SK278345B6

SK278345B6 - The luminescent tube

Info

Publication number: SK278345B6
Application number: SK1819-90A
Authority: SK
Inventors: Pavel Imris
Original assignee: Pavel Imris
Priority date: 1989-04-17
Filing date: 1990-04-11
Publication date: 1996-12-04
Also published as: HU202673B; EP0393449A1; DE59000175D1; HUT53731A; EP0393449B1; ATE77712T1; ES2034792T3; US5053933A; CZ278979B6; CS9001819A2; HU902439D0; DD293687A5; DE3912514A1

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka žiarivky, v ktorej pri priložení napätia k elektródam nastáva v uzatvorenom priestore výboj v plyne.

Doterajší stav techniky

Také žiarivky sú známe z nemeckého patentového spisu 11 99 882. Z nemeckých spisov 27 25 412 a 28 35 574, z amerických patentových spisov 36 09 436 a 2001 501 a z britského patentového spisu 518 204 je ďalej známe usporiadanie vo vnútornom priestore žiariviek prídavných rovných alebo zahnutých výbojových trubíc a ich vybaviť väčším počtom výbojových elektród. Z uvedeného nemeckého patentového spisu 27 25 412 je ďalej známe vybavenie vonkajšej steny výbojovej trubice cez polovicu jej obvodu a po celej dĺžke luminiscenčnou vrstvou. Žiarivky podľa uvedených spisov sú malé, majú závitovú päticu a k výboju dochádza vo vnútornej výbojovej trubici a v banke žiarivky. Elektrický výboj vo výbojových priestoroch generuje najprv ultrafialové žiarenie, ktoré sa v luminiscenčnej vrstve premieňa na viditeľné svetlo. Ultrafialové žiarenie, generované vo vnútornej výbojovej trubici, sa ale zúčastní len v malej miere na tvorbe viditeľného svetla, vyžarovaného z povrchu banky do okolia. Z tohto dôvodu je svetelný výťažok takýchto žiariviek pomerne nízky. Elektrická energia, ktorá je potrebná na výboj vo vnútornej výbojovej trubici, predstvuje asi 50 % celkového elektrického príkonu a v celkovom efekte sa týchto 50 % zúčastní len asi 10 % z celkového svetelného výťažku. Ďalší nedostatok známych žiariviek spočíva v tom, že je obťažné dosiahnuť homogénne rozloženie svetla na povrchu banky. Veľký počet výbojových elektród, nevyhnutných v takých žiarivkách, predstavuje ďalšiu ekonomickú nevýhodu. Okrem toho je pre riadenie elektród nevyhnutné zložité, a teda drahé elektrické zapojenie.

Ku stavu techniky patria aj výbojky, ktoré sú z literatúry známe pod označením kompaktné žiarivky. Z publikácie Technish-Wissenschaftliche Abhandlung, firmy Osram, 1986, zv. 12, str. 383-393, je známe, že tieto kompaktné žiarivky sú vybavené vstavanými predradníkmi a závitovou päticou, a že sú napájané vyššími kmitočtami napájacieho prúdu. Výhody kompaktných žiariviek v porovnaní so žiarivkami, opísanými v uvedených patentových spisoch, sú ich vyššia účinnosť a znížené blikanie svetla. Aj napriek svojim výhodám sú tieto kompaktné žiarivky drahé a ich svetelný výťažok je pomerne nízky. Pokiaľ ide o zmienenú žiarivku podľa nemeckého patentového spisu 11 99 882, z ktorej vynález vychádza, ide o výbojku, kde vnútorný element ako elektricky vodivý konštrukčný prvok slúži predovšetkým ako pomocná zapaľovacia elektróda a súčasne zväčšuje takzvanú rekombinačnú plochu výbojového priestoru.

Úlohou vynálezu je zlepšiť účinnosť takých žiariviek a pritom znížiť ich výrobné náklady.

Podstata vynálezu

Túto úlohu spĺňa žiarivka s výbojovým priestorom, obmedzeným z vonkajšej strany bankou a obsahujúcim výbojové elektródy, a pretiahnutý vnútorný element, obmedzujúci výbojový priestor z vnútrajška, pričom celá vnútorná stena banky a vonkajšia stena vnútorného elementu sú potiahnuté luminiscenčnou vrstvou a vo vnútrajšku vnútorného elementu je aspoň v časti celej dĺžky usporiadaný elektricky vodivý materiál, spojený s výbojovou elektródou, podľa vynálezu, ktorého podstatou je, že vnútorný element je vo svojom vnútornom priestore vybavený kondenzátorovými elementmi siahajúcimi aspoň cez časť jeho dĺžky, ktoré sú spojené vodičmi s vysokofrekvenčným generátorom a predradníkmi, pričom vnútorný priestor vnútorného elementu, otvorený do atmosféry, je plynotesné uzatvorený proti výbojovému priestoru.

Podľa výhodného vyhotovenia vynálezu na obidvoch koncoch vonkajšej steny vnútorného elementu sú v blízkosti ústia plynotesné umiestnené výbojové elektródy, spojené vodičmi s napäťovými zdrojmi a predradníkmi. Na jednom konci vonkajšej steny vnútorného elementu je v blízkosti ústia plynotesné usporiadaná jedna výboj ová elektróda a na opačnom konci vnútornej steny vnútorného elementu je vytvorený kondenzátorový element a je spojený vodičom s vysokofrekvenčným generátorom.

Podľa ďalšieho výhodného vyhotovenia môže byť vnútorný priestor vnútorného elementu vyplnený aspoň v časti svojej dĺžky elektricky vodivým materiálom a je spojený vodičmi s napäťovým zdrojom a predradníkmi. Alternatívne môže byť na vnútornej stene vnútorného elementu aspoň po časti jeho celej dĺžky usporiadaná mriežka, spojená vodičom s napäťovým zdrojom a predradníkmi.

Princíp funkcie žiarivky podľa vynálezu spočíva na rozdiel od všetkých doterajších žiariviek na dvoch elektrických poliach, pričom prvé pole leží medzi dvoma výbojovými elektródami vo výbojovom priestore, zatiaľ čo druhé pole, tvorené kondenzátorovými elementmi, prechádza od vnútorného priestoru vnútorného elementu kolmo na prvém pole.

Výhoda žiarivky podľa vynálezu spočíva v podstatne vyššom svetelnom výťažku na jednotku privádzanej elektrickej energie v porovnaní so svetelným výťažkom bežných žiariviek. Dosiahnuteľná účinnosť žiarivky podľa vynálezu je približne dvojnásobná ako účinnosť známych žiariviek, napájaných frekvenciou 50 Hz. Účinnosť žiarivky podľa vynálezu je asi 1,6 násobkom známych kompaktných žiariviek, napájaných s frekvenciou 35 kHz. ďalšia prednosť spočíva v homogénnom rozložení svetla na povrchu banky. Predradníky, potrebné na vytvorenie obidvoch elektrických polí, sú výrobne jednoduché a lacnejšie ako predradníky známych žiariviek s porovnateľným svetelným výťažkom, nehľadiac na to, že celkové výrobné náklady na žiarivku podľa vynálezu sú oproti nákladom na známe žiarivky podstatne nižšie.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Vynález bude vysvetlený na príkladoch uskutočnenia v súvislosti s výkresmi, kde obr. 1 značí čiastočný rez a pohľad na žiarivku podľa vynálezu v tvare trubice, obr. 2 vo zväčšenej mierke priečny rez žiarivkou, vedený v rovine II-II na obr. 1, obr. 3 pozdĺžny rez koncom vnútorného elementu žiarivky

SK 278 345 Β6 z obr. 1, obr. 4 pozdĺžny rez a pohľad na žiarivku v tvare žiarovky, obr. 5 v reze jedno vytvorenie vnútorného elementu, obr. 6 grafické znázornenie gradienta potenciálu v závislosti od prúdovej hodnoty, obr. 7 graf impulzového napätia na kondenzátorovej doske v závislosti od času, obr. 8 graf výboj ového napätia v čase a obr. 9 princíp funkcie žiarivky podľa vynálezu.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Žiarivka podľa obr. 1 až 3 pozostáva z banky 1 v tvare rúrky a z výbojového priestoru 3, ktorý je obmedzený bankou 1 a vnútorným elementom 2. Vnútorná stena banky 1 je pokrytá luminiscenčnou vrstvou 4. Výbojový priestor 3 je naplnený ortuťovými parami a vzácnym plynom alebo zmesou vzácnych plynov. Pri obidvoch vnútorných koncoch banky 1 sú vo výbojovom priestore 3 umiestnené na vnútornom elemente 2 výbojové elektródy 7,8, medzi ktorými prebieha vo výbojovom priestore 3 elektrický výboj. Vonkajšia plocha vnútorného elementu 2 je na celej dĺžke rovnako pokrytá luminiscenčnou vrstvou 9 alebo je potiahnutá reflexnou vrstvou ultrafialového žiarenia. Vnútorný element 2 je umiestnený sústredne s pozdĺžnou osou banky 1 tak, že jeho ústie 10 je pripevnené plynotesné k vnútorným koncom banky 1 a spoločne s bankou zatavené do pätíc 5,6. Vnútorný element 2 pozostáva rovnako ako banka 1 zo sklenenej trubice.

V uskutočnení podľa obr. 3 je elektróda 8 plynotesné pritavená na ústie 10 vnútorného elementu 2 a spojená vodičmi 17,18 so sieťou cez predradníky (obr. 9). Elektróda 7 na druhom konci je rovnakým spôsobom zatavená do druhej pätice 5. Vo vnútornom priestore 11 vnútorného elementu 2 je usporiadaný jeden alebo niekoľko kondenzátorových elementov 12, spojených vodičmi 15,16 s napäťovým zdrojom 21, ktorý je na obr. 9 naznačený prerušovanou čiarou a usporiadaný v dlhšej pätici 6 (obr. 1). Kondenzátorový element, alebo elementy, 12 je z plechu, sita, kovovej vrstvy a pod. Tieto kondenzátorové elementy 12 ale môžu pozostávať rovnako z jemných kovových triesok, z hliníkovej vlny alebo mriežky 14, ktorými je vnútorný priestor 11 vnútorného elementu 2 jednoducho vyplnený. Vždy ide pritom o vodivý materiál 13. Kondenzátorové elementy 12 tvoria teda kondenzátory tým, že sú pri prevádzke žiarivky nabité. Elektricky vodivá plazma vo výbojovom priestore 3 pritom tvorí druhý elektrický vodič kondenzátora a stena vnútorného elementu 2 tvorí dielektrikum. V tomto kondenzátore osciluje elektrické pole, vyvolané napäťovým zdrojom v pätici. Vodičmi 17,18 tečie k elektróde 8 prúd, ktorý' vyvoláva súčasne aj medzi elektródami 7 a 8 výboj.

Pätice 5,6 sú usporiadané tak, aby sa dali zasunúť do normálnych objímok. Dĺžka žiarivky z obr. 1 môže byť podľa potreby napr. 450 mm až 2 370 mm a priemer banky 1 môže byť napr. 30 mm až 55 mm. Vzdialenosť D medzi vonkajšou stenou banky 1 a vonkajšou stenou vnútorného elementu 2 môže byť napr. 5 mm až 13 mm.

Obr. 4 a 5, kde sú použité rovnaké vzťahové značky, znázorňujú tzv. kompaktnú žiarivku, ktorá je vybavená v pätici 6 zabudovanými predradníkmi, teda vysokofrekvenčným generátorom 20 a filtračnou tlmivkou 24, je vybavená závitovou päticou 19 a dá sa teda zaskrutkovať do bežných objímok na žiarovky. Kondenzátorový element 12 siaha po celej dĺžke vnútorného priestoru 11 vnútorného elementu 2 a je výhodne tvorený kovovou mriežkou, ktorá sa pri výrobe vnútorného elementu 2 jednoducho zasunie do sklenej trubice. Vodič 15 spája kondenzátorový element 12 s neznázomeným napäťovým zdrojom, umiestneným v pätici 6.

Vo vytvorení podľa obr. 5 je na vnútornom elemente 2 umiestnená len jedna výbojová elektróda 8 na jeho ústí 10 a na druhom konci vnútorného priestoru 11 krátky kondenzátorový element 12, z ktorého vedie vodič 22 k napäťovému zdroju 21 v pätici 6. Druhý pól napäťového zdroja 21 je spojený vodičom 16 a vysokofrekvenčným generátorom 20 s elektródou 8. Elektrický obvod medzi kondenzátorovým elementom 12 a plazmou vo výbojovom priestore 3 je uzavretý stenou vnútorného elementu 2. Dĺžka tejto žiarivky môže byť napr. 150 mm až 250 mm a vonkajší priemer banky 1 môže byť 30 mm až 60 mm.

Vnútorný priestor 11 vnútorného elementu 2 nie je uzatvorený voči okolitej atmosfére, čo platí aj pre vnútorný priestor 11 vnútorného elementu 2 žiarivky podľa obr. 1. Všetky vodiče žiariviek z obr. 1 až 5 sú umiestnené vo vnútornom priestore 11 vnútorného elementu 2.

Podľa žiadaného výkonu a podľa celkových geometrických a elektrotechnických parametrov žiariviek sa volí vytvorenie s jedným kondenzátorovým elementom 12 (obr. 5) alebo s dvoma oddelenými kondenzátorovými elementmi 12 (obr. 3). Závisí to od frekvencie napätia priloženého ku kondenzátorovým elementom 12 a od toho, aká je vzdialenosť D medzi vnútorným elementom 2 a bankou 1. Keď je vzdialenosť D malá, musí byť frekvencia elektrického napätia na kondenzátorových doskách vyššia ako pri väčšej vzdialenosti D. Svetelný výťažok žiarivky je nepriamo úmerný vzdialenosti D medzi vnútorným elementom 2 a bankou 1, čo znamená, že pri zmenšení vzdialenosti D stúpa svetelný výťažok a naopak. Druhým parametrom, ktorý zvyšuje účinnosť žiarivky je frekvencia napätia priloženého ku kondenzátorovým elementom 12. Tretím dôležitým parametrom na zvýšenie účinnosti žiarivky je trvanie tzv. monopolámeho elektrického impulzu, privádzaného na kondenzátorové elementy 12. Keď je trvanie impulzu krátke, t.j., keď je kratší čas vzrastu impulzu, je účinnosť žiarivky vyššia.

Žiarivka podľa obr. 1 je pripojená obvyklým spôsobom ku sieťovému napätiu s frekvenciou 50 Hz. Po zapnutí tečie prúd medzi elektródami 7 a 8 a súčasne na neho pôsobí kolmo napätie kondenzátorového elementu 12, ako ukazuje schematicky obr. 9. Toto kolmé napätie zvyšuje elektrický odpor plazmy vo výbojovom priestore 3; odpor plazmy vzrastá úmerne s týmto kolmým napätím, a to najmä vtedy, keď je prúdová hustota prúdu v plazme väčšia. Tento fyzikálny jav riadi homogenitu elektrického prúdu v celom výbojovom priestore. Keď napríklad vzrastie prúdová hustota v lokálne obmedzenom malom priestore rýchlejšie ako v susednom priestore, vzrastá elektrický odpor v tomto priestore s rýchle vzrastajúcou prúdovou hustotou pôsobením kolmého napätia rýchlejšie, čím sa brzdí zvyšovanie prúdovej hustoty v tomto obmedzenom priestore. V konečnom efekte sa tým dosiahne v celom výbojovom priestore homogénna

SK 278 345 B6 prúdová hustota, ktorá zaisťuje homogénne rozloženie viditeľného svetla na povrchu banky 1.

Ako udáva graf na obr. 6, je odpor plazmy vo výbojovom priestore 3 závislý od vzdialenosti D. Keď sa vzdialenosť D medzi vnútornou stenou banky 1 a vonkajšou stranou vnútorného elementu 2 zmenší, vzrastie odpor plazmy. Odpor plazmy na 1 cm dĺžky výboja sa dá zistiť z charakteristík na obr. 6, kde je na zvislej osi vynesené napätie V.cm'¹ na dĺžku žiarivky, označovanej rovnako ako gradient napätia , a na vodorovnej osi hustota mA.mm'² prúdu pretekajúceho žiarivkou. Všetky údaje na obr. 6 boli namerané bez kolmého napätia. Každá čiara na obr. 6 udáva závislosť napätia od prúdovej hustoty pri odlišnej vzdialenosti D. Pre čiaru I bola vzdialenosť D = 13 mm, pre čiaru II vzdialenosť D = 10 mm, pre čiaru III vzdialenosť D = 8 mm a pre čiaru IV vzdialenosť D = 5 mm. Najväčší gradient potenciálu sa prejavuje pri žiarivke so vzdialenosťou D = 5 mm, zatiaľ čo žiarivka so vzdialenosťou D = 13 mm má gradient potenciálu najmenší. Údaje na obr. 6 sa podstatne zmenia, keď sa ku kondenzátorovým elementom 12 priloží pulzujúce napätie s krátkymi impulzmi, Je účelné, aby kolmé napätie pozostávalo z krátkych impulzov s vysokou opakovacou frekvenciou. Ku generovaniu kolmého napätia sú použiteľné všetky známe vysokofrekvenčné generátory a najvhodnejšie sú také, ktoré vyrábajú impulzy, ktorých čas nábehu leží v odbore nanosekúnd (1.10⁹ s). Tak napríklad bol v pätici 6 usporiadaný malý vysokofrekvenčný impulzový generátor podľa nemeckého patentového spisu DOS 37 06 385. Frekvencia vyrobených monopolámych impulzov je nastaviteľná v širokom rozmedzí. Polarita impulzov je rovnaká ako polarita nosnej polperiódy sieťového napätia.

Obr. 7 znázorňuje schematicky krivku oscilografu, ktorá má v každej polperióde sieťového napätia s kmitočtom 50 Hz monopolámy impulz P. Na zvislej osi je vynesené impulzové napätie V a na vodorovnej osi čas v ms. Tieto impulzy P sa privádzajú na kondenzátorové elementy 12. Obr. 8 znázorňuje schematicky ďalší graf kmitov napätia vo výbojovom priestore 3, ktoré osciluje pôsobením impulzu P medzi hodnotou V, a V₂ súčasne s impulzom P. Vyššia opakovacia frekvencia impulzov P ako frekvencia, znázornená na obr. 7, vyvoláva samozrejme vyššie kmity napätia vo výbojovom priestore

3. Kmitavé kolmé napätie P na kondenzátorových doskách 12 vyvoláva kmity plazmy vo výbojovom priestore 3, ktoré sú nezávislé od frekvencie výbojového prúdu medzi elektródami 7 a 8. Každý známy vysokofrekvenčný generátor 20, pripojený ku kondenzátorovým elementom 12, vyvoláva kmitanie plazmy vo výbojovom priestore 3, a tým podstatne zvyšuje svetelný výťažok takej žiarivky.

Priložená tabuľka obsahuje údaje o svetelnom výťažku v jednotkách lumen na watt (lm.W¹) pre žiarivky so vzdialenosťou D = 5 mm a D = 8 mm, pri rôznej elektrickej energii, ktorá je pri kmitočte 50 Hz privádzaná cez elektródy 7, 8 do výbojového priestoru, a pri energii, ktorá je pri kmitočte asi 35 kHz privádzaná do žiarivky cez kondenzátorové elementy 12. Podľa stĺpca 2 tabuľky predstavuje elektrická energia s kmitočtom 50 Hz 88 % a elektrická energia s kmitočtom 35 kHz 12%.

Svetelný výťažok žiarivky podľa obr. 1 so vzdialenosťou D = 5 mm je teda 157 lm.W’¹ a so vzdialenosťou D = 8 mm 128 lm . W¹. Údaje v stĺpcoch a 4 tabuľky znamenajú účinnosť žiarivky pri iných energetických pomeroch.

Príklad podľa stĺpca 1 tabuľky udáva svetelný výťažok žiarivky bez vysokofrekvenčného generátora, pričom na kondenzátorové elementy 12 boli privádzané len impulzy s frekvenciou 50 Hz. Svetelný výťažok pri takom jednoduchom elektrickom zapojení žiarivky z obr. 1 je 93 lm . W'¹.

Údaje v tabuľke zreteľne ukazujú, že sa pri tom ušetria drahé vysokofrekvenčné generátory, pretože elektrická energia s vysokou frekvenciou prispieva k celkovej elektrickej energii len nepatrne. Pri výkone žiarivky 30 W sa len asi 8 W elektrickej energie s frekvenciou 35 kHz a asi 22 W pri frekvencii 50 Hz podieľa na tomto výkone. Taká žiarivka vysiela svetelný tok asi 4 600 lm. Svetelný výťažok kompaktnej žiarivky podľa obr. 4 je približne 1,6 krát väčší ako svetelný výťažok známej kompaktnej žiarivky tohto typu. Pre kompaktnú žiarivku podľa obr. 4 sa dá použiť vysokofrekvenčný generátor 20 s frekvenciou asi 35 k Hz. Ešte väčšie úspory sa dajú dosiahnuť, keď je kompaktná žiarivka podľa obr. 4 napájaná malým vysokofrekvenčným impulzovým generátorom podľa nemeckého spisu DOS 37 06 385. Výrobné náklady na kompaktnú žiarivku podľa obr. 4 sú podstatne nižšie ako na výrobu bežných kompaktných žiariviek, vyžarujúcich porovnateľné množstvo svetla.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Žiarivka s výbojovým priestorom obmedzeným z vonkajšej strany bankou a obsahujúcim výbojové elektródy a pretiahnutý vnútorný element, obmedzujúci výbojový priestor z vnútornej strany, pričom celá vnútorná stena banky a vonkajšia stena vnútorného elementu potiahnutá luminiscenčnou vrstvou a vo vnútrajšku vnútorného elementu je aspoň v časti celej dĺžky usporiadaný elektricky vodivý materiál, spojený s výbojovou elektródou, vyznačujúca sa tým, že vnútorný element (2) je vo svojom vnútornom priestore vy bavený kondenzátorovými elementmi (12) siahajúcimi aspoň cez časť jeho dĺžky, ktoré sú spojené vodičmi (15,16) s vysokofrekvenčným generátorom (20) a predradníkmi, pričom vnútorný priestor (11) vnútorného elementu (2), otvorený do atmosféry, je plynotesné uzatvorený proti výbojovému priestoru (3).
2. Žiarivka podľa nároku 1, vyznačujúca sa tým, že na obidvoch koncoch vonkajšej steny vnútorného elementu (2) sú v blízkosti ústia (10) plynotesné umiestnené výbojové elektródy (7,8), spojené vodičmi (17,18,23) s napäťovými zdrojmi (21) a predradníkmi.
3. Žiarivka podľa nároku 1, vyznačujúca sa tým, že na jednom konci vonkajšej steny vnútorného elementu (2) je v blízkosti ústia (10) plynotesné usporiadaná jedna výbojová elektróda (8) a na opačnom konci vnútornej steny vnútorného elementu (2) je vytvorený kondenzátorový element (12) a je spojený vodičom (22) s vysokofrekvenčným generátorom (20).
4. Žiarivka podľa jedného z nárokov 1 až 3, vyznačujúca sa tým, že vnútorný

SK 278 345 B6 priestor (U)vnútomého elementu (2) je vyplnený aspoň v časti svojej dĺžky elektricky vodivým materiálom (13) a je spojený vodičmi (15,16) s napäťovým zdrojom (21) a predradnikmi.
5. Žiarivka podľa jedného z nárokov 1 až 3, vyznačujúca sa tým, že na vnútornej stene vnútorného elementu (2) je aspoň po časti jeho celej dĺžky usporiadaná mriežka (14), spojená vodičom (22) a napäťovým zdrojom (21) a predradnikmi.
6. Žiarivka podľa jedného z nárokov 1 až 5, vyznačujúca sa tým, že elektrické vodiče (15, 16, 17, 18, 22, 23) sú umiestnené vo vnútornom priestore (11) vnútorného elementu (2).