Катодолюминесцентная лампа

Полезная модель направлена на повышение световой эффективности катодолюминесцентной лампы. Указанный технический результат достигается тем, что устройство содержит вакууммированную колбу 1 из оптически прозрачного материала с нанесенными на поверхность или на часть поверхности слоями катодолюминофора 2, фотолюминофора 3 или смеси люминофоров, или введенным в объем или в часть объема частицами катодолюминофора, фотолюминофора или смеси люминофоров, с установленными эмиттером 4 и анодом 5, источник переменного напряжения 6, выходные выводы которого подключены к выводам эмиттера и анода, источник переменного напряжения выполнен в виде генератора пакетов импульсов напряжения прямой и обратной полярности, образующих соответствующие полуволны переменного напряжения. 1 илл.

Полезная модель относится к светотехнике и может быть использована при проектировании новых энергоэффективных источников света, в том числе, предназначенных для прямой замены ламп накаливания и ртутных газоразрядных ламп. Полезная модель направлена на повышение световой эффективности (отношение светового потока к общей потребляемой мощности) катодолюминесцентной лампы.

Известна катодолюминесцентная лампа, содержащая вакууммированную колбу из оптически прозрачного материала с нанесенным на поверхность слоем катодолюминофора, с установленными эмиттером и анодом, источник постоянного напряжения, выходные выводы которого подключены к выводам эмиттера и анода (Охонская Е.В., Федоренко А.С. Расчет и конструирование люминесцентных ламп: Учеб. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 1997. - 184 c. - C.85, 86).

Недостатком катодолюминесцентной лампы является низкая световая эффективность, что обусловлено низкой эффективностью катодолюминесценции (низким квантовым выходом) и недостатками конструкции устройства с источником постоянного напряжения. Удаление накопленного заряда со слоя катодолюминофора осуществляется, в первую очередь, за счет вторичной эмиссии, что не позволяет использовать наиболее эффективные катодолюминофоры и обеспечивать достаточно высокую энергию электронов. А применение дополнительного проводящего покрытия на слое катодолюминофора приводит к росту потерь энергии оптического излучения и снижению суммарного светового потока лампы.

Известна катодолюминесцентная лампа, содержащая вакууммированную колбу из оптически прозрачного материала с нанесенным на поверхность слоем катодолюминофора, с установленными эмиттером и анодом, источник постоянного напряжения, выходные выводы которого подключены к выводам эмиттера и анода (А.с.1730686 РФ, МКИ HOI J 65/04. Катодолюминесцентная лампа / В.С.Дручек, Т.А.Дякив, Т.В.Лахоцкий и др. - Заявл. 15.08.83. - Опубл. 30.04.92. - Бюл. 16).

Недостатком катодолюминесцентной лампы является низкая световая эффективность, что обусловлено низкой эффективностью катодолюминесценции (низким квантовым выходом) и недостатками конструкции устройства с источником постоянного напряжения. Удаление накопленного заряда со слоя катодолюминофора осуществляется, в первую очередь, за счет вторичной эмиссии, что не позволяет использовать наиболее эффективные катодолюминофоры и обеспечивать достаточно высокую энергию электронов. А применение дополнительного проводящего покрытия на слое катодолюминофора приводит к росту потерь энергии оптического излучения и снижению суммарного светового потока лампы.

Известна катодолюминесцентная лампа, содержащая вакууммированную колбу из оптически прозрачного материала с нанесенным на поверхность слоем катодолюминофора, с установленными эмиттером и анодом, источник постоянного напряжения, выходные выводы которого подключены к выводам эмиттера и анода (Федоренко А.С. Люминесцентные лампы. - Саранск: Изд-во СВМО, 2009. - 333 с. - С.115, 116).

Указанная катодолюминесцентная лампа является наиболее близкой по технической сущности к полезной модели и выбрана в качестве прототипа.

Недостатком катодолюминесцентной лампы является низкая световая эффективность, что обусловлено низкой эффективностью катодолюминесценции (низким квантовым выходом) и недостатками конструкции устройства с источником постоянного напряжения. Удаление накопленного заряда со слоя катодолюминофора осуществляется, в первую очередь, за счет вторичной эмиссии, что не позволяет использовать наиболее эффективные катодолюминофоры и обеспечивать достаточно высокую энергию электронов. А применение дополнительного проводящего покрытия на слое катодолюминофора приводит к росту потерь энергии оптического излучения и снижению суммарного светового потока лампы. Повышение энергии электронов вызывает рост температуры катодолюминофора, приводящий к снижению его эффективности и «выгоранию» слоя.

Полезная модель направлена на решение задачи повышения световой эффективности катодолюминесцентной лампы, что является целью полезной модели.

Указанная цель достигается тем, что катодолюминесцентная лампа содержит вакууммированную колбу из оптически прозрачного материала с нанесенными на поверхность или на часть поверхности слоями катодолюминофора, фотолюминофора или смеси люминофоров, или введенным в обьем или в часть объема частицами катодолюминофора, фотолюминофора или смеси люминофоров, с установленными эмиттером и анодом, источник переменного напряжения, выходные выводы которого подключены к выводам эмиттера и анода, источник переменного напряжения выполнен в виде генератора пакетов импульсов напряжения прямой и обратной полярности, образующих соответствующие полуволны переменного напряжения.

Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является повышение световой эффективности катодолюминесцентной лампы, что обусловлено новыми принципами электропитания и люминесценции, устройства и новыми элементами в конструкции лампы, работой катодолюминофора с более высоким квантовым выходом, возможностью применения более эффективного катодолюминофора, применением слоя фотолюминофора, обеспечивающего преобразование ультрафиолетового излучения, возникающего при питании переменным напряжением, в дополнительное излучение в видимом диапазоне, отсутствием вероятности возникновения ионного пятна на слое катодолюминофора (аноде) и необходимости использования специальных проводящих покрытий, эффективным периодическим удалением накопленного заряда с поверхности катодолюминофора в процессе работы, снижением требований к предельному вакууммированию колбы, снижением температуры частей и люминофорных слоев. Световой поток катодолюминесцентной лампы возрастает в 4-5 раз при равной потребляемой мощности.

Повышение световой эффективности катодолюминесцентной лампы является полученным техническим результатом, обусловленным новым принципом устройства, особенностями новой конструкции и новыми элементами лампы, то есть, отличительными признаками полезной модели. Таким образом, отличительные признаки заявляемой катодолюминесцентной лампы являются существенными.

На рисунке приведена типовая конструкция катодолюминесцентной лампы.

Катодолюминесцентная лампа содержит вакууммированную колбу 1 из оптически прозрачного материала с нанесенными на поверхность или на часть поверхности слоями катодолюминофора 2, фотолюминофора 3 или смеси люминофоров, или введенным в объем или в часть объема частицами катодолюминофора, фотолюминофора или смеси люминофоров, с установленными эмиттером 4 и анодом 5, источник переменного напряжения 6, выходные выводы которого подключены к выводам эмиттера и анода. Источник переменного напряжения выполнен в виде генератора пакетов импульсов напряжения прямой и обратной полярности, образующих соответствующие полуволны переменного напряжения.

Катодолюминесцентная лампа в установившемся режиме работает следующим образом. При подаче переменного напряжения от источника 6, выходные выводы которого подключены к выводам эмиттера 4 и анода 5, на положительном полупериоде (потенциал анода 5 выше потенциала эмиттера 4, выполняющего функцию катода) электроны с эмиттера 4 ускоряются электрическим полем и бомбардируют поверхность слоя катодолюминофора 2, вызывая его свечение в видимой области оптического спектра. Одновременно торможение электронов приводит к интенсивному излучению в ультрафиолетовой области. Ультрафиолетовое излучение воздействует на слой фотолюминофора 3 (или смеси люминофоров), вызывая его интенсивное свечение. В отрицательный полупериод выходного напряжения источника 6 (обратная полярность, потенциал анода 5 ниже потенциала эмиттера 4, выполняющего функцию катода) электроны, осевшие на поверхности слоя катодолюминофора 2, и электроны, возникшие за счет вторичной эмиссии ускоряются электрическим полем и переносятся на эмиттер. В результате торможения электронов генерируется излучение в ультрафиолетовой области. Ультрафиолетовое излучение воздействует на слой фотолюминофора 3 (или смеси люминофоров), вызывая его свечение, аналогично положительному полупериоду. Одновременно в отрицательный полупериод с поверхности катодолюминофора 2 удаляются осевшие в положительном полупериоде с эмиттера 4 ионы. Таким образом, исключается опасность возникновения на светящейся поверхности колбы 1 ионного пятна, снижающего прозрачность материала для оптического излучения и разрушающего вещество катодолюминофора 2.

Эмиттер 4 может функционировать с использованием принципа термоэлектронной эмиссии (подогреваемый катод), фото- или автоэлектронной эмиссии. Принцип работы катодолюминесцентной лампы при этом не изменяется. Наиболее эффективна автоэлектронная эмиссия. Выходная частота источника переменного напряжения 6 и форма выходного напряжения выбираются из условий эффективности конструкции источника и обеспечения максимальной энергии ультрафиолетового излучения.

Источник переменного напряжения 6, как отмечено выше, выполнен в виде генератора пакетов импульсов напряжения прямой и обратной полярности, образующих соответствующие полуволны переменного напряжения. Форма и амплитуда и длительность импульсов в пакетах может быть любой, в частности, прямоугольной. Изменение формы и длительности импульсов приводит к изменению эффективности катодолюминесцентной лампы. Импульсы положительной полярности (положительный полупериод) могут иметь большую амплитуду и длительность, чем импульсы положительной полярности. Число импульсов в пакетах также может быть разным. В том числе, пакет может состоять и из одного импульса в положительном и отрицательном полупериоде. Наибольшая эффективность обеспечивается при числе импульсов 50-70 для положительной (прямой) и 10-30 для отрицательной (обратной) полярности полуволн переменного напряжения питания.

В результате импульсного питания катодолюминесцентной лампы на каждом полупериоде переменного напряжения возможно значительно повысить энергию электронов не подвергая слои люминофоров перегреву и деградации.

По сравнению с прототипом существенно повышается световая эффективность катодолюминесцентной лампы. Это обеспечивается за счет работы заявляемой катодолюминесцентной лампы с новыми принципами электропитания на переменном токе с формированием пакетов импульсов напряжения питания на каждом полупериоде, устройства и новыми элементами в конструкции лампы, функционирования катодолюминофора с более высоким квантовым выходом, возможности применения более эффективного катодолюминофора, применения дополнительного слоя фотолюминофора, обеспечивающего преобразование ультрафиолетового излучения, возникающего при питании переменным (импульсным) напряжением, в дополнительное излучение в видимом диапазоне, отсутствия вероятности возникновения ионного пятна на слое катодолюминофора (аноде) и необходимости использования специальных проводящих покрытий, эффективного периодического удалением накопленного заряда с поверхности катодолюминофора в процессе работы, снижения требований к предельному вакууммированию колбы, снижения температуры нагрева частей лампы и слоев люминофоров. Источник переменного напряжения имеет меньшее число ступеней преобразования энергии, следовательно, он энергетически более экономичен и эффективен. В источнике электропитания новой лампы отсутствует высоковольтный выпрямитель. В результате, суммарный световой поток катодолюминесцентной лампы возрастает в 4-5 раз при равной мощности, потребляемой от сети (и, соответственно, повышается световая эффективность).

Дополнительно, по сравнению с прототипом, за счет применения заявляемого принципа, упрощается конструкция катодолюминесцентной лампы, может быть оптимизирована технология ее изготовления и снижена цена. Анод катодолюминесцентной лампы может быть размещен как на внутренней, так и на внешней стороне вакууммированной колбы, что невозможно реализовать в известных конструкциях ламп аналогов и прототипа. Последнее предоставляет возможности по существенному упрощению технологии производства заявляемой катодолюминесцентной лампы.

За счет возможного снижения рабочей температуры, степени загрязнения поверхности и деградации люминофорных слоев (частиц люминофора или смеси люминофоров) в процессе длительной эксплуатации не только повышается предельная световая эффективность лампы, но и снижается временной спад светового потока (при длительной эксплуатации устройства), что является дополнительным преимуществом новой катодолюминесцентной лампы, по сравнению с прототипом.

По сравнению с прототипом значительно увеличивается срок службы новой катодолюминесцентной лампы. Это достигается за счет увеличения срока службы эмиттера, люминофорных слоев и материала вакууммированной колбы. Срок службы новой катодолюминесцентной лампы может составлять более 20 тыс. часов. При этом спад светового потока в течение срока службы не превышает 8%.

По сравнению с прототипом, дополнительно, может быть снижен вес устройства за счет улучшения конструкции частей и исключения выходного высоковольтного выпрямителя из структуры источника питания переменного тока катодолюминесцентной лампы. Лампа может также иметь меньший объем и, следовательно, вес из-за уменьшения потерь энергии на нагрев частей и слоев люминофора.

По сравнению с прототипом расширяется область применения новой катодолюминесцентной лампы за счет снижения весогабаритных показателей и повышения надежности работы, а также увеличения предельного срока эксплуатации и возможности применения более дешевых и качественных люминофоров.

Катодолюминесцентная лампа, содержащая вакууммированную колбу из оптически прозрачного материала с нанесенными на поверхность или на часть поверхности слоями катодолюминофора, фотолюминофора или смеси люминофоров, или введенным в объем или в часть объема частицами катодолюминофора, фотолюминофора или смеси люминофоров с установленными эмиттером и анодом, источник переменного напряжения, выходные выводы которого подключены к выводам эмиттера и анода, отличающаяся тем, что источник переменного напряжения выполнен в виде генератора пакетов импульсов напряжения прямой и обратной полярности, образующих соответствующие полуволны переменного напряжения.