hz podílí na tomto výkonu. Taková zářivka vysílá světelný tok asi 4 600 lm. Světelný výtěžek kompaktní zářivky podle obr. 4 je přibližně l,6krát větší než světelný výtěžek známé kompaktní zářivky tohoto typu. Pro kompaktní zářivku podle obr.4 lze použít vysokofrekvenčního generátoru 20 s frekvencí asi 35 kHz. Ještě větší úspory lze dosáhnout, když je kompaktní zářivka podle obr. 4 napájena malým vysokofrekvenčním impulsovým generátorem podle německého spisu DOS 37 06 385. Výrobní náklady na kompaktní zářivku podle vynálezu jsou podstatně nižší, než na výrobu běžných kompaktních zářivek, vyzařujících srovnatelné množství světla.

Tabulka

	1	2	3	4
Provozní frekvence	50 Hz	50 Hz	50 Hz	35 kHz	50 Hz	35 kHz	50 Hz	35 kHz
Přiváděná elektrická energie	99¾	Ή	88%	12%	75%	25%	60%	40%
D = 5 mm	93 lm.W1	157 lm.W1	170 lm.W1
D = 8 mm	72 lm.W1	128 lm.W1	153 lm.W1	160 lm.W1

Claims (6)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Zářivka s výbojovým prostorem omezeným z vnějšku baňkou a obsahujícím výbojové elektrody a protáhlý vnitřní element, omezující výbojový prostor z vnitřku, přičemž celá vnitřní stěna baňky a vnější stěna vnitřního elementu je povlečena luminiscenční vrstvou a uvnitř vnitřního elementu je alespoň v části celé délky uspořádán elektricky vodivý materiál, spojený s výbojovou elektrodou, vyznačující se t. i m, že vnitřní element (2) je ve svém vnitřním prostoru opatřen kondenzátorovými elementy (12) sahajícími alespoň přes část jeho délky, které jsou spojeny vodiči (15, 16) s vysokofrekvenčním generátorem (20) a předřadníky, přičemž vnitřní prostor (11) vnitřního elementu (2), otevřený do atmosféry, je plynotěsně uzavřen proti výbojovému prostoru (3).
2. 2. Zářivka podle nároku 1, vyznačující se tím, že na obou koncích-vnější stěny vnitřního elementu (2) jsou v blízkosti ústí (10) plynotěsně umístěny výbojové elektrody (7, 8), spojené vodiči (17, 18, 23) s napěťovými zdroji (21) a předřadníky.
3. 3. Zářivka podle nároku 1, vyznačující se tím, že na jednom konci vnější stěny vnitřního elementu (2) je v blízkosti ústí (10) plynotěsně uspořádána jedna výbojová elektroda (8) a na opačném konci vnitřní stěny vnitřního elementu (2) je vytvořen kondenzátorový element (12) a je spojen vodičem (22) s vysokofrekvenčním generátorem (20).
4. 4. Zářivka podle jednoho z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že vnitřní prostor (11) vnitřního elementu (2) je vyplněn alespoň v části své délky elektricky vodivým materiálem (13) a je spojen vodiči (15, 16) s napěťovým zdrojem a předřadníky.
5. 5. Zářivka podle jednoho z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že na vnitřní stěně vnitřního elementu (2) je alespoň po části jeho celé délky uspořádána mřížka (14), spojená vodičem (22) s napěťovým zdrojem (21) a předřadníky.
6. 6. Zářivka podle jednoho z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že elektrické vodiče (15, 16, 17, 18, 22, 23) jsou umístěny ve vnitřním prostoru (11) vnitřního elementu (2).