可减小磁干扰的放电光源 本发明涉及一种感应放电光源，具体来说涉及可减小外部磁干扰的放电光源。
众所周知，感应耦合的无电极低压放电灯有许多优点。一种典型的感应耦合放电灯包括一个灯泡，灯泡按真空气密方式密封并充以极低压力的金属蒸汽和稀有气体。通过一个高频电源(20千赫以上)激励感应器，感应器于是使得在感应器和覆盖灯泡内表面的荧光层之间的空间内形成放电。
气体放电灯使用期间出现的一个问题是在灯的外部要产生电磁场，这个电磁场在电源线上产生高频干扰电流。结果，特别是电磁场的磁分量，在和该电源线相连的其它电设备(如收音机和电视机)中有可能产生干扰。因此，减小电磁干扰(EMI)，尤其是减小它的磁分量的干扰，是商业上可行的感应放电灯的最重要的问题之一。
在本领域内已对减小感应耦合放电灯的灯壳外地磁通作过尝试。
例如，美国专利No.4,245,179和No.4,254,363就描述了企图减小由于放电引起的总磁通的初级感应线圈的几何结构。但这些技术一般来说不是很实用的，并且没有易于得到的的数据来证明它们在减小外部磁通方面的有效性。
美国专利No.4,645,967、4,704,562、4,727,294、4,920,297、4,940,923给出的教导是使用一组导电的短路的抗干扰环10、11、12，将它们固定到灯壳的外部并使它们包围着放电容器(如图1清晰可见)。当按感应方式激励放电时，这些环10、11和12产生一个电流，这个电流产生的磁通与主磁通的方向相反，可抵消某些初级感应线圈的磁面。这种技术的缺点是并非非常有效，并且发现每个环只能使放电发出的磁通减小约1.8-2.0分贝(dB)。在本领域内强烈期望能有更加有效的技术来减小放电灯产生的电磁场的磁分量。
因此，本发明的一个目的是提供一种简单有效的技术来显著减小从任何感应放电发出的外部磁干扰，这种感应放电是靠由射频电源驱动的一个空心的或铁淦氧磁芯的感应器维持的。
本发明的另一个目的是提供一种可减小磁干扰的放电灯。
虽然本发明可应用于屏蔽由感应激励高频放电产生的电磁干扰的磁分量，但本发明在减小从放电灯逸出的外部磁通方面也有其特殊的实用性。
按本发明的教导，用一个屏蔽导电环包围用于维持感应放电的、置入气体介质中的、并由预定射频驱动的感应器。该屏蔽环在一个电容端终止，以便在一个低于感应器的预定驱动频率的共振频率下维持共振。
在一个密封的透明的灯壳内封闭包含一种稀有气体(从惰性气体组中选出的)和一种气化的金属(最好是汞和钠)的气体介质。在灯壳的内表面上淀积一层荧光材料，感应器容纳在灯壳中。
一个电源装置向感应器的初级线圈施加高频功率以便在灯壳内部产生一个电磁场，用于维持气体介质中的感应放电。该荧光材料响应于气体介质中的放电而发光。
屏蔽环可固定到灯壳的外部或内部，并且可成为淀积在灯壳上的一个导电膜。还有，屏蔽环可以包括多个相互独立的屏蔽环，每个单独的屏蔽环都终止在一个相应的电容端，该屏蔽环或者可以是一个多圈的导电环，它终止在一个电容端。
感应器或者包括一个空心的感应器，或者是一个铁淦氧磁芯感应器，只要感应器不构成一个闭合磁路就成。
对于大于1兆赫的频率的使用情况，要选择灯壳和气体介质。
阅读了结合附图的以下说明后，本发明的这些目的和其它目的都将变得清楚明白。
图1是按现有技术的具有抗干扰环的无电极低压放电灯的示意图；
图2是按本发明的磁干扰减小技术的示意图；
图3示意地表示按本发明的具有一个屏蔽环的无电极低压放电灯；
图4是一个试验装置的示意图；
图5是相对于加到初级线圈上的电压的屏蔽的曲线图；
图6是感应在检查环上的电压相对于感应到磁检测环上的电压的相对幅度和相位的曲线图；
图7是表示对三种不同的终端的初级线圈的串联电感和品质因数“Q”随频率的变化的曲线图；
图8是表示对四种不同终端的磁检测环的电压相对于初级线圈电压的幅度的曲线图；
图9是表示对电容器终端和C/R终端的初级线圈电感和品质因数“Q”在4-8兆赫频谱上的变化的曲线图；
图10示意表示本发明的多个独立的屏蔽环；
图11示意地表示固定在灯壳内部的本发明的一个屏蔽环；
图12示意地表示本发明的一个多圈的屏蔽环。
参照图2，无电极低压放电灯13包括一个透明玻璃灯壳14，灯壳14按气密方式密封，并且包含有处于很低压力下的构成了可电离的气体介质15的稀有气体(如，氩)和气化的金属(如，汞)。灯壳14有一灯泡16和一空腔17(或灯壳14的凹入部分)，空腔17中设有由多圈铜线构成的初级线圈18。初级线圈18是感应器19的一部分，感应器19可以是空心感应器，或者是铁淦氧芯感应器。如果选择铁淦氧芯感应器19，则要在空腔17中提供一个由初级线圈18包围的磁性材料(铁淦氧)的条形芯(该芯可以是一个铁淦氧管)。
将初级线圈18连到一个高频电源装置20上(图中示意地表示)，以便在灯壳14内产生高频电磁场。
灯壳14的内壁21涂以由发光物质构成的一个透明的层22，发光物质通常是由几种荧光的或磷光的金属盐(如，钨酸钙、硫酸锌、和/或硅酸锌)组成的一种混合物。
灯13使用期间，在灯壳14内产生高频电磁场，并且要保证在灯壳14内能维持感应放电。这种放电产生的绝大部分是紫外线，它们是不可见的。紫外光照射层22的荧光物质，发出较长波长的辐射，其波长在光谱的可见光范围。适当选择荧光物质，就可使这种光具有任何期望的颜色。
以这样高的频率(超过20,000赫)工作的放电灯13可能对灯壳14的外部产生电磁干扰，有可能干扰灯附近的无线电接收和电视接收，外部磁通可能引起非常严重的问题。
为了有效减小这种不期望的外部磁干扰，要为放电灯13提供至少一个屏蔽导电环23，如图2和3清晰可见。屏蔽环23包围着在灯壳14内部产生并维持的放电区。为便于说明，在图2和3中只表示出一个屏蔽环23；但如果需要，则可使用多个屏蔽环。
每个屏蔽环23都终止在一个适当的电抗元件24中。在以感应方式激励放电时，屏蔽环23产生一个电流，这个电流产生的磁通的方向和初级线圈外部的主磁通的方向相反，因此有效地抵消了初级感应线圈18的某些磁通。由于所产生的流入环23中的电流大干简单的闭合环(像现有技术中那样)中的电流，所以观察到的磁干扰的减少量为6-25分贝，而在使用几个闭合环时的这个减少量为1.8-2.0分贝。
在其它的一些因素中，磁通的准确减少量取决于初级线圈18和屏蔽环23之间的耦合情况、屏蔽环23终止处的特定电抗元件24、以及在放电工作的频率(一个预定的驱动射频)和端接的环23的共振频率之间的差。
使这一技术有效的主要关键是选择终止屏蔽环23的正确的电抗元件24，使环23中的电流有合适的幅度，它的电流相位要和流过维持放电的初级线圈18的电流的相位相反。由于屏蔽环23在电特性方向总是电感性的，因此终端电抗元件24的特性总体而论总是电容性的，并且还可能包括一些电阻以展宽磁通减少的频率范围(以牺牲几个分贝的有效性为代价)。
本领域的普通技术人员显然清楚，选择终端电抗元件24并非是显而易见的。在略高于组合屏蔽环的电抗与终端的电抗来产生共振的频率的一个频率处可实现最大的磁屏蔽。为了明显减小放电灯13外部的磁通，环23/终端24的组合共振频率应低于驱动放电灯13的频率。如果终端电抗元件24使屏蔽环23共振的频率略高于驱动频率，则要观察到相反的效果，放电灯13外部的磁通反而要大于不带屏蔽环23时的磁通。屏蔽环23和终端24刚好在放电灯的驱动频率产生共振也是不可取的，因为这将导致外部磁通的增大，并且将极大地增加初级线圈18内的损耗。
为了说明上述效果，使用图4所示的试验台进行测量(图4是用来证实这一效果的初级线圈18和各个屏蔽环的几何结构示意图)。初级线圈18(环25)由4英寸长(4″)的线圈组成，共有28圈，外径约1(1.25″)英寸。这个线圈的电感约8μH(微亨)。电磁场(emf)检查环26的外径为2英寸(2″)，用于测量在这个直径上的电磁场(emf)。屏蔽环23是一个4英寸(4″)外径的环，这个环产生的电流可抵消初级线圈18产生的磁通。终端电抗元件24插在这个屏蔽环23中。磁检测环27是一个静电屏蔽磁检测环，其外径约14英寸(14″)。使用这个环27来指示屏蔽环23实现的屏蔽量。对于所有这里描述的试验，电磁场检查环26和屏蔽环23都处在初级感应线圈18的中间平面。为了验证这种磁屏蔽技术，使用一台HP4194A型增益/相位和阻抗分析器，在初级线圈驱动频率附近的频谱上进行增益/相位和阻抗测量。
图5表示在下述三种情况下，在1兆赫-5兆赫(MHz)的频率范围内、在初级线圈电压和感应到磁检测环上的电压之间的幅度(以分贝为单位)和相位差的比例，这三种情况是：开路屏蔽环(基本上无屏蔽作用)、短路屏蔽环(现有技术)、和终端屏蔽环(本发明)。感应到磁检测环27的电压和来自被驱动的初级线圈18的磁干扰成正比。在开路情况下可以忽略相对磁通随频率的减小，因为这种情况简单地代表的只是磁检测环27的频率响应。针对加到初级线圈18上的电压产生的磁屏蔽量是没加屏蔽的磁通和加有屏蔽环(短路环或终端环)的磁通之间的差。图5所示的现有技术的短路环产生的屏蔽约为1.8分贝并且和频率无关。终端环23在低于终端环23的共振频率(约2.5兆赫)的频率提供“负”的屏蔽，即增大了来自初级线圈18的磁通；而在高于它的共振频率的频率下，终端环23提供的屏蔽作用却比短路环提供的屏蔽作用大得多。图5中的两个小圆圈表示最大磁屏蔽点和在2.74兆赫发生的相应的相位响应。在这种情况下的磁通的最大减少量低于未加屏蔽的结果约8分贝。终端环的这种特性代表了它们的基本功能：在低于终端环共振频率的频率下，磁通获取量增加；而在高于它的共频率的频率下，相对磁通获取量减小。从磁通的相对幅度和相位数据可以得出结论，若低于共振频率，流入终端环23的电流和初级线圈中的电流的方向相同，增加了它所包围的磁通，使来自初级线圈的电磁干扰(EMI)磁分量增大。而若高于共振频率，流入终点环23的电流和初级线圈18中的电流的方向相反，因此抵消(减小)了它们包围的总磁通，使来自初级线圈18的磁干扰减小。依据这些测量结果，可以把终端环23看成是一个频率敏感的磁屏蔽元件，它必须在低于放电的驱动频率的频率下共振才能有效地起作用。
图5所示的数据表示的是相对于加到初级线圈18的电压的屏蔽幅度；但图6给出了磁屏蔽的有效性的意义更加明确的度量，图6表示的是感应到电磁场检查环26上的电压相对于感应到磁检测环27上的电压的相对幅度和相位。由于屏蔽环23抵消了来自初级线圈18的某些磁场，所以环23略微降低了感应到电磁场检查环26的电压。由于这个感应电压代表感应放电的主要分量的驱动电压，所以这个感应电压和外部磁通之间的比是屏蔽的有效性的一个更加准确的度量。因此从图6可以看出，相对于维持放电的电压，短路环将磁通干扰有效地减少了1.6分贝，而终端环将磁通干扰减少了6.5分贝。
图7针对早些时候提到过的屏蔽环23的3种不同的终端表示出初级线圈的串接电感和品质因数“Q”随频率而变的情况。图7的数据支持图5的数据。对于开路环，初级线圈的电感Ls几乎是一个常数；对于短路环，电感Ls略有减小，这是因为通过短路环的电流使初级线圈18中的磁通略微减小的缘故。对于屏蔽环(终端环)23，在低于共振频率的频率下，Ls大于开路环时的Ls(这表明：终端环有一个增加了它所包围的总磁通的电流流动)；而在高于共振频率的频率下，Ls小于开路环时的Ls(这表明：终端环有一个和它所包围的总磁通相反的电流流动)。在这种情况下的Ls的峰值变化约为+/-9％。
图7中还表示出初级线圈的品质因数“Q”的曲线，因为它们表示的是磁屏蔽的实际“代价”，所以它们也是讨论的重点。在这里所示的整个频率范围内，对于开路环的“Q”因数最大；对于短路环的“Q”因数略小；对于终端环，“Q”因数相当小(和频率有关)，并且在发生共振时的“Q”因数最小。这一结果显然表明，初级线圈的表观Q因数包括流入屏蔽环23的电流的欧姆损耗。因而从本质上看，屏蔽环23中的功率损失是减小电磁干扰磁分量所需的“代价”。
对于终端环23，在2.74兆赫的初级线圈的“Q”因数是38，而当屏蔽环开路时的这个“Q”因数则约为300。如果屏蔽环23中消耗的功率使功率传输效率(放电功率与传递到线圈的总功率之比)明显降低到一个不可接受的程度，那么在这种情况下的“Q”因数的这种严重下降就有可能给灯的放电带来问题。“Q”因数下降是否是有决定性意义的问题涉及放电的电压和电流之间的相位角、环/终端电路的“Q”因数、以及驱动频率(受到抑制)和终端环的共振频率之间的相互关系。在这种情况下观察到的低“Q”因数主要是由于存在终端电容器之故，该终端电容器是一种“旁路”型的电容器，它在2.7兆赫的串联电阻是0.394欧姆。使用较高质量的终端电容器可能改善“Q”因数。较高质量的终端电容器的串联电阻较低，因此能增加总的“Q”因数，改善磁屏蔽；下面将结合在6.78兆赫得到的数据对此进行讨论。此外，从图7显然可以看出，如果在可获得最大屏蔽效果的较高频率使用这种技术，屏蔽效果会略有下降，但比短路环还可能更有效，并且在这个频率下的“Q”因数可能不会明显影响功率传输。
通过测量6兆赫附近磁检测环上的电压相对于初级线圈电压(如图5中的电压)的幅度，在略高的频率下考察屏蔽环的终端的串联电阻对屏蔽效果和初级线圈的“Q”因数的影响结果。使用四种不同的终端：开路环、短路环、1.88nF的银云母电容器(Rs＝0.033Ω)、与1.2Ω电阻器串联的1.88nF银云母电容器(从这开始，称之为C/R)。在图8中表示出在4和8兆赫之间的频率范围内这种测量的结果。如从图8可以看出的，对于短路环，磁通下降了约2分贝；对于1.88nF电容器终端，磁通下降高达26分贝(电磁干扰磁分量最大下降约20倍)；对于C/R终端，磁通下降了约6分贝(最大值)。在6.78兆赫(一个任选的频率)，对于电容器终端，磁通下降约16分贝；而对于C/R终端，磁通下降约5分贝。
图9表示出电容器终端和C/R终端在4和8兆赫之间的频谱上的初级线圈电感和“Q”因数的变化情况。对于电容器终端，初级线圈最大电感是没加屏蔽时的值的+/-75％。这个巨大的电感变化表明，共振时屏蔽环对初级线圈特性的影响相当强烈。但应注意，在这个器件屏蔽磁通最有效的频率(约高于共振频率300-400千赫)，初级线圈阻抗的变化小于10％。初级线圈阻抗的这么小的变化不太可能影响放电灯的使用。对于C/R终端，初级线圈电感的变化小得多。
在图9中还表示出初级线圈的“Q”因数随频率变化的数据。C/R终端给出的“Q”因子有一个范围很宽的最小值，这个最小值低得可能不能实用。电容终端环的“Q”因数变化相当陡峭，并且除共振频率附近以外的“Q”因数都比C/R终端的“Q”因数高得多(在图9中的“Q”因数刻度是100/格)。例如在6.78兆赫，电容器终端的“Q”因数约为160，这将使初级线圈因屏蔽产生的损耗增加极小。从图8和9所示的数据可以看出，减小屏蔽环25的电阻将会增加屏蔽的有效性，同时还会减小初级线圈因与屏蔽环23的相互耦合产生的功率损耗。
如图2示意表示出来的，屏蔽环23设在灯壳14的外部。屏蔽环23可以是一个环(如，铜)，也可以是在灯壳14的玻璃壁21上淀积的一个导电膜。这个膜应该是一个相当好的良导体，不消耗太多的能量。
然而，从原理上看，完全有理由把屏蔽环(环或膜的形式)放在灯壳14的内部(如图11清晰可见)。当然，还应该考虑屏蔽环23和灯壳内部的气体介质(如，汞)之间的材料的相容性的问题。例如，如果汞是气体介质的一部分，则对灯泡中的气体环境开通的铜金属环就不是一个好的选择，因为铜与汞将产生不利于灯使用的反应。从对汞的相容性观点出发，钨可能是一个好的选择。此外，还必须使用不漏气的并且与汞/缓冲气体放电气体环境相容的封装电容器材料。
可以使用多个屏蔽环23来屏蔽外部磁干扰。通过所需的屏蔽量就能很简单地确定用于多个环的标准。两个屏蔽环比一个屏蔽环更加有效(虽然有效性不会正好是两倍)。正如单个屏蔽环一样，当环的平面平行于被驱动的初级单元的平面时，多个屏蔽环可能是最有效的。这些屏蔽环可以彼此独立(如图10清晰可见)，还可以使用一个多圈的屏蔽环(如图11清晰可见)而不使用多个独立的环23。多圈屏蔽环的共振可能需要较小的电容。
屏蔽环23的最佳位置是放电区的中间平面，当然也不必十分精确地设在这里。屏蔽环23可以不在该中间平面的中心。环23必须尽量靠近被驱动的感应器，以便获得足够紧密的耦合，感应出将被驱动的感应器19的磁通减至最小所必须的电流。如果环23设在灯泡16的外部，那么将会很容易地在玻璃表面上淀积一个铜金属的膜环(例如，通过等离子体蒸汽淀积)，使膜环在和终端电容器24连接的某个位置断开。当屏蔽环23由电导率最高的材料制成时，就能产生对电磁干扰的最大程度的抑制；然而，用导电性能较差的环材料也能够明显减小电磁干扰。顺便提一下，可使终端电容器24非常小，因为该电容器24仅需最多几伏的额定电压。
本发明提供减小来自感应耦合放电的磁干扰的一种新技术，它比现有技术中描述的技术的有效性实际上高一个数量级。本发明证实，用一个共振频率略低于驱动频率的终端环包围感应器，就能减小来自被驱动的感应器的外部磁干扰。这个结果表明，屏蔽环电路的总电阻强烈地影响屏蔽的有效性，并且还影响功率传输效率。增加屏蔽环电路的电阻，将减小初级线圈的“Q”因数、使共振区变宽、降低磁屏蔽的程度并且增加屏蔽环中的功率消耗。从定量角度看，初级线圈和屏蔽环的准确几何位置、两个环之间的耦合程度、以及屏蔽环共振频率和驱动频率之间的差，都会影响屏蔽环电阻和初级线圈特性之间的关系。虽然这种技术是结合无电极低压放电灯进行讨论的，但应该把这种技术看成是能在不同的应用场合减小电磁干扰的技术。以上描述了一种简单的减小电磁干扰的技术，它大大减小了由射频源驱动的感应器线圈发出的外部磁通量。这种技术大大减小了由空心感应器或铁淦氧磁芯感应器维持的任何感应放电发出的磁干扰，只要铁淦氧磁芯不形成闭合磁路就成。
显然，在不偏离本发明的基本构思的条件下可以作出许多改进。因此，本领域的普通技术人员都应清楚，在所附的权利要求范围内，除了这里具体描述的方式外，还可以用其它方式实施本发明。