DE102011111067B4

DE102011111067B4 - Niederdruckplasma-Lichtquelle

Info

Publication number: DE102011111067B4
Application number: DE102011111067A
Authority: DE
Inventors: Klaus Wammes
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-08-24
Filing date: 2011-08-24
Publication date: 2013-04-04
Anticipated expiration: 2031-08-25
Also published as: EP2749149A1; WO2013026906A1; DE102011111067A1

Abstract

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine besonders sparsame und umweltfreundliche Lichtquelle bereit zu stellen, welche vorzugsweise eine sehr lange Lebensdauer aufweist und insbesondere in deren Emissionsverhalten in Bezug auf deren Intensität und spektrale Emission steuer- oder beeinflußbar ist. Dazu ist eine Lichtquelle (1) mit einem zumindest eine emittierende Spezies (5) aufnehmenden Gefäß (3) und einer Einrichtung (7) zur Anregung der emittierenden Spezies vorgesehen, bei welcher mittels der Einrichtung (7) zur Anregung der emittierenden Spezies (5) Energie in das die emittierende Spezies (5) aufnehmende Gefäß (7) eingebracht wird, durch welche zumindest ein Teil der emittierenden Spezies (5) angeregt und Licht abgegeben wird, bei welcher mittels mindestens einem von mindestens einem Ferritwerkstoff (13) umgebenen und/oder mindestens einen Ferritwerkstoff (13) enthaltenden, als elektrische Spule wirkenden Bauelement (11) elektromagnetische Energie in das die emittierende Spezies (5) aufnehmende Gefäß (3) eingebracht wird, und bei welcher eine Beeinflussung, insbesondere Steuerung der Intensität der Emission durch Änderung der magnetischen Sättigung des zumindest einen Ferritwerkstoff (13) vorgenommen wird.

Description

Die Erfindung betrifft Lichtquellen allgemein und Lichtquellen mit emittierenden Niederdruckplasmen im Besonderen.
Derzeit stehen verschiedene Sorten von Lichtquellen zur Verfügung, welche beispielsweise klassische Schwarzkörperstrahler, Halbleiterlichtquellen und auch Strahler mit nach deren Anregung Licht emittierenden Leuchtstoffen umfassen. Diese Leuchtstoffe können vor Halbleiterlichtquellen angeordnet oder in Plasmen, dies bedeutet in deren plasmatischem Zustand, selbststrahlend Licht zur Verfügung stellen.
Die EP 2 104 131 A1 zeigt beispielsweise eine Entladungslampe ohne Elektrode. Die Lampe wird mit einer PWM-Lichtsteuerung gezündet. Die Birne der Lampe enthält ein Entladungsgas mit Krypton, so dass die Rückschlagsspannung gesenkt wird. Somit können auch die Schwingungen des Ferritkerns, der innerhalb eines Hohlraums der Birne eingesetzt wird, reduziert werden. Dies hat zur Folge, dass unerwünschte Geräusche unterdrückt werden.
Die Lampe gemäß der US 2006/0076864 A1 weist ebenfalls keine Elektrode auf. Die Birne der Lampe enthält ein inertes Gas sowie eine verdampfbare Metallfüllung. In einem Hohlraum der Birne befindet sich ein Magnetkern mit einer Induktionsspule. Im Inneren des Magnetkerns befindet sich eine Kühlvorrichtung. Ferner ist zwischen dem Magnetkern und der Innenwandung des Hohlraums ein Abstandshalter angebracht. Letzterer definiert einen thermisch isolierenden Spalt zwischen dem Magnetkern und der Innenwandung. Hierdurch wird die Temperatur von Kern und Spule gesteuert.
Die US 5,165,053 zeigt einen elektronische Ballast mit Schaltkreis zum Dimmen für eine Fluoreszenzlampe.
Für den Einsatz von Lichtquellen sind jeweils verschiedene Aspekte für den Einsatz und die Verwendung der Lichtquelle prägend.
Als wichtiger Faktor für die Verwendung sind Energie- und Herstellungskosten von maßgeblicher Bedeutung, insbesondere, wenn die gesamten Kosten während des Lebenslaufs einer Lichtquelle von Herstellung über Gebrauch und deren Entsorgung miteinander verglichen werden.
Ferner ist für Beleuchtungszwecke auch der Einfluss der jeweiligen Lichtquelle auf die subjektive visuelle Wahrnehmung durch den Betrachter ein Entscheidungskriterium. Hierbei ist der spektrale Einfluss der Lichtquelle auf die subjektive Wahrnehmung des Betrachters für den jeweiligen Einsatzzweck zu bewerten.
Schwarzkörperstrahler weisen zwar ein breitbandiges Spektrum auf, welches je nach Temperatur des Strahlers zu einer relativ akzeptablen Farbwiedergabe führen kann, jedoch sind deren Verbrauchskosten vergleichsweise hoch.
Halbleiterlichtquellen und Hochdruckstrahler, in welchen unter hohem Druck stehende Plasmen emittieren sowie Leuchtstoffröhren weisen in der Regel starke einzelne Spektrallinien auf, wodurch eine neutrale Farbwiedergabe von mit diesen Lichtquellen beleuchteten Gegenständen stark geschädigt werden kann.
Selbst wenn Halbleiterlichtquellen zusätzlich mit Leuchtstoffen versehen werden, die weitere Emissionslinien aufweisen, kann hierbei für viele Anwendungen noch keine ausreichende spektrale Vollständigkeit bereit gestellt werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine besonders sparsame und umweltfreundliche Lichtquelle bereit zu stellen, welche vorzugsweise eine sehr lange Lebensdauer aufweist und insbesondere in deren Emissionsverhalten in Bezug auf deren Intensität und spektrale Emission steuer- oder beeinflußbar ist.
Diese Aufgabe wird mit einer Lichtquelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, somit mit einer Lichtquelle mit einem zumindest eine emittierende Spezies aufnehmenden Gefäß und einer Einrichtung zur Anregung der emittierenden Spezies, bei welcher mittels der Einrichtung zur Anregung der emittierenden Spezies Energie in das die emittierende Spezies aufnehmende Gefäß eingebracht wird, durch welche zumindest ein Teil der emittierenden Spezies angeregt und Licht abgegeben wird, bei welcher mittels mindestens einem von mindestens einem Ferritwerkstoff umgebenen und/oder mindestens einen Ferritwerkstoff enthaltenden, als elektrische Spule wirkenden Bauelement elektromagnetische Energie in das die emittierende Spezies aufnehmende Gefäß eingebracht wird. Dabei wird eine Beeinflussung, insbesondere Steuerung der Intensität der Emission durch Änderung der magnetischen Sättigung zumindest eines Ferriten, im Speziellen dem mindestens einen Ferritwerkstoff vorgenommen. Die Steuerung oder Regelung über die Sättigung des Ferritwerkstoffs ermöglicht unter anderem eine Stabilisierung der Emission, wie auch eine aktive, sehr schnelle Regelung der Energieübertragung.
Insbesondere umfasst das als Spule wirkende Bauelement in Weiterbildung der Erfindung zumindest zwei unterschiedliche Ferritmaterialien, die eine unterschiedliche Temperaturabhängigkeit und eine unterschiedliche Frequenzabhängigkeit der Permeabilität aufweisen. Diese Kombination der Ferritmaterialien kann dann überraschend zur Selbstregulierung der Leistungsübertragung und temperaturabhängigen Leistungsübertragung verwendet werden. Die Kombination der verschiedenen Ferritmaterialien ermöglicht damit überraschend die Übertragung hoher Leistungen, ohne dass es zu einer Überhitzung des Bauelements kommt.
Die Erfindung ermöglicht eine Beeinflussung, insbesondere Steuerung und/oder Regelung der Intensität und/oder der spektralen Verteilung der Emission durch Änderung der zeitlich-kontinuierlichen und/oder zeitlich-diskontinuierlichen Energieübertragung bis zur zumindest teilweisen magnetischen Sättigung zumindest eines Ferritwerkstoffes. Dabei wird die für die Regelung verwendete Signal-Rückkopplung mittels geeigneter parasitärer Vorgänge in den verwendeten Ferritwerkstoffen in Bezug auf die Veränderung der zeitlich-kontinuierlichen und/oder zeitlich diskontinuierlichen Impedanzveränderungen erzielt. Die parasitären Vorgänge sind insbesondere temperaturbedingte Änderungen der Impedanz und unterschiedliches Frequenzverhalten der Ferrite.
Besonders geeignet ist dabei eine pulsweise Übertragung der Energie, insbesondere wenn eine Regelung der Pulsenergie pro Puls, also für jeden einzelnen Puls erfolgt.
Hierdurch kommt es zu einer sehr effizienten Umsetzung der aufgenommenen und als Licht abgegebenen elektrischen Leistung.
Licht ist hierbei im Sinne der vorliegenden Erfindung nicht nur das mit dem Auge wahrnehmbare Spektrum sondern soll insbesondere auch ultraviolette und infrarote, sogar im tiefen Infrarot liegende elektromagnetische Wellen oder im kurzwelligen Bereich elektromagnetischer Strahlung sogar bis zu Röntgenwellenlängen umfassen.
Wenn die für die Regelung notwendige Signal-Rückkopplung mittels geeigneter parasitärer Vorgänge. eine Messung des Phasenwinkels zwischen Strom und Spannung des rückgekoppelten Signals mittels einer geeigneten Einrichtung umfasst, insbesondere des durch Influenz rückgekoppelten Signals, welches durch die Gegen-EMK der emittierenden Spezies erzeugt wird, kann hierdurch der Zustand der emittierenden Spezies in dem diese aufnehmenden Gefäß erkannt und zu Steuerungs- und Regelungszwecken verwendet werden. Hierdurch können Steuer- und Regelungsvorgänge den tatsächlichen momentanen Zustand der emittierenden Spezies berücksichtigen und dabei sehr exakt auf diesen eingehen.
Wenn in Abhängigkeit von dem Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung des rückgekoppelten Signals die bei einem nächsten Puls eingekoppelte Energie oder die bei mehreren nächsten Pulsen eingekoppelte Energie mittels einer Steuer- und/oder Regelschaltung bemessen, eingestellt oder geregelt wird, kann dies, wie die Erfinder überraschend festgestellt haben, schon ausreichend sein, um sämtliche Steuer- und Regelungsvorgänge mit der nötigen zeitlichen Präzision und in der Intensität geforderten Genauigkeit durchzuführen.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die aufeinanderfolgenden Pulse zeitlich kontinuierlich erzeugt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die aufeinanderfolgenden Pulse zeitlich diskontinuierlich erzeugt und es wird insbesondere die zeitliche Aufeinanderfolge der Pulse, insbesondere die Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen, in Abhängigkeit von dem Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung des rückgekoppelten Signals eingestellt. Hierdurch kann ein nochmals verbessertes Steuer- und Regelungsverhalten bereitgestellt werden, da jeweils in Abhängigkeit von dem rückgekoppelten Signal für das nächste benötigte ”Energiepaket” für die Anregung der emittierenden Spezies sowohl die Größe dieses ”Energiepakets” als auch dessen optimale zeitliche Zufuhr eingestellt werden kann.
Dies kann beispielsweise erreicht werden, wenn die aufeinanderfolgenden Pulse zeitlich diskontinuierlich erzeugt werden und insbesondere die zeitliche Aufeinanderfolge der Pulse, insbesondere die des oder der nachfolgenden Pulse, in Abhängigkeit von dem Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung des rückgekoppelten Signals eingestellt wird.
Bevorzugt ist das zumindest teilweise von mindestens einem Ferritwerkstoff umgebene als zumindest eine elektrische Spule wirkende Bauelement an zumindest eine Elektrode angeschlossen oder über eine Zuleitung mit zumindest einer Elektrode verbunden, die zur Einkopplung des Feldes an oder in dem Gefäß angeordnet ist, und es wird die Energie nicht nur kapazitiv und/oder induktiv und/oder resistiv in das die emittierende Spezies aufnehmende Gefäß eingekoppelt sondern es werden auch gleichzeitig die für eine Regelung notwendige Signale der Gegen-EMK aus dem die emittierende Spezies aufnehmenden Gefäß zurückgeführt.
Alternativ ist das zumindest teilweise von mindestens einem Ferritwerkstoff umgebene, als zumindest eine elektrische Spule wirkende Bauelement nicht direkt an Elektroden angeschlossen und/oder nicht über eine körperliche Zuleitung mit Elektroden verbunden, die an oder in dem Gefäß angeordnet sind.
Wenn der und/oder die verwendeten Ferritwerkstoffe magnetische Bereiche umfassen, die durch Spin-Flip-Vorgänge ummagnetisierbar sind, wobei die Anzahl der magnetischen Bereiche, die durch Spin-Flip ummagnetisierbar sind, durch die magnetische Sättigung des oder der Ferritwerkstoffe für jeden Puls gesondert beeinflusst wird, kann hierdurch eine sehr wirksame Begrenzung der übertragenen Energie bewirkt werden, da dann intrinsische Effekte des Ferritwerkstoffs dafür sorgen, dass die jeweils pro Puls übertragene Energie unterhalb definierter Grenzwerte bleibt und folglich Lawinen- oder Avalanche-Effekte im Bereich der emittierenden Spezies sicher vermieden werden.
Vorteilhaft umfasst der Ferritwerkstoff eine Sinterkeramik.
Bevorzugt umfasst die Sinterkeramik zumindest ein Element aus der Gruppe Metalloxide, die sich im einfachsten Falle als Mischmetalloxid mit und/oder ohne zusätzlicher Dotierung von Si und/oder Ge und/oder Sb und/oder Te und/oder B und/oder Se, beschreiben lässt, welche beispielsweise aber nicht ausschließlich Mn und/oder Zn und/oder Ni und/oder V und/oder Ti und/oder Sn und/oder Pb und/oder Ca und/oder Si und/oder Co und/oder Sc und/oder Cr und/oder Cu und/oder Mg und/oder Li und/oder Fe und/oder Ba und/oder Sr und/oder Si und/oder Ge und/oder Zr und/oder Y und/oder W und/oder Nb und/oder Mo enthält.
Wenn die magnetische Sättigung des Ferriten durch ein weiteres, am und/oder im Ferritwerkstoff angeordnetes Element, welches als zumindest eine elektrische Spule wirken kann, beeinflusst wird, ist diese Sättigung im Wesentlichen unabhängig von den jeweils übertragenen Pulsen eigenständig steuerbar.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weisen Teile der Ferritwerkstoffe einen ersten, im Wesentlichen stabförmigen Abschnitt auf.
Ferner können Teile der Ferritwerkstoffe einen zweiten, im Wesentlichen u-förmigen Abschnitt aufweisen.
Wenn erste und zweite Abschnitte der verwendeten, typischerweise, aber nicht notwendigerweise unterschiedlichen Ferritmaterialien aneinander angrenzen, um derart einen und/oder mehrere Ringkerne mit und/oder ohne Luftspalten zu definieren, kann hierdurch der magnetische Fluß dieses hierdurch gebildeten Übertragers geeignet eingestellt werden.
Um die Gegen-EMK einerseits wirksam für eine Phasenmessung zurückführen und/oder die Feldenergie der Gegen-EMK zwischenspeichern zu können und andererseits eine wirksame Übertragung der Pulsenergie zu erreichen, ist folgende Konfiguration unter Verwendung der vorgenannten Ferritmaterialien besonders günstig: Der stabförmige Abschnitt umfasst ein erstes Ferritmaterial mit einer ersten Sättigungsmagnetisierung und/oder Anfangspermeabilität, der u-förmige Abschnitt umfasst ein zweites Ferritmaterial mit einer niedrigeren Anfangspermeabilität und/oder einer niedrigeren Sättigungsfeldstärke dafür aber entsprechend höherer Permeabilität bei hohen Frequenzen. Die eine oder mehreren Spulen des Bauteils, im Falle eines Übertragers also die Primär- und Sekundärwicklung umgeben den stabförmigen Abschnitt. Der u-förmige Abschnitt ist mit den Enden des stabförmigen Abschnitts magnetisch gekoppelt. Durch diese Kopplung der Schenkel des u-förmigen Abschnitts mit den Enden des stabförmigen Abschnitts wird, wie oben bereits erwähnt, ein Ringkern mit und/oder ohne Luftspalten gebildet. Das Ferritmaterial des u-förmigen Abschnitts kann nun die durch die Gegen-EMK bewirkte Energie wirksam zwischenspeichern und wieder an das Gefäß abgeben, da die Permeabilität dieses Materials für die hohen Frequenzen des rückgekoppelten Signals höher ist, als die Permeabilität des auf die typischerweise deutlich geringere Anregungs- oder Pulsfrequenz des anderen Ferritmaterials.
Wenn zumindest ein weiteres, als elektrische Spule wirkendes Bauelement mit einer Pulsweitenmodulation angesteuert ist, wobei durch die jeweilige individuell übertragene Energiemenge pro Puls die Anzahl der jeweils benötigten Spin-Flip-Vorgänge in dem oder den Ferritwerkstoffen für jeden einzelnen Takt beeinflussbar ist, wird hierdurch eine sehr effizient steuerbare Treiberschaltung bereitgestellt.
Vorteilhaft wird die Ansteuerung, beziehungsweise die Erzeugung der Spannungspulse für die Erzeugung des Niederdruck-Plasmas mittels einer Push-Pull-Schaltungsanordnung vorgenommen.
Ebenfalls vorteilhaft kann die Ansteuerung mittels einer Halb-Brücken-Schaltungsanordnung vorgenommen werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Ansteuerung mittels einer Voll-Brücken-Schaltungsanordnung vorgenommen.
Alternativ und ebenfalls vorteilhaft kann die Ansteuerung mittels einer Sperrwandler-Schaltungsanordnung vorgenommen werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Ansteuerung mittels einer Flusswandler-Schaltungsanordnung vorgenommen werden.
Bei einer nochmals weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die Ansteuerung mittels einer Zero-Voltage-Switching-Schaltungsanordnung vorgenommen.
Ebenfalls vorteilhaft kann die Ansteuerung mittels einer Zero-Current-Switching-Schaltungsanordnung vorgenommen werden.
Vorteilhaft kann die Ansteuerung auch mittels einer Resonanz-Wandler-Schaltungsanordnung vorgenommen werden.
Bei einer nochmals weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die Ansteuerung mittels einer Quasi-Resonanz-Wandler-Schaltungsanordnung vorgenommen.
Nochmals alternativ zu den vorstehenden Ausführungsformen kann die Ansteuerung auch mittels einer SEPIC-Wandler-Schaltungsanordnung vorgenommen werden.
Wenn die Ansteuerung des mittels inverser Übertragungsfunktion des und/oder der verwendeten Ferritwerkstoffe aufgebauten, als zumindest eine elektrische Spule wirkenden Energie-Übertragungs-Bauteils relativ zur Energieabgabe Richtung Last durch Selbstabschnürung bei zu hohen Energiemengen und Selbstverstärkung bei zu geringen Energie-Mengen des Energieflusses pro Übertragungs-Takt als eine selbstregulierende Schaltungsanordnung vorgenommen ist, kann hierdurch in vielen Fällen und für viele emittierende Spezies auf eine weitere elektronische Regelung verzichtet werden und es ergibt sich selbst für den Fall einer weiteren elektronischen Regelung ein sehr gutmütiges Regelverhalten mit nur geringer Neigung zu unerwünschten Regelschwingungen.
In sehr vorteilhafter Weise umfasst die zumindest eine emittierende Spezies Exciplexe, durch welche eine spektral breitbandige Emission bewirkt werden kann.
Alternativ oder zusätzlich zu den Exciplexen kann die zumindest eine emittierende Spezies auch Excimere umfassen.
Vorteilhaft ist es, wenn die zumindest eine emittierende Spezies im plasmatischen Zustand, welcher hier auch als Aggregatzustand 4 bezeichnet wird, vorliegt, da hierdurch eine homogene Anregung der emittierenden Spezies unterstützt wird.
Bevorzugt enthalten die Exciplexe zumindest eine Spezies, die aus der Gruppe ausgewählt ist, welche Metalle und/oder He und/oder Ar und/oder Kr und/oder Ne und/oder Xe und/oder N und/oder O und/oder H und/oder C und/oder Halogene umfasst.
Die spektrale Verteilung des von der Spezies emittierten Lichtes lässt sich beeinflussen und in vielen Fällen sogar einstellen, wenn die magnetischen und/oder magnetisierbaren Bereiche des oder der Ferritwerkstoffe mit der Plasmafrequenz der angeregten Exciplexe zusammenwirken und insbesondere hierdurch deren Emissionsspektren beeinflussen.
Vorteilhaft ist es, wenn die Plasmafrequenz der angeregten Exciplexe sich typischerweise aber nicht ausschließlich im Terahertz-Bereich bewegt und die Haupt-Wiederhol-Zeiten, mittels welcher durch vorgegebene dezidierte elektromagnetische Energiepakete Spin-Flip-Vorgänge in den beteiligten Ferritwerkstoffen angeregt werden, in einem Bereich von μsec bis msec, vorzugsweise von zwei- bis dreistelligen μsec liegen.
Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn die Plasmafrequenz der angeregten Excimere sich typischerweise, aber nicht ausschließlich im Terahertz-Bereich bewegt und die Haupt-Wiederhol-Zeiten, mittels welcher durch vorgegebene dezidierte elektromagnetische Energiepakete Spin-Flip-Vorgänge in den beteiligten Ferritwerkstoffen angeregt werden, in einem Bereich von μsec bis msec, vorzugsweise von zwei- bis dreistelligen μsec liegen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn sich die Plasmafrequenz der angeregten, im plasmatischen Zustand (Aggregatzustand 4) befindlichen Materieteilchen typischerweise, aber nicht ausschließlich im Terahertz-Bereich bewegt und die Haupt-Wiederhol-Zeiten, mittels welcher durch vorgegebene dezidierte elektromagnetische Energiepakete Spin-Flip-Vorgänge in den beteiligten Ferritwerkstoffen angeregt werden, in einem Bereich von μsec bis msec, vorzugsweise von zwei- bis dreistelligen μsec liegen.
Wenn bei Überführung zumindest einer Spezies in den plasmatischen Zustand in dem Gefäß Drucke im Bereich von einstelligen mbar bis ca 5000 mbar bestehen, kann hierdurch ein sehr homogen leuchtendes Plasma bereitgestellt werden, welches relativ geringe Neigung zeigt, lokale Intensitätsminima und -maxima auszubilden. Ferner ist auch die Neigung zu selbsoszillatorischen lokalen Schwingungsmustern, welche sich in Intensitätsschwankungen ausdrücken, vermindert.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Figuren anhand von bevorzugten Ausführungsformen detaillierter beschrieben.
Es zeigen:
1 eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Lichtquelle,
2 eine Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Lichtquelle,
3 eine Messschaltung zur Messung des Phasenwinkels zwischen Strom und Spannung,
4 eine Ansteuerschaltung, beziehungsweise Treiberschaltung, für die in 1 oder in 2 dargestellte Lichtquelle, welche als Push-Pull-Schaltungsanordnung ausgebildet ist,
5 ein als Spule wirkendes, einen Ferritwerkstoff enthaltendes Bauelement zur Regelung der Energieübertragung,
6 ein pulsweitenmoduliertes Eingangssignal,
7 ein Diagramm der Lichtleistung als Funktion der Ansteuerfrequenz,
8 eine Phasenverschiebung ϕ zwischen Strom und Spannung als Funktion der Anregungsfrequenz,
9 ein Diagramm der Induktivität des als Spule wirkenden Bauelements als Funktion der Temperatur,
10 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines als Übertrager ausgebildeten Bauteils 11.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
1 zeigt schematisch eine Lichtquelle 1 mit einem Gefäß 3 zur Aufnahme eines Niederdruckplassmas sowie daran angeordneten Elektroden 9 zur Einkopplung von Energie in das Niederdruckplasma. Das Niederdruckplasma wird in der im Gefäß 3 unter niedrigem Druck eingeschlossenen emittierenden Spezies 5 durch ein über die Elektroden 9 eingekoppeltes elektromagnetisches Feld erzeugt. Der Druck im Gefäß liegt vorzugsweise zwischen einigen Millibar bis bis ca. 500 Millibar. Das Gefäß 3 ist transparent für das von der Lichtquelle erzeugte Licht. Vorzugsweise wird eine Glasröhre als Gefäß 3 verwendet.
An die Elektroden 9 ist eine Schaltung als Einrichtung 7 zur Anregung der emittierenden Spezies angeschlossen.
Die Einrichtung 7 wird über Eingangsleitungen 77 mit Spannung versorgt. Beispielsweise kann eine Versorgungsspannung von 24 Volt verwendet werden.
Im Speziellen wird eine Steuer- und/oder Regelschaltung 75 über die Eingangsleitungen versorgt. Die Steuer- und/oder Regelschaltung regelt eine Treiberschaltung 71 als weiteren Bestandteil der Einrichtung 7. An der Treiberschaltung 71 sind dann die Elektroden 9 angeschlossen. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel sind die Elektroden 9 im Inneren des Gefäßes 3 angeordnet. Es ist aber auch denkbar, die Elektroden außen vorzusehen, wenn beispielsweise eine Anregung des Plasmas mit hochfrequenten, die Gefäßwandung durchdringenden Wechselfeldern erfolgt.
Die Anregung des Plasmas erfolgt mit einem von der Treiberschaltung 71 erzeugten, gepulsten Feld.
Es ist nun erfindungsgemäß vorgesehen, dass durch die Steuer- und/oder Regelschaltung 75 eine Steuerung und/oder Regelung der Intensität und/oder der spektralen Verteilung der Emission durch Änderung der magnetischen Sättigung zumindest eines Ferriten vorgenommen wird. Im speziellen wird durch Änderung der zeitlich-kontinuierlichen und/oder zeitlich-diskontinuierlichen Energieübertragung bis zur zumindest teilweisen magnetischen Sättigung zumindest eines Ferritwerkstoffes eines den Ferritwerkstoff umgebenden und/oder enthaltenden, als elektrische Spule wirkenden Bauelements 11 eine Steuerung und/oder Regelung der Intensität und/oder der spektralen Verteilung der Emission durchgeführt. Das Ferritmaterial kann sowohl Bestandteil der Steuer- und/oder Regelschaltung 75, als auch der Treiberschaltung 71 sein.
Die für die Regelung verwendete Signal-Rückkopplung kann dabei mittels geeigneter parasitärer Vorgänge im Ferritwerkstoff in Bezug auf die Veränderung der zeitlich-kontinuierlichen und/oder zeitlich diskontinuierlichen Impedanzveränderungen erzielt werden.
Die für die Regelung notwendige Signal-Rückkopplung mittels geeigneter parasitärer Vorgänge umfasst dazu eine Messung des Phasenwinkels zwischen Strom und Spannung des durch Influenz rückgekoppelten Signals. Dieser Phasenwinkel wird durch die von der emittierenden Spezies erzeugte elektromotorische Kraft beeinflusst. Diese elektromotorische Kraft, also die vom Plasma der emittierenden Spezies 5 bewirkte Gegeninduktionsspannung wird auch als Gegen-EMK bezeichnet. Erfindungsgemäß ist nun eine Messeinrichtung 73 für den Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung vorgesehen. Diese ist bei dem in 1 gezeigten Beispiel am Eingang der Treiberschaltung 71 angeschlossen. Der gemessene Phasenwinkel oder ein diesen Winkel repräsentierendes Signal wird von der Messeinrichtung 73 an einen Eingang 76 der Steuer- und/oder Regelschaltung 75 gelegt.
Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 75 ist dazu eingerichtet, in Abhängigkeit vom Messwert des Phasenwinkels die Intensität und/oder spektrale Verteilung der Emission der Spezies durch Einstellung der Energieübertragung durch das Bauelement 11 mit dem Ferritmaterial zu regeln. Dazu ist das Bauelement 11 mit der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 75 verschaltet, was in 1 durch die elektrische Verbindung 15 symbolisiert ist. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 75 kann über die Verschaltung die Magnetisierung des Ferrit-Materials 13 des Bauelements 11 einstellen. Damit wird bewirkt, dass die Anzahl der magnetischen Bereiche im Ferritwerkstoff 13, die durch Spin-Flip beim Anlegen eines Spannungspulses der Treiberschaltung 71 ummagnetisierbar sind, durch die eingestellte magnetische Sättigung des Ferritmaterials beeinflusst wird.
Bei dem in 1 gezeigten Beispiel ist das Bauelement 11 als Drossel ausgebildet. Demgemäß sind die Spulenenden in eine der Zuleitungen zu den Elektroden 9 geschaltet. Die Drosselwirkung wird nun durch die eingestellte Magnetisierung beeinflusst. Mit steigender Magnetisierung sinkt die Drosselwirkung und die Pulsleistung an den Elektroden 9 steigt entsprechend. Auf diese Weise kann eine Begrenzung der übertragenen Energie bewirkt werden, da die Sättigung der Magnetisierung des Ferritwerkstoffs dafür sorgt, dass die jeweils pro Puls übertragene Energie unterhalb definierter Grenzwerte bleibt und aufgrund der negativen Widerstandscharakteristik des Plasmas folglich Lawinen- oder Avalanche-Effekte im Bereich der emittierenden Spezies sicher vermieden werden.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Hier ist im Unterschied zu 1 das Bauelement 11 als Übertrager oder Transformator ausgebildet.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Messeinrichtung 73 für Phasenwinkel, wie sie für die in den 1 oder 2 schematisch dargestellte Lichtquelle 1 verwendet werden kann. Die Messeinrichtung 73 umfasst einen Spannungswandler 731 und einen Stromwandler 732, beide ausgebildet als Transformatoren oder Übertrager. Der Spannungswandler 731 ist primärseitig mit seinen Eingängen an die beiden Zuleitungen zu den Elektroden, oder wie in 1 und 2 gezeigt, an die beiden Zuleitungen zur Treiberschaltung 71 angeschlossen. Der Stromwandler 732 ist primärseitig in eine der Zuleitungen geschaltet. Über den Widerständen 730, 731 fällt dann jeweils eine zum Strom durch die Primärwickung des Strom-, beziehungsweise Spannungswandlers entsprechende Spannung ab.
Sowohl der strom-, als auch der spannungsmessende Teil der Schaltung enthält einen Filter. Im spannungsmessenden Teil wird der Filter durch die Induktivität 733, den Widerstand 734 und die Kapazität 735, im strommessenden Teil entsprechend durch die Induktivität 736, den Widerstand 737 und die Kapazität 738 gebildet.
Sowohl im spannungsmessenden, als auch im strommessenden Zweig ist jeweils ein Komparator 739, beziehungsweise 740 angeordnet. Die Komparatoren 739, 740 vergleichen jeweils die Spannung an den Widerständen 730, 731 mit einem auf ein Referenzpotential gelegten Ausgang der Sekundärwicklung. Die Komparatoren 739, 741 schalten demnach am Nulldurchgang der Spannung an den jeweiligen Widerständen 730, 731.
Mit einem Timer 741 kann die Zeit zwischen den Schaltvorgängen der Komparatoren 739, 740 bestimmt werden. Diese ist dann direkt proportional zum Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung. Der Zeitabstand der Nulldurchgänge kann vom Timer 74 beispielsweise als äquivalentes Spannungssignal ausgegeben werden.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer als Push-Pull-Schaltung, beziehungsweise als Gegentakt-Endstufe ausgebildeten Treiberschaltung 71. Die Eingangsleitungen 710 sind an einen Übertrager oder Transformator 711 angeschlossen. Das sekundärseitige Signal dieses Übertragers 711 wird durch die Schaltung verstärkt und über einen weiteren Übertrager 719 ausgegeben und an die Elekroden 9 geleitet.
Zur Verstärkung des Eingangssignals werden zwei Transistoren 715, 716 verwendet. Dabei sind die Ausgänge der Sekundärwicklung des Übertragers 711 jeweils mit der Basis eines der Transistoren 715, 716 verschaltet. Die Transistoren 715, 716 sind weiterhin so mit den Übertragern 711, 719 verschaltet, dass jeder der Transistoren 715, 716 eine Halbwelle verstärkt und das verstärkte Signal durch eine Teilwicklung der Primärwicklung geleitet wird.
Die Versorgungsspannung für die Transistoren 715, 716 wird über eine Spannungsquelle 712 bereitgestellt, die jeweils mittig an die Sekundärwicklung des Übertragers 711 und die Primärwicklung des weiteren Übertragers 719 angeschlossen ist. Um die Potentiale an der Basis der Transistoren anzugleichen, kann ein Spannungsteiler mit Widerständen 713, 714 vorgesehen werden.
Es sind auch weitere Schaltungsanordnungen möglich, wobei insbesondere eine Voll-Brücken- oder Halb-Brücken-Schaltungsanordnung, eine Sperrwandler-Schaltungsanordnung, eine Flusswandler-Schaltungsanordnung, eine Zero-Voltage-Switching-Schaltungsanordnung, eine Zero-Current-Switching-Schaltungsanordnung, eine Resonanz-Wandler-Schaltungsanordnung, eine Quasi-Resonanz-Wandler-Schaltungsanordnung oder eine SEPIC-Wandler-Schaltungsanordnung verwendbar sind. Dabei sollte die Schaltungsanordnung, beziehungsweise die Treiberschaltung so ausgebildet sein, dass die Pulsenergien einzelner Pulse individuell einstellbar, beziehungsweise durch die Steuer- und/oder Regelschaltung 75 regelbar sind.
Einer der Übertrager 711, 719 kann dabei gleichzeitig auch als das als elektrische Spule wirkende, von mindestens einem Ferritwerkstoff umgebene und/oder den Ferritwerkstoff enthaltende Bauelement 11 dienen. Vorzugsweise ist das Bauelement 11 nahe bei den Elektroden 9 angeordnet. Folglich ist bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel der Übertrager 719 als Bauelement 11 ausgebildet. 5 zeigt genauer, wie mit Hilfe eines solchen Bauelements 11 die Energieübertragung kontrolliert werden kann.
Der Übertrager 719, beziehungsweise das Bauelement 11 umfasst eine Primärwicklung 110 und eine Sekundärwicklung 111, welche um einen Ringkern 113 aus Ferritmaterial gewickelt sind. Die Sekundärwicklung wird mit den Elektroden 9 verbunden, an den Anschlüssen der Primärseite werden die zu übertragenden Strompulse zugeführt.
Im Speziellen weist der Ringkern 113 einen ersten Abschnitt mit einem ersten Ferritmaterial 131 und einen zweiten Abschnitt mit einem zweiten Ferritmaterial 132 auf. Anders als in 4 gezeigt, kann der Ringkern 113 auch einen Luftspalt aufweisen. Die Ferritmaterialien 131, 132 zeichnen sich durch unterschiedliche frequenzabhängige Permeabilitäten, damit einhergehend in der Regel auch unterschiedlich hohe Sättigungsmagnetisierungen auf. Insbesondere ist auch die Temperaturabhängigkeit der beiden Ferritmaterialien unterschiedlich und so gewählt, dass die Induktivität ein relatives Minimum aufweist, wobei die Induktivität an diesem Minimum aber noch höher ist als bei Überschreitung der Curie-Temperatur beider Ferritmaterialien. Weiterhin werden die Ferritmaterialien vorzugsweise so ausgewählt, dass dieses Minimum im Bereich der Arbeitstemperatur des Bauelements 11 liegt. Dies wird weiter unten noch genauer anhand von 9 erläutert.
Weiterhin kann zumindest ein weiteres als elektrische Spule wirkendes Bauelement vorgesehen sein, mit welchem die Sättigung der verwendeten Ferritmaterialien zur Regelung der übertragenen Energiemenge geregelt werden kann. Im Speziellen ist dazu um den Ringkern 113 eine weitere Spule, die Steuerspule 112 gewickelt. Diese kann als steuerbares Element mit der Steuer- und/oder Regelschaltung 75 verbunden sein. Eine solche Verbindung zum Bauelement 11 ist auch in den Ausführungsbeispielen der 1 und 2 angedeutet.
Um die Sättigung der Ferritmaterialien 131, 132 zur Regelung der Energieübertragung beeinflussen zu können, kann nun über die Steuerspule 112 ein durch Einstellung der Stromstärke in seiner Feldstärke einstellbares Magnetfeld erzeugt werden. Mit dem eingestellten Magnetfeld wird durch die erzielte Sättigung die Anzahl der pro Puls jeweils benötigten Spin-Flip-Vorgänge beeinflusst.
Eine derartige Beeinflussung kann auch direkt über das Eingangssignal an der Primärwicklung 110 erfolgen. Dazu werden die primärseitigen Spannungs- oder Strompulse pulsweitenmoduliert. Ein solches pulsweitenmoduliertes Eingangsignal 750, wie es an die Primärwicklung 110 angelegt werden kann, ist in 6 dargestellt. Diese Ausführungsform der Erfindung kann mit der Ausführungsform mit einem Übertrager mit zusätzlicher Steuerspule 112 kombiniert oder auch ohne eine solche Steuerspule realisiert werden. Die Steuerung der Pulslänge der einzelnen Pulse 751 erfolgt durch die Steuer- und/oder Regelschaltung 75. Auch auf diese Weise kann die Anzahl der magnetischen Bereiche, die durch Spin-Flip im Ferritmaterial ummagnetisierbar sind, durch die magnetische Sättigung des oder der Ferritwerkstoffe für jeden Puls 751 gesondert beeinflusst werden.
Die Pulslänge der Pulse 751 und damit die Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen wird insbesondere von der Steuer- und/oder Regelschaltung 75 in Abhängigkeit vom Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung des rückgekoppelten Signals eingestellt. Mit der eingestellten Pulsweite kann nun umgekehrt der Phasenwinkel des nächsten rückgekoppelten Signals eingestellt werden.
Der Phasenwinkel zwischen dem durch die Gegen-EMK verursachten Strom- und Spannungssignal wird insbesondere durch die Lage der Anregungsfrequenz relativ zur Resonanzfrequenz des plasmagefüllten Gefäßes beeinflusst. Dies wird im Folgenden genauer anhand des in 7 gezeigten Diagramms erläutert.
7 zeigt schematisch die Lichtleistung I, beziehungsweise Lichtintensität der Leuchte 1 als Funktion der Ansteuerfrequenz, beziehungsweise der Frequenz der Pulse an den Elektroden 9.
Die Anregung zeigt bei einer Frequenz f₀ eine Resonanz. Diese Frequenz wird insbesondere auch durch die Plasmafrequenz des im Gefäß 3 erzeugten Plasmas beeinflusst. Es ist ersichtlich, dass die Effizienz der Lichterzeugung im Bereich der Resonanz besonders hoch ist. Gerade dies wird von der Erfindung ausgenutzt. Es ist dabei nicht zwangsläufig vorgesehen, dass die Lichtemission genau auf das Maximum eingeregelt wird. Vielmehr kann die Anregungsfrequenz auch zur Erzielung bestimmter Beleuchtungseigenschaften gezielt im Bereich um das Maximum herum gelegt werden. So können beispielsweise verschiedene lichterzeugende Spezies im Gefäß 3 vorhanden sein, die je nach Anregungsfrequenz unterschiedliche spektrale Emission aufweisen. So kann die Anregungsfrequenz mit der Plasmafrequenz angeregter Exciplexe und/oder Excimere zusammenwirken und deren Emissionsspektren beeinflussen.
Dies kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung dazu ausgenutzt werden, sowohl die Lichtintensität, als auch die Farbverteilung einzustellen. Die Erfindung macht sich nun den Effekt zunutze, dass beim Durchgang der Anregungsfrequenz durch das Maximum bei der Frequenz f₀ die Phasenverschiebung zwischen Strom- und Spannungssignal der vom Plasma induzierten Gegen-EMK ändert. Idealerweise beträgt die Phasenverschiebung bei der Frequenz f₀ gerade 90°. Die idealisierte Phasenverschiebung f ist in 8 als Funktion der Anregungsfrequenz dargestellt.
Um die Emission nun auf einen bestimmten Punkt im Bereich um oder auf der Resonanz einzuregeln, wird demgemäß die Phasenverschiebung des rückgekoppelten Signals gemessen und mittels der Steuer- und/oder Regelschaltung 75 durch Veränderung von Pulsparametern die Emission auf diesen Punkt eingeregelt.
Durch die starke Leistungsaufnahme des Plasmas im Bereich der Resonanz wirkt hier insbesondere auch das Bauteil 11 selbstregulierend, da durch auftretende Sättigung im ferromagnetischen Material die Pulsenergie begrenzt wird.
Insbesondere kann auch die Pulsenergie selbst zur Einstellung auf einen bestimmten Punkt im Bereich der Resonanzkurve verwendet werden. Die Plasmafrequenz hängt maßgeblich von der Anzahl freier Ladungsträger und damit vom Ionisierungsgrad im Plasma ab. Da die Pulsenergie die Ionisierung des Gases beeinflusst, kann durch Regelung der Pulsenergie die Resonanzfrequenz des Plasmas im Gefäß 3 eingestellt werden. Demgemäß kann bei gegebener Anregungsfrequenz ein bestimmter Punkt auf der Resonanzkurve mit einer bestimmten Phasenverschiebung eingeregelt werden.
In Bezug auf das in 6 gezeigte Beispiel und die in 8 gezeigte Phasenverschiebung bedeutet dies, dass bei einer von der Messeinrichtung 73 ermittelten, gegenüber dem Arbeitspunkt auf der in 8 gezeigten Kurve zu geringe Phasenverschiebung die Pulslänge verkürzt und/oder die Pulsenergie erniedrigt wird. Damit sinkt die Plasmafrequenz, so dass sich die in 8 gezeigte Kurve nach links, beziehungsweise die Frequenz f₀ zu niedrigeren Werten verschiebt.
Demgemäß steigt bei gegebener Anregungsfrequenz die Phasenverschiebung an. Folglich wird in Abhängigkeit von dem Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung des rückgekoppelten Signals die bei einem nächsten Puls eingekoppelte Energie oder die bei mehreren nächsten Pulsen eingekoppelte Energie bemessen, eingestellt oder geregelt.
9 zeigt ein schematisches Diagramm der Temperaturabhängigkeit der Induktivität eines erfindungsgemäßen, als Spule wirkenden Bauteils 11. Die verschiedenen Ferritmaterialien sind so kombiniert, dass die Induktivität des Bauteils mit steigender Temperatur ansteigt, dann abfällt, ein lokales Minimum durchläuft und mit weiter steigender Temperatur wieder ansteigt. Dies kann, wie auch bei dem in 9 gezeigten Beispiel insbesondere auch mehrmals geschehen, so dass mehrere lokale Minima vorliegen. Die Induktivität bricht bei noch höheren Temperaturen (nicht dargestellt) schließlich zusammen, nämlich dann wenn die Curie-Temperaturen beider, beziehungsweise aller Materialien überschritten werden. In diesem Fall wird dann ein absolutes Minimum erreicht.
Insbesondere kann durch die Verwendung unterschiedlicher Ferritmaterialien die Lage des oder der lokalen Minima auf der Temperaturskala eingestellt werden. Ein Minimum kann insbesondere in den Bereich einer Arbeitstemperatur T_A1 gelegt werden. Diese Arbeitstemperatur ergibt sich aufgrund der vorgesehenen mittleren übertragenen Leistung und der damit einhergehenden Verlustleistung im Bauteil 11. Das Minimum muss selbstverständlich nicht genau im Bereich der vorgesehenen Arbeitstemperatur liegen, vielmehr sind gewisse Abweichungen, etwa 30°C bis 50°C ober- oder unterhalb der Temperatur mit der minimalen Induktivität tolerabel. Bei dem in 9 gezeigten Beispiel ergeben sich zwei Minima mit entsprechend zwei unterschiedlichen Arbeitstemperaturen T_A1 und T_A2.
Ein derartiger, wie schematisch in 9 dargestellter Verlauf der Induktivität wirkt selbstregelnd auf die Energieübertragung mittels des Bauteils 11. Wird mehr Leistung übertragen als vorgesehen, steigt entsprechend auch die Verlustleistung im Bauteil 11 an, was wiederum zu einem Temperaturanstieg führt. Damit wird das Minimum durchschritten und die steigende Induktivität führt zu einer steigenden Selbstinduktion des Bauteils, was den Stromfluss begrenzt.
In Ausgestaltung der Erfindung ist daher allgemein, ohne Beschränkung auf die speziellen Ausführungsbeispiele, eine Leuchte vorgesehen, bei welcher das als Spule wirkende Bauteil ein lokales oder relatives Minimum der Temperaturabhängigkeit der Induktivität aufweist, wobei die Induktivität an diesem Minimum aber noch höher ist als bei Überschreitung der Curie-Temperatur aller Ferritmaterialien des Bauteils 11. Für die oben beschriebene Selbstregelung ist es dabei noch besonders vorteilhaft, wenn die Ferritmaterialien thermisch gekoppelt sind, so dass sich ein möglichst schneller Temperaturausgleich ergibt. Eine Möglichkeit der thermischen Kopplung ist neben der Kopplung an den Verbindungsstellen der Ferritmaterialien eine Kopplung über ein thermisch leitfähiges Material, wie etwa ein thermisch leitfähiges Fluid oder ein Verguss, in welchem die Ferritmaterialien eingebettet sind.
Ein lokales Minimum kann insbesondere auch dadurch erzeugt werden, indem die Curie-Temperatur eines der Ferrit-Materialien überschritten wird. Der magnetische Fluss wird dann nur noch durch das oder die weiteren Ferritmaterialien geleitet. Es lassen sich durch Kombination von mehr als zwei Ferritmaterialien mit unterschiedlichen Curie-Temperaturen so leicht zwei und mehr lokale Minima der Induktivität mit einem oder mehreren dazwischenliegenden lokalen Maxima erzeugen. Die Anordnung der Ferritmaterialien wird dabei insbesondere so gewählt, dass der magnetische Fluss, beziehungsweise die Induktivität des Bauelements bei Überschreiten der niedrigeren Curie-Temperaturen nicht vollständig zusammenbricht, so dass das Bauelement weiter als Energieübertrager arbeiten kann. 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines als Übertrager ausgebildeten Bauteils 11. Ähnlich zu dem in 5 gezeigten Beispiel sind eine Primärwicklung 110 und eine Sekundärwicklung 111 vorgesehen. Ebenso kann noch eine Steuerspule 112, wie bei dem in 5 gezeigten Beispiel vorhanden sein. Die Wicklungen 110, 111 umgeben einen stabförmigen Abschnitt 133. Dieser umfasst oder besteht aus einem ersten Ferritmaterial 131. An die Enden des stabförmigen Abschnitts 133 schließen die Schenkel eines u-förmigen Abschnitts 134 aus einem zweiten Ferritmaterial 132 an, so dass die beiden Abschnitte 133, 134 magnetisch gekoppelt sind. Das erste Ferritmaterial 131 ist so ausgelegt, dass die Anregungs- beziehungsweise Pulsfrequenz vorzugsweise im Bereich von μsec bis msec, vorzugsweise von zwei- bis dreistelligen μsec liegen. Bevorzugte Anregungsfrequenzen liegen insbesondere im Bereich 80–240 kHz. Gemäß einem Ausführungsbeispiel liegt die Pulsfrequenz im Speziellen bei etwa 100 kHz.
Das zweite Ferritmaterial 132 ist nun für wesentlich höhere Frequenzen ausgelegt, nämlich die Frequenz(en) der Resonanzen im Plasma, beispielsweise der Plasmafrequenz angeregter Excimere und/oder Exciplexe. Typischerweise ist dabei die Anfangspermeabilität zur Übertragung solcher Frequenzen geeigneter Ferrite vergleichsweise klein. Daher ist, ohne Beschränkung auf das spezielle in 10 gezeigte Beispiel die Sättigungsmagnetisierung eines zweiten Ferritmaterials des Bauelements 11 kleiner als die des ersten Bauelements. Dafür ist die höhere Permeabilität des zweiten Ferritmaterials bei hohen Frequenzen dazu geeignet, das Signal der Gegen-EMK durch den Übertrager hindurch auf die Primärseite zu übertragen, so dass auf der Primärseite mittels der Einrichtung 73 der Phasenwinkel des Signals der Gegen-EMK gemessen und mittels der Steuer- und/oder Regelschaltung 75 dann die Pulsenergie entsprechend eingestellt werden kann. Demgemäß ist das zumindest teilweise von mindestens einem Ferritwerkstoff 13, 131, 132 umgebene, als zumindest eine elektrische Spule wirkende Bauelement 11 in der Lage, über die Elektroden 9 die Energie nicht nur kapazitiv und/oder induktiv und oder resistiv in das die emittierende Spezies 5 aufnehmende Gefäß 3 einzukoppeln, sondern auch gleichzeitig die für eine Regelung verwendeten Signale der Gegen-EMK aus dem die emitierende Spezies 5 aufnehmenden Gefäß 3 zurückzuführen.
Weiterhin ist das zweite Ferritmaterial 132 damit auch in der Lage, die Energie der Gegen-EMK zwischenzuspeichern und über Induktion wieder in das Gefäß zurückzukoppeln.
Noch ein weiterer Vorteil einer solchen Materialkombination ist, dass das zweite Ferritmaterial 132 schneller in Sättigung geht. Obwohl dies scheinbar zunächst nachteilig erscheint, um hohe Leistungen zu übertragen, ist auch dies günstig, um eine Selbstregelung bei der Übertragung der Pulsenergie zu realisieren. Die Selbstregelung wird dabei über eine Selbstabschnürung erreicht, indem das Ferritmaterial in Sättigung geht. Mit anderen Worten wird mittels des Bauteils 11 eine selbst-regulierende-Schaltungsanordnung realisiert, bei welcher die Ansteuerung mittels inverser Übertragungsfunktion des und/oder der verwendeten Ferritwerkstoffe Richtung Last durch Selbstabschnürung bei zu hohen Energiemengen und Selbstverstärkung bei zu geringen Energie-Mengen des Energieflusses pro Übertragungs-Takt erfolgt. Die Selbstverstärkung erfolgt dabei insbesondere durch die Zwischenspeicherung der Energie der Gegen-EMK.
Bei der in 10 gezeigten Anordnung ist es günstig, wenn die Curie-Temperatur des Ferritmaterials 131 höher ist als die Curie-Temperatur des Ferritmaterials 132. Damit kann ein lokales Minimum der Induktivität des Übertragers beim Überschreiten der Curie-Temperatur des Ferritmaterials 132 erzielt werden, ohne dass es zu einem vollständigen Zusammenbruch des magnetischen Flusses kommt, denn das Ferritmaterial 131, welches von den Spulen umgeben ist, bleibt dann nach wie vor im ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Zustand. Würde umgekehrt mit steigender Temperatur zuerst die Curie-Temperatur des Ferritmaterials 131 überschritten, könnte auch das zweite Ferritmaterial 132 kein Feld mehr leiten, da der magnetische Fluss nicht mehr durch das erste Ferritmaterial 131 zu den Schenkeln des u-förmigen Elements aus dem zweiten Ferritmaterial 132 geleitet wird. Dies würde daher nicht zu einem lokalen Minimum führen, bei welchem die Induktivität aber noch höher ist als bei Überschreitung aller Curie-Temperaturen, sondern zu einem ähnlich niedrigen Niveau der Induktivität, was faktisch einer Abschaltung der Übertragungseffektivität gleichkommt.
Bezugszeichenliste

1: Lichtquelle
3: Gefäß
5: emittierende Spezies
7: Einrichtung zur Anregung der emittierenden Spezies
9: Elektrode
11: als elektrische Spule wirkendes Bauelement
13, 131, 132: Ferrit-Material
133: stabförmiger Abschnitt
134: u-förmiger Abschnitt
15: elektrische Verbindung zwischen 11 und 75.
71: Treiberschaltung
73: Messeinrichtung für Phasenwinkel
75: Steuer- und/oder Regelschaltung
77: Eingangsleitung für Spannungsversorgung
110: Primärwicklung
111: Sekundärwicklung
112: Steuerwicklung
113: Ringkern
710: Eingangsleitungen von 71
711, 719: Übertrager
712: Spannungsquelle
731: Spannungswandler
732: Stromwandler
713, 714, 730, 731, 734, 737: Widerstand
733, 736: Induktivität
735, 738: Kapazität
739, 740: Komparator
741: Timer
750: pulsweitenmoduliertes Eingangssignal
751: Puls

Claims

Lichtquelle (1) mit einem zumindest eine emittierende Spezies (5) aufnehmenden Gefäß (3) und einer Einrichtung (7) zur Anregung der emittierenden Spezies, bei welcher mittels der Einrichtung (7) zur Anregung der emittierenden Spezies (5) Energie in das die emittierende Spezies (5) aufnehmende Gefäß (7) eingebracht wird, durch welche zumindest ein Teil der emittierenden Spezies (5) angeregt und Licht abgegeben wird, bei welcher mittels mindestens einem von mindestens einem Ferritwerkstoff (13, 131, 132) umgebenen und/oder mindestens einen Ferritwerkstoff (13, 131, 132) enthaltenden, als elektrische Spule wirkenden Bauelement (11) elektromagnetische Energie in das die emittierende Spezies (5) aufnehmende Gefäß (3) eingebracht wird, und bei welcher eine Beeinflussung der Intensität der Emission durch Änderung der magnetischen Sättigung des zumindest einen Ferritwerkstoffs (13, 131, 132) vorgenommen wird.
Lichtquelle (1) gemäß dem vorstehenden Anspruch, wobei das als Spule wirkende Bauelement zumindest zwei unterschiedliche Ferritmaterialien (13, 131, 132) aufweist, die eine unterschiedliche Temperaturabhängigkeit und/oder eine unterschiedliche Frequenzabhängigkeit der Permeabilität aufweisen.
Lichtquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messeinrichtung (73) vorgesehen ist, die für eine Messung des Phasenwinkels zwischen Strom und Spannung des rückgekoppelten Signals, insbesondere des durch Influenz rückgekoppelten Signals, welches durch die Gegen-EMK der emittierenden Spezies (5) erzeugt wird, vorgesehen ist.
Lichtquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuer- und/oder Regelschaltung (75) vorgesehen ist, welche eingerichtet ist, in Abhängigkeit von dem Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung des rückgekoppelten Signals die bei einem nächsten Puls (751) eingekoppelte Energie oder die bei mehreren nächsten Pulsen (751) eingekoppelte Energie zu bemessen, einzustellen oder zu regeln.
Lichtquelle nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das als Spule wirkende Bauteil (11) ein lokales Minimum der Temperaturabhängigkeit der Induktivität aufweist, wobei die Induktivität an diesem Minimum aber noch höher ist als bei Überschreitung der Curie-Temperatur aller Ferritmaterialien des Bauteils.
Lichtquelle nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die aufeinanderfolgenden Pulse (751) zeitlich diskontinuierlich erzeugt werden und insbesondere die zeitliche Aufeinanderfolge der Pulse (751), insbesondere die Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen (751), in Abhängigkeit von dem Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung des rückgekoppelten Signals eingestellt wird.
Lichtquelle nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die aufeinanderfolgenden Pulse (751) zeitlich diskontinuierlich erzeugt werden und insbesondere die zeitliche Aufeinanderfolge der Pulse (751), insbesondere die des oder der nachfolgenden Pulse, in Abhängigkeit von dem Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung des rückgekoppelten Signals eingestellt wird.
Lichtquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest teilweise von mindestens einem Ferritwerkstoff (13, 131, 132) umgebene, als zumindest eine elektrische Spule wirkende Bauelement (11) an Elektroden (9) angeschlossen oder über eine Zuleitung mit Elektroden (9) verbunden ist, die an oder in dem Gefäß (3) angeordnet sind, und die Energie nicht nur kapazitiv und/oder induktiv und/oder resistiv in das die emittierende Spezies (5) aufnehmende Gefäß (3) einkoppelt sondern auch gleichzeitig die für eine Regelung notwendigen Signale der Gegen-EMK aus dem die emittierende Spezies (5) aufnehmenden Gefäß (3) zurückführt.
Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest teilweise von mindestens einem Ferritwerkstoff (13, 131, 132) umgebene als zumindest eine elektrische Spule wirkende Bauelement (11) an Elektroden (9) nicht direkt angeschlossen und/oder nicht über eine körperliche Zuleitung mit Elektroden verbunden ist, die an oder in dem Gefäß angeordnet sind, und die Energie nicht nur mittels Influenz in das die emittierende Spezies (5) aufnehmende Gefäß (3) einkoppelt, sondern auch gleichzeitig die für eine Regelung notwendige Signale der Gegen-EMK auf gleichem Wege aus dem die emittierende Spezies (5) aufnehmenden Gefäß (3) zurückführt.
Lichtquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der und/oder die verwendeten Ferritwerkstoffe (13, 131, 132) magnetische Bereiche umfasst, die durch Spin-Flip-Vorgänge ummagnetisierbar sind, wobei die Anzahl der magnetischen Bereiche, die durch Spin-Flip ummagnetisierbar sind, durch die magnetische Sättigung des oder der Ferritwerkstoffe (13, 131, 132) für jeden Puls (751) gesondert beeinflusst wird.
Lichtquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ferritwerkstoff (13, 131, 132) eine Sinterkeramik umfasst.
Lichtquelle nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterkeramik zumindest ein Element aus der Gruppe Metalloxide umfasst, die sich im einfachsten Falle als Mischmetalloxid mit und/oder ohne zusätzlicher Dotierung von Si und/oder Ge und/oder Sb und/oder Te und/oder B und/oder Se, beschreiben lässt, welche beispielsweise aber nicht ausschließlich Mn und/oder Zn und/oder Ni und/oder V und/oder Ti und/oder Sn und/oder Pb und/oder Ca und/oder Si und/oder Co und/oder Sc und/oder Cr und/oder Cu und/oder Mg und/oder Li und/oder Fe und/oder Ba und/oder Sr und/oder Si und/oder Ge und/oder Zr und/oder Y und/oder W und/oder Nb und/oder Mo enthält.
Lichtquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Sättigung des Ferriten durch ein weiteres, am und/oder im Ferritwerkstoff (13, 131, 132) angeordnetes Element, welches als zumindest eine elektrische Spule (112) wirken kann, beeinflusst wird.
Lichtquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das als Spule wirkende Bauelement (11) einen ersten, im Wesentlichen stabförmigen Abschnitt und einen zweiten, im Wesentlichen u-förmigen Abschnitt aufweist, wobei der stabförmige Abschnitt ein erstes Ferritmaterial (131) mit einer ersten Sättigungsmagnetisierung und der u-förmige Abschnitt ein zweites Ferritmaterial (132) mit einer niedrigeren Sättigungsfeldstärke aufweist, und wobei den stabförmigen Abschnitt zumindest eine Spule umgibt, und wobei der u-förmige Abschnitt mit den Enden des stabförmigen Abschnitts magnetisch gekoppelt ist.
Lichtquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein weiteres als elektrische Spule wirkendes Bauelement (11) mit einer Pulsweitenmodulation angesteuert ist, wobei durch die jeweilige individuelle übertragene Energiemenge pro Puls (751) die Anzahl der jeweils benötigten Spin-Flip-Vorgänge in dem oder den Ferritwerkstoffen (13, 131, 132) für jeden einzelnen Takt beeinflussbar ist.
Lichtquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung zumindest eine der folgenden Schaltungsanordnungen umfasst: – eine Push-Pull-Schaltungsanordnung, – eine Halb-Brücken-Schaltungsanordnung, – eine Voll-Brücken-Schaltungsanordnung, – eine Sperrwandler-Schaltungsanordnung, – eine Flusswandler-Schaltungsanordnung, – eine Zero-Voltage-Switching-Schaltungsanordnung, – eine Zero-Current-Switching-Schaltungsanordnung, – eine Resonanz-Wandler-Schaltungsanordnung, – eine Quasi-Resonanz-Wandler-Schaltungsanordnung, – eine SEPIC-Wandler-Schaltungsanordnung.
Lichtquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung des mittels inverser Übertragungsfunktion des und/oder der verwendeten Ferritwerkstoffe (13, 131, 132) aufgebauten als zumindest eine elektrische Spule wirkenden Energie-Übertragungs-Bauteils (11) relativ zur Energieabgabe Richtung Last durch Selbstabschnürung bei zu hohen Energiemengen und Selbstverstärkung bei zu geringen Energie-Mengen des Energieflusses pro Übertragungs-Takt als eine selbstregulierende-Schaltungsanordnung vorgenommen ist.
Lichtquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine emittierende Spezies (5) Exciplexe umfasst.
Lichtquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine emittierende Spezies (5) Excimere umfasst.
Lichtquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine emittierende Spezies (5) im plasmatischen Zustand (Aggregatzustand 4) vorliegt.
Lichtquelle nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Exciplexe zumindest eine Spezies umfassen, die aus der Gruppe ausgewählt ist, welche Metalle und/oder He und/oder Ar und/oder Kr und/oder Ne und/oder Xe und/oder N und/oder O und/oder H und/oder C und/oder Halogene umfasst.
Lichtquelle nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Materieteilchen im plasmatischen Zustand (Aggregatzustand 4) zumindest eine Spezies umfassen, die aus der Gruppe ausgewählt ist, welche Metalle und/oder He und/oder Ar und/oder Kr und/oder Ne und/oder Xe und/oder N und/oder O und/oder H und/oder C und/oder Halogene umfasst.
Lichtquelle nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen und/oder magnetisierbaren Bereiche des oder der Ferritwerkstoffe (13, 131, 132) mit der Plasmafrequenz der angeregten Exciplexe zusammenwirken und deren Emissionsspektren beeinflussen.
Lichtquelle nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen und/oder magnetisierbaren Bereiche des oder der Ferritwerkstoffe (13, 131, 132) mit der Plasmafrequenz der angeregten im plasmatischen Zustand (Aggregatzustand 4) befindlichen Materieteilchen zusammenwirken und deren Emissionsspektren beeinflussen.
Lichtquelle nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmafrequenz der angeregten Exciplexe sich typischerweise, aber nicht ausschließlich im Terahertz-Bereich bewegt und die Haupt-Wiederhol-Zeiten, mittels welcher durch vorgegebene dezidierte elektromagnetische Energiepakete Spin-Flip-Vorgänge in den beteiligten Ferritwerkstoffen (13, 131, 132) angeregt werden, in einem Bereich von μsec bis msec, vorzugsweise von zwei- bis dreistelligen μsec liegen.
Lichtquelle nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmafrequenz der angeregten Excimere sich typischerweise, aber nicht ausschließlich im Terahertz-Bereich bewegt und die Haupt-Wiederhol-Zeiten, mittels welcher durch vorgegebene dezidierte elektromagnetische Energiepakete Spin-Flip-Vorgänge in den beteiligten Ferritwerkstoffen (13, 131, 132) angeregt werden, in einem Bereich von μsec bis msec, vorzugsweise von zwei- bis dreistelligen μsec liegen.
Lichtquelle nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmafrequenz der angeregten im plasmatischen Zustand (Aggregatzustand 4) befindlichen Materieteilchen sich typischerweise, aber nicht ausschließlich im Terahertz-Bereich bewegt und die Haupt-Wiederhol-Zeiten, mittels welcher durch vorgegebene dezidierte elektromagnetische Energiepakete Spin-Flip-Vorgänge in den beteiligten Ferritwerkstoffen (13, 131, 132) angeregt werden, in einem Bereich von μsec bis msec, vorzugsweise von zwei- bis dreistelligen μsec liegen.
Lichtquelle nach einem der Ansprüche 20, 22, 24 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überführung zumindest einer Spezies in den plasmatischen Zustand in dem Gefäß (3) Drucke im Bereich von einstelligen mbar bis ca 5000 mbar bestehen.
Lichtquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäß (3) ein Glasgefäß ist, welches zumindest bereichsweise transparente Abschnitte aufweist.