DE3842971C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenzspule mit
mehreren Windungen zum Anregen einer Plasmaentladung in
einer im Inneren der Spule angeordneten
Entladungslampe.
Es ist bekannt, daß sichtbares Licht von einem
Entladungsplasma erzeugt werden kann, das durch einen
Hochfrequenzstrom angeregt wird. Dieser
Hochfrequenzstrom wird durch eine Spule geliefert, die
sich allgemein außerhalb der Lampe befindet, in der die
Entladung angeregt wird, wobei die Spule nicht nur eine
befriedigende Kupplung in das Entladungsplasma, sondern
auch geringe Hochfrequenz-Widerstandsverluste und eine
geringe physische Größe aufweisen muß, damit der größte
Teil des Lichtes, das von dem Entladungsplasma
emittiert wird, nicht durch die Spule selbst blockiert
wird, sondern benutzt werden kann. Die übliche
Anregungsspule ist ein langer Solenoid, abgeleitet von
einzelnen Solenoidspulen aus Kupferrohr, wie es
üblicherweise mit Wasserkühlung für Plasma-Brenner beim
Kristallwachstum, der Herstellung von Faseroptik und
ähnlichem benutzt wird.
Im Stande der Technik beschriebene Spulen, wie die
becherförmige oder die konische Spule der US-PS 38 60 854,
der kurze Solenoid der US-PS 37 63 392 und die
kleinen Entladungslampen hoher Intensität am Ende eines
Koaxialkabels nach den US-PSsen 39 42 058 und 39 43 404
haben alle eine geringe optische Wirksamkeit und
Spulenverluste, die reduziert werden können.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
eine Hochfrequenzspule der eingangs genannten Art zu
schaffen, die eine verbesserte optische Wirksamkeit und
geringere Spulenverluste hat.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch den
kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Spule sind Gegenstand der Unteransprüche.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von
Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die
Zeichnung näher erläutert.
Im einzelnen zeigen:
Fig. 1a eine Draufsicht einer Entladungslampe hoher Intensität
(HID)-Lampe und einer Anregungsspule mit einer einzigen
Wicklung, die zur Würdigung verschiedener Prinzipien der
vorliegenden Erfindung brauchbar ist;
Fig. 1b eine Schnittansicht der Kombination aus Lampe und Spule
der Fig. 1a, die zusätzliche Stellen der
Anregungsspule zeigt;
Fig. 1c eine Seitenansicht eines Teiles einer HID-Lampe,
die eine mögliche Anregungsspulen-Konfiguration
mit vielen Windungen zeigt;
Fig. 2 eine Seitenansicht eines Teiles einer HID-Lampe
und einer derzeit bevorzugten Ausführungsform
einer Anregungsspule gemäß den Prinzipien der
vorliegenden Erfindung;
Fig. 2a ein schematisches Diagramm des Ersatzschaltbil
des der Anregungsspule und der Hilfselemente der
Fig. 2;
Fig. 3 eine Seitenansicht eines Teiles einer anderen
HID-Lampe und einer anderen derzeit bevorzugten
Ausführungsform der Anregungsspule der vorlie
genden Erfindung;
Fig. 3a ein schematisches Diagramm des Ersatzschaltbil
des der Anregungsspule und der Hilfselemente
der Fig. 3 und
Fig. 4, 4a und 4b Ersatzschaltbild, schematische Seitenan
sicht und Draufsicht einer anderen derzeit be
vorzugten Anregungsspule mit mehreren Windungen
gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung.
Die HID-Lampe 10 der Fig. 1a umfaßt einen rohrförmigen Kolben
11, der ein Volumen 12 umschließt, das eine Menge mindestens
eines Gases enthält, in dem ein Entladungsbogenplasma 14 auf
grund eines Hochfrequenzstromes in einer Anregungsspule 16 er
zeugt werden kann, die um das Äußere des Lampenkolbens 11 herum
angeordnet ist. Der Hochfrequenzstrom fließt aufgrund einer An
regungsquelle 18, die zwischen den Spulenenden 16a und 16b eine
Spannung Vab anlegt. Üblicherweise hat das Entladungsbogenplasma
14 die Gestalt eines wulstförmigen Ringes oder einer Ringröhre
mit einem Radius r′, der die Dicke des Plasmas festlegt und
einem Radius r, der die Größe des Ringes festlegt. Die Anre
gungsspule 16 ist ein planarer Ring aus einer einzigen Windung
mit einer Ebene parallel zur Ebene des Hauptradius r des Bogen
ringes.
In Fig. 1b ist die Feststellung veranschaulicht, daß der beste
Ort für eine aus einer einzigen Windung bestehende Spule 16
zum Koppeln in einen leitenden Entladungsplasmaring 14 geringen
Durchmessers der ist, wenn sowohl die Spulenschlaufe 16
als auch die Plasmaschlaufe 14 in der gleichen Ebene liegen.
Die Anregungsspule 16 liegt somit in der Ebene 14p und schnei
det durch den Plasmaring-Querschnitt, der als gekreuzt-schraf
fierter Bereich dargestellt ist. Für einen Ring mit einem mitt
leren Durchmesser r erhält man einen Kupplungs-Koeffizienten
von etwa 0,36 zwischen diesem Ring und einer Anregungsspule 16
mit einer einzigen Windung, wenn letztere einen Radius gleich
dem Zweifachen des Radius des Plasmaringes hat, d.h. einen
Spulenradius von 2r in der Ebene 14p. Weiter wurde festgestellt,
daß eine weitere Anregungsspule 16′ aus einer einzigen Win
dung, die in der Plasmaring-Ebene liegt und einen Radius von
3r hat, einen Kupplungs-Koeffizienten von etwa 0,173 aufweist.
Eine Anregungsspule 16′′ dagegen, die den gleichen Radius r wie
der Entladungsplasmaring hat, deren Ebene jedoch parallel aber
in einem Abstand r darüber liegt, während der Plasmaring sich
in der Ebene 14p befindet, hat einen Kupplungs-Koeffizienten
von etwa 0,264, während eine weitere Anregungsspule 16′′′ mit
einer einzigen Windung mit dem gleichen Durchmesser und einer
koplanaren Anordnung, dies jedoch mit einem Abstand 2r von der
Ebene 14p des Plasmaringes, einen Kupplungs-Koeffizienten von
etwa 0,056 hat. Es ist daher sehr vorteilhaft, die gesamte An
regungsspule in der Position mit der höchsten Kupplung anzu
ordnen, d.h. in der Ebene des Plasmaringes und mit einem mitt
leren Radius von 2r. Üblicherweise hat die Anregungsspule eine
Anzahl N von Windungen, die größer als eins ist, so daß die
Spule mit mehreren Windungen um die optimale Ebene herum ange
ordnet werden muß, und die Spule als absoluten Minimaldurch
messer einen solchen haben muß, der größer ist als der äußere
Wanddurchmesser E des Kolbens des Entladungsrohres 11. Eine
minimale Blockierung des lichterzeugenden Lampenrohres 11 tritt
auf, wenn die mehreren Windungen der Anregungsspule 16 die
geringstmögliche Ausdehnung in der Richtung senkrecht zur Ebene
14p des Entladungsplasmaringes haben (hier minimale Abmessun
gen in der Vertikal-Ebene für einen horizontal angeordneten
Ring 14). Der Widerstand der Spule muß gleichzeitig minimiert
werden, um einen minimalen Verlust zu ergeben, während die
induktiven Eigenschaften der Anregungsspule gleichzeitig derart
sein müssen, daß das richtige Abstimmen und Impedanz-Anpassen
der Anregungsspule und ihres Generators 18 bei der dazugehöri
gen Hochfrequenz, d.h. einer der üblichen ISM-Frequenzen, wie
13,56 MHz, ausgeführt werden kann.
Eine mögliche Spulen-Konfiguration zur Erfüllung dieser Krite
rien ist die der Spule 20 in Fig. 1c. Hier hat die Spule 20
mehrere leitende Streifen, die auf der äußeren Oberfläche eines
Ringes angeordnet sind, der einen Hauptradius r1
hat, der in der Abmessung etwa 2r entspricht und dessen kleine
rer Radius r2 geringer ist als der Unterschied zwischen dem
Radius r1 und der Summe des äußeren Lampenrohr-Radius E/2 und
der Dicke t der Spulenwicklungen. Diese Spule mit mehreren
Windungen (bei der im veranschaulichten Querschnitt N=8 ist)
ist besonders schwierig herzustellen, außerdem erfordert der
beträchtliche Spannungsabfall, der zwischen den gegenüberlie
genden Spulenenden 20a und 20b gehalten werden muß (und der
üblicherweise in der Größenordnung von etwa 1000 Volt für Vab
liegt), eine beträchtliche Trennung zwischen benachbarten
Windungsabschnitten 20-1 bis 20-8. Diese Trennung ist nicht
leicht zu erreichen, insbesondere wenn sowohl die Dicke t der
Windungselemente zumindest ausreicht, daß jede Windung (re
duziert zu einem runden Draht) dick genug ist, um die Hoch
frequenz-Randzonenverluste zu vermindern und sich die einzel
nen Windungen über einen ausreichend kleinen Winkel erstrec
ken, um die Lichtblockade zu minimieren. Es muß auch ein ge
nügender Abstand zwischen dem Entladungsplasma 14 und der Spule
20 vorhanden sein, um einen vernünftigen Temperaturgradienten
von der Temperatur des Bogenplasmas 14 von etwa 5000°K zur
Umgebungstemperatur (etwa 300°K) nahe der Spule 20 zu erhal
ten, wobei der den Bogen enthaltende Kolben 11 bei einer ver
nünftigen Temperatur bleiben muß. Selbst bei einer aus Band
geformten Spule 20, bei der die Bänder eine Dicke t von etwa
0,02 mm haben, ist eine solche Spule für eine Herstellung zu
geringen Kosten nicht geeignet.
Fig. 2 zeigt eine derzeit bevorzugte Lampe 10′, bei der das
lichterzeugende Entladungsplasma 10 benachbart der inneren
Oberfläche 11b eines Kolbens 11 angeregt wird, der die innere
Oberfläche 22b eines zylindrischen positionierenden Kolbens 22
hat, der an der äußeren Oberfläche 11a des den Bogen enthalten
den Kolbens befestigt ist. Gemäß einer derzeit bevorzugten Aus
führungsform der vorliegenden Erfindung ist die Anregungsspule
24 um die äußere Oberfläche 22a des äußeren Kolbens in Form
einer Mehrzahl N (hier N=8) von Windungen angeordnet, die auf
den geneigten Seiten 24′a und 24′b eines Form
dornes 24′ kreisförmiger Gestalt liegen, der in der gleichen
Ebene 24′p liegt wie der Entladungsplasmaring 14 und einen im
wesentlichen rhomboidischen Querschnitt mit jeder der geneigten
Oberflächen 24′a und 24′b bei einem Winkel R von weniger als
80° bis größer als etwa 10° mit Bezug auf die Mittellinien-Ebe
ne 24′p hat. Vorteilhafterweise kann man die Spulenwindungs
leiter 24-1 bis 24-8 und 24-1′ bis 24-7′ als auf der Oberfläche
eines Ringes mit V-förmigem Querschnitt angeordnet ansehen,
wobei der Scheitel des Winkels R im Zentrum 11c des den Bogen
enthaltenden Kolbens liegen kann. Die innere Kante 24′c des
Dornes ist in einem Abstand angeordnet, der etwas größer ist
als der Abstand C zwischen den innersten Windungen, hier 24-4
und 24-5, und dem Ort der mittleren Windung 24-4′. Diese Ab
messung C ist größer sowohl als die Abmessung A der inneren
Oberfläche 11b des den Bogen enthaltenden Kolbens als auch der
Abmessung B der äußeren Oberfläche 22a des äußeren Kolbens 22.
Ein Ende 24a der Spule beginnt daher am radial entferntesten
Ort auf der oberen geneigten Oberfläche 24′a, erreicht eine
halbe Windung bei der radial gegenüberliegenden Position 24-1′
und vervollständigt eine volle Windung bei der Position 24-2.
Auf eine Position 24-2′ von eineinhalb Windungen folgt die
Position 24-3 von zwei vollen Windungen sowie die Position
24-3′ von zweieinhalb Windungen und die Position 24-4 von
drei vollen Windungen. Der Mittelpunkt der Spule entlang der
inneren "Nasen"-Oberfläche 24′c befindet sich bei der Position
24-4′. Die fünfte volle Windung liegt bei der Position 24-5,
während die Positionen von 5 1/2, 6, 6 1/2, 7, 7 1/2 und 8
Windungen bei den Positionen 24-5′, 24-6, 24-6′, 24-7, 24-7′
und 24-8 liegen.
Fig. 2a zeigt, daß die Induktanz L der Spule 24 zwischen den
Spulenenden 24a und 24b auf Resonanz mit einer Gesamtabstim
mungskapazität CT abgestimmt werden kann, die zusammengesetzt
ist aus der ersten und zweiten in Reihe geschalteten Kapazität
26 und 28. Das Verhältnis der Kapazitäten 26 und 28 wird
gleichzeitig mit den Resonanzeinstellungen derart eingestellt,
daß die Antriebsimpedanz zwischen den Anschlüssen 10′a und 10′b
die Antriebsimpedanz des die Energie liefernden Generators an
die Anregungsspule in einer an sich bekannten Weise anpassen.
Die Fig. 3 und 3a zeigen eine weitere derzeit bevorzugte
Lampenausführungsform 10′′, bei der die Anregungsspule 30 mit
mehreren Windungen und einem V-förmigen Querschnitt einen
einzigen Resonanzkondensator 32 des Wertes CT hat, der zwischen
den Spulenenden 30a und 30b liegt, wobei die Spule am Punkt 30c
zur Impedanzanpassung an den nicht dargestellten Generator einen
Abgriff aufweist. In beiden Ausführungsformen 24 und 30 gibt
es einen beträchtlichen Abstand zwischen den Windungen, selbst
wenn die Spule aus einem ziemlich dicken Rohr hergestellt ist,
z.B. einem 3 mm-Kupferrohr (mit einem großen Innendurchmesser
zur Erleichterung der Strömung eines die Wärme abführenden
Strömungsmittels). Die gegenüberliegenden Spulenenden 24a/24b
bzw. 30a/30b sind ausreichend getrennt, um hunderte von Volt
Hochspannungspotential auszuhalten. Die abgerundete Draht/Rohr
oberfläche ist dem Magnetfluß dargeboten, der nur auf der Außen
seite der Spule vorhanden ist, wobei die Dicke von Draht oder
Rohr variiert werden kann, um diese Fläche zu verändern. Außer
dem ist die Spule von der Entladung weggebogen, um die Licht
blockade zu vermindern, während so viele Windungen als möglich
nahe der Entladungsebene angeordnet sind, um das Kuppeln der
Hochfrequenz in das Plasma zu maximieren. Gleichzeitig liegt
das maximale Potential der Spule an Punkten, die am weitesten
von der Entladung weg sind, um eine E-Entladung zu minimieren
und eine H-Anregung zu unterstützen. Eine Windungsform ist
leicht herzustellen, die dazu benutzt werden kann, eine solche
Spule zu bilden, wobei der Abstand zwischen benachbarten Win
dungen bei allen Windungspositionen im wesentlichen gleich
ist. Es wurde festgestellt, daß die Kupplung für eine Spule
mit N=8 Windungen aus 3 mm-Kupferrohr (entsprechend 1/8 Zoll)
in der Größenordnung von 0,2 liegen kann und zwar für eine
Lampe mit einem einen Bogen enthaltenden Kolben mit einem Durch
messer in der Größenordnung von etwa 2 cm (entsprechend 0,8
Zoll).
In den Fig. 4, 4a und 4b ist noch eine weitere derzeit be
vorzugte Ausführungsform 10′′′ mit einer Anregungsspule 34 ge
zeigt, die einen zentralen Abgriff 34c hat, der im wesentlichen
zwischen den gegenüberliegenden Spulenenden 34a und 34b ange
ordnet ist, so daß die zentrale Windung unterbrochen und mit
zwei separaten Zuleitungsteilen 34c-1 und 34c-2 auf die Grund
ebene 33 zurückgeführt ist. Dies ergibt zwei separate wärme
leitende Pfade zu der Wärmefalle auf Grundebene, um die Spulen
wärme zu entfernen und die Notwendigkeit für ein künstliches
Kühlen zu beseitigen. Die Spule 34 mit mehreren Windungen und
V-förmigem Querschnitt wird mittels eines einzigen Resonanz
kondensators 36 abgestimmt und an einem Abgriff 34d über ein
Koaxialkabel 38 von dem Generator mit Energie versehen. Wie am
besten in Fig. 4b ersichtlich, ist die Spule aus drei Windun
gen in ein Paar von Spulen mit jeweils 1 1/2 Windungen aufge
teilt, wobei sich die obere Hälfte vom oberen Spulenende 34a
bis zur ersten Erdungsleitung 34c-1 und die untere Hälfte der
Gesamtspule vom oberen Ende der zweiten Erdungsleitung 34c-2
am induktiven Abgriff 34d vorbei zum unteren Ende 34b der Spule
erstreckt.
Claims (7)
1. Hochfrequenzspule mit mehreren Windunen zum
Anregen einer Plasmaentladung in einer im Inneren der
Spule angeordneten elektrodenlosen Entladungslampe,
dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen (24-1 bis 24-
8, 24-1′ bis 24-7′) der Spule auf einer räumlichen
Fläche liegen, die der Oberfläche eines Ringes (24′)
mit im wesentlichen V-förmigen Querschnitt entspricht.
2. Hochfrequenzspule nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß sich die gegeneinander geneigten
Oberflächen (24′a, 24′b) des Ringes (24′) im
wesentlichen im geometrischen Mittelpunkt der Spule
(24) zu treffen scheinen.
3. Hochfrequenzspule nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der von jeder der geneigten
Oberflächen (24′a, 24′b) und der Mittelebene (24′p) der
Spule (24) eingeschlossene Winkel mindestens 10° und
nicht mehr als 80° beträgt.
4. Hochfrequenzspule nach einem der Ansprüche 1
bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Erdungsebene
(33) mit mindestens einem Punkt einer
Spulenwindung verbunden ist (Fig. 4).
5. Hochfrequenzspule nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Erdungsebene mit dem
Mittelpunkt des die Spule bildenden Leiters verbunden
ist.
6. Hochfrequenzspule nach einem der Ansprüche 1
bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der die Spule
bildende Leiter hohl ist.
7. Hochfrequenzspule nach einem der Ansprüche 1
bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der
Resonanzfrequenz mindestens ein Kondensator mit der
Spule verbunden ist.
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