Компактная катодная люминесцентная лампа для настольных, настенных, потолочных и подвесных светильников
Полезная модель направлена на повышение световой эффективности катодолюминесцентной лампы. Указанный технический результат достигается тем, что устройство содержит вакуумированную колбу 1 из оптически прозрачного материала с нанесенными на поверхность или на часть поверхности слоями рентгенолюминофора 2, фотолюминофора 3 и катодолюминофора 4 или смеси люминофоров, или введенным в обьем или в часть объема частицами рентгенолюминофора, фотолюминофора и катодолюминофора или смеси люминофоров, с установленными эмиттером 5 и анодом 6 в виде сетки, источник переменного напряжения 7 в виде генератора пакетов импульсов напряжения прямой и обратной полярности, образующих соответствующие полуволны переменного напряжения, выходные выводы которого подключены к выводам эмиттера и анода. 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 вакуумированную 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 с-С.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 катодо-люминофоры 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 вакуум ированную 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 Н01J 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 катодо-люминофоры 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 вакуумированную 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).
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 катодо-люминофоры 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 вакуумированную колбу из оптически прозрачного материала с нанесенными на поверхность или на часть поверхности слоями фотолюминофора и катодолюминофора, или смеси люминофоров, или введенным в обьем или в часть объема частицами фотолюминофора и катодолюминофора, или смеси люминофоров, с установленными эмиттером и анодом, источник переменного напряжения в виде генератора пакетов импульсов напряжения прямой и обратной полярности, образующих соответствующие полуволны переменного напряжения, выходные выводы которого подключены к выводам эмиттера и анода (З. 2012126203 РФ, МКИ H01J 63/06. Катодолюминесцентная лампа/ Е.М.. Силкин// Заявл. 22.06.2012. - Решен, о выдаче п.от 23.08.2012).
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. 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 в условиях генерации рентгеновского излучения при высоком переменном напряжении питания. А применение сплошного проводящего покрытия (анода) на слое катодолюминофора приводит к росту потерь энергии оптического излучения и снижению суммарного светового потока лампы. Генерируемое рентгеновское излучение, а также ультрафиолетовое излучение не используются в процессе синтеза видимого излучения, а вызывают лишь дополнительные потери энергии источником питания устройства.
Полезная модель направлена на решение задачи повышения световой эффективности катодолюминесцентной лампы, что является целью полезной модели.
Указанная цель достигается тем, что катодолюминесцентная лампа, содержит вакуумированную колбу из оптически прозрачного материала с нанесенными на поверхность или на часть поверхности слоями рентгенолюминофора, фотолюминофора и катодолюминофора, или смеси люминофоров, или введенным в обьем или в часть объема частицами рентгенолюминофора, фотолюминофора и катодолюминофора, или смеси люминофоров, с установленными эмиттером и анодом в виде сетки, источник переменного напряжения в виде генератора пакетов импульсов напряжения прямой и обратной полярности, образующих соответствующие полуволны переменного напряжения, выходные выводы которого подключены к выводам эмиттера и анода.
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 слоев (частиц) рентгенолюминофора и фотолюминофора, обеспечивающих преобразование рентгеновского и ультрафиолетового излучения, возникающих при питании высоким 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 слоя катодолюминофора в процессе работы, снижением требований к предельному вакуумированию колбы, снижением температуры частей и люминофорных слоев при равном световом потоке. За счет выполнения анода в виде сетки значительно снижается энергия потерь оптического излучения. Световой поток катодолюминесцентной лампы возрастает в 2-3 раза при равной 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 вакуумированную колбу 1 из оптически прозрачного материала с нанесенными на поверхность или на часть поверхности слоями рентгенолюминофора 2, фотолюминофора 3 и катодолюминофора 4, или смеси люминофоров, или введенным в обьем или в часть объема частицами рентгенолюминофора, фотолюминофора и катодолюминофора, или смеси люминофоров, с установленными эмиттером 5 и анодом 6 в виде сетки, источник переменного напряжения 7, 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 7, выходные выводы которого подключены к выводам эмиттера 5 и анода 6, на положительном полупериоде (потенциал анода 6 выше потенциала эмиттера 5, выполняющего функцию катода) электроны с эмиттера 5 ускоряются электрическим полем и бомбардируют поверхность слоя катодолюминофора 4, вызывая его свечение в видимой области оптического спектра. Одновременно торможение электронов приводит к интенсивному рентгеновскому излучению и излучению в ультрафиолетовой области. Ультрафиолетовое излучение воздействует на слой фотолюминофора 3 (или смеси люминофоров), вызывая его интенсивное свечение. Рентгеновское излучение воздействует на рентгенолюминофор 2, также вызывая его свечение, например, в видимой области спектра. В отрицательный полупериод выходного напряжения источника 7 (потенциал анода 6 ниже потенциала эмиттера 5, выполняющего функцию катода) электроны, осевшие на поверхности слоя катодолюминофора 4, и электроны, возникшие за счет вторичной эмиссии ускоряются электрическим полем и переносятся к эмиттеру 5. В результате торможения электронов генерируется излучение в рентгеновской и ультрафиолетовой областях спектра электромагнитного излучения. Ультрафиолетовое излучение воздействует на слой фотолюминофора 3 (или смеси люминофоров), вызывая его свечение, аналогично положительному полупериоду. Рентгеновское излучение воздействует на рентгенолюминофор 2, также вызывая его свечение, например, в видимой области спектра. Одновременно в отрицательный полупериод с поверхности катодолюминофора 4 удаляются осевшие в положительном полупериоде с эмиттера 5 ионы. Таким образом, исключается опасность возникновения на светящейся поверхности колбы 1 ионного пятна, снижающего прозрачность материала для оптического излучения и разрушающего вещество катодолюминофора 4. Принцип работы лампы основан на использовании физических явлений катодолюминесценции, а также фото- и рентхенолюминесценции.
Эмиттер 5 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, например, с использованием углеродных наноматериалов. Выходная частота источника переменного напряжения 7 и форма выходного напряжения выбираются из условий достижения требуемой эффективности конструкции источника 7 и обеспечения максимальной энергии видимого и ультрафиолетового излучения.
Выполнение анода 6 в виде сетки позволяет снизить потери оптического излучения. Анод может быть выполнен также в виде сплошного покрытия, оптически прозрачного в видимом диапазоне.
Пакет импульсов напряжения прямой и обратной полярности, образующих соответствующие полуволны переменного напряжения источника 7, может состоять из нескольких или, в общем случае, из одного импульса напряжения любой формы, например, прямоугольной.
По сравнению с прототипом существенно повышается световая эффективность катодолюминесцентной лампы. Это обеспечивается за счет работы заявляемой катодолюминесцентной лампы с использованием новых принципами электропитания на переменном токе, устройства и новыми элементами в конструкции лампы, функционирования катодолюминофора с более высоким квантовым выходом, возможности применения более эффективного катодолюминофора, применения слоев рентгенолюминофора и фотолюминофора, обеспечивающих преобразование рентгеновского и ультрафиолетового излучения, возникающих при питании лампы высоким переменным 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 вакуумированию колбы. Источник переменного напряжения имеет меньшее число ступеней преобразования энергии, следовательно, он энергетически более экономичен и эффективен. В источнике электропитания новой лампы отсутствует высоковольтный выпрямитель. Выполнение анода в виде сетки снижает потери энергии видимого излучения. Эффективно используется энергия генерируемого рентгеновского и ультрафиолетового излучения. В результате, суммарный световой поток катодолюминесцентной лампы возрастает в 2-3 раза при равной мощности 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 эффективно реализовать в известных конструкциях ламп аналогов и прототипа. Анод может представлять собой армирующий элемент и размещаться, например, и в обьеме материала колбы. Последнее предоставляет возможности по существенному упрощению технологии производства заявляемой катодолюминесцентной лампы.
За счет возможного снижения 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 вакуумированной колбы. Срок службы новой катодолюминесцентной лампы может составлять более 30 тыс.часов. При этом спад светового потока в течение срока службы не превышает 10%.
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.
По сравнению с прототипом, расширяется область применения новой катодолюминесцентной лампы за счет обеспечения безопасности, снижения весогабаритных показателей, повышения надежности работы и предельного срока эксплуатации. Новая лампа перестает быть генератором вредного рентгеновского излучения при любой энергии электронов.
Катодолюминесцентная лампа, содержащая вакуумированную колбу из оптически прозрачного материала с нанесенными на поверхность или на часть поверхности слоями рентгенолюминофора, фотолюминофора и катодолюминофора или смеси люминофоров, или введенным в объем или в часть объема частицами рентгенолюминофора, фотолюминофора и катодолюминофора или смеси люминофоров, с установленными эмиттером и анодом в виде сетки, источник переменного напряжения в виде генератора пакетов импульсов напряжения прямой и обратной полярности, образующих соответствующие полуволны переменного напряжения, выходные выводы которого подключены к выводам эмиттера и анода.
