專利名稱：無電極放電燈的制作方法
無電極熒光燈近來已出現(xiàn)在世界各地的各種市場上。從消費者的觀點看，無電極熒光燈的主要優(yōu)點在于取消了作為限制燈壽命的一個因素的電極。所以，與有電極的燈相比，無電極的熒光燈可以延長使用壽命。這已經(jīng)過各種結(jié)構(gòu)和各種功率而得到證實。例如，市面上的燈以2.65MHz和13.56MHz頻率工作。它們的額定功率從約25W至150W，它們的壽命從15000小時至約60000小時。這些燈易于維護并且具有良好的效率。但是，這種燈的缺點之一在于其成本。由于為了產(chǎn)生射頻(RF)頻帶的電壓而復(fù)雜化的電路設(shè)計，使得驅(qū)動器變得很昂貴。高成本的另一個原因在于防止電磁干擾(EMI)的需要。由于存在有對于EMI的聯(lián)邦法規(guī)，就必須極為小心不能造成對通信系統(tǒng)、心臟起博器或各種醫(yī)療設(shè)備的干擾。因此，在技術(shù)上已經(jīng)證實熒光燈可以具有實用性和很長的壽命的同時，這種燈的初期購置成本已成為影響它廣泛占有市場的主要障礙。
減少整個系統(tǒng)成本的一個重要步驟是降低工作頻率。如果工作頻率從標準的13.56MHz或2.65MHz(在許多國家允許的頻率)降至一個低的千赫范圍(這里低頻是50-500kHz)，則電路的復(fù)雜性就會明顯地減小?？梢圆捎脧V泛用于大量生產(chǎn)的電子鎮(zhèn)流器中的部件以減低電路的整體成本。當然，無電極熒光燈具有廣闊的市場潛力。為了達到如此低的頻率并仍能產(chǎn)生必要的磁場和電場以維持放電，必須采用鐵氧體材料。鐵氧體材料顯然在低頻工作中是一個重要因素。
無電極燈可在約50-500kHz頻率工作。低頻的限制由產(chǎn)生強磁場所需的高的線圈電流所確定，該磁場激發(fā)并維持燈內(nèi)的放電。的確，燈內(nèi)的感應(yīng)電壓Vind是Vind＝Vpl＝πRpl2ωBpl(1)其中，ω＝2πf是角驅(qū)動頻率，Rpl是等離子半徑，Vpl是等離子電壓，Bpl是線圈電流Icoil在等離子中產(chǎn)生的磁場Bpl≌μoμeffIcoil(N/Hcoil)(2)
其中，μcfT是在這種低頻下使用的鐵氧體芯的通常小于鐵氧體芯導(dǎo)磁率μ的有效介質(zhì)導(dǎo)磁率；N是線圈匝數(shù)，Hcoil是線圈高度。對于每種特定的氣體和水銀蒸氣壓力以及每個燈的幾何形狀來說，有一個激發(fā)燈內(nèi)感應(yīng)放電所需的特定值Vind。所以，從式1可以看到，降低驅(qū)動頻率f就需要增強磁場Bpl。鐵氧體導(dǎo)磁率μ不隨頻率f變化。N和Hcoil是固定值。
因此，只有通過增大線圈電流來達到增強Bpl，即Bpl∝ Icoil。于是，當固定氣壓和固定燈的幾何形狀時，降低區(qū)動頻率f就要求增強磁場并且因而增加線圈電流Icoil。遺憾的是，增加線圈電流并不理想，這是因為它導(dǎo)致線圈和鐵氧體員耗的增加Ploss＝I2coilRcoil+PTerr(3)其中，Rcoil是線圈電阻，PTerr是鐵氧體芯中的功率損耗。功率損耗的增加減小燈的功率系數(shù)，進而降低燈的效率。
如上所述，采用頻率50-500kHz而不采用許多國家允許的頻率13.56MHz甚至2.56MHz時具有很多優(yōu)點。第一個優(yōu)點是當頻率下降時驅(qū)動器部件的成本通常會降低。采用小于200kHz的頻率可使整個系統(tǒng)的成本比在13.56MHz頻率工作時減小幾倍。第二個優(yōu)點是與在距離上和燈泡相匹配網(wǎng)路的定位(20-50cm或更多)的可能性相關(guān)。
總之，驅(qū)動器在50-500kHz頻率工作的效率(～90％)高于在13.56MHz頻率工作的效率(80％)和在2.65MHz頻率工作的效率(85％)。其結(jié)果是，即使由于較高的線圈損耗(較高的線圈電流)和鐵損而使得燈的效能較低(幾個百分點)，整個系統(tǒng)的效率也可與頻率為13.56MHz和2.65MHz時相同(或更高)。
在研究現(xiàn)有技術(shù)時從磁芯材料的方面來看，注意到van der Zaag(EPA 0625 794 Al)以及Postma等人(US 4,536,675)已集中對在3MHz頻率工作的最佳鐵氧體材料的使用和選擇進行了研究。由于他們所研制的燈的設(shè)計集中在2.65MHz，所以最佳鐵氧體材料在該頻率的功率損耗小于150mW/cm3、并在大約10mT的磁場處變成鎳-鋅型，而且工作得比錳-鋅型材料好。這是因為在3MHz頻率和10mT磁場時，錳-鋅型材料具有500-700mW/cm3的功率損耗。所以可知，在3MHz頻率時具有小于150mW/cm3損耗的鎳-鋅型材料是最佳選擇。但是，由于本發(fā)明的主要焦點是低頻(50-500kHz)操作，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，鎳-鋅鐵氧體不是最佳的使用材料。在這個頻率范圍內(nèi)，鎳-鋅鐵氧體中的功率損耗大于錳-鋅鐵氧體中的功率損耗。我們發(fā)現(xiàn)，在使用錳-鋅型材料時，例如在100kHz和室溫(23℃)下的典型損耗一般在磁場約等于10mT時小于1mW/cm3、在磁場約等于150mT時小于400mW/cm3，這基本上低于鎳-鋅鐵氧體在相同的頻率和磁場條件下產(chǎn)生的損耗(見圖2)。這在熱處理和燈效能方面具有很重要的意義。其原因是鐵氧體磁芯的功率損耗以相反的兩個方面影響系統(tǒng)。一方面，這些損耗產(chǎn)生的過量的熱必須從燈驅(qū)動器電路除去或引出(燈驅(qū)動器電路靠近整個系統(tǒng)中的鐵氧體磁芯)，以避免損壞FETs和其它電路部件。這將增加成本和包裝的復(fù)雜性。第二方面是會降低系統(tǒng)的功率系數(shù)。鐵氧體磁芯中的損耗越高，功率系數(shù)和系統(tǒng)的效率就越低。因而可知，對于高效和低成本的無電極燈來說，采用最低磁芯損耗的材料是至關(guān)重要的。
本發(fā)明涉及一種無電極熒光燈，它包括一個充有水銀和惰性氣體的玻璃外殼。鐵氧體磁芯設(shè)置得鄰近該外殼。
在本發(fā)明的一個方面，一種無電極放電燈，它包括一個含有一種發(fā)光填充材料的外殼；一個鐵氧體磁芯；和一個圍繞該鐵氧體磁芯的線圈，其中，所述無電極放電燈在工作時借助由該線圈中流動的電流所產(chǎn)生的交變磁場以維持該外殼內(nèi)的放電；以及在交變頻率為100kHz和磁場為10mT的條件下，該鐵氧體磁芯的最大損耗小于1mW/cm3。
在本發(fā)明的一個實施例中，在交變頻率為100kHz和磁場為150mT的條件下，鐵氧體磁芯的最大損耗可小于400mW/cm3。
該磁芯包含鐵、錳和鋅的混合物，錳和鋅相對于鐵的重量比例在約0.2與0.7之間，并且鋅相對于錳的重量比例在約0.2與2.0之間。
本發(fā)明的一個目的是提供一種與工作于低頻操作的無電極熒光燈結(jié)合使用的低功率損耗鐵氧體磁芯材料。
本發(fā)明的另一個目的是通過使包括鐵氧體磁芯材料在內(nèi)的各種部件的損耗的最小化而實現(xiàn)最高的燈效率，并確定無電極熒光燈中的在50-500kHz工作頻率時具有很小的功率損耗的磁芯材料。
本發(fā)明的又一個目的是提供一種磁芯材料，其居里溫度大于200℃，并因此該磁芯材料在正常的工作條件和環(huán)境溫度為40-50℃的熱照明設(shè)備的工作條件下不會變差。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種適用于在低頻(50-500kHz)下工作的無電極熒光燈的磁芯材料，該熒光燈具有著眼于安全性和低成本所要求的低的啟動功率和低電壓(＜2000V)。
本發(fā)明的一個特征是所使用的鐵氧體磁芯的成份包括約10％至25％重量之間的錳，約5％至20％重量之間的鋅，以及約65％至75％重量之間的鐵。這里，錳、鋅和鐵的重量百分比代表這些氧化物(氧化錳，氧化鋅和三氧化二鐵)中除去氧重量之外的金屬的重量百分比。如果錳的重量百分比是x、鋅的重量百分比是y、鐵的重量百分比是z，則x+y+z≤100％。
下面參照表示本發(fā)明的說明性的實施例的附圖可使本發(fā)明的新穎的特征和優(yōu)點更為清楚，其中

圖1是示出具有本發(fā)明所述的磁芯材料的、可在低頻工作的無電極熒光燈的典型結(jié)構(gòu)的局部剖視圖。
圖2示出，在兩種不同的磁場強度下，在本發(fā)明的錳-鋅鐵氧體中和在現(xiàn)有技術(shù)所用的鎳-鋅鐵氧體中測得的作為頻率的函數(shù)的功率損耗曲線。
圖3示出采用錳-鋅材料制作的鐵氧體磁芯的Q因數(shù)曲線。該Q因子是在50kHz-350kHz頻率下測得的。Q因子是電感的“損耗”的量度，Q＝ωL/R，其中L是帶有鐵氧體的線圈的電感，R是帶有鐵氧體的線圈的有效電阻。
圖4示出以23W工作的燈的作為驅(qū)動頻率函數(shù)的啟動功率Pμ和啟動電流Iμ的曲線。磁芯是由錳-鋅鐵氧體制成的。
圖5示出作為驅(qū)動頻率的函數(shù)的鐵氧體的功率損耗和功率效率的曲線。燈功率是23W。鐵氧體磁芯由錳-鋅鐵氧體制成，型號為MN80。
圖6示出作為頻率的函數(shù)的燈的光輸出和效率的曲線；P＝23W；燈泡直徑Db＝60mm；燈泡高度Hb＝65mm。
參見圖1，示出了一個帶有常規(guī)的熒光物質(zhì)涂層2的球形外殼1。由硅或鋁等構(gòu)成的保護層3位于外殼1與熒光物質(zhì)層2之間。在外殼1的底部5有一個凹狀空腔4。凹狀空腔4的內(nèi)壁上還有熒光物質(zhì)層2、反射層6、和保護層3。排氣管7可設(shè)置在外殼的軸線上或不在外殼的軸線上。
在本優(yōu)選實施例中，排氣管7設(shè)置在外殼的軸線上并且在內(nèi)空腔4的上部8與外殼連接。外殼1包含例如氬或氪等的惰性氣體與例如水銀、鈉和/或鎘等的可蒸發(fā)金屬的混合物(發(fā)光材料)。
線圈9由Litz金屬絲構(gòu)成(見Popov等人提出的、由本申請的同一受讓人擁有的US專利申請09/083,820)，繞制在由具有高導(dǎo)磁率(＞4000)的錳-鋅材料制成的鐵氧體空心磁芯10上。鐵氧體磁芯10在50-1000kHz頻率處具有高的居里溫度(Tc＞200℃)和低的功率損耗。在本優(yōu)選實施例中，采用的鐵氧體磁芯高55mm，外徑14mm，內(nèi)徑7mm。在驅(qū)動頻率100kHz、鐵氧體磁芯的磁場約830G時，需要以f＝100kHz保持等離子，則在鐵氧體溫度從-10℃至+150℃時功率損耗小于100mW/cm3。
根據(jù)空腔4和鐵氧體磁芯10的長度，感應(yīng)線圈9具有10至80匝。線圈9具有匝間距，每個匝間距的高度略大于0-10mm。依據(jù)鐵氧體磁芯長度和線圈匝數(shù)，線圈/鐵氧體磁芯部件組合的合電感值為從10至500μH。外殼1的底部5設(shè)置在燈基座12的頂面11上。
導(dǎo)線從電感線圈9伸出并將線圈9連接至位于燈基座12內(nèi)的一個匹配電網(wǎng)(未示出)。其中一根導(dǎo)線連接至匹配電網(wǎng)的高HF電壓端，另一根導(dǎo)線使HF接地。高頻驅(qū)動器向匹配電網(wǎng)提供具有所需的可以是50-500kHz頻率的電壓和電流。
金屬(鋁，銅)圓柱體13插在鐵氧體磁芯10與管7之間，并連接到頂面11。如Popov等人的申請(09/083,820)所述，圓柱體13將熱量從鐵氧體磁芯和空腔導(dǎo)向基底12。汞齊14處于管7內(nèi)。它提供外殼中的金屬蒸氣(水銀，鈉，鎘等)，并控制其中的金屬蒸氣壓力。一些玻璃棒15位于排氣管7中以便使汞齊14保持在所選擇的位置處。
我們采用(圖1所示的)凹狀空腔在80-500kHz的工作頻率下研究無電極熒光燈。填充物壓力(氬，氪)在0.1到2.0乇之間。水銀壓力由位于中間排氣管內(nèi)的汞齊控制。為了在50-500kHz的低頻工作，試用了各種型號的錳-鋅鐵氧體。典型的實驗裝置包括一個信號發(fā)生器、一個放大器，一個向前連接的定向耦合器和反射功率計，一個電流/電壓相移計，一個匹配電網(wǎng)，一個示波器，和一個用于線圈電流測量的羅果斯基(Rogowski)回路。
在充有惰性氣體(氬，氪，0.1-2乇)和水銀蒸氣混合物的典型的無電極熒光燈中，放電首先呈現(xiàn)為一種電容放電。實際上，在所采用的所有頻率(從80kHz至500kHz)的電容放電的擊穿電場低于感應(yīng)放電。線圈電壓的進一步增加導(dǎo)致感應(yīng)放電的啟動，并伴隨有線圈電壓和電流的下降，并且在燈體積中顯示出明亮的等離子體。
我們測量了鐵氧體磁芯/線圈在燈的啟動(Pst)和工作期間(Ploss)、線圈啟動電壓(Vsl)和電流(Ist)的功率損耗。我們還測量了工作期間的線圈電流和電壓，即Iin和Vin。
在圖2中示出了所測得的兩種鐵氧體材料的作為頻率的函數(shù)的單位體積的功率損耗?？汕宄乜吹?，在錳-鋅鐵氧體中的損耗隨頻率的減小而下降，對于150mT場強、在約100kHz時損耗在350mW/cm3，這是在燈啟動時我們希望的指標。如上所述，這就是基本上低于在相同頻率和磁場條件下的鎳-鋅鐵氧體的損耗(750mW/cm3)的數(shù)值。
由Litz金屬絲和鐵氧體磁芯(錳-鋅材料，型號MN-Zn)構(gòu)成的線圈的Q因子作為驅(qū)動頻率的函數(shù)示于圖3中?？梢钥吹?，在80kHz-300kHz頻率范圍內(nèi)，Q因子很高(Q＞400)。高Q值意味著可以期望在燈的啟動和工作期間線圈(鐵氧體磁芯)中的功率損耗較低。
圖4中示出了作為驅(qū)動頻率的函數(shù)的線圈啟動損耗(Pst)和線圈啟動電流(Ist)?？梢钥闯?，當驅(qū)動頻率增加時，Pst、Ist都減小，但即使頻率低到100kHz時、Pst＜5W。由于錳-鋅材料和Litz金屬絲制成的鐵氧體磁芯中的低功率損耗，所以可實現(xiàn)低的啟動功率(再參見我們的專利申請09/083,820)。
線圈金屬絲的種類變化、匝數(shù)、以及鐵氧體的種類變化會改變線圈/鐵氧體的電感量Llot、線圈電阻Rcoil的實際值，因而改變Pst和Ist。但在任何線圈和鐵氧體組合中，在線圈/鐵氧體Q因子的最大值時Pst達到最小值。
線圈啟動電壓Vst基于匝數(shù)N。在N＝61匝時，Vst大約是1000V。圖5示出了在23W工作的燈的工作期間的線圈功率損耗Ploss和燈的功率系數(shù)Ppl/Plamp。這里，Plamp是輸入到匹配電網(wǎng)的電功率，Ppl是輸入到燈的電功率，即，從電功率Plamp中減去線圈9中的電感損耗Ploss所得到的電功率。可以看出，線圈功率損耗隨頻率上升而降低，從f＝85kHz的2.7W降到f＝170kHz的1.5W。低的線圈功率損耗導(dǎo)致高的功率系數(shù)，它從85kHz的87％增加到170kHz的93％。
這種高功率系數(shù)產(chǎn)生高的燈效率1pw。在P＝23W時在直徑60mm、長度65mm的燈測得的總輸出和燈效率作為驅(qū)動頻率的函數(shù)顯示在圖6中?？梢钥吹?，頻率減小時光通量輸出和lpw減小，但即使在f＝100kHz時它們也大于相同功率水平的以2.65MHz工作的例如General Electric(“Genura”)出售的無電極熒光燈的光通量輸出和lpw。
顯然，在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)可以進行各種改型和變化。然而，本發(fā)明僅由后附的權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求
1.一種無電極放電燈，包括一個含有一種發(fā)光填充材料的外殼；一個鐵氧體磁芯；和一個圍繞所述鐵氧體磁芯的線圈，其中，所述無電極放電燈在工作時借助所述線圈中流動的電流所產(chǎn)生的交變磁場以維持所述外殼內(nèi)的放電；以及在交變頻率為100kHz和磁場為10mT的條件下，所述鐵氧體磁芯的最大損耗小于1mW/cm3。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無電極放電燈，其特征在于，在交變頻率為100kHz和磁場為150mT的條件下，所述鐵氧體磁芯的最大損耗小于400mW/cm3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無電極放電燈，其特征在于，所述鐵氧體磁芯包含鐵、錳和鋅。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無電極放電燈，其特征在于，所述錳和鋅相對于鐵的重量比例在約0.2與0.7之間，并且所述鋅相對于錳的重量比例在約0.2與2.0之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無電極放電燈，其特征在于，所述鐵氧體磁芯包含約10％-25％重量的錳、約5％-20％重量的鋅、以及約65％-75％重量的鐵。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無電極放電燈，其特征在于，所述外殼包括一個凹狀空腔，并且所述鐵氧體磁芯和所述線圈處于所述凹狀空腔中。
7.一種無電極放電燈，包括一個含有一種發(fā)光填充材料的外殼；一個鐵氧體磁芯；和一個圍繞所述鐵氧體磁芯的線圈，其中，所述無電極放電燈在工作時借助所述線圈中流動的電流所產(chǎn)生的交變磁場以維持所述外殼內(nèi)的放電；所述無電極放電燈工作在50-500kHz的頻率范圍；所述鐵氧體磁芯包含鐵、錳和鋅；在交變頻率為100kHz和磁場為10mT的條件下，所述鐵氧體磁芯的最大損耗小于1mW/cm3；以及至少一部分外殼具有一個熒光材料層和一個保護層。
全文摘要
一種在較低頻(50—500kHz)工作的無電極熒光燈,其中采用鐵氧體磁芯產(chǎn)生所需磁場和電場以保持放電,所用的磁芯材料是在50—500kHz頻率范圍和150mT磁場強度下具有低功耗(400mW/cm
文檔編號H01J65/04GK1272681SQ0011795
公開日2000年11月8日 申請日期2000年5月3日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月3日
發(fā)明者J·C·張伯倫, O·波波拉, E·夏皮羅, R·錢德勒, 倉地敏明 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社, 松下電工株式會社