ГАЗОРАЗРЯДНАЯ ЛАМПА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ С УЛУЧШЕННОЙ СПОСОБНОСТЬЮ ЗАЖИГАНИЯ, А ТАКЖЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2011 года по МПК H05B41/04 H01J61/54 

Область техники

Изобретение исходит из газоразрядной лампы высокого давления согласно родовому понятию пункта 1 формулы изобретения. Подобными лампами являются, в частности, газоразрядные лампы высокого давления для общего освещения, а также для фотооптических целей. Изобретение также относится к высоковольтному импульсному генератору, который, в частности, может использоваться для лампы.

Уровень техники

Проблема зажигания газоразрядных ламп высокого давления в настоящее время решается тем, что прибор для зажигания встроен в пускорегулирующий аппарат. Недостатком этого является то, что подводящие проводники должны быть выполнены прочными в отношении пробоя высоким напряжением.

В прошлом постоянно делались попытки встроить блок зажигания в лампу. При этом пытались встроить его в цоколь. Особенно эффективное и потенциально высокоимпульсное зажигание реализуется с помощью так называемого спирального импульсного генератора (см. US-A 3289015). В течение длительного времени подобные приборы предлагались для различных газоразрядных ламп высокого давления, таких как металл-галогенидные лампы или натриевые лампы высокого давления (см., например, US-A 4325004, US-A 4353012). Однако они не получили широкого распространения, так как они, во-первых, являются слишком дорогостоящими. Во-вторых, преимущество, заключающееся в возможности встраивания в цоколь, не достаточно, так как остается проблема подвода высокого напряжения в колбу. Поэтому вероятность повреждений лампы, ввиду проблем изоляции или пробоя в цоколе, существенно возрастает. До сих пор обычные приборы для зажигания в общем случае не могли бы нагреваться до температуры выше 100^оС. Вырабатываемое напряжение должно было бы тогда подводиться к лампе, что требует проводников и патронов ламп с соответствующей прочностью по отношению к высокому напряжению, в типовом случае порядка 5 кВ.

В обычных схемах зажигания обычно конденсатор разряжается через переключатель, например, через искровой промежуток, на первичную обмотку трансформатора высокого напряжения. Во вторичной обмотке индуцируется тогда желательный импульс высокого напряжения (см. Sturm/Klein, Betriebsgeräte und Schaltungen für elektrische Lampen, S. 193-195 (6. Auflage 1992)).

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание газоразрядной лампы высокого давления, у которой режим зажигания заметно улучшен по сравнению с современными лампами и для которой можно не опасаться повреждения вследствие высокого напряжения. Это относится, в частности, к металл-галогенидным лампам, причем материалом газоразрядного резервуара может быть кварц или керамика.

Эта задача решается отличительными признаками пункта 1 формулы изобретения. Особенно предпочтительные варианты осуществления представлены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Кроме того, задачей настоящего изобретения является создание компактного высоковольтного импульсного генератора.

Эта задача решается отличительными признаками пункта 14 формулы изобретения.

В соответствии с изобретением импульс высокого напряжения, по меньшей мере, 1,5 кВ, который необходим для зажигания лампы, вырабатывается посредством специального термостойкого спирального импульсного генератора, который встроен в непосредственной близости от газоразрядного резервуара во внешней колбе. Тем самым возможно не только холодное зажигание, но и горячее повторное зажигание.

Применяемый теперь спиральный импульсный генератор является, в частности, так называемым LTCC-компонентом. Этот материал является специальной керамикой, которая может изготавливаться термостойкой к воздействию температур до 600°С. LTCC правда уже применялся в связи с лампами (см. US 2003/0001519 и US-B 6853151). Однако он использовался совсем для других целей при практически термоненагруженых лампах, при типовых температурах ниже 100°С. Особое значение высокой термостойкости LTCC должно быть выявлено в связи с зажиганием газоразрядных ламп высокого давления, таких как, прежде всего, металл-галогенидные лампы с проблемами зажигания.

Спиральный импульсный генератор является компонентом, который объединяет свойства конденсатора со свойствами волновода для выработки импульсов зажигания с напряжением, по меньшей мере, 1,5 кВ. В процессе изготовления на две керамические «сырые пленки» наносится печать металлической проводящей пастой, и затем они с переплетением навиваются в спираль и, наконец, изостатически спрессовываются в формованное изделие. Последующее совместное спекание металлической пасты и керамической пленки осуществляется на воздухе в температурном диапазоне от 800 до 900^оС. Эта обработка позволяет реализовать диапазон использования спирального импульсного генератора до температурной нагрузки 700^оС. Благодаря этому спиральный импульсный генератор может размещаться в непосредственной близости от разрядного резервуара во внешней колбе, но также в цоколе или в непосредственной близости от лампы.

Независимо от этого, подобный спиральный импульсный генератор может также использоваться для других применений, потому что он является не только термостойким, но и чрезвычайно компактным. Для этого существенным является то, что спиральный импульсный генератор выполнен как LTCC-компонент, состоящий из керамической пленки и металлической пропитки на пленке, в частности, в форме проводящей пасты. Для того чтобы выработать достаточное выходное напряжение, спираль должна включать в себя, по меньшей мере, 5 витков.

К тому же на основе этого высоковольтного импульсного генератора можно предложить блок зажигания, который, кроме того, содержит, по меньшей мере, одно зарядное сопротивление и переключатель. Переключатель может представлять собой искровой промежуток или диак (симметричный диодный тиристор) по SiC-технологии.

В случае применения для ламп предпочтительным является размещение во внешней колбе, так как благодаря этому отпадает необходимость в устойчивом по отношению к высокому напряжению подводе напряжения.

К тому же спиральный импульсный генератор можно выполнить таким образом, что импульс высокого напряжения обеспечивает возможность даже горячего повторного зажигания лампы. Диэлектрик из керамики отличается чрезвычайно высокой диэлектрической постоянной ε порядка ε>10, причем в зависимости от материала и конструкции, может реализовываться ε от значения 70 в типовом случае до ε=100. Это создает очень высокую емкость спирального импульсного генератора и обеспечивает возможность сравнительно большой временной длительности формируемых импульсов. Благодаря этому возможна очень компактная конструкция спирального импульсного генератора, так что удается реализовать встраивание в обычные коммерчески доступные внешние колбы газоразрядных ламп высокого давления.

В качестве материала внешней колбы может применяться любое стекло, также, в частности, закаленное стекло, викор (высококремнеземистое стекло) или кварцевое стекло. Также выбор заполнения не подлежит каким-либо особым ограничениям.

Особенно простое согласование желательных свойств LTCC спирального импульсного генератора достигается тем, что в качестве диэлектрика применяется не просто материал с желательной диэлектрической постоянной, а смесь из двух материалов, из которых первый материал имеет заданный параметр ε_r, а второй материал - заданный параметр μ_r, то есть относительную магнитную проницаемость. В то время как до сих пор применялся простой материал с ε от 4 до 1000, теперь может применяться смесь, в которой первый материал имеет ε от 2 до 1000, в то время как второй материал является ферритовым и может иметь μ от 1 до 5000. Предпочтительным образом μ_r является по возможности высокой и составляет, по меньшей мере, 10, особенно предпочтительно, по меньшей мере, 100. До сих пор значение μ лежало в случае известных материалов вблизи 1; согласование было невозможным. Типовая смесь содержит долю ферритового материала от 5 до 35% по весу.

Особое значение степени свободы нового типа вытекает из следующего рассуждения.

Для согласования длительности импульса, волнового сопротивления и импульсной энергии спирального импульсного генератора μ и ε должны выбираться согласно следующему руководящему принципу: волновое сопротивление (импеданс) Z₀ спирального импульсного генератора задается следующим соотношением:

где μ₀ - магнитная постоянная, ε₀ - абсолютная диэлектрическая проницаемость, μ_r - относительная магнитная проницаемость, ε_r - относительная диэлектрическая постоянная. Энергия сформированного импульса пропорциональна . Длительность импульса генератора определяется соотношением: . Для эффективного функционирования генератора должно выполняться соотношение , где L_s - индуктивность короткозамкнутого переключателя. Ввиду Z₀·τ~μ_r, этого согласования с индуктивностью короткозамкнутого переключателя можно достичь посредством выбора относительной магнитной проницаемости.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение поясняется более подробно со ссылками на несколько примеров осуществления. На чертежах показано следующее:

Фиг.1 - принципиальная структура спирального импульсного генератора;

Фиг.2 - параметры спирального импульсного генератора на LTCC;

Фиг.3 - принципиальная схема натриевой лампы высокого давления со спиральным импульсным генератором во внешней колбе;

Фиг.4 - принципиальная схема металл-галогенидной лампы со спиральным импульсным генератором во внешней колбе;

Фиг.5 - металл-галогенидная лампа со спиральным импульсным генератором во внешней колбе;

Фиг.6 - металл-галогенидная лампа со спиральным импульсным генератором в цоколе.

Предпочтительные формы выполнения изобретения

Фиг.1 показывает структуру схему спирального импульсного генератора 1 на виде сверху. Он состоит из керамического цилиндра 2, в котором два различных металлических проводника 3 и 4 как пленочная полоса навиты в форме спирали. Цилиндр 2 является полым внутри и имеет внутренний диаметр ID. Оба внутренних контакта 6 и 7 обоих проводников 3 и 4 лежат примерно напротив и связаны между собой через искровой промежуток 5. Только внешний из обоих проводников имеет на внешнем крае цилиндра другой контакт 8. Другой проводник заканчивается разомкнутым. Оба проводника образуют тем самым совместно волновод в диэлектрической среде, керамике.

Спиральный импульсный генератор создается либо из двух покрытых металлической пастой керамических пленок, которые навиты, или их двух металлических пленок и двух керамических пленок. Важным параметром при этом является число n витков, которое предпочтительно должно лежать в пределах порядка от 5 до 100. Эта конфигурация витков затем ламинируется и в заключение спекается, благодаря чему возникает LTCC-компонент. Созданные таким образом спиральные импульсные генераторы с конденсаторным свойством затем снабжаются искровым промежутком и зарядным сопротивлением. Керамическая пленка представляет собой здесь смесь из диэлектрического материала с ε в пределах от 2 до 1000 и ферритового материала с μ в пределах от 1,5 до 5000.

Искровой промежуток может находиться у внутренних или внешних выводов или также внутри обмотки генератора. В качестве высоковольтного переключателя, который инициирует импульс, может предпочтительно применяться искровой промежуток, который основывается на SiC и является очень термостойким. Например, переключающий элемент может применять MESFET от Fa. Cree. Он пригоден для температур выше 350°С.

В конкретном примере выполнения применяется керамический материал с ε в пределах от 60 до 70. При этом предпочтительно в качестве диэлектрика применяется керамическая пленка, в частности керамическая лента, такая как Hertape CT 707 или СТ 765, или также смесь обеих, от Heraeus. Она имеет толщину сырой пленки в типовом случае от 50 до 150 мкм. В качестве проводника применяется, в частности, Ag проводящая паста, такая как “Cofirable Silver” тоже от Heraeus. Конкретным примером является СТ 700 от Heraeus. Хорошие результаты дает также металлическая паста 6142 от DuPont. Эти детали допускают хорошее ламинирование и затем выжигаются и совместно спекаются.

Внутренний диаметр ID спирального импульсного генератора составляет 10 мм. Ширина отдельных полос также составляет 10 мм. Толщина пленки равна 50 мкм, и также толщина обоих проводников соответственно равна 50 мкм. Напряжение заряда составляет 300 В. При этих условиях спиральный импульсный генератор достигает оптимума своих свойств при числе витков n от 20 до 70.

На фиг.2 изображены соответствующие полуширина на уровне 0,5 высоковольтного импульса в мкс (кривая а), общая емкость компонента в мкФ (кривая b), результирующий внешний диаметр в мм (кривая с), а также эффективность (кривая d), максимальное импульсное напряжение (кривая е) в кВ и сопротивление проводника в Ом (кривая f).

На фиг.3 показана принципиальная схема натриевой лампы 10 высокого давления в керамическом разрядном резервуаре 11 и внешней колбой 12 с встроенным в нее спиральным импульсным генератором 13, причем электрод 14 зажигания размещен снаружи на керамическом разрядном резервуаре 11. Спиральный импульсный генератор 13 с искровым промежутком 15 и зарядным сопротивлением 16 размещен во внешней колбе.

Фиг.4 показывает принципиальную структуру металл-галогенидной лампы 20 с встроенным спиральным импульсным генератором 21, причем никакие электроды зажигания не размещены вне разрядного резервуара 22, который может изготавливаться из кварцевого стекла или керамики. Спиральный импульсный генератор 21 с искровым промежутком 23 и зарядным сопротивлением 24 размещен во внешней колбе.

На фиг.5 показана металл-галогенидная лампа 20 с разрядным резервуаром 22, который удерживается во внешней колбе двумя подводами 26, 27. Первый подвод 26 представляет собой короткий провод в виде угла. Второй подвод 27 представляет собой по существу стержень, который ведет к удаленному от цоколя вводу 28. Между подводом 29 из цоколя 30 и стержнем 27 размещен блок 31 зажигания, который содержит спиральный импульсный генератор, искровой промежуток и зарядное сопротивление, как показано на фиг.4.

На фиг.6 показана металл-галогенидная лампа 20, подобная показанной на фиг.5, с разрядным резервуаром 22, который удерживается во внешней колбе 25 двумя подводами 26, 27. Первый подвод 26 представляет собой короткий провод в виде угла. Второй подвод 27 представляет собой по существу стержень, который ведет к удаленному от цоколя вводу 28. Здесь блок зажигания размещен в цоколе 30, а именно как спиральный импульсный генератор 21, так и искровой промежуток 23 и зарядное сопротивление 24.

Эта техника может применяться и для безэлектродных ламп, причем спиральный импульсный генератор может служить в качестве приспособления для облегчения пуска.

Другие применения этого компактного высоковольтного импульсного генератора включают в себя зажигание других приборов. Это применение относится, прежде всего, к так называемым магическим шарам, формированию рентгеновских импульсов, или формированию импульсов электронных пучков. Также возможно применение в автомобилях в качестве замены обычным катушкам зажигания.

При этом применяются числа n витков до 500, так что достигается выходное напряжение порядка величины 100 кВ, так как выходное напряжение U_A как функция зарядного напряжения U_L определяется как U_A=2×n×U_L×η, причем эффективность η задается как η=(AD-ID)/AD.

Изобретение предоставляет особые преимущества при взаимодействии с газоразрядными лампами высокого давления для автомобильных фар, которые заполнены ксеноном под высоким давлением предпочтительно, по меньшей мере, 3 бар, и металл-галогенидами. Их особенно трудно зажигать, так как из-за высокого давления ксенона, напряжение зажигания составляет более чем 10 кВ. До настоящего времени пытаются компоненты блока зажигания разместить в цоколе. Спирально-импульсный генератор с встроенным зарядным сопротивлением может размещаться либо в цоколе автомобильной лампы, либо во внешней колбе лампы.

Изобретение обеспечивает совершенно особые преимущества во взаимодействии с газоразрядными лампами высокого давления, которые не содержат ртути. Подобные лампы, по причинам охраны окружающей среды, являются особенно желательными. Они содержат подходящее металл-галогенидное заполнение и, в частности, инертный газ, такой как ксенон под высоким давлением. Ввиду отсутствия ртути, напряжение зажигания особенно высокое. Оно составляет более 20 кВ. До настоящего времени пытаются компоненты блока зажигания разместить в цоколе. Спирально-импульсный генератор с встроенным зарядным сопротивлением может размещаться либо в цоколе не содержащей ртути лампы, либо во внешней колбе лампы.

В качестве второго материала пригодны известные ферриты, например, оксид железа. В качестве легирующего вещества могут, при необходимости, применяться, например, Mg или Al. Другими подходящими оксидами металлов являются оксиды никеля, марганца, магния, цинка и кобальта, в отдельности или в смеси, в особенности Ni-Zn. Доля второго металла может, в частности, составлять, по меньшей мере, 15% по весу. Его относительная магнитная проницаемость должна составлять, по меньшей мере, 1,5.

Изобретение относится к газоразрядным лампам высокого давления, в частности для общего освещения, а также для фотооптических целей. Изобретение также относится к высоковольтному импульсному генератору, который, в частности, может использоваться для лампы. Газоразрядная лампа высокого давления содержит разрядный резервуар, который размещен во внешней колбе, причем в лампу встроено устройство зажигания, которое вырабатывает высоковольтные импульсы. Устройство зажигания размещено во внешней колбе, причем устройство зажигания представляет собой спиральный импульсный генератор, который изготовлен из термостойкого материала, в частности, из LTCC, причем этот материал состоит из керамической пленки и металлической пропитки, и причем керамический материал представляет собой смесь из двух материалов, из которых первый материал имеет диэлектрическую постоянную ε_r от 2 до 1000, а второй материал имеет относительную магнитную проницаемость µ_r от 1 до 5000. Технический результат - улучшенный режим зажигания лампы, для которой можно не опасаться повреждения вследствие высокого напряжения. 4 н. и 12 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Газоразрядная лампа высокого давления с разрядным резервуаром, который размещен во внешней колбе, причем в лампу встроено устройство зажигания, которое вырабатывает высоковольтные импульсы в лампе, отличающаяся тем, что устройство зажигания размещено во внешней колбе, причем устройство зажигания представляет собой спиральный импульсный генератор, который изготовлен из термостойкого материала, в частности из LTCC, причем этот материал состоит из керамической пленки и металлической пропитки, и причем керамический материал представляет собой смесь из двух материалов, из которых первый материал имеет диэлектрическую постоянную ε_r от 2 до 1000, а второй материал имеет относительную магнитную проницаемость µ_r от 1 до 5000.

2. Газоразрядная лампа высокого давления по п.1, отличающаяся тем, что устройство зажигания удерживается посредством каркаса, который, в частности, также удерживает внешнюю колбу.

3. Газоразрядная лампа высокого давления по п.1, отличающаяся тем, что относительная магнитная проницаемость второго материала составляет, по меньшей мере, µ_r=1,5.

4. Газоразрядная лампа высокого давления по п.3, отличающаяся тем, что второй материал является оксидом металла, в частности, с долей, по меньшей мере, 15% по весу в керамической смеси.

5. Газоразрядная лампа высокого давления по п.1, отличающаяся тем, что передаваемое спиральным импульсным генератором высокое напряжение непосредственно действует на два электрода в разрядном резервуаре.

6. Газоразрядная лампа высокого давления по п.1, отличающаяся тем, что передаваемое спиральным импульсным генератором напряжение действует на электрод приспособления для облегчения пуска, размещенный внешним образом на разрядном резервуаре.

7. Газоразрядная лампа высокого давления по п.1, отличающаяся тем, что спиральный импульсный генератор сформирован из нескольких слоев, причем число n слоев составляет, по меньшей мере, n=5.

8. Газоразрядная лампа высокого давления по п.7, отличающаяся тем, что число n слоев составляет максимально n=500, предпочтительно максимально n=100.

9. Газоразрядная лампа высокого давления по п.1, отличающаяся тем, что спиральный импульсный генератор имеет приблизительно форму полого цилиндра, в частности, с внутренним диаметром, по меньшей мере, 10 мм.

10. Газоразрядная лампа высокого давления по п.1, отличающаяся тем, что диэлектрическая постоянная ε_r спирального импульсного генератора составляет, по меньшей мере, ε_r=10.

11. Газоразрядная лампа высокого давления по п.1, отличающаяся тем, что во внешней колбе, кроме того, размещено добавочное сопротивление, которое ограничивает зарядный ток спирального импульсного генератора.

12. Газоразрядная лампа высокого давления с разрядной емкостью и с соответствующим устройством зажигания, причем устройство зажигания вырабатывает высоковольтные импульсы и содержит спиральный импульсный генератор, отличающаяся тем, что спиральный импульсный генератор изготовлен из материала LTCC.

13. Газоразрядная лампа высокого давления по п.12, отличающаяся тем, что спиральный импульсный генератор размещен во внешней колбе лампы.

14. Компактный высоковольтный импульсный генератор на основе спирального импульсного генератора, отличающийся тем, что спиральный импульсный генератор изготовлен в виде LTCC-компонента из керамической пленки и металлической проводящей пасты в качестве пропитки на пленке.

15. Высоковольтный импульсный генератор по п.14, отличающийся тем, что спираль включает в себя, по меньшей мере, n=5 витков и предпочтительно максимально n=500 витков.

16. Блок зажигания на основе высоковольтного импульсного генератора по п.14, отличающийся тем, что он дополнительно содержит, по меньшей мере, одно зарядное сопротивление и переключатель.