DE2748347A1

DE2748347A1 - Solid state microwave power source for electrodeless light source - has impedance matching section with transmission line to match impedance during warm up and running of lamp avoiding excessive voltage

Info

Publication number: DE2748347A1
Application number: DE19772748347
Authority: DE
Inventors: Paul O Haugsjaa; Neill William H Mc; Robert J Regan
Original assignee: GTE Laboratories Inc
Current assignee: Verizon Laboratories Inc
Priority date: 1977-10-28
Filing date: 1977-10-28
Publication date: 1979-05-03

Abstract

The microwave power source includes a DC power source providing power at variable levels, and a microwave oscillator producing a microwave signal, to a microwave power amplifier. The oscillator has a transistor in a common base configuration, a microstrip capacitive feedback element to sustain oscillations, and an output impedance matching arrangement formed from microstrip. The microwave signal is amplified in a solid state power amplifier. An impedance matching section includes a length of transmission line which transforms the input impedance of the fixture to a level at the collector of the power transistor in the amplifier so as to maximize the power delivered to the lamp at reduced power levels while maintaining the collector voltage within a safe limit.

Description

Kurzfassung:Short version:

Eine Mikrowellen-Festkörper-Spannungsquelle zur Erzeugung einer Mikrowellenspannung zur Anregung einer elektrodenlosen Lampe ist so ausgelegt, daß sie während der Anlaufphase der Lampe, während der die Impedanz der Lampe hoch ist, eine hinreichend angepaßte Impedanzcharakteristik besitzt, und daß sich die Impedanzcharakteristik mit der Temperatur verändert, um der Lampe genügend Leistung während des Betriebszustandes zuzuführen, wenn die Impedanz der Lampe an die der Spannungsquelle angepaßt ist.A microwave solid-state voltage source for generating a microwave voltage to excite an electrodeless lamp is designed so that it is during the start-up phase of the lamp during which the impedance of the lamp is high, a sufficiently matched one Has impedance characteristic, and that the impedance characteristic with the Temperature changed to give the lamp enough power during operation to be supplied when the impedance of the lamp is matched to that of the voltage source.

Die Mikrowellen-Spannungsquelle umfaßt eine Gleichstromquelle zur Erzeugung veränderlicher Spannungshöhen, einen Mikrowellen-Oszillator, welcher die Gleichstrom-Spannung zur Erzeugung eines Mikrowellensignales empfängt, und einen Mikrowellen-Leistungsverstärker. Der Oszillator besitzt einen Transistor in einer Basisschaltungsanordnung, ein kapazitives Mikrostrip-Rückkopplungselement, um Oszillationen aufrecht zu erhalten, und eine Ausgangsimpedanz-Anpassungsanordnung, die durch Mikrostrips gebildet wird.The microwave voltage source comprises a direct current source for Generation of variable voltage levels, a microwave oscillator, which the Receives direct current voltage for generating a microwave signal, and one Microwave power amplifier. The oscillator has a transistor in one Basic circuitry, a capacitive microstrip feedback element, to avoid oscillations and an output impedance matching arrangement through microstrips is formed.

Das Mikrowellensignal wird in dem Festkörper-Leistungsverstärker verstärkt, dieser Verstärker besitzt einen Leistungstransistor in Basisschaltungsanordnung. Ein Impedanzanpassungsteil zwischen dem Verstärker und dem Eingang eines Abschlußbeleuchtungskörpers für die Lampe umfaßt einen Abschnitt einer Übertragungsleitung, welche die EiqFngsimpedanz des Beleuchtungskörpers auf ein solches Niveau am Kollektor des Leistungstransistors im Verstärker transformiert, so daß die der Lampe zugeführte Leistung bei vermindertem Leistungspegel möglichst groß gehalten wird, während die Kollektorspannung innerhalb sicherer Grenzen gehalten wird.The microwave signal is amplified in the solid-state power amplifier, this amplifier has a power transistor in basic circuit arrangement. An impedance matching part between the amplifier and the input of an end lamp for the lamp includes a portion of a transmission line that defines the input impedance of the lighting fixture to such a level at the collector of the power transistor transformed in the amplifier, so that the power supplied to the lamp at reduced Power level is kept as large as possible while the collector voltage is within more secure boundaries.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektrodenlose, mit Mikrowellen angeregte Lichtquelle und insbesondere auf eine Mikrowellen-Festkörper-Spannungsquelle zur Verwendung mit der Lichtquelle.The present invention relates to an electrodeless, with Microwave excited light source and in particular a microwave solid-state voltage source for use with the light source.

Bei mit Mikrowellen betriebenen elektrodenlosen Lichtquellen, wie sie in der US-Patentschrift 3 943 403 beschrieben sind, ist es notwendig, an die elektrodenlose Lampe eine hinreichende Mikrowellenspannung zu führen, einerseits zum Start der Lampe und andererseits direkt nach der Glimm-Inbetriebnahme, so daß die Lampe die Ubergangsphase vom Glimmen bei geringem Druck zum Lichtbogen bei höherem Druck schnell und sicher durchläuft, was die Festkörperspannungsquelle betrifft, und den vollen endgültigen Betriebszustand erreicht. Die Lastimpedanz an der Mikrowellen-Spannungs quelle direkt nach Beginn des Glimmens ist sehr verschieden von der Lastimpedanz, welche beim endgültigen Betriebszustand der Lampe vorliegt. Im Climmzustand besitzt die Impedanz der Lampe einen sehr großen Realanteil, in der Größenordnung von 1500 ohm. Beim endgültigen Betriebszustand ist die Impedanz der Lampe niedriger, in der Größenordnung von 150 ohm, und effektiv über die Lampenfassung und deren Impedanz-Anpassungsanordnung an die Ausgangsimpedanz der Spannungsquelle angepaßt.In the case of electrodeless light sources operated with microwaves, such as it is described in U.S. Patent 3,943,403 necessary, to lead a sufficient microwave voltage to the electrodeless lamp, on the one hand at the start of the lamp and on the other hand directly after the glow start-up, so that the lamp the transition phase from glowing at low pressure to the arc at higher Pressure passes through quickly and safely as far as the solid-state voltage source is concerned, and reached the full final operating condition. The load impedance at the microwave voltage source immediately after the start of the glow is very different from the load impedance, which is present in the final operating state of the lamp. Has in Climmstatus the impedance of the lamp has a very large real component, on the order of 1500 ohm. In the final operating state, the impedance of the lamp is lower, in the On the order of 150 ohms, and effective across the lamp socket and its impedance matching arrangement matched to the output impedance of the voltage source.

Bei Mikrowellen-Frequenzen führt die Last während des Glimmzustandes zu einem sehr hohen Stehwellenverhältnis (VSWR) auf der Übertragungsleitung zwischen der Mikrowellen-Spannungsquelle und der Last. Hohe Stehwellenverhältnisse verursachen sehr hohe Spannungen am Kollektor des Verstärkungstransistors in einer Mikrowellen-Spannungsquelle, und dieser Zustand kann Versagen verursachen. Da zusätzlich eine Last mit hohem Stehwellenverhältnis dazu führt, daß die in Flußrichtung gerichtete Leistung zurück in die Mikrowellen-Spannungsquelle reflektiert wird, muß die Spannungsquelle diese Leistung als Wärme abgeben. Dies kann zu einer thermischen Uberlastung führen. Der endgültige Betriebszustand hat eine endliche Impedanz, die durch die Lampenparameter bestimmt wird, wie z.B. Lampengeometrie, chemisches Füllmaterial, Betriebsfrequenz, Wandtemperatur und Druck. Da die Arbeitsweise Jeder nicht regulierten Spannungsquelle lastabhängig ist, und da insbesondere eine Festkörper-Mikrowellen-Spannungsquelle extrem lastabhängig ist, ist es notwendig, die Kompatibilität zwischen der Festkörper-Mikrowellen-Spannungsquelle und der Eingangsimpedanz des die Lampe aufnehmenden Beleuchtungskörpers zu verbessern, dazu dient eine sorgfältige Ausbildung der Spannungsquelle.At microwave frequencies, the load leads during the glow state to a very high voltage standing wave ratio (VSWR) on the transmission line between the microwave power source and the load. Cause high standing wave ratios very high voltages at the collector of the amplifying transistor in a microwave voltage source, and this condition can cause failure. Since there is also a load with high Standing wave ratio means that the power directed in the direction of flow returns is reflected in the microwave voltage source, the voltage source must this Dissipate power as heat. This can lead to thermal overload. Of the final operating state has a finite impedance determined by the lamp parameters is determined, such as lamp geometry, chemical filling material, operating frequency, Wall temperature and pressure. As the working principle of any unregulated voltage source is load-dependent, and there in particular a solid-state microwave voltage source is extremely load dependent, it is necessary to ensure compatibility between the solid-state microwave voltage source and to improve the input impedance of the lighting fixture housing the lamp, this is done by carefully designing the voltage source.

Eine Komponente, die Zirkulator genannt wird und in der Leitung zwischen der Mikrowellen-Spannungsquelle und dem Lampengehäuse eingesetzt ist, diente früher dazu, diese Mikrowellen-Spannungsquelle zu schützen. Diese Vorrichtung besitzt ein magnetoaktives Ferritmaterial, welches nicht reziproke Eigenschaften besitzt, so daß es den Leistungsfluß steuert. Der Zirkulator ermöglicht es, die maximale Leistung in Vorwärtsrichtung an die Lampe zu geben, und bei einer Fehlanpassung der Impedanz, beispielsweise wenn die Lampe ausgeschaltet ist oder direkt nach Beginn des Gllmmens, wird die reflektierte Leistung zu einem Abschlußwiderstand umgeleitet und als Hitze abgegeben. Diese Anordnung schützt zwar die Spannungsquelle, Jedoch ist die Anordnung mit dem zugehörigen Abschlußwiderstand aufwendig und teuer und zeigt Leistungsverluste in der Leitung. Die Verwendung dieser Anordnung in einem praktischen elektrodenlosen Lampensystem ist unerwünscht.A component that is called a circulator and is in the line between the microwave power source and the lamp housing was used earlier to protect this microwave power source. This device has a magnetoactive ferrite material, which does not have reciprocal properties, see above that it controls the flow of power. The circulator enables the maximum performance in the forward direction to the lamp, and in the event of a mismatch of the impedance, for example when the lamp is switched off or immediately after the start of the glow, the reflected power is diverted to a terminating resistor and used as heat submitted. Although this arrangement protects the voltage source, the arrangement is with the associated terminating resistor complex and expensive and shows power losses on the line. The use of this arrangement in a practical electrodeless Lamp system is undesirable.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Festkörper-Mikrowellen-Spannungsquelle für elektrodenlose Lichtquellenaufzuzeigen, die in Größe und Aussehen ähnlich einer konventionellen, weißglühenden Lampe hergestellt werden können.The object of the invention is to provide an improved solid-state microwave voltage source for electrodeless light sources that are similar in size and appearance to a conventional, incandescent lamp can be produced.

Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, eine Spannungsquelle aufzuzeigen, die während der Glimmphase der Lampe eine entsprechende Leistung an die Lampe gibt, ohne daß die Spannungsquelle einer starken Fehlanpassung der Impedanz ausgesetzt wird, obwohl während der Glimnrphase der Lampe die Impedanz anfangs sehr hoch ist und sich dann dynamisch ändert.Another object of the invention is to show a voltage source, which gives the lamp a corresponding power during the glow phase of the lamp, without exposing the voltage source to a severe mismatch in impedance although the impedance is initially very high during the glow phase of the lamp and then changes dynamically.

Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, eine Spannungsquelle aufzuzeigen, die nach dem Start und während der Glimmphase einen optimalen Betrieb der Lampe ermöglicht, wobei die maximal verfügbare Leistung an die Lampe geführt wird.In addition, it is the object of the invention to show a voltage source, after the start and during the glow phase an optimal operation of the lamp made possible, with the maximum available power being fed to the lamp.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist eine verbesserte Mikrowellen-Spannungsquelle zur Verwendung mit einer elektro denlosen Lichtquelle vorgesehen. Die Lichtquelle besitzt eine Ausrührung, die eine Mikrowellen-Spannungsquelle und eine elektrodenlose Lampe umfaßt, welche eine lichtdurchlässige Umhüllung und ein leicht flüchtiges Füllmaterial besitzt, welches bei Durchbruch und Anregung Licht emittiert. Weiter ist eine Anschlußbefestigung vorgesehen, die einen Innenleiter und einen Außenleiter besitzt, der um den Innenleiter herum angeordnet ist.In one embodiment of the invention is an improved microwave power source intended for use with an electroless light source. The light source has a version that has a microwave power source and an electrodeless one lamp comprises which a translucent envelope and a volatile filler material possesses, which emits light upon breakdown and excitation. Next is a connection attachment provided, which has an inner conductor and an outer conductor around the inner conductor is arranged around.

Die Leiter besitzen ein erstes an die Spannungsquelle gekoppeltes Ende und ein zweites der Lampe zugeordnetes Ende, so daß die Mikrowellenspannung an der Lampe abschließt, um einen Durchbruch und eine Anregung des Füllmaterials einzuleiten. Die Befestigung besitzt außerdem eine Anordnung zur Anpassung der Impedanz der Lampe im endgültigen Betriebszustand an die Ausgangsimpedanz der Spannungsquelle und eine Vorrichtung zur Starthilfe, wenn an die Lampe zuerst eine Leistung mit vermindertem Niveau gegeben wird. Dementsprechend umfaßt die verbesserte Mikrowellen-Spannungsquelle eine Gleichstrom-Spannungsquelle zur Erzeugung einer Leistung mit veränderlichem Niveau, einen Festkörper-Mikrowellen-Oszillator, der auf die Ausgangsspannung der Gleichstrom-Spannungsquelle anspricht und ein Mikrowellensignal erzeugen, und einen Festkörper-Mikrowellen-Leistungsverstärker, der auf den Ausgang der Gleichstrom-Spannungs quelle anspricht, um das Leistungsniveau des Mikrowellensignals zu verstärken. Der Verstärker umfaßt einen Leistungstransistor, dabei bildet der Kollektorkreis des Verstärkers den Ausgang der Mikrowellen-Spannungsquelle. Eine Impedanzanpassungsanordnung liegt zwischen dem Verstärker und dem ersten Ende der Leiter der Befestigung (Lampenfassung), diese Anpassungsanoranung umfaßt einen Abschnitt einer Ubertragungsleitung, welche bewirkt, daß die Eingangsimpedanz der Befestigung nach dem Einschalten der Lampe, und bevor die Lampe ihren endgültigen Betriebszustand erreicht hat, am Kollektor des Verstärkungstransistors auf einen für die Anordnung verträglichen Wert transformiert wird. Damit ist es möglich, daß auch dann, wenn der Verstärker eine verminderte Leistung aufnimmt, eine hinreichende Leistung an die Lampe gegeben wird, so daß sich die Lampe bis auf den endgültigen Betriebszustand aufwärmt. Diese Impedanzanpassungsanordnung hält die Kollektorspannung während der Zeitspanne, während der eine große Impedanz-Fehlanpassung zwischen der Impedanz des Verstärkerausganges und der Impedanz des Einganges der Befestigung auftritt, auf einem verträglichen Niveau.The conductors have a first one coupled to the voltage source End and a second end associated with the lamp, so that the microwave voltage on the lamp completes to a breakthrough and a stimulation of the filler material initiate. The attachment also has an arrangement for matching the impedance of the lamp in its final operating state to the output impedance of the voltage source and a device for starting assistance when the lamp is first supplied with power is given at a reduced level. Accordingly, the improved microwave power source includes a direct current voltage source for generating a power with variable Level, a solid-state microwave oscillator that operates on the output voltage of the DC voltage source responds and generate a microwave signal, and a Solid-state microwave power amplifier operating on the output of direct current voltage source responds to amplify the power level of the microwave signal. Of the Amplifier comprises a power transistor, the collector circuit of which forms the Amplifier the output of the microwave voltage source. An impedance matching arrangement lies between the amplifier and the first end of the ladder of the attachment (lamp holder), this adaptation arrangement comprises a section of a transmission line which causes the input impedance of the fixture after switching on the lamp, and before the lamp has reached its final operating state, on the collector of the amplification transistor transformed to a value compatible with the arrangement will. This makes it possible that even if the amplifier has a diminished Consumes power, a sufficient power is given to the lamp, so that the lamp warms up to its final operating state. This impedance matching arrangement holds the collector voltage during the period of time when there is a large impedance mismatch between the impedance of the amplifier output and the impedance of the input of the Attachment occurs, at a tolerable level.

Figur 1 ist eine Abbildung der elektrodenlosen Lichtquelle, welche in Form und Größe ähnlich einer weißglühenden Lampe ist.Figure 1 is an illustration of the electrodeless light source which is similar in shape and size to an incandescent lamp.

Figur 2 ist eine Darstellung einer elektrodenlosen Lichtquelle, dabei wird die verbesserte Festkörper-Mikrowellen-Spannungsquelle gemäß der Erfindung gezeigt.Figure 2 is an illustration of an electrodeless light source, included becomes the improved solid-state microwave voltage source according to the invention shown.

Figur 3 ist ein konzentriertes Element, welches äquivalent zu der Mikrowellen-Spannungsquelle ist, wie sie in Figur 2 dargestellt ist.Figure 3 is a lumped element which is equivalent to that of The microwave voltage source is as shown in FIG.

Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wie es in Figur 1 dargestellt ist, ist eine elektrodenlose Lichtquelle vorgesehen, die allgemein durch das Bezugszeichen lObezeichnet ist. Die Lichtquelle 10, wie sie dargestellt ist, gleicht in Form und Größe im wesentlichen einer herkömmlichen weißglühenden Lampe, wie sie beispielsweise von Sylvania Inc. als lOOWatt-Glühbirne der Größe A19 hergestellt wird.In one embodiment of the present invention, as shown in FIG As shown in Figure 1, an electrodeless light source is provided, generally is denoted by the reference numeral 10. The light source 10 as shown is essentially the same in shape and size as a conventional incandescent one Lamp, such as those made by Sylvania Inc. as a lOOWatt lightbulb of the size A19 is manufactured.

Innerhalb des Halsteiles 12 der Lichtquelle 10 ist die verbesserte Mikrowellen-Spannungsquelle angeordnet, diese besitzt einen Schraubsockel 14, der in eine herkömmliche Fassung für eine elektrische Wechselspannung mit 60 Hz paßt, einen Abschnitt 16, der einen Teil der Festkörper-Wechselstrom-Mikrowellen-Spannungsquelle aufnimmt, und einen Wärmeabstrahler 18, um die Hitze abzugeben, die aufgrund unvollkommener Leistungsumwandlung entsteht. Die Spannungsquelle umfaßt einen Wechselstrom/Gleichstrom-Umwandler, welcher auf der Leitung Strom und Spannung gleichrichtet und, falls erwünscht, filtert, und eine Mikrowellen-Spannungsquelle, die vom Ausgang der Cleichstrom-Spannungsquelle getrieben wird. Die Mikrowellenleistung wird über einen Innenleiter 22 eines Abschlußbeleuchtungskörpers 24 vom Ausgang der Mikrowellen-Spannungsquelle direkt an die elektrodenlose Lampe 20 gekoppelt. Die Lampe 20 besitzt eine lichtdurchlässige Umhüllung und ein leicht flüchtiges FUllmaterial, welches bei Durchbruch und Anregung Licht emittiert. Der Abschlußlichtkörper besitzt einen Außenleiter 26, beispielsweise eine metallische Vermaschung, die einer lichtdurchlässigen Umhüllung zugeordnet ist, welche die Lampe 20 und den Innenleiter 22 umschließt.Within the neck portion 12 of the light source 10 is the improved Arranged microwave voltage source, this has a screw base 14, the fits into a conventional socket for an electrical alternating voltage of 60 Hz, a section 16 which forms part of the solid-state AC microwave power source receives, and a heat radiator 18 to dissipate the heat due to imperfect Performance conversion arises. The voltage source comprises an AC / DC converter, which rectifies current and voltage on the line and, if desired, filters, and a microwave power source derived from the output of the DC power source is driven. The microwave power is supplied via an inner conductor 22 of a final lighting element 24 from the output of the microwave voltage source directly to the electrodeless lamp 20 coupled. The lamp 20 has a transparent envelope and a light volatile filler material, which emits light when it breaks through and when excited. Of the Tail light body has an outer conductor 26, for example a metallic mesh that is assigned to a translucent envelope which encloses the lamp 20 and the inner conductor 22.

Ein Bereich 28 am leistungsgekoppelten Ende der Innen- und Außenleiter nimmt eine Impedanzanpassungsanordnung, beispielsweise eine abstimmbare Kapazität, wie sie genauer in der US-Patentschrift 3 943 403 beschrieben ist, und eine Starthilfe auf, beispielsweise eine Kapazität, welche Resonanzen erzeugt, und/oder eine UV-Lichtquelle, wie sie in der Parallelanmeldung "Automatic Starting System for Solid State Powered Electrodeless Lamps", US-Serial No. 705 323, beschrieben ist. Die Impedanzanpassungsanordnung paßt die Impedanz der Lampe im Betriebszustand an die Ausgangsimpedanz der Spannungsquelle an. Die UV-Quelle unterstützt den Beginn und die Erzeugung des Climmzustandes der Lampe, und der Startkondensator erzeugt im Beleuchtungskörper beim Start und während des Glimmzustandes den Resonanzzustand. Vorzugsweise ist der Raum zwischen den Leitern 22 und 26 zusätzlich evakuiert, wie es genauer in der Patentanmeldung "Electrodeless Light Source with Reduced Heat Losses", US-Serial No. 705 327, beschrieben ist, um Wärmeverluste durch Leitung und Konvektion zu vermindern.An area 28 at the power-coupled end of the inner and outer conductors adopts an impedance matching arrangement, such as a tunable capacitance, as described in more detail in U.S. Patent 3,943,403, and a jump starter on, for example a capacitance that generates resonances and / or a UV light source, as described in the parallel application "Automatic Starting System for Solid State Powered Electrodeless Lamps "U.S. Serial No. 705,323. The impedance matching arrangement adjusts the impedance of the lamp in the operating state to the output impedance of the voltage source at. The UV source supports the beginning and generation of the climatic state of the Lamp, and the starting capacitor generated in the lighting fixture at startup and during the glow state the resonance state. Preferably the space is between the conductors 22 and 26 are also evacuated, as described in more detail in the patent application "Electrodeless Light Source with Reduced Heat Losses ", US-Serial No. 705 327, is described, to reduce heat loss through conduction and convection.

Figur 2 zeigt eine Darstellung der Lichtquelle mit einer verbesserten Festkörper-Mikrowellen-Spannungsquelle 40, die räumlich im Bereich 16 und innerhalb des Wärmeabstrahlers 18 der Figur 1 angeordnet ist. Die Gleichspannungsquelle, die zur Vereinfachung durch die Anschlüsse 42 und 44 dargestellt wird, erzeugt eine Gleichspannungsleistung mit verschiedenen Pegeln. Beim Start ist die Spannung am Punkt 42 absichtlich vermindert, um die Mikrowellen-Spannungsquelle zu schützen, wobei die UV-Lichtquelle in Reihe zwischen die Gleichspannungsquelle und die Mikrowellen-Spannungsquelle geschaltet wird. Zusätzlich kann die Gleichspannungsquelle ein Potentiometer oder eine andere, die Spannung herabsetzende Anordnung umfassen, um einen Abblendregler zu haben, wenn die Lampe 20 im Betriebszustand ist. Ein Festkörper-Oszillator, der allgemein durch das Bezugszeichen 46 bezeichnet ist, spricht auf den Ausgang der Gleichstrom-Spannungsquelle an und erzeugt ein Mikrowellensignal. Der Oszillator 46 umfaßt einen Transistor 47 in Basisschaltungsanordnung und besitzt einen "C"-modifizierten Typ eines Colpitts-Oszillators mit gemeinsamer Basis. Der Emitter des Transistors Q1 ist an einen Kondensator cl gekoppelt, der ein Mikrostrip-Element ist. Der untere Teil des Mikrostrip-Elementes Cl ist an die eine Seite einer Hochfrequenzdrossel (RFC) gekoppelt, deren andere Seite ist an einen Rückführungsleiter 48 gekoppelt.FIG. 2 shows an illustration of the light source with an improved one Solid-state microwave voltage source 40, spatially in the area 16 and within of the heat radiator 18 of Figure 1 is arranged. The DC voltage source that is shown by terminals 42 and 44 for simplicity, generates a DC power at different levels. At the start the voltage is on Point 42 intentionally reduced to protect the microwave power source, wherein the UV light source is in series between the DC voltage source and the microwave voltage source is switched. In addition, the DC voltage source can be a potentiometer or another step-down arrangement to include a dimmer to have when the lamp 20 is in the operating state. A solid state oscillator that generally indicated by the reference numeral 46, speaks to the output of the DC voltage source and generates a microwave signal. The oscillator 46 includes a transistor 47 in basic circuit arrangement and has a "C" modified type of Colpitts common base oscillator. Of the The emitter of the transistor Q1 is coupled to a capacitor cl, which is a microstrip element is. The lower part of the microstrip element Cl is on one side of a high-frequency choke (RFC), the other side of which is coupled to a return conductor 48.

Die Drossel L1 isoliert das Mikrowellensignal gegenüber der Gleichstrom-Spannungsquelle. Die Basis des Transistors Q1 ist an einen getrennten Kondensator C2, einen Widerstand R1 und einen Widerstand R2 gekoppelt. Die anderen Seiten des Kondensators C2 und des Widerstandes R1 sind an den Rückführleiter 48 gekoppelt, welcher mit dem Anschluß 44 verbunden ist. Die andere Seite des Widerstandes R2 ist über einen Leiter 50 an die positive Spannung am Anschluß 42 gekoppelt. Der Kollektor von Q1 ist an einen Kondensator C2 gekopw lt, der aus Mikrostrips geformt ist. Alle Mikrostrip-Elemente sind auf einem Teflon-Glasfiber-Substrat 52 angeordnet. Beim Betrieb erzeugen der Kondensator C1, der mit dem Emitter von Q1 verbunden ist, und die parasitären Kapazitäten des Transistors eine Rückkopplung, um Schwingungen auf der gewUnschten Frequenz aufrecht zu erhalten, die bei dieser AusfUhrungsform bei 915 MHz liegt. Die Mikrostrip-Elemente, die die Kondensatoren C2 und C3 und die Induktivitäten L2 und L3 bilden, bilden den Kollektorausgangskreis des Transistors Q1 mit der geeigneten Lastimpedanz an der Ebene D-D', damit die Spannungsquelle verlustarm und auf dem erforderlichen Ausgangsniveau arbeiten kann. Der Rückkopplungskreis, der Cl und die parasitären Transistorkapazitäten umfaßt, und der Ausgangs-Impedanzkreis, der C2, L2, C3 und L3 umfaßt, sind nicht voneinander unabhängig, damit wird ein optimales Betriebsverhalten teilweise empirisch eingestellt. Eine typische Arbeitsleistung dieses Mikrowellen-Oszillators, der mit einer Last von 50 ohm arbeitet, liegt bei 3 Watt cw (ungedämpfte Welle) bei ungefähr 915 MHz mit Vcc (Spannung zwischen den Anschlüssen 42 und 44) bei 20 Volt Gleichstrom, bzw. bei 7,5 Watt cw (ungedämpfte Welle) bei ungefähr 915 MHz mit Vcc bei 26 Volt Gleichstrom.Der Wirkungsgrad der Umwandlung der Gleichspannung in eine 915 MHz-Spannung liegt in beiden Beispielen nahe bei 50%.The choke L1 isolates the microwave signal from the direct current voltage source. The base of transistor Q1 is connected to a separate capacitor C2, a resistor R1 and a resistor R2 coupled. The other sides of the capacitor C2 and of the resistor R1 are coupled to the return conductor 48, which is connected to the terminal 44 is connected. The other side of the resistor R2 is through a conductor 50 coupled to the positive voltage at terminal 42. The collector of Q1 is on one Capacitor C2 coupled which is formed from microstrips. All microstrip elements are arranged on a Teflon glass fiber substrate 52. When operating the Capacitor C1 connected to the emitter of Q1 and the parasitic capacitances the transistor provides feedback to oscillate at the desired frequency to maintain, which in this embodiment is 915 MHz. The microstrip elements, which form the capacitors C2 and C3 and the inductors L2 and L3 the collector output circuit of transistor Q1 with the appropriate load impedance level D-D 'so that the voltage source is low-loss and at the required level Starting level can work. The feedback loop, the Cl and the parasitic Includes transistor capacitances, and the output impedance circuit, the C2, L2, C3 and L3 are not independent of each other, so that an optimal operating behavior is achieved partly empirically adjusted. A typical performance of this microwave oscillator, working with a load of 50 ohms is 3 watt cw (undamped wave) at approximately 915 MHz with Vcc (voltage between terminals 42 and 44) at 20 Volts direct current, or 7.5 watt cw (undamped wave) at approximately 915 MHz with Vcc at 26 volts DC. The efficiency of converting the DC voltage in a 915 MHz voltage is close to 50% in both examples.

Der Ausgang des Mikrowellen-Oszillators 46 wird an einen Festkörper -Mikrowellen-Leistungsverstärker 60 gegeben, um den Leistungspegel des Mikrowellensignales zu erhöhen. Der Verstärker 60 umfaßt einen Leistungstransistor Q2 in einer Basisschaltung, wobei der Kollektorkreis des Verstärkertransistors den Ausgang der Mikrowellen-Spannungs quelle bildet. Der Eingang des C"-Leistungsverstärkers an der C-C'-Ebene wurde auf 50 ohm eingestellt, dazu wird die Betriebs-Eingangsimpedanz von Q2 durch Verwendung von reaktiven Mikrostrip-Komponenten transformiert. Damit kann die gesamte Ausgangsleistung des Mikrowellen-Oszillators dazu benutzt werden, den Verstärker 60 zu treiben. Die transformierenden Elemente umfassen kapazitive Mikrostrip-Elemente C4 und C5 und ein induktives Mikrostrip-Element L4. Ein die Cleichspannung abblockender Kondensator C6 ist zwischen den Mikrostrip-Elementen L3 und L4 angeschlossen.The output of the microwave oscillator 46 becomes a solid -Microwave power amplifier 60 given to increase the power level of the microwave signal. The amplifier 60 comprises a power transistor Q2 in a base circuit, the collector circuit being the amplifier transistor forms the output of the microwave voltage source. Of the The input of the C "power amplifier at the C-C 'level was set to 50 ohms, this is achieved by the operational input impedance of Q2 by using reactive microstrip components transformed. This allows the entire output power of the microwave oscillator can be used to drive amplifier 60. The transforming elements include capacitive microstrip elements C4 and C5 and an inductive microstrip element L4. A capacitor C6 blocking the DC voltage is between the microstrip elements L3 and L4 connected.

Der Emitter des Transistors Q2 ist an das kapazitive Mikrostrip-Element C5 und an die eine Seite einer Hochfrequenzdrossel L5 angeschlossen, deren andere Seite an die Basis des Transistors Q2 angeschlossen ist. Der Kollektor des Transistors Q2 ist galvanisch an den Anschluß 42 gekoppelt, der die Spannung +Vcc über ein induktives Mikrostrip-Element L6, eine Hochfrequenzdrossel LlO und einen Leiter 50 überträgt, und die Basis des Transistors Q2 ist über den Leiter 48 an den Anschluß 44 gekoppelt. Tatsächlich wird der Leiter 48 durch das Wärmeabstrahlmaterial der Spannungsquelle gebildet.The emitter of transistor Q2 is connected to the capacitive microstrip element C5 and connected to one side of a high-frequency choke L5, the other Side is connected to the base of transistor Q2. The collector of the transistor Q2 is galvanically coupled to terminal 42, which carries the voltage + Vcc via an inductive Microstrip element L6, a high-frequency choke LlO and a conductor 50 transmits, and the base of transistor Q2 is coupled to terminal 44 by conductor 48. In effect, the conductor 48 is made by the heat radiating material of the voltage source educated.

Der Transistor Q2 ist ein speziell ausgebildetes Hochleistungsteil und kann von Power Hybrides, Inc., Torrance, Cal., USA unter der Bestellnummer PHI 8243 bezogen werden. Der Transistor Q2 hat ungefähr die folgenden Werte: Pmax 50 Watt max fo 915 MHz Pvers 7dB Vcc 28 Volt Max. Ubergangszonen- O temperatur 200 C Kollektorwirkungsgrad 60%.The transistor Q2 is a specially designed high power device and can be obtained from Power Hybrides, Inc., Torrance, Cal., USA under the order number PHI 8243 can be obtained. The transistor Q2 has approximately the following values: Pmax 50 Watt max fo 915 MHz Pvers 7dB Vcc 28 Volt Max. Transition zone temperature 200 C Collector efficiency 60%.

Eine typische Arbeitsleistung dieses speziell ausgebildeten Verstärker, der mit einer angepaßten Last arbeitet, liegt bei 40 Watt cw (ungedämpfte Welle) bei ungefähr 915 14Hz bei 26 Volt Cleichstrom und einer Zuführleistung von 7,5 Watt. Der Mikrowellen-Oszillator 46 und der Mikrowellen-Verstärker 60 wurden beide so ausgelegt, daß nur eine Gleichspannungsversorgung benötigt wird, um die Leistungseinschalt- und Betriebswerte für die elektrodenlose Lampe 20 zu steuern. Diese Gleichspannungsquelle muß einen Gleichstrom von 3,5 A aufnehmen können. Der Mikrowellenversorgungsteil der Lichtquelle 10 besitzt einen Wirkungsgrad von ungefähr 50% bei der Umwandlung des Gleichstromes in einen 915 MHz-Strom mit ungedämpfter Welle. Dementsprechend ist die Wärmeableitung 18 dafür ausgebildet, die entstehenden 40 Watt Hitze abzustrahlen,wenn die Lampe im endgültigen Betriebszustand ist.A typical job performance of this specially trained amplifier, who works with an adapted load is included 40 watt cw (undamped Wave) at approximately 915 14Hz at 26 volts DC and a feed power of 7.5 watts. The microwave oscillator 46 and the microwave amplifier 60 were both designed in such a way that only one DC voltage supply is required to power the To control power on and operating values for the electrodeless lamp 20. This DC voltage source must be able to absorb a direct current of 3.5 A. Of the The microwave supply portion of the light source 10 has an efficiency of approximately 50% when converting the direct current into a 915 MHz current with undamped Wave. Accordingly, the heat dissipation 18 is designed for the resulting To emit 40 watts of heat when the lamp is in its final operating condition.

Entsprechend der Erfindung formen die Mikrostrip-Elemente zwischen den Ebenen A-A' und B-B' eine Impedanz-Anpassungsvorrichtung, welche einen Abschnitt 1 der Ubertragungsleitung umfaßte welche bewirkt, daß die Eingangsimpedanz des Beleuchtungskörpers 24, nachdem die Lampe 20 gestartet worden ist, und bevor die Lampe in einem Betriebszustand ist, am Kollektor des Transistors Q2 auf ein Niveau transformiert wird, welches eine maximale Leistungszuführung an die Lampe erlaubt, wenn die Mikrowellen-Spannungsquelle eine verminderte Gleichatromleistung aufnimmt, und welches die Kollektorspannung des Verstärkers auf einem annehmbaren Wert hält, und zwar während der Zeitspanne, während der eine große Fehlanpassung zwischen der Ausgangsimpedanz des Verstärkers und der Eingangsimpedanz des Beleuchtungskörpers auftritt. Genauer betrachtet ist dieser Impedanz-Anpassungsteil so ausgebildet, daß eine annehmbare Impedanz vom Eingang des Beleuchtungskörpers am Bereich A-A' zurück an den Kollektor des Transistors Q2 an der Ebene B-B' transformiert wird, wenn, beispielsweise, der Mikrowellen-Spannungsquelle 20 Volt Gleichstrom zugeführt werden, und wenn die Lampe 20 gerade zu einem Glimmzustand gebracht worden ist. Zusätzlich ist dieser Impedanz-Anpassungsteil so ausgelegt, daß der Lampe zur gleichen Zeit zum Betrieb ein hinreichender Leistungswert zugeführt wird. Der Anpassungskreis erlaubt, daß die Lampe die Aufwärmphase bis zu einem Punkt durchläuft, bei dem die Lampe bei A-A' eine Impedanz verursacht, die, wenn sie zurück an den Kollektor bei B-B' transformiert wird, eine nahezu konjugiert-komplexe Anpassung an die effektive Ausgangsimpedanz des Transistors zeigt. An diesem Punkt nimmt die Lampe die maximale Leistung auf, die die Spannungsquelle bei diesem Spannungsniveau abgeben kann. Nachfolgende Erhöhungen der Spannung, die der Spannungsquelle zugeführt wird, bewirken, daß der Lampe eine erhöhte Mikrowellenleistung zugeführt wird.According to the invention, the microstrip elements form between the planes A-A 'and B-B' an impedance matching device, which a section 1 included the transmission line which causes the input impedance of the lighting fixture 24 after the lamp 20 has been started and before the lamp is in an operating condition is transformed at the collector of transistor Q2 to a level which allows maximum power delivery to the lamp when the microwave voltage source is used a reduced DC power consumes, and which the collector voltage of the amplifier at an acceptable level during the period during which a large mismatch between the output impedance of the amplifier and the input impedance of the lighting fixture occurs. Is considered more closely this impedance matching part designed so that an acceptable impedance from Input of the lighting fixture at area A-A 'back to the collector of the transistor Q2 is transformed at plane B-B 'when, for example, the microwave voltage source 20 volts DC are supplied, and when the lamp 20 is about to go into a glow state has been brought. In addition, this impedance matching part is designed in such a way that that the lamp is supplied with a sufficient power value for operation at the same time will. The adjustment circuit allows the lamp to warm up to a point where the lamp at A-A 'causes an impedance which when it returns at the collector at B-B 'is transformed, an almost complex conjugate fit shows the effective output impedance of the transistor. At this point the Lamp the maximum power that the voltage source at this voltage level can deliver. Subsequent increases in voltage supplied to the voltage source will cause the lamp to be supplied with an increased microwave power.

Die Impedanz der Lampe ist eine Funktion der zugeführten Leistung.The impedance of the lamp is a function of the power supplied.

Jedoch ist die Lampe zu diesem Zeitpunkt im Lichtbogen-Zustand und relativ stabil, und die Impedanzveränderungen, die durch Veränderung des Leistungsniveaus in diesem Zustand bewirkt werden, sind nicht annähernd so groß wie die Impedanzänderungen, die während der Ubergangsphase vom Anfangszustand des Glimmens bis zum Lichtbogen auftreten.However, at this point the lamp is in the arcing condition and relatively stable, and the impedance changes caused by changing the power level caused in this state are not nearly as large as the impedance changes, those during the transition phase from the initial glow to the arc appear.

Der Wert der zuführbaren Leistung zum Betrieb einer Lampe direkt nach dem Einschalten (hohe Impedanz) wird durch eine Ortsabhängigkeit des Mikrowellen-Transistors Q2 gegenüber der Lampe 20 bestimmt. Der Abschnitt 1 der Ubertragungsleitung mit einer charakteristischen Impedanz von 50 ohm ist so ausgebildet, daß er die Lastimpedanz für die Festkörper-Mikrowellen-Spannungsquelle effektiv auf einen Wert verschiebt, der einerseits für die Spannungsquelle im Hinblick auf die zum Betrieb verfügbare Leistung direkt nach dem Einschalten annehmbar ist und bei dem gleichzeitig bine zu starken stehenden Wellen auf die Spannungsquelle einwirken. Bei einer beispielhaften Ausführungsform betrug die Länge 1 auf der Teflon-Clasfiber-Mikrostrip-Platte ungefähr 0,13 l oder 2,7 cm bei 915 MHz.The value of the power that can be supplied to operate a lamp directly after switching on (high impedance) is due to a location dependency of the microwave transistor Q2 with respect to the lamp 20 is determined. Section 1 of the transmission line with a characteristic impedance of 50 ohms is designed so that it corresponds to the load impedance for the solid-state microwave voltage source effectively shifts to a value on the one hand for the voltage source with regard to the one available for operation Performance is acceptable immediately after switching on and at the same time bine Too strong standing waves act on the voltage source. In an exemplary Embodiment the length 1 on the Teflon clasfiber microstrip plate was approximately 0.13 L or 2.7 cm at 915 MHz.

Figur 3 ist ein Ersatzschaltkreis der Darstellung in Figur 2 aus konzentrierten Elementen. Wie ersichtlich ist, sind alle reaktiven Komponenten zur Impedanzanpassung, d.h. Induktivitäten und Kapazitäten, durch Mikrostrip-Leitungselemente gebildet. Bei den Kapazitäten sind diese Leitungselemente offene Stromkreisabschnitte einer Leitung mit einer charakteristischen Impedanz Z0, die durch das Verhältnis zwischen der Breite und der Höhe des Leiters bestimmt ist, wie es genauer in "Microwave Engeneer's Handbook" ARTECH, Vol. 1, 1971, beschrieben ist, und die kapazitive Reaktanz Xc wird durch die folgende Beziehung bestimmt: X cot 131 - C0 cot(3l> wobei ß = 2#/# #g = Wellenleiter-Wellenlänge 1 = Länge.Figure 3 is an equivalent circuit of the illustration in Figure 2 from concentrated Elements. As can be seen, all reactive components for impedance matching, i.e. inductances and capacitances, formed by microstrip line elements. In terms of capacities, these line elements are open circuit sections Line with a characteristic impedance Z0 determined by the ratio between the width and the height of the conductor is determined as it is more precisely in "Microwave Engeneer's Handbook "ARTECH, Vol. 1, 1971, and the capacitive reactance Xc is determined by the following relationship: X cot 131 - C0 cot (3l> where ß = 2 # / # #g = waveguide wavelength 1 = length.

Die Induktivitäten werden durch relativ schmale Längsstücke der Übertragungsleitung gebildet, sie besitzen einen reaktiven Effekt, der durch die charakteristische Impedanz der Leitung und ihre Stellung auf dem Smithschen Leitungsdiagramm bestimmt wird. In Figur 3 wird eine Hochfrequenzdrossel L20 gezeigt, die zwischen den Kollektor von Q1 und den Anschluß 42 geschaltet ist, diese Drossel stellt die Induktivität des Leiters 50 in Figur 2 dar.The inductors are made through relatively narrow lengths of transmission line formed, they have a reactive effect due to the characteristic impedance of the line and its position on the Smith's line diagram is determined. In Figure 3, a high-frequency choke L20 is shown, which is between the collector connected by Q1 and terminal 42, this choke represents the inductance of conductor 50 in Figure 2.

Vorangehend wurde die Erfindung beispielhaft beschrieben.The invention has been described above by way of example.

L e e r s e i t eL e r s e i t e

Claims

Solid state microwave power source for use in electrodeless Light sources Patent claim 1. Light source, not indicated by an electrodeless lamp with a translucent envelope, and a light one volatile filler material, which emits light upon breakdown and excitation, and an end lamp having an inner conductor and an outer Has a conductor arranged around the inner conductor, the conductor In each case a first end coupled to the microwave voltage source and a second end Have connected to the lamp end, so that the microwave voltage at the Lamp ends and breakthrough and excitation of the filler material, and in that the lighting fixture has a device for matching the impedance of the lamp in an operating state to the output impedance of the microwave voltage source and has a device that acts as a starting aid for the lamp and for reducing the output power of the microwave voltage source is used at start-up, and thereby, that the microwave voltage source comprises the following components: a) a direct current voltage source, which can generate a power with variable levels, b) a solid-state microwave oscillator, responsive to the output of the DC voltage source and a microwave signal generated, c) a solid-state microwave power amplifier that acts on the output the direct current voltage source responds and the power level of the microwave signal amplified, the amplifier comprising a power-amplifying transistor, whose collector circuit forms the output of the microwave voltage source, d) a Impedance matching device placed between the amplifier and the first end of the Head of the lighting fixture is connected and a section of the transmission line which causes the dynamic input impedance of the lighting fixture, after the lamp has been started and before the lamp is in an operating state is transformed to a value at the collector of the transistor in the amplifier, which is permissible for the transistor and which allows a power value to be applied to the lamp output, even if the amplifier has a reduced direct current output absorbs, is sufficient to cause the lamp to warm up to the operating state, wherein the impedance matching device measures the voltage at the collector of the amplifying Transistor during the period of time during which a large impedance mismatch between the output impedance of the amplifier and the input impedance of the lighting fixture occurs, holds at a permissible value.

2. Voltage source according to claim 1, characterized in that the Section of the transmission line has a characteristic impedance that is the same The input impedance of the lighting fixture is when the lamp is in operating condition is.

3. Voltage source according to claim 2, characterized in that the Section of the transmission line is a microstrip.

4. Voltage source according to claim 1, characterized in that a Device for controlling the brightness of the lamp in the operating state is provided is.

5. voltage source according to claim 4, characterized in that the Device for controlling the brightness comprises a potentiometer arrangement to the amount of DC bias applied to the microwave power amplifier to change from the DC voltage source.

6. Voltage source according to claim 1, characterized in that the DC voltage source the same for the microwave oscillator and the amplifier DC voltage value supplies.

7. Voltage source according to claim 1, characterized in that a Device is provided which controls the load impedance of the collector of the transistor in the oscillator to the input impedance of the transistor in the microwave power amplifier adapts.

8. Voltage source according to claim 7, characterized in that the Device for adjusting the load impedance of the collector inductive elements that formed by a microstrip transmission line, and capacitive elements includes, which are formed by microstrip stubs.

9. Voltage source according to claim 1, characterized in that a Heat radiating device provided for radiating the heat from the voltage source is.

10. Voltage source according to claim 9, characterized in that the DC voltage source, the microwave oscillator and the microwave voltage source on a single integrated circuit on a substrate with a high dielectric constant are trained to promote miniaturization.

11. Voltage source according to claim 10, characterized in that the light source is essentially in the form of an incandescent lamp and the following Features: a) a neck area that has a screw base for receiving the AC voltage and the DC voltage source, which is an AC-DC converter is, a region abutting the screw base, which is at least part of the Receives voltage source, and has a heat radiator that is located in the vicinity of the Housing area of the voltage source is arranged to the heat from the voltage source radiate, and b) a cladding portion having an outer conductor and an inner Comprises conductor, with the outer conductor disposed in the vicinity of the heat radiator is, hood-shaped and made of a translucent material is and has a mesh made of a conductive material, and wherein the inner Conductor and the electrodeless lamp within the dome-shaped outer Head are arranged.

12. Light source, characterized by a voltage source, an electrodeless one Lamp with a translucent envelope and a volatile filler material, which emits light on breakdown and excitation, and 'with a final luminaire, the one inner conductor and one outer one arranged around the inner conductor Has conductors, the conductors each having a first end which is connected to the voltage source is coupled, and have a second end which is associated with the lamp, so that the microwave voltage ends at the lamp and breakdown and excitation of the Filling material generated, and in that the lighting fixture has a Device for adapting the impedance of the lamp in an operating state to the Output impedance of the voltage source and has a device that acts as a jump starter for the lamp and to reduce the output power of the microwave voltage source serves at start, and in that the microwave voltage source the following components comprises: a) a DC voltage source supplying variable level power can generate, b) a solid-state microwave oscillator, which is based on the output of the DC voltage source responds and generates a microwave signal, the oscillator has a transistor in basic circuit, c) a solid-state microwave power amplifier, which responds to the output of the DC voltage source and the power level of the Microwave signal increased, the amplifier having a power-amplifying transistor in a basic circuit whose collector circuit has the output of the microwave voltage source forms, d) an impedance matching device connected between the amplifier and the first ends of the conductors of the lighting fixture is connected and a section a transmission line which causes the dynamic input impedance of the lighting fixture after the lamp has started and before the lamp is in an operating state, at the collector of the transistor in the amplifier to one Value is transformed that is permissible for the transistor and allows to the If the amplifier is drawing a reduced DC power, turn on a lamp To give power value that is sufficient to cause the lamp to operate on heated, wherein the impedance matching device also the voltage at the collector of the amplifying transistor during the period of time when there is a large impedance mismatch between the output impedance of the amplifier and the input impedance of the lighting fixture occurs, holds at a permissible value, e) being the DC voltage source and the microwave oscillator and power amplifier on a single integrated Circuits are formed on a substrate with a high dielectric constant, in order to promote miniaturization.

13. Voltage source according to claim 12, characterized in that the light source is essentially in the form of an incandescent lamp and the following Features: a) a neck area that has a screw base for receiving a AC power and the DC power source, which is an AC-DC converter is, a region abutting the screw base, which at least part of the Receives voltage source, and has a heat radiator that is located in the vicinity of the Housing area of the voltage source is arranged to the heat from the voltage source discharge, b) a sheathing part, which the outer conductor and the inner conductor and the electrodeless lamp comprises with the outer conductor proximate to the heat radiator is arranged, has a hood shape, consists of a translucent material and a mesh made of a conductive material, and wherein the inner Conductor and the electrodeless lamp within the dome-shaped outer Head are arranged.