DE19915617A1 - Gasentladungslampe - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasentladungslampe mit wenigstens einer kapazitiven Einkoppelstruktur (2). Nachteilig für den Betrieb von bekannten Gasentladungslampen ist eine notwendige Treiberelektronik. Diese hat die Aufgabe, die Gasentladung der Lampe zu zünden und einen Ballast für den Betrieb der Lampe an einem Stromkreis (4) zu liefern, ohne den es schnell zu einer Zerstörung der Lampe kommt. Um eine Gasentladungslampe mit wenigstens einer kapazitiven Einkoppelstruktur zu schaffen, die verbesserte Betriebseigenschaften aufweist, wird vorgeschlagen, daß wenigstens ein Dielektrikum (2) mit einer dielektrischen Sättigungspolarisation P und mit einer wirksamen Oberfläche A zur Bildung der Einkoppelstruktur (2) vorgesehen ist, wobei das Produkt aus PÈA > 10·-5· C beträgt. Eine solche Lampe kann insbesondere ohne eine Schaltung mit einer Treiberelektronik am Stromnetz für Privathaushalte (z. B. 230 V/50 Hz) betrieben werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasentladungslampe mit wenigstens einer kapazitiven Einkop­ pelstruktur.

Bekannte Gasentladungslampen bestehen aus einem Gefäß mit einem Füllgas, in dem die Gasentladung abläuft, und meist zwei metallischen Elektroden, die in das Entladungsgefäß eingeschmolzen sind. Eine Elektrode liefert die Elektronen für die Entladung, die über die zweite Elektrode wieder dem äußeren Stromkreis zugeführt werden. Die Abgabe der Elek­ tronen erfolgt meist mittels Glühemission (heiße Elektroden), kann jedoch auch durch Emission in einem starken elektrischen Feld oder direkt durch Ionenbeschuß (ionenindu­ zierte Sekundäremission) hervorgerufen werden (kalte Elektroden). Bei einer induktiven Betriebsart werden die Ladungsträger direkt im Gasvolumen über ein elektromagnetisches Wechselfeld hoher Frequenz (typischerweise größer als 1 MHz bei Niederdruckgasent­ ladungslampen) erzeugt. Die Elektronen bewegen sich auf Kreisbahnen innerhalb des Ent­ ladungsgefäßes, herkömmliche Elektroden fehlen in dieser Betriebsart. Bei einer kapaziti­ ven Betriebsart werden kapazitive Einkoppelstrukturen als Elektroden verwendet. Diese werden aus Isolatoren (Dielektrika) gebildet, die auf einer Seite Kontakt zur Gasentladung haben und auf der anderen Seite elektrisch leitfähig (beispielsweise mittels einem metalli­ schen Kontakt) mit einem äußeren Stromkreis verbunden sind. Bei einer an die kapazitiven Elektroden angelegten Wechselspannung bildet sich im Entladungsgefäß ein elektrisches Wechselfeld aus, auf dessen linearen elektrischen Feldern sich die Ladungsträger bewegen. Im Hochfrequenzbereich (< 10 MHz) ähneln die kapazitiven Lampen den induktiven Lampen, da die Ladungsträger hier ebenfalls im gesamten Gasvolumen erzeugt werden. Die Oberflächeneigenschaften der dielektrischen Elektrode sind hier von geringer Bedeu­ tung (sogenannter α-Entladungsmodus). Bei niedrigeren Frequenzen ändern die kapaziti­ ven Lampen ihre Betriebsart und die für die Entladung wichtigen Elektronen müssen ur­ sprünglich an der Oberfläche der dielektrischen Elektrode emittiert und in einem soge­ nannten Kathodenfallgebiet vervielfacht werden, um die Entladung aufrechtzuerhalten. Daher ist dann das Emissionsverhalten des dielektrischen Materials bestimmend für die Funktion der Lampe (sogenannter γ-Entladungsmodus).

Nachteilig für den Betrieb von bekannten Gasentladungslampen ist eine notwendige Trei­ berelektronik. Diese hat die Aufgabe, die Gasentladung der Lampe zu zünden und einen Ballast für den Betrieb der Lampe an einem Stromkreis zu liefern. Ohne eine geeignete Ballastierung der Lampe in einem äußeren Stromkreis würde der Strom in der Gasentla­ dungslampe durch Vermehrung der Ladungsträger im Gasvolumen des Entladungsgefäßes so stark steigen, daß es schnell zu einer Zerstörung der Lampe kommt.

Solche Gasentladungslampen sind auch aus der amerikanischen Patentschrift US 2,624,858 bekannt. Eine Gasentladungslampe mit kapazitiven Elektroden wird mittels eines dielektrischen Materials mit einer hohen Dielektrizitätskonstante ε < 100 (bevorzugt ε < 2000) bei einer Betriebsfrequenz von weniger als 120 Hz betrieben. Die äußere Span­ nung muß dabei zwischen 500 V und 10000 V liegen. Daher kann eine solche kapazitive Gasentladungslampe nicht am Stromnetz für Privathaushalte mit 230 V und 50 Hz betrie­ ben werden, sondern ist eine Schaltung mit einer Treiberelektronik notwendig.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Gasentladungslampe mit wenigstens einer kapazitiven Einkoppelstruktur zu schaffen, die verbesserte Betriebseigenschaften aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einer erfindungsgemäßen Gasentladungslampe dadurch gelöst, daß ein Dielektrikum mit einer dielektrischen Sättigungspolarisation P und mit einer wirksa­ men Oberfläche A zur Bildung der kapazitiven Einkoppelstruktur vorgesehen ist, wobei das Produkt aus P.A < 10^-5 C beträgt. Die Gasentladungslampe besteht in bekannter Weise aus einem transparenten Entladungsgefäß mit einem üblichen Füllgas (zum Beispiel für Niederdruck-Gasentladungslampen ein Edelgas oder ein Edelgas mit Quecksilber). Das Entladungsgefäß enthält mindestens zwei räumlich voneinander getrennte Elektroden oder Einkoppelstrukturen, von denen mindestens eine als kapazitive Einkoppelstruktur ausge­ bildet ist. Die erfindungsgemäße kapazitive Einkoppelstruktur kann beispielsweise auch mit einer metallischen Elektrode kombiniert werden. Das Dielektrikum der kapazitiven Einkoppelstruktur kann aus einer oder mehreren Schichten bestehen. Dabei wird jeweils ein Material verwendet, dessen dielektrische Sättigungspolarisation P und dessen wirksame Oberfläche A (d. h. im Kontakt zum Plasma im Entladungsgefäß und zum elektrischen Kontakt) so groß sind, daß ihr Produkt P.A < 10^-5 C beträgt. Es kann dann maximal die elektrische Ladung Q = 2 P.A in einer Periode transportiert werden. Dabei gilt, daß einer­ seits die Maximalladung Q so hoch gewählt sein muß, daß bei einer Betriebsfrequenz f der mittlere Strom Q.f fließen kann, andererseits die Lampe durch die Maximalladung geeig­ net ballastiert ist. Für das Dielektrikum der kapazitiven Einkoppelstruktur eignen sich be­ vorzugt Materialien mit einer Sättigungspolarisation P < 10^-5 C/cm² und einer wirksamen Oberfläche A von ungefähr 10 cm². Selbstverständlich ist eine Vielzahl von weiteren Ein­ koppelstrukturen denkbar, ohne den Schutzbereich des Anspruchs zu verlassen, die durch geeignete Wahl einer Kombination aus Materialeigenschaft und Geometrie des Dielektri­ kums die erfindungsgemäße Eigenschaft besitzen.

Eine solche Lampe kann insbesondere ohne eine Schaltung mit einer Treiberelektronik am Stromnetz für Privathaushalte (z. B. 230 V/50 Hz) betrieben werden. Bevorzugte Ausgestal­ tungen der Gasentladungslampe sind den weiteren Ansprüchen und der Beschreibung zu entnehmen.

Im folgenden sollen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Gasentladungslampe an­ hand von Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten möglichen Ausführungsform einer Gasentladungslampe gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine weitere denkbare Ausführungsform der Gasentladungslampe und

Fig. 3 eine dritte Ausführungsform.

Alle Ausführungsbeispiele verwenden als dielektrisches Basismaterial einen dielektrischen Feststoff, der die erfindungsgemäßen Eigenschaften besitzt. Vorzugsweise wird als Material für das Dielektrikum der kapazitiven Einkoppelstrukturen Ba(Ti_0,9Zr_0,1)O₃ verwendet, das mit einer kleinen Menge Mn Akzeptor-dotiert ist. Die permanenten internen elektrischen Dipole besitzen etwa eine Sättigungspolarisation von P = 1,5.10^-5 C/cm². Die Koerzitivfeld­ stärke beträgt E_C ≅ 60 V/mm. Damit wird bei allen Ausführungsbeispielen für die kapazi­ tiven Einkoppelstrukturen ein Produkt aus Sättigungspolarisation P und wirksamer Ober­ fläche A mit P.A < 10^-5 C und ein Produkt aus Koerzitivfeldstärke E_c und wirksamer Dicke des Dielektrikums d von E_c.d < 200 V erreicht. Die Gasentladungslampen können somit ohne zusätzliche Treiberelektronik direkt am Netz für Privathaushalte betrieben werden. Die Wahl des dielektrischen Materials ist jedoch nicht auf das obengenannte Material be­ schränkt. Ebensogut können alle anderen dielektrischen Materialien, vorzugsweise Para­ elektrika, Ferro- und Antiferroelektrika verwendet werden, deren Produkt aus Sättigungs­ polarisation P und wirksamer Oberfläche A die Bedingung P.A < 10^-5 C erfüllt.

Das Material für das Dielektrikum muß an der plasmazugewandten Oberfläche leicht Elek­ tronen abgeben. Zur Charakterisierung der Emissionseigenschaften des Dielektrikums dient das Verhältnis zwischen Ionenstrom und Elektronenstrom an der Oberfläche der plasmazugewandten Seite des Dielektrikums. Dieses Verhältnis wird als ioneninduzierter Sekundäremissionskoeffizient γ bezeichnet. Um einen Betrieb bei Netzspannung zu ge­ währleisten, sollte γ vorteilhafterweise größer als 0,001 sein, da sonst das Plasma nicht zündet. Zwischen dielektrischer Oberfläche und dem lichterzeugenden Teil des Plasma bildet sich eine schmale, etwa 1 mm dicke Plasmagrenzschicht aus. Die in der Plasma­ grenzschicht abgegebene Leistung kann hohe Werte annehmen und reduziert signifikant die Effizienz (Lumen pro Watt) der Lampe. Ein hoher Sekundäremissionskoeffizient γ führt dazu, diesen Leistungsanteil zu verringern und die Effizienz der Lampe zu steigern. Daher eignen sich solche Materialien für das Dielektrikum in besonderer Weise, bei denen sich während des Betriebs der Lampe zusätzliche Elektronen an der plasmazugewandten Oberfläche anlagern, und die zu einem Sekundäremissionskoeffizienten γ < 0,01 führen.

Bei allen denkbaren Ausführungsformen der Gasentladungslampe kann eine Verbesserung der Effizienz oder eine Verringerung der elektromagnetischen Störabstrahlung dadurch erzielt werden, das Druck und Füllgas für die Lampe so gewählt werden, daß die Einkop­ pelstrukturen in einem abnormalen Glimmodus betrieben werden. Damit verleiht der Kathodenfallbereich der gesamten Gasentladungslampe eine positive U/I-Kennlinie.

In der Fig. 1 ist eine kapazitive Gasentladungslampe mit einem Glasrohr 1 dargestellt, das als Gasentladungsgefäß dient. Das von innen phosphorbeschichtete Glasrohr 1 besitzt einen Innendurchmesser von 50 mm und ist mit 5 mbar Ar und 5 mg Hg gefüllt. An bei­ den Seiten des Glasrohres 1 ist jeweils eine dielektrische kapazitive Einkoppelstruktur be­ stehend aus einer scheibenförmigen dielektrischen Schicht 2 und einer elektrisch leitfähi­ gen Schicht 3 angebracht. Die dielektrische Schicht 2 wird durch eine Scheibe mit einem Durchmesser von 5 cm und einer Dicke von 0,5 mm gebildet, die aus Ba(Ti_0,9Zr_0,1)O₃ besteht, das mit einer kleinen Menge Mn Akzeptor-dotiert ist. Die dielektrische Scheibe 2 wird mittels eines Lötverfahrens am Gasentladungsgefäß 1 befestigt, so daß eine vakuum­ dichte Verbindung entsteht. Die elektrisch leitfähige Schicht 3 wird durch Aufbringen einer Silberpaste realisiert, so daß ein elektrischer Kontakt für den Anschluß an ein exter­ nes Stromnetz 4 zur Verfügung steht. Als externes Stromnetz 4 dient in diesem Ausfüh­ rungsbeispiel das Netz für Privathaushalte mit 230 V und 50 Hz. Beim Einschalten der Netzspannung zündet die Gasentladung der Lampe und es bildet sich eine stationäre Gas­ entladung aus. Elektronen gelangen auf die Oberfläche des Dielektrikums und bleiben dort haften. Die im Betrieb der Lampe entstehende Aufladung des Dielektrikums (2) führt zu einem elektrischen Feld zwischen den dielektrischen Einkoppelstrukturen (2), das eine ver­ einfachte Wiederzündung in der nächsten Halbphase der Wechselspannungsversorgung (nach Stromumkehr) und eine Erhöhung des ioneninduzierten Sekundäremissionskoeffi­ zienten γ zur Folge hat. Dadurch wird die Kathodenfallregion (Dunkelzone in der Nähe der Einkoppelstruktur, in der kein Licht erzeugt wird) verkleinert und damit die Effizienz der Gasentladungslampe erhöht.

In der Fig. 2 ist eine Lampe mit einem Glasrohr 5 als Gasentladungsgefäß dargestellt, das einen kleineren Innendurchmesser aufweist. Der Innendurchmesser beträgt nur 9 mm bei einer Füllung des innen phosphorbeschichteten Glasrohres 5 mit 15 mbar Ar und 5 mg Hg. An beiden Enden des Glasrohres 5 ist wieder jeweils eine dielektrische Einkoppelstruk­ tur bestehend aus einer scheibenförmigen dielektrischen Schicht 2 und einer elektrisch leit­ fähigen Schicht 3 angebracht. Die dielektrische Schicht 2 wird auch hier durch eine Schei­ be mit einem Durchmesser von 5 cm und einer Dicke von 0,5 mm aus Ba(Ti_0,9Zr_0,1)O₃ gebildet, das mit einer kleinen Menge Mn Akzeptor-dotiert ist. Die dielektrische Scheibe 2 ist mit dem Glasrohr 5 unter Verwendung einer Glaslottechnik vakuumdicht verbunden.

Die elektrisch leitfähige Schicht 3 wird durch Aufbringen einer Silberpaste realisiert, so daß ein elektrischer Kontakt füt den Anschluß an ein externes Stromnetz 4 zur Verfügung steht. Als externes Stromnetz 4 soll auch in diesem Ausführungsbeispiel das Netz für Pri­ vathaushalte mit 230 V und 50 Hz verwendet werden. Diese Ausführungsform der Lampe bietet aufgrund des kleineren Innendurchmessers eine erhöhte Effizienz, da sich in diesem Fall die positive Säule der Gasentladung und die Elektroden- und Kathodenfallregion je­ weils getrennt optimieren lassen.

Die in der Fig. 3 dargestellte Ausführungsform der Lampe besitzt ein Entladungsgefäß, das aus einem gebogenen Glasrohr 6 besteht. Das innen phosphorbeschichtete Glasrohr 6 hat einen Innendurchmesser von 9 mm und ist mit 15 mbar Ar und 5 mg Hg gefüllt. Die dielektrische Einkoppelstruktur an beiden Enden wird jeweils von einem zylinderförmigen Rohr 7 aus dem dielektrischen Material (speziell dotiertes BaTiO₃) gebildet. Der dielektri­ sche Zylinder 7 hat einen Außendurchmesser von 10 mm bei einer Wanddicke von 0,5 mm und einer Länge von 60 mm. Das Glasrohr 6 wird durch eine scheibenförmige, dielektrische Kappe 8 mittels eines Lötverfahrens vakuumdicht mit dem Glasrohr ver­ schlossen. Auf dem dielektrischen Zylinder 7 ist eine Schicht Leitsilber aufgebracht, so daß eine elektrische Kontaktierung möglich ist. Mittels dieser Kontaktierung wird die Lampe mit einem externen Stromnetz 4 (230 V, 50 Hz) verbunden. Diese Gasentladungslampe bietet bei einer deutlich kompakteren Bauart und höherer mechanischer Stabilität ebenfalls eine seht gute lichttechnische Effizienz. Natürlich sind auch andere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Gasentladungslampe denkbar, insbesondere bei der Ausgestaltung des Entladungsgefäßes oder der Wahl der verwendeten dielektrischen und elektrisch leit­ fähigen Materialien für die Einkoppelstrukturen (z. B. zur Erfüllung bestimmter Anfor­ derungen an die Form der Lampe oder produktionstechnischer Vorgaben). Weiterhin ist offensichtlich, daß die Erfindung nicht auf Lampen beschränkt ist, deren elektromagne­ tische Abstrahlung auf den sichtbaren Spektralbereich begrenzt ist.

Claims (9)

1. Gasentladungslampe mit wenigstens einer kapazitiven Einkoppelstruktur (2), dadurch gekennzeichnet, daß ein Dielektrikum (2) mit einer dielektrischen Sättigungspolarisation P und mit einer wirksamen Oberfläche A zur Bildung der kapazitiven Einkoppelstruktur (2) vorgesehen ist, wobei das Produkt aus P.A < 10^-5 C beträgt.

2. Gasentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dielektrikum (2) mit einer Koerzitivfeldstärke E_C und einer wirksamen Dicke d zur Bildung der kapazitiven Einkoppelstruktur (2) vorgesehen ist, wobei das Produkt aus E_C.d < 200 V beträgt.

3. Gasentladungslampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dielektrikum (2) mit einer elektrischen Durchbruchfeldstärke E_bd zur Bildung der kapazitiven Einkoppelstruktur (2) vorgesehen ist, wobei das Produkt aus E_bd.d < 200 V beträgt.

4. Gasentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum (2) aus einem paraelektrischen, ferroelektrischen oder antiferroelektrischen Feststoff besteht.

5. Gasentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum (2) aus Ba(Ti_1-xZr_x)O₃ mit Akzeptor-Dotierungen besteht.

6. Gasentladungslampe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Zirkon x = 0,10 beträgt.

7. Gasentladungslampe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dotierung mit Mn³⁺ die Akzeptor-Dotierung bildet.

8. Gasentladungslampe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum (2) eine wirksame Oberfläche A < 0,5 cm² besitzt.

9. Gasentladungslampe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum (2) eine wirksame Dicke d < 5 mm besitzt.