CN1187264A - 放电灯及其工作方法 - Google Patents

Abstract

根据本发明,在放电室(3)中,在两电极(5,6)进行常规的介质非阻碍脉冲放电的基础上,再叠加或串入一种介质阻碍放电。通过调整两种放电的电功率比值,一方面,灯(12)的色线位置可以按需要调节,另一方面,放电灯的工作电压可以降低。对色线位置的调制可通过荧光膜(4)的帮助来进行。为实现本发明的工作方法,放电室(3)至少另外还有一个电极(13,14),它由一个介质层(3)同放电分离开来。

Description

放电灯及其工作方法

根据权利要求1的前序部分，本发明涉及一种放电灯的工作方法，根据权利要求10的前序部分，本发明还步及一种适合该方法的放电灯。

该方法尤其涉及到低压放电灯的工作方法，譬如在汽车技术中，安装此类低压放电灯作为信号及显示等。

众所周知，有一种带管状放电室的长形灯，其两端进行了气体密封，里面含有填充气体氖。放电室的内壁选择采用一种荧光膜，特别地，如Y₃Al₅O₁₂：Ce。放电室内部，有两个相对的且未经加热的导电电极。

此灯可按照下面两种方式进行工作：

1.在放电室内部，由一种如频率为60KHz的正弦交流电压负责产生放电，其中电磁放射主要是在光谱的红区以及红外区，VUV或UV部分的辐射极少。采用此方式工作的灯其光色基本上是红的，因此它可适合于安装在机动车的刹车灯上。通常，在这种情况下不需要荧光膜。

2.在放电室内部，采用一种脉冲波电压负责产生放电，例如，它的频率为12KHz，典型的脉冲持续时间为微秒级，同样，电磁放射在光谱的红区及红外区，但与工作方式一不同的是，它的VUV或UV部分都有明显的提高。VUV或UV辐射激发荧光膜Y₃Al₅O₁₂：Ce，使其发出光谱中的黄光(平均波长：556nm，半值宽：103nm)。采用该方式工作的灯其光色基本上是黄色的，因此它可适合于安装在机动车的闪光灯上。

灯处于脉冲工作方式时，脉冲电压序列将在导线内产生一个电流，该电流自灯外流入放电室内的端子。各电压脉冲间由较长的时间间歇隔开(占空因数较低)。时间间歇是用来调整灯的期望色线位置的。

由于在脉冲间歇中电离迅速减弱，特别是对于电极间距离较大的长形灯，这样就需要相当大的脉冲电压来完成放电重点火。但脉冲电压的增加也会增大辐射干扰，从灯及工作线路发出。由此可能影响电气操作(EMI＝电磁干扰)。为防止这种干扰，特别是在安全要求较高的环境下，例如安装于汽车工艺中，就相应地需要增设耗费很大的屏蔽。工作方式二采用的高脉冲电压还会导致一个缺点。即这种合适的工作设备需要采用相应的耐压贵重材料。

本发明的一个目的就是，给出脉冲工作放电灯的一种工作方法，采用该方法，由放电灯发出的光其光谱色线位置可按要求进行调制，同常规的方法相比，所需的电压脉冲强度可降低一些。

根据本发明权利要求1的特征，可以实现上述目的。在从属权利要求中阐述了其他有利的特征。

本发明的另一个目的就是，提供一种放电灯，该放电灯适合于本发明的工作方法。

根据本发明权利要求10的特征，可以实现该目的。在从属权利要求中阐述了其他的有利特征。

本发明的基本思想在于，在常规放电灯两电极脉冲放电的基础上，再在放电室内增加一个介质阻碍放电。通过该方法，放电灯发出的光其光谱色线位置可按要求调制，同常规的方法相比，所需的电压脉冲强度还可降低一些。

介质阻碍放电同常规(非阻碍)放电不同的是，单电极(单面介质阻碍放电)或双电极(双面介质阻碍放电)均由介质层同放电隔开。而且，介质层由一小部分覆盖膜来实现，且至少要有一个电极。同样，该介质层也可由放电室的壁板组成，电极在放电室的外面，譬如装在灯的外表面上。为简化，下文将称这种电极为“介质电极”。为区分开该电极，下文的直接电极，即不带中间连接的介质分界层，而与放电直接毗连的电极，将它简称为“电流介质”。

根据本发明，优选采用时变电压以产生介质阻碍放电，并且用它还产生一个能引起介质非阻碍脉冲放电的脉冲电压。例如，这种时变电压采用交流电比较适合，特别是采用电压脉冲更为适合，其中各个脉冲之间均由时间间歇相互隔开。

利用脉冲电压，不但可产生非阻碍放电，而且还可产生介质阻碍放电，原则上讲，这种脉冲电压适合采用一系列脉冲状的波形，如三角波或方波等。脉宽典型地位于0.1μs与50μs之间。由时间间歇将各脉冲分隔开，这对产生有效的光辐射非常重要。典型地，脉冲与间歇的比值为0.001～0.1。在WO94/23442中公布的脉冲序列对它也特别适用。

电灯的发光光谱由常规(非介质阻碍放电)与介质阻碍放电过程中耦合的电功率比值所决定。该原因归结于两种放电类型的粒子动力学不同。因此每种发光光谱的组成也有所不同。根据耦合电功率比值，放电灯发光总量中的两种不同放电类型所产生的光谱其光的成分相应会有所不同，结果是总的光谱或者说色线的位置也有所不同。

该功率比值受脉冲序列影响，特别是脉冲和间歇的持续时间与幅度，有时还受到交流电压频率的影响，另外，电极的组成以及电灯的填充方式与压力也会影响该功率比值。典型的非阻碍放电同阻碍放电的电功率比为0.01～100，优选地，采用范围0.5～10。

采用合适的荧光材料可以确定光的色线位置。为此，放电室的内壁附有一种荧光膜，将灯内的放射转化为UV或VUV光。

在应用时，选择采用可电离的填充物，必要时采用荧光膜。惰性气体就特别适合作这种填充物，如氖、氩、氪、氙以及惰性混合气体等。但也可使用其他的填充物质，例如那些通常在发光装置中采用的物质，特别是汞、惰性气体与汞的混合物，还有稀土及其卤化物等等。

非阻碍放电将在填充物内引起频带较宽的原子激发，即原子处于许多种能级激发状态。例如，采用氖作填充物，激发产生的氖线位于光谱的红区。与此不同的是，利用介质阻碍放电及大量采用的介质阻碍脉冲放电，可以达到预想的能量耦合效果，即在谐振能级的直接环境下，只是主要激发到谐振能级水平和一些低的能级水平。处于亚稳态的原子经过进一步的撞击后形成极活跃的受激分子，其寿命很短，也称为受激准分子，例如在采用氖作填充物时该受激准分子为Ne₂ ^*。通过受激准分子的衰变便产生了分子频带辐射。惰气-受激准分子发光时位于光谱的UV及VUV区。譬如Ne₂ ^*发出光的最大强度其波长约为85nm。短波不可见光通过诸如Y₃Al₅O₁₂：Ce的荧光物质将其转变为可见光，如前文举例所述，这种可见光位于光谱中的黄光区。

在受激准分子发射范围内采用激发性较高的荧光物质，这种作用将更加明显。由此可产生一个新的独立的方法，用以调整光的色线位置。

介质阻碍放电同非阻碍脉冲放电工作时一样，两者的脉冲序列保持相互同步，以保证电灯稳定运行。在一种简化方案中达到了上述目的，即采用的电压脉冲序列不但用来产生介质阻碍放电，而且还用它来产生介质非阻碍放电。

在一种优选实施的方法中，通过调节非阻碍放电的许多发射电子的办法，以达到在非阻碍放电里再引入一个阻碍放电的目的。通过该方法，可由阻碍放电降低非阻碍放电的工作电压，同时又有一个优点，即可以独立地调整发出光的光谱分布。

通过下列方法，可使非阻碍放电所需的电压脉冲降到一个恒定值，即介质电极上的电压脉冲总比相邻的电流电极上的电压脉冲超前一个时间。但是，这将需要两个同步供电设备，或者采取预定的措施，使得两个脉冲序列在预定的工作方式下有个相对的延时。

在下面的优选实施方法中可避免这个缺点。首先，采用的电压脉冲序列不仅用来产生介质阻碍放电，而且也用来产生非阻碍放电。第二，在选择目标电极组成形式时，介质阻碍放电的点火电压要比非阻碍放电的点火电压低。为实现第一个假定条件，电流电极与介质电极的导电线相互间均保持电气接触。为实现第二个条件，要求介质阻碍电极间的距离比非阻碍电极间的距离小出很多。在管状的放电室中，电流电极呈纵向布置，两介质电极横向布置于放电室外壁，这样便很容易实现上述目的。通过采取这些措施，首先，能够实现介质阻碍放电，一方面，有效的荧光材料能产生受激的UV或VUV光，另一方面，也降低了非阻碍放电的工作电压。

根据本发明，适合上述工作方法的放电灯还有一种最简单的实施方案，就是除了两个电流电极外，只是另加一个第三电极。这种情形下，两电流电极中的第一个电极将承担两种功能。第一个功能为，同第二个电流电极一起产生常规的非阻碍放电。另一个功能为，同附加的第三个电极一起产生一个单面的介质阻碍放电。本着这个目的，第三个电极必须为一种介质电极。此外，根据WO94/23442的理论，第三个电极还优选地同阳极电位相联接，它与相应的非阻碍反电极相对应。

为使电灯发光强度更加对称，以及放电室内的放电状况更加对称，另外再加一个第四电极是比较有利的。这样，第四个介质电极便同第三个介质电极一起产生一个双面的介质阻碍放电。采取两个介质电极和两个电流电极的布置方法还有一个优点，就是可以相互独立地选择两种放电的间接耦合功率。这样，在调整光谱分布或者说调整色线位置时，可大大增加自由灵活度。

介质电极的形状要配合放电室的形状优选采用。在管状放电室中，例如硬的金属电极就比较适用，它们沿灯的长度方向布置。

在一种耗费大但又极有利的实施方案中，介质电极分布于放电室的外壁上，例如，镀上金属条或者蒸镀一层条状的金属薄膜。这种做法的优点在于，可以省去不漏气的引线以及介质层。直接采用常规电灯作为出发基地。采用一种费用高的方案，把金属条放入或嵌入放电室的外壁之中，或者也可将其完全密封于放电室的壁板里。通过该方法，金属条便与放电灯固定在一起了。这种做法的缺点为，用来固定的费用及其成本都提高了。

在一种实施方案中，介质电极分别与电流电极导线的各端相联。这样，同把电极的导线相互分离相比，它有一个优点，即对于两种放电只需一台单一的供电设备就可以了。另一方面，若电流电极与介质电极采用分离的供电方式，那么，就需要根据相关放电类型的特殊要求对每种供电设备进行优化。

若采用单一的介质电极，单面的渐窄的金属条就特别适合。该金属条优选地同电流电极相联接，其渐窄的一端指向联接电流电极的方向。通过采取该方法，在沿着整个金属条和到相应的反电流电极的方向上，将确保产生一个近似均匀的单面介质阻碍放电。

在一个用于汽车工艺的电灯实施方案中，包括有一个管状放电室，其中填充物Ne的气压约为1KPa～200KPa，优选地采用约5KPa～50KPa，放电室的内壁由一种VUV受激荧光材料组成，如Y₃Al₅O₁₂：Ce。电流电极由两个相对的电极排放于放电室内组成，特别地，采用冷阴极来实现。根据本发明的实施方案，至少安装有一个金属电极，特别地，至少安装一个金属条作为介质电极。根据发明方法工作的电灯发出黄色的光，且可作为闪光灯使用。

下面根据一实施例详细阐明本发明。它们为：

附图1：根据该技术水平的一种管状荧光灯，它带有电流电极，以及该灯的一种工作设备；

附图2：根据本发明的一种管状荧光灯，它带有电流电极和两个与之相连结的介质电极；

附图3：同附图2，但是电流电极与介质电极的供电电源在电气上是相互隔离的；

附图4：同附图2，但只有一个单面的渐窄的金属条，以它作为介质电极；

附图5：附图4所示的灯在不同工作方式时的颜色坐标比较。

附图1示出了一种根据该技术水平的管状荧光灯1，以及一种用来运行该灯的串联式仪表2。荧光灯1由一个圆柱形双面密封的放电室3和两个金属电极5、6(“电流电极”)组成，放电室的内壁镀有一层由Y₃Al₅O₁₂：Ce组成的荧光材料4，金属电极5、6布置于放电室3的内部。由硬玻璃组成的放电室3总长约315mm，内径约3mm，放电室壁厚约1mm。放电室3的内部填充有气体Ne，气压约为13.3KPa。两杯状电极5、6位于与电灯纵轴一致的方向上，相对距离约305mm。电极5、6一直与导电线7、8保持联接，导电线由放电室的末端引至灯外时是进行气体密封的。串联式仪器2由振荡器9和高压变压器10组成。高压变压器10的二次线圈11同电极5、6的导电线7、8相联。

在下面的解释图中，若标号相同则表示其特征也相同，因此无需再作明确的叙述。

附图2采用示意性描述，示出了本发明的管状荧光灯的一种典型实施方案。与附图1所示技术水平不同的是，附图2所示的荧光灯另外还有两个相对的介质电极13、14。介质电极13、14均由一个金属条组成，它们镀于放电室3的外壁上，径向相对，且同灯的纵轴平行。金属条宽约2mm。金属条13、14分别同导电线15、16相联，而导线15、16又分别与电流电极的导电线7、8保持接触。金属条13、14从与之相联的电极5、6开始，在放电室3上延伸一段距离。通过这种方法，保证金属条13、14分别与电流电极6、5之间有足够的间距，它们的极性也分别互为相反。这样便可以阻碍金属条13、14与电流电极6、5之间产生非理想的寄生放电。如同期想的一样，在放电室3的内部，沿着整个纵向区域的方向将产生一个双面的介质阻碍放电，其中，金属条13、14处于直接相对的位置。那么，几乎覆盖整个放电室3的荧光膜4就会激发产生荧光。

附图3采用示意性描述，示出了本发明的管状荧光灯的另一种典型实施方案。与附图2所示荧光灯12不同的是，在附图3所示的荧光灯19中，介质电极17、18不是同电流电极5、6相联接，而是同另一个串联式仪器21的二次线圈20相联。通过同步电路22，使得介质电极17、18的串联式仪器21与电流电极5、6的串联式仪器实现同步操作。

附图4示出了本发明管状荧光灯23的一种典型实施方案，它只有一个介质电极24。介质电极24由一个单面的渐窄金属条组成，它粘接在放电室3的外壁上。金属条24呈梯形，各个角成圆状，它同第一个电流电极6联接在一起，电极6带有一个与高压变压器2的二次线圈相接的端子11。金属条24与灯23的纵轴方向保持平行，其渐窄的一端24a远离第一个电流电极6而指向第二个电流电极5，电极5同电极6相对。第二个电流电极5与二次线圈的另一端于25相联。采用这种方法，能够在金属条24与第二个电流电极5之间产生一个单面的介质阻碍放电，该放电沿纵轴方向近似均匀分布。

作为例子，本发明可用于汽车工艺的闪光灯中，从附图5可以清楚看出，发明可以调整色线的位置，由表格可以得知，发明可降低电压脉冲。附图5描出了附图4所示灯在根据本发明相应的工作方式下的颜色坐标(测量点A)，即该方式采用了非阻碍放电和介质阻碍放电。与此相比，测量点B为在常规工作方式期间的颜色坐标，即只采用了非阻碍放电时的情形。为实现常规工作方式，只要将荧光灯12的两介质电极13、14的导线15、16断开就行了。最后一个测量点C为纯粹的介质阻碍放电的情形，为实现这种放电，只要将荧光灯12的两电流电极5、6的导线7、8断开就行了。上述例子三种工作方式中，都采用了一个或同一个串联式仪器9。串联式仪器9提供一种单极的负半正弦电压脉冲，脉宽约1μs，间歇时间为50μs。此外，还画入了SAEJ578和ECE颜色坐标，它规定了美国市场与欧洲市场上汽车闪光灯的色线位置要求范围。容易明白，在本发明的帮助下，色线位置可沿着目标方向移向ECE颜色面。其中，在测量点A与B的耦合功率一样的情况下(40W)，达到的光通也基本相同(约390lm)。同时，要求的电压脉冲强度大约可从8.5kv降至5.2kv。为此，用来防止电磁干扰的费用大大减少了。另外，高压变压器和串联式仪器9的开关元件其尺寸大小可相应减小，这在节约成本上又是一个优点。如果只采用纯粹的介质阻碍放电，那么，在使用脉冲电压约6kv的情况下，耦合的功率只有10w，而且在采用荧光材料Y₃Al₅O₁₂：Ce时光通发出量为70ml。在下面表格中，重新列出了三种工作方式的各种标称值。

表：对附图5所示的一些测量点的工作数据进行比较

测量点	A	B	C
				工作方式	非阻碍+介质阻碍(根据本发明)	非阻碍(常规的)	介质阻碍
脉冲高度	5.2kv	8.5kv	6kv
				耦合电功率	40w	40w	10w

光通量

391lm

390lm

70lm

本发明不局限于上述的典型实施方案。特别地，各个不同的典型实施方案的单个特征也可相互组合起来。

Claims (20)

1.带放电室的放电灯的工作方法，其中利用电压脉冲序列在放电室内产生一种介质非阻碍脉冲放电，特征在于：在放电室内部另外还产生一种介质阻碍放电，放电灯发出光线的光谱分布可按目标进行调制，以及同常规方法相比，所需的电压脉冲高度减小了。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于：由一种电压脉冲序列产生介质阻碍放电，其中每个电压脉冲之间由时间间歇相互隔开。

3.根据权利要求2的方法，其特征在于：脉冲宽度为0.1μs～50μs，以及脉冲同间歇比为0.001～0.1。

4.根据权利要求2的方法，其特征在于：用来产生非阻碍放电的电压脉冲序列与用来产生介质阻碍放电的电压脉冲序列保持同步。

5.根据权利要求4的方法，其特征在于：用来产生介质阻碍放电的电压脉冲序列与用来产生非阻碍放电的电压脉冲序列，它们有时间性地串联在一起。

6.根据权利要求2的方法，其特征在于：电压脉冲序列不仅用来产生介质阻碍放电，而且还用它来产生介质非阻碍放电。

7.根据权利要求1的方法，其特征在于：非阻碍放电与阻碍放电的耦合电功率比值位于0.01～100之间。

8.根据权利要求7的方法，其特征在于：优选的比值采用0.5～10。

9.根据权利要求1的方法，其特征在于：放电室装有一种荧光膜，用来帮助调制放电灯发出光线的光谱分布或放电灯的色线位置。

10.适合权利要求1所述工作方法的放电灯，它带有一个密闭的放电室，放电室内包含有可电离的填充物，以及在放电室内部还装有两个相对而立的电流电极，并有导线与两电流电极相联，其中在放电室的两端，导电线通往外部时是气密的，其特征在于，放电室至少还装有一个介质电极。

11.根据权利要求10的放电灯，其特征在于：介质电极(每个)与电流电极的导线保持导电的电气联接。

12.根据权利要求10的放电灯，其特征在于：放电室呈管状，在实施时，介质电极(至少是)采用一个金属条来实现，其中，布置金属条时基本上与放电室的纵轴方向保持平行。

13.根据权利要求12的放电灯，其特征在于：镀于放电室外壁的金属条至少有一段长度，或者将金属条放入外壁，或将其嵌入放电室的壁板。

14.根据权利要求12的放电灯，其特征在于：作为介质电极的两个金属条，它们沿径向相对而立。

15.根据权利要求12的放电灯，其特征在于：金属条宽度与放电室圆周的比值约为0.01～0.75。

16.根据权利要求12的放电灯，其特征在于：渐窄的金属条作介质电极用，它沿放电室的纵轴方向布置，其中，金属条与电流电极相联结，其渐窄的一端指向该联结处。

17.根据权利要求10的放电灯，其特征在于：放电室含有惰性气体，特别地，采用Ne、Xe、Ar或Kr气体中的一种或它们的混合物。

18.根据权利要求10的放电灯，其特征在于：填充气压总计约为1kpa～500kpa。

19.根据权利要求10的放电灯，其特征在于：放电室的内壁装有一种荧光膜。

20.根据权利要求19的放电灯，其特征在于：荧光膜包括一种荧光材料，其化学通式为Y₃Al₅O₁₂：Ce。

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