一种高压等离子体光源模块的制作方法

xiaoxiao2020-9-9  4

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专利名称:一种高压等离子体光源模块的制作方法
技术领域
本发明涉及一种光源模块,具体涉及的是一种高压等离子体光源模块。
背景技术
当物质持续吸收能量,其状态通常会从固态变成液体,然后转变到气态。如果提供更高的能量,部分电子就有可能从中性原子或分子中剥离,产生一种由大量正负离子和电子混合的离子化气体状物质,它是除去固、液、气外,物质存在的第四态,叫等离子态,这种离子化混合物质叫做等离子体。等离子体在地 球上面看似不多见,其实是宇宙中一种常见的物质,在太阳、恒星、闪电中都存在等离子体,它占了整个宇宙的99%。如果把等离子体置于交变电磁场中,带电粒子就会被加速而互相撞击,撞击中能量交换的过程经常伴随着发光的现象,因而等离子体是非常理想的光源材料。我们在地球上面接受到的太阳光,97%是从太阳的表面即光球层发出来的。太阳是一个很大的高温气体球,太阳表面的温度大约是6000摄氏度,上面的交变电磁场驱动带电粒子剧烈碰撞,并伴随着光能辐射。如果能够巧妙地设计电磁场分布,就可以人工激发气体放电,这就是我们通常见到的电磁感应无极灯。然而通常的电磁感应无极灯都是低压气体放电,在这中低压等离子体中电子的平均自由程较长,与离子的碰撞频率要比高压气体放电的碰撞频率低几个数量级,因此光通量和发光效率也不如高压气体等离子体放电。近年来用于照明的白光LED技术得到了突飞猛进的发展,LED的发光光效也达到了前所未有的程度。LED固体照明以其高光效、无污染、超长寿命、模块化设计、方向性好等优点,在很多领域大有取代传统照明产品的趋势。但是LED也有其自身的缺点。通常LED都是电流驱动的,加在P-η节两端的电压稍有波动,就会导致通过p-n节的电流很大变动,并直接影响到输出的光通量。LED工作时的光能输出受其p-n节温度变化的影响也很大。另夕卜,通常宣传的LED有几万到十万小时的有效使用寿命是在理想条件下估计的,LED的寿命受其p-n节工作温度影响很大。如果设计中LED的冷却机制没有设计好,会导致其寿命大幅度缩短。在很多实验室里开发的准分子灯,或者是类似的等离子体射频激发光源,都使用射频电源提供能量。这些射频电源的体积、重量还有价格等因素都使得这类设计的产品无法商业化。

发明内容
为解决上述问题,本发明提供一种高压等离子体光源模块,把很高的电磁能量集中耦合到很小的高压气体发光体内,激发产生的光效要远高于低压无极灯,实现了高光通量密度。光源模块主要包括高频振荡源和发光体。高频振荡源采用高集成度的芯片设计,比如LDM0S,以达到最小的尺寸和重量。随着通信、雷达技术的发展,最新的芯片技术已经可以实现单个芯片有300 500W的连续RF能量输出。这么高的能量通过本发明特殊的耦合方式被集中到一个很小的发光体内,快速激发发光体内高压气体放电,因而可以达到很高的光通量密度。虽说电磁感应低压无极灯中的少数产品也可以达到几百瓦的能耗,但市场上的这类无极灯的尺寸随着其功率的增加而变得很大。所以这里低压无极灯的方向性不好,也无法实现模块化设计。本发明可以把很高的电磁能量集中耦合到很小的高压气体发光体内,激发产生的光效要远高于低压无极灯,其很小的尺寸也便于模块化设计,因而可以应用到更广的市场。本发明的光源模块拥有LED光源的方向性好,寿命超长,光效高等独特的性能。由于本发明不象LED那样依靠一块很小的对温度相当敏感的半导体p-n节发光,因而没有LED对温度条件依赖的缺陷。本发明是靠高压气体受激发光,发光体中等离子体的温度接近6000摄氏度,通常外界温度的变化对内部高温等离子体的温度影响不大。另外现在单个LED芯片只能做到瓦的量级,一般大功率的几百瓦的光源就需要几百个这样的LED芯片阵列式排列,原材料成本相当高。本发明的光源模 块利用一个小型发光体加上一个RF源的芯片就可以达到300到500瓦的功率,在成本上跟LED相比具有很大的优势。本发明的模块也可以向下做200瓦、100瓦、50瓦及I瓦以下的不同系列,以适应不同市场的需要。为实现上述技术目的,达到上述技术效果,本发明通过以下技术方案实现
一种高压等离子体光源模块,包括控制器,所述控制器控制启动机制/方法和高频源
模块,所述高频源模块输出的射频能量通过耦合机制耦合到发光体中,所述发光体的工作状态通过反馈信号反馈到所述控制器,所述发光体发出的光通过用户接口与其它光源模块或外界通信。进一步的,所述耦合机制为一段阻抗匹配电路,将所述高频源模块的输出阻抗与所述发光体的阻抗匹配一致,实现最大功率的能量耦合;所述反馈信号是所述发光体反射出来的射频能量,所述反射出来的射频能量是没有被有效耦合到发光体内部的能量;所述控制器判断所述发光体是否被成功激发,是否达到稳定状态,何时切断所述启动机制/方法;所述用户接口用于与其它模块通信,以及接收用户控制指令等。进一步的,所述发光体可以是一圆锥型或圆柱胶囊型玻璃泡,材料是石英玻璃或者是普通玻璃,所述玻璃泡内封闭了高压可激发气体以及其它添加物;所述发光体可以放在一填充了高反光耐热材料中,如二氧化钛的腔体中,这样可以把光线反射,累加并从出光口射出;所述出光口可以是侧面出光和从所述发光体的一端出光两种形式,所述侧面出光以实现大面积出光,所述从发光体的一端出光以实现高光通高光子密度的输出。进一步的,所述发光体可以发出红绿蓝单色光,通过所述用户接口实现调光,并应用于投影仪及其它调光系统中。进一步的,所述高频源模块是由一个或多个集成电路板;所述集成电路板通过所述用户接口控制实现同步或异步工作,即调整射频输入能量的相位,实现高效高压气体放电激发。进一步的,所述高频源模块产生的射频能量是集成电路芯片产生的电磁能量,如LDMOS产生的频率范围在O. I 1000MHz。进一步的,所述高压等离子体光源模块可以是电容式激发,所述电容式激发系统是由至少两个激发电极将射频能量有效地耦合到所述发光体中;所述激发电极由导电材料制成,绕所述发光体一圈,所述导电材料横断面为圆形、三角形、方形或其它多边形;激发电极通过导线连接到射频源的输出端。
进一步的,所述高压等离子体光源模块可以是电感式激发,所述电感式激发系统是由电感线圈耦合射频能量到所述发光体中,所述激发电感线圈由导电材料制成,线圈制备时绕行的形状为圆形、三角形、方形或其它多边形,激发电感线圈通过导线连接到射频源的输出端。进一步的,所述高压等离子体光源模块可以模块化叠加,实现高密度光通量输出。本发明的有益效果是
本发明利用射频能量耦合装置激发小体积内高压气体放电,实现模块化可叠加高密度光通量输出,光源方向性好,寿命长,光效高,温度影响不大,成本低本发明由于把频率限制在射频波段,能量耦合不需要微波共振腔,整个模块的 尺寸可以小到一个普通胶囊的大小。这样的模块尺寸对于实现线光源和阵列式的面光源设计具有重要的意义。发光体内的物质可以是传统的惰性气体加汞以产生紫外光激发荧光粉发白光;也可以是利用金属卤化物受激直接发光产生宽谱发光,而实现完全无汞设计。因此本发明对于促进完全绿色照明行业的发展有重要的意义。


图I为本发明的结构组成 图2为本发明的一种电容式稱合的光源模块;
图3为本发明的一种电感式耦合的光源模块;
图4是本发明的多个PCB为一个发光体提供能量的模块化实现方式;
图5是本发明的一个PCB为多个发光体提供能量的模块化实现方式。图中标号说明100、第一发光体,102、稱合机制,104、第一高频源,106、启动机制/方法,108、控制器,110、第一用户接口,200、第二发光体,202a、第一电极,202a、第二电极,204、第二高频源,206、第一启动电路,208、第一控制电路,210、第二用户接口,212、第一连接导线,214、第一启动电极,216、第一耐热导线/接口,218、第一外壳,222、第一 PCB板,300、第三发光体,302、电感线圈,304、第三高频源,306、第二启动电路,308、第二控制电路,310、第三用户接口,312a、第二连接导线,312b、第三连接导线,314、第二启动电极,316、第二耐热导线/接口,318、第二外壳,,322、第二 PCB板,400、第四发光体,410a、第四用户接口,410b、第五用户接口,410c、第六用户接口,416a、第三耐热导线/接口,416b、第四耐热导线/接口,416c、第五耐热导线/接口,418、发光部分,422a、第三PCB板,422b、第四PCB板,422c、第五PCB板,510、第七用户接口,515、接口,516a、第六耐热导线/接口,516b、第七耐热导线/接口,516c、第八耐热导线/接口,522、第六PCB板,524、阻抗匹配电路,530a、第五发光体,530b、第六发光体,530c、第七发光体。
具体实施例方式下面将参考附图并结合实施例,来详细说明本发明。实施例I :
参见图I所示,一种高压等离子体光源模块,包括控制器108,所述控制器108控制启动机制/方法106和第一高频源104,所述第一高频源104输出的射频能量通过耦合机制102耦合到第一发光体100中;所述第一发光体100的工作状态通过反馈信号反馈到所述控制器108,所述控制器108控制第一方光体100发出的光通过第一用户接口 110与外界通信。进一步的,所述耦合机制102为一段阻抗匹配电路,将所述第一高频源104的输出阻抗与所述第一发光体100的阻抗匹配一致,实现最大功率的能量耦合;所述反馈信号是所述第一发光体100反射出来的射频能量,所述反射出来的射频能量是没有被有效耦合到发光体内部的能量;所述控制器108判断所述第一发光体100是否被成功激发,是否达到稳定状态,何时切断所述启动机制/方法106 ;所述用户接口 110用于与其它模块通信,以及接收用户控制指令等。进一步的,所述第一发光体100可以是一圆锥型或圆柱胶囊型玻璃泡,材料是石英玻璃或者是普通玻璃,所述玻璃泡内封闭了高压可激发气 体以及其它添加物;所述第一发光体100可以放在一填充了高反光耐热材料中,如二氧化钛的腔体中,这样可以把光线反射,累加并从出光口射出;所述出光口可以是侧面出光和从所述第一发光体100的一端出光两种形式,所述侧面出光以实现大面积出光,所述从第一发光体100的一端出光以实现高光通高光子密度的输出。进一步的,所述第一发光体100可以发出红绿蓝单色光,通过所述第一用户接口110实现调光,并应用于投影仪及其它调光系统中。进一步的,所述第一高频源104是由一个或多个集成电路板;所述集成电路板通过所述第一用户接口 110控制实现同步或异步工作,即调整射频输入能量的相位,实现高效高压气体放电激发。进一步的,所述第一高频源104产生的射频能量是集成电路芯片产生的电磁能量,如LDMOS产生的频率范围在O. I 1000MHz。具体实施方法参见图2,一种电容式耦合结构的模块化设计的基本单元。第二发光体200由石英玻璃或普通玻璃内封高压气体及相应添加剂组成。第二发光体200外套至少两个电极202a和202b外接到高频源。电极202a和202b结合一些相应的电子元件组成了所述耦合机制102。启动电极214可以产生高电压,用以激发初始的“热电子”。“热电子”经电磁场加速,与其它原子或分子碰撞而产生气体放电。212a与212b为连接导线。第二发光体200可以是一个圆柱胶囊型玻璃泡,材料可以是石英玻璃或普通玻璃,其内封闭了高压可激发的气体及其他添加物。第二发光体200也可以是一锥型玻璃泡,即其内空间横断面的圆的半径由小变大,这样设计的目的是考虑整个发光体体积较小,可以考虑为内部有一个“热点”即一个点光源,从外界看光线是从这个点光源发出的。若用圆柱型发光体,部分光将由于腔体形状而被准直化。整个第二发光体200及其它相应的耐高温部分被装在一个填制了高反射物质的外壳218中,其中高反射物质可以是二氧化钛等白色粉末填充物质,用以把光反射然后从出口射出。本发明的出光口可能是从第二发光体200的一头发出,或者是从第二发光体200的侧面发光。设计中故意把发光体部分和其它电子元器件分开,使得光源模块的耐热性和寿命可以大幅提高。PCB板222包括了第二高频源204,第一启动电路206和第一控制电路208。其中第一控制电路208用以控制启动时序,维持发光稳定性,探测发光状态等。PCB板222与发光模块部分用第一耐热导线/接口 216连接。PCB板另有一个第二用户接口 210用以与其它模块通信,以及接收用户控制指令等。进一步的,所述高压等离子体光源模块可以是电容式激发,所述电容式激发系统是由至少两个激发电极将射频能量有效地耦合到所述第二发光体200中;所述激发电极由导电材料制成,绕所述第二发光体200 —圈,所述导电材料横断面为圆形、三角形、方形或其它多边形;激发电极通过导线连接到射频源的输出端。进一步的,所述高压等离子体光源模块 可以是电感式激发,所述电感式激发系统是由电感线圈耦合射频能量到所述第二发光体200中,所述激发电感线圈由导电材料制成,线圈制备时绕行的形状为圆形、三角形、方形或其它多边形,激发电感线圈通过导线连接到射频源的输出端。进一步的,所述高压等离子体光源模块可以模块化叠加,实现高密度光通量输出。实施例2
原理如实施例1,具体实施方法参见图3,一种电感式耦合结构的模块化设计的基本单元。第三发光体300由石英玻璃或普通玻璃内封高压气体及相应添加剂组成。第三发光体300的激发方式由电感线圈302外接到第三高频源304实现。电感线圈302结合一些相应的电子元件组成了图I中所述耦合机制102。第二启动电极314可以产生高电压,用以激发初始的“热电子”。“热电子”经电磁场加速,与其它原子或分子碰撞而产生气体放电。312a与312b为连接导线。整个第三发光体300及其它相应的耐高温部分被装在一个填制了高反射物质的外壳318中,其中高反射物质可以是二氧化钛等白色粉末填充物质,用以把光反射然后从出口射出。本发明的出光口可能是从第三发光体300的一头发出,或者是从第三发光体300的侧面发光。由于电感线圈302所覆盖面积相对电容电极较小,从侧面发光时,出光效率会略高与电容式稱合模块。设计中故意把发光体部分和其它电子兀器件分开,使得光源模块的耐热性和寿命可以大幅提高。PCB板322包括第三高频源304,第二启动电路306和第二控制电路308。其中第二控制电路308用以控制启动时序,维持发光稳定性,探测发光状态等。PCB板322与发光模块部分用第二耐热导线/接口 316连接。PCB板另有一个第三用户接口 310用以与其它模块通信,以及接收用户控制指令等。实施例3
原理如实施例I,具体实施方法参见图4,多个PCB为一个发光体提供能量。数个PCB板模块422a, 422b, 422c可以共同为一个发光体提供能量。模块间通过模块的用户接口 410a,410b, 410c实现同步或异步工作。本发明的这个光源系统可以通过数个耐热导线/接口 416a, 416b, 416c连接到发光部分418。这样的光源系统可以从发光体侧面出光实现大面积均匀出光系统,也可以从一头出光,实现超高光子密度的光能量输出。这样设计使系统可以应用到不同领域,比如大面积出光系统可以用于普通照明,以达到很均匀柔和的照明效果;小面积高密度光能量输出可以使其应用于投影照明的光源领域,可以实现很高流明数的点光源输出。实施例4
原理如实施例1,具体实施方法参见图5,一个PCB为多个发光体提供能量。即由一个PCB板522提供射频能量,通过耐热导线/接口 516a,516b, 516c分别输送给数个发光体530a, 530b, 530c。虽然发光体设计可能一样,但其阻抗可能会有一定的差异,所以通常需要一个阻抗匹配电路524实现阻抗的分别匹配,实现最大效率的射频功率耦合。阻抗匹配电路524通过接口 515连接到PCB板522上。整个系统可以通过第七用户接口 510,可以接收用户指令或与别的系统交互。这样的系统的优势在于可以共享射频模块,实现大面积分布式照明。如图5所示假设三个发光体530a,530b, 530c分别发出RGB三种颜色的光时,可以在RGB投影仪上有很好的应用。
权利要求
1.一种高压等离子体光源模块,其特征在于,包括控制器(108),所述控制器(108)控制启动机制/方法(106)和高频源(104),所述高频源(104)输出的射频能量通过耦合机制(102)耦合到发光体(100)中;所述发光体(100)的工作状态通过反馈信号反馈到所述控制器(108),所述发光体(100)发出的光通过用户接ロ( 110)与其它光源模块或外界通信。
2.根据权利要求I所述的高压等离子体光源模块,其特征在于,所述耦合机制(102)为一段阻抗匹配电路,将所述高频源(104)的输出阻抗与所述发光体(100)的阻抗匹配一致,实现最大功率的能量耦合;所述反馈信号是所述发光体(100)反射出来的射频能量,所述反射出来的射频能量是没有被有效耦合到发光体内部的能量;所述控制器(108)判断所述发光体(100)是否被成功激发,是否达到稳定状态,何时切断所述启动机制/方法(106);所述用户接ロ(110)用干与其它模块通信,以及接收用户控制指令等。
3.根据权利要求I所述的高压等离子体光源模块,其特征在于,所述发光体(100)可以是ー圆锥型或圆柱胶囊型玻璃泡,材料是石英玻璃或者是普通玻璃,所述玻璃泡内封闭了高压可激发气体以及其它添加物;所述发光体(100)可以放在一填充了高反光耐热材料中,如ニ氧化钛的腔体中,这样可以把光线反射,累加并从出光ロ射出;所述出光ロ可以是侧面出光和从所述发光体(100)的一端出光两种形式,所述侧面出光以实现大面积出光,所述从发光体(100)的一端出光以实现高光通高光子密度的输出。
4.根据权利要求I所述的高压等离子体光源模块,其特征在于,所述发光体内气体压カ高于普通的低压气体放电无极灯;所述高频源模块(104)产生的射频能量是集成电路芯片产生的电磁能量,如LDMOS产生的频率范围在0. I 1000MHz。
5.根据权利要求I所述的高压等离子体光源模块,其特征在于,所述高压等离子体光源模块可以是电容式激发,所述电容式激发系统是由至少两个激发电极将射频能量有效地耦合到所述发光体(100)中;所述激发电极由导电材料制成,绕所述发光体(200)—圈,所述导电材料横断面为圆形、三角形、方形或其它多边形;激发电极通过导线连接到射频源的输出端。
6.根据权利要求I所述的高压等离子体光源模块,其特征在于,所述高压等离子体光源模块可以是电感式激发,所述电感式激发系统是由电感线圈耦合射频能量到所述发光体(300)中,所述激发电感线圈由导电材料制成,线圈制备时绕行的形状为圆形、三角形、方形或其它多边形,激发电感线圈通过导线连接到射频源的输出端。
7.根据权利要求I所述的高压等离子体光源模块,其特征在于,所述高频源模块(422a, 422b, 422c)是由ー个或多个集成电路板;所述集成电路板通过所述用户接ロ(410a, 410b, 410c)控制实现同步或异步工作,即调整射频输入能量的相位,同时为ー个发光体(400)供应电磁能量,实现高效高压气体放电激发。
8.根据权利要求I所述的高压等离子体光源模块,其特征在于,模块化发光系统可以由ー个PCB板(522)同时为多个所述发光体供应电磁能量,并通过用户接ロ(510)同步或异步被控制,可以发出红绿蓝或其它単色光,通过所述用户接ロ(510)实现调光,并应用于投影仪、娱乐照明及其它调光系统中。
全文摘要
本发明在于公开了一种高压等离子体光源模块,包括控制器,所述控制器控制启动机制/方法和高频源模块,所述高频源模块输出的射频能量通过耦合机制耦合到发光体中,所述发光体的工作状态通过反馈信号反馈到所述控制器,所述发光体发出的光通过用户接口与其它发光模块或外界通信。本发明的光源方向性好,寿命长,光效高,受温度影响小,成本低,环保。本发明利用射频能量耦合装置激发小体积内高压气体放电,实现模块化可叠加高密度光通量输出。
文档编号H05B41/02GK102769983SQ20121012258
公开日2012年11月7日 申请日期2012年4月25日 优先权日2012年4月25日
发明者彭盛 申请人:彭盛

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