无电极放电灯制造技术

一种在较低频（５０－５００ｋＨｚ）工作的无电极荧光灯，其中采用铁氧体磁芯产生所需磁场和电场以保持放电，所用的磁芯材料是在５０－５００ｋＨｚ频率范围和１５０ｍＴ磁场强度下具有低功耗（４００ｍＷ／ｃｍ↑［３］）的锰－锌混合型。另外，该材料可以是将各种原子百分比的锰和锌加到三氧化二铁基以得到良好的颗粒边界和晶体结构，得出具有大于２００℃居里温度的实用铁氧体磁芯材料。此材料可使无电极荧光灯工作在低频下的１０Ｗ－２５０Ｗ功率范围，其模式是铁氧体磁芯损耗小于灯功率的２０％，而且磁芯产生的热损耗最小。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
无电极荧光灯近来已出现在世界各地的各种市场上。从消费者的观点看，无电极荧光灯的主要优点在于取消了作为限制灯寿命的一个因素的电极。所以，与有电极的灯相比，无电极的荧光灯可以延长使用寿命。这已经过各种结构和各种功率而得到证实。例如，市面上的灯以2.65MHz和13.56MHz频率工作。它们的额定功率从约25W至150W，它们的寿命从15000小时至约60000小时。这些灯易于维护并且具有良好的效率。但是，这种灯的缺点之一在于其成本。由于为了产生射频(RF)频带的电压而复杂化的电路设计，使得驱动器变得很昂贵。高成本的另一个原因在于防止电磁干扰(EMI)的需要。由于存在有对于EMI的联邦法规，就必须极为小心不能造成对通信系统、心脏起博器或各种医疗设备的干扰。因此，在技术上已经证实荧光灯可以具有实用性和很长的寿命的同时，这种灯的初期购置成本已成为影响它广泛占有市场的主要障碍。减少整个系统成本的一个重要步骤是降低工作频率。如果工作频率从标准的13.56MHz或2.65MHz(在许多国家允许的频率)降至一个低的千赫范围(这里低频是50-500kHz)，则电路的复杂性就会明显地减小。可以采用广泛用于大量生产的电子镇流器中的部件以减低电路的整体成本。当然，无电极荧光灯具有广阔的市场潜力。为了达到如此低的频率并仍能产生必要的磁场和电场以维持放电，必须采用铁氧体材料。铁氧体材料显然在低频工作中是一个重要因素。无电极灯可在约50-500kHz频率工作。低频的限制由产生强磁场所需的高的线圈电流所确定，该磁场激发并维持灯内的放电。的确，灯内的感应电压Vind是Vind＝Vpl＝πRpl2ωBpl(1)其中，ω＝2πf是角驱动频率，Rpl是等离子半径，Vpl是等离子电压，Bpl是线圈电流Icoil在等离子中产生的磁场Bpl≌μoμeffIcoil(N/Hcoil)(2)其中，μcfT是在这种低频下使用的铁氧体芯的通常小于铁氧体芯导磁率μ的有效介质导磁率；N是线圈匝数，Hcoil是线圈高度。对于每种特定的气体和水银蒸气压力以及每个灯的几何形状来说，有一个激发灯内感应放电所需的特定值Vind。所以，从式1可以看到，降低驱动频率f就需要增强磁场Bpl。铁氧体导磁率μ不随频率f变化。N和Hcoil是固定值。因此，只有通过增大线圈电流来达到增强Bpl，即Bpl∝ Icoil。于是，当固定气压和固定灯的几何形状时，降低区动频率f就要求增强磁场并且因而增加线圈电流Icoil。遗憾的是，增加线圈电流并不理想，这是因为它导致线圈和铁氧体员耗的增加Ploss＝I2coilRcoil+PTerr(3)其中，Rcoil是线圈电阻，PTerr是铁氧体芯中的功率损耗。功率损耗的增加减小灯的功率系数，进而降低灯的效率。如上所述，采用频率50-500kHz而不采用许多国家允许的频率13.56MHz甚至2.56MHz时具有很多优点。第一个优点是当频率下降时驱动器部件的成本通常会降低。采用小于200kHz的频率可使整个系统的成本比在13.56MHz频率工作时减小几倍。第二个优点是与在距离上和灯泡相匹配网路的定位(20-50cm或更多)的可能性相关。总之，驱动器在50-500kHz频率工作的效率(～90％)高于在13.56MHz频率工作的效率(80％)和在2.65MHz频率工作的效率(85％)。其结果是，即使由于较高的线圈损耗(较高的线圈电流)和铁损而使得灯的效能较低(几个百分点)，整个系统的效率也可与频率为13.56MHz和2.65MHz时相同(或更高)。在研究现有技术时从磁芯材料的方面来看，注意到van der Zaag(EPA 0625 794 Al)以及Postma等人(US 4,536,675)已集中对在3MHz频率工作的最佳铁氧体材料的使用和选择进行了研究。由于他们所研制的灯的设计集中在2.65MHz，所以最佳铁氧体材料在该频率的功率损耗小于150mW/cm3、并在大约10mT的磁场处变成镍-锌型，而且工作得比锰-锌型材料好。这是因为在3MHz频率和10mT磁场时，锰-锌型材料具有500-700mW/cm3的功率损耗。所以可知，在3MHz频率时具有小于150mW/cm3损耗的镍-锌型材料是最佳选择。但是，由于本专利技术的主要焦点是低频(50-500kHz)操作，我们已经发现，镍-锌铁氧体不是最佳的使用材料。在这个频率范围内，镍-锌铁氧体中的功率损耗大于锰-锌铁氧体中的功率损耗。我们发现，在使用锰-锌型材料时，例如在100kHz和室温(23℃)下的典型损耗一般在磁场约等于10mT时小于1mW/cm3、在磁场约等于150mT时小于400mW/cm3，这基本上低于镍-锌铁氧体在相同的频率和磁场条件下产生的损耗(见图2)。这在热处理和灯效能方面具有很重要的意义。其原因是铁氧体磁芯的功率损耗以相反的两个方面影响系统。一方面，这些损耗产生的过量的热必须从灯驱动器电路除去或引出(灯驱动器电路靠近整个系统中的铁氧体磁芯)，以避免损坏FETs和其它电路部件。这将增加成本和包装的复杂性。第二方面是会降低系统的功率系数。铁氧体磁芯中的损耗越高，功率系数和系统的效率就越低。因而可知，对于高效和低成本的无电极灯来说，采用最低磁芯损耗的材料是至关重要的。本专利技术涉及一种无电极荧光灯，它包括一个充有水银和惰性气体的玻璃外壳。铁氧体磁芯设置得邻近该外壳。在本专利技术的一个方面，一种无电极放电灯，它包括一个含有一种发光填充材料的外壳；一个铁氧体磁芯；和一个围绕该铁氧体磁芯的线圈，其中，所述无电极放电灯在工作时借助由该线圈中流动的电流所产生的交变磁场以维持该外壳内的放电；以及在交变频率为100kHz和磁场为10mT的条件下，该铁氧体磁芯的最大损耗小于1mW/cm3。在本专利技术的一个实施例中，在交变频率为100kHz和磁场为150mT的条件下，铁氧体磁芯的最大损耗可小于400mW/cm3。该磁芯包含铁、锰和锌的混合物，锰和锌相对于铁的重量比例在约0.2与0.7之间，并且锌相对于锰的重量比例在约0.2与2.0之间。本专利技术的一个目的是提供一种与工作于低频操作的无电极荧光灯结合使用的低功率损耗铁氧体磁芯材料。本专利技术的另一个目的是通过使包括铁氧体磁芯材料在内的各种部件的损耗的最小化而实现最高的灯效率，并确定无电极荧光灯中的在50-500kHz工作频率时具有很小的功率损耗的磁芯材料。本专利技术的又一个目的是提供一种磁芯材料，其居里温度大于200℃，并因此该磁芯材料在正常的工作条件和环境温度为40-50℃的热照明设备的工作条件下不会变差。本专利技术的再一个目的是提供一种适用于在低频(50-500kHz)下工作的无电极荧光灯的磁芯材料，该荧光灯具有着眼于安全性和低成本所要求的低的启动功率和低电压(＜2000V)。本专利技术的一个特征是所使用的铁氧体磁芯的成份包括约10％至25％重量之间的锰，约5％至20％重量之间的锌，以及约65％至75％重量之间的铁。这里，锰、锌和铁的重量百分比代表这些氧化物(氧化锰，氧化锌和三氧化二铁)中除去氧重量之外的金属的重量百分比。如果锰的重量百分比是x、锌的重量百分比是y、铁的重量百分比是z，则x+y+z≤100％。下面参照表示本专利技术的说明性的实施例的附图可使本专利技术的新颖的特征和优点更为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无电极放电灯，包括： 一个含有一种发光填充材料的外壳； 一个铁氧体磁芯；和 一个围绕所述铁氧体磁芯的线圈， 其中，所述无电极放电灯在工作时借助所述线圈中流动的电流所产生的交变磁场以维持所述外壳内的放电；以及 在交变频率为１００ｋＨｚ和磁场为１０ｍＴ的条件下，所述铁氧体磁芯的最大损耗小于１ｍＷ／ｃｍ↑［３］。

【技术特征摘要】
US 1999-5-3 09/3039511.一种无电极放电灯，包括一个含有一种发光填充材料的外壳；一个铁氧体磁芯；和一个围绕所述铁氧体磁芯的线圈，其中，所述无电极放电灯在工作时借助所述线圈中流动的电流所产生的交变磁场以维持所述外壳内的放电；以及在交变频率为100kHz和磁场为10mT的条件下，所述铁氧体磁芯的最大损耗小于1mW/cm3。2.根据权利要求1所述的无电极放电灯，其特征在于，在交变频率为100kHz和磁场为150mT的条件下，所述铁氧体磁芯的最大损耗小于400mW/cm3。3.根据权利要求1所述的无电极放电灯，其特征在于，所述铁氧体磁芯包含铁、锰和锌。4.根据权利要求3所述的无电极放电灯，其特征在于，所述锰和锌相对于铁的重量比例在约0.2与0.7之间，并且所述锌相对于锰...

【专利技术属性】
技术研发人员：JC张伯伦，O波波拉，E夏皮罗，R钱德勒，仓地敏明，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，松下电工株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]