Gasentladungslampe

Abstract

 Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasentladungslampe mit wenigstens einer kapazitiven Einkoppelstruktur. 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 vorgesehen ist, wobei das Produkt aus

beträgt. Eine solche Lampe kann insbesondere ohne eine Schaltung mit einer Treiberelektronik am Stromnetz für Privathaushalte (z.B. 230V/50Hz) betrieben werden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Gasentladungslampe mit wenigstens einer kapazitiven Einkoppelstruktur.

[0002] 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 Elektronen erfolgt meist mittels Glühemission (heiße Elektroden), kann jedoch auch durch Emission in einem starken elektrischen Feld oder direkt durch Ionenbeschuß (ioneninduzierte 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 Niederdruckgasentladungslampen) erzeugt. Die Elektronen bewegen sich auf Kreisbahnen innerhalb des Entladungsgefäßes, herkömmliche Elektroden fehlen in dieser Betriebsart. Bei einer kapazitiven 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 metallischen 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 Bedeutung (sogenannter α-Entladungsmodus). Bei niedrigeren Frequenzen ändern die kapazitiven Lampen ihre Betriebsart und die für die Entladung wichtigen Elektronen müssen ursprünglich an der Oberfläche der dielektrischen Elektrode emittiert und in einem sogenannten Kathodenfallgebiet vervielfacht werden, um die Entladung aufrechtzuerhalten. Daher ist dann das Emissionsverhalten des dielektrischen Materials bestimmend für die Funktion der Lampe (sogenannter γ-Entladungsmodus).

[0003] 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 zu liefern. Ohne eine geeignete Ballastierung der Lampe in einem äußeren Stromkreis würde der Strom in der Gasentladungslampe durch Vermehrung der Ladungsträger im Gasvolumen des Entladungsgefäßes so stark steigen, daß es schnell zu einer Zerstörung der Lampe kommt.

[0004] 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 Spannung 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 betrieben werden, sondern ist eine Schaltung mit einer Treiberelektronik notwendig.

[0005] Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Gasentladungslampe mit wenigstens einer kapazitiven Einkoppelstruktur zu schaffen, die verbesserte Betriebseigenschaften aufweist.

[0006] Diese Aufgabe wird bei einer erfindungsgemäßen Gasentladungslampe dadurch gelöst, daß ein Dielektrikum mit einer dielektrischen Sättigungspolarisation P und mit einer wirksamen 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 ausgebildet 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 einerseits 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 geeignet ballastiert ist. Für das Dielektrikum der kapazitiven Einkoppelstruktur eignen sich bevorzugt Materialien mit einer Sättigungspolarisation P>10^-5 C/cm² und einer wirksamen Oberfläche A von ungefähr 10 cm². Selbstverständlich ist eine Vielzahl von weiteren Einkoppelstrukturen denkbar, ohne den Schutzbereich des Anspruchs zu verlassen, die durch geeignete Wahl einer Kombination aus Materialeigenschaft und Geometrie des Dielektrikums die erfindungsgemäße Eigenschaft besitzen.

[0007] Eine solche Lampe kann insbesondere ohne eine Schaltung mit einer Treiberelektronik am Stromnetz für Privathaushalte (z.B. 230V/50Hz) betrieben werden. Bevorzugte Ausgestalrungen der Gasentladungslampe sind den weiteren Ansprüchen und der Beschreibung zu entnehmen.

[0008] Im folgenden sollen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Gasentladungslampe anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen

Figur 1:

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

Figur 2:

eine weitere denkbare Ausführungsform der Gasentladungslampe und

Figur 3:

eine dritte Ausführungsform.

[0009] 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 Koerzitivfeldstärke beträgt E_C≅60 V/mm. Damit wird bei allen Ausführungsbeispielen für die kapazitiven Einkoppelstrukturen ein Produkt aus Sättigungspolarisation P und wirksamer Oberfläche 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 beschränkt. Ebensogut können alle anderen dielektrischen Materialien, vorzugsweise Paraelektrika, Ferro- und Antiferroelektrika verwendet werden, deren Produkt aus Sättigungspolarisation P und wirksamer Oberfläche A die Bedingung P·A>10^-5 C erfüllt.

[0010] Das Material für das Dielektrikum muß an der plasmazugewandten Oberfläche leicht Elektronen 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 gewährleisten, 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 Plasmagrenzschicht 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.

[0011] 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 Einkoppelstrukturen in einem abnormalen Glimmodus betrieben werden. Damit verleiht der Kathodenfallbereich der gesamten Gasentladungslampe eine positive U/I-Kennlinie.

[0012] In der Figur 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 beiden Seiten des Glasrohres 1 ist jeweils eine dielektrische kapazitive Einkoppelstruktur bestehend aus einer scheibenförmigen dielektrischen Schicht 2 und einer elektrisch leitfähigen 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 vakuumdichte Verbindung entsteht. Die elektrisch leitfähige Schicht 3 wird durch Aufbringen einer Silberpaste realisiert, so daß ein elektrischer Kontakt für den Anschluß an ein externes Stromnetz 4 zur Verfügung steht. Als externes Stromnetz 4 dient in diesem Ausführungsbeispiel 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 Gasentladung 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 vereinfachte Wiederzündung in der nächsten Halbphase der Wechselspannungsversorgung (nach Stromumkehr) und eine Erhöhung des ioneninduzierten Sekundäremissionskoeffizienten 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.

[0013] In der Figur 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 Einkoppelstruktur bestehend aus einer scheibenförmigen dielektrischen Schicht 2 und einer elektrisch leitfähigen Schicht 3 angebracht. Die dielektrische Schicht 2 wird auch hier durch eine Scheibe 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 für den Anschluß an ein externes Stromnetz 4 zur Verfügung steht. Als externes Stromnetz 4 soll auch in diesem Ausführungsbeispiel das Netz für Privarhaushalte 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 jeweils getrennt optimieren lassen.

[0014] Die in der Figur 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 dielektrische 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 verschlossen. 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 sehr 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 leitfähigen Materialien für die Einkoppelstrukturen (z.B. zur Erfüllung bestimmter Anforderungen an die Form der Lampe oder produktionstechnischer Vorgaben). Weiterhin ist offensichtlich, daß die Erfindung nicht auf Lampen beschränkt ist, deren elektromagnetische Abstrahlung auf den sichtbaren Spektralbereich begrenzt ist.

Ansprüche

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<200V 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<200V 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>0,5cm² besitzt.

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

Zeichnung