DE4230020B4

DE4230020B4 - Kopplungsanordnung für eine elektrodenlose HID-Lampe mit integriertem Anpassungsnetzwerk

Info

Publication number: DE4230020B4
Application number: DE4230020A
Authority: DE
Inventors: Scott J. N. Oxford Butler; Walter P. Marlborough Lapatovich; Jason R. Springfield Bochinski
Original assignee: GTE Products Corp
Current assignee: Osram Sylvania Inc
Priority date: 1991-09-10
Filing date: 1992-09-10
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2012-09-11
Also published as: CA2076814C; JPH05266987A; CA2076814A1; JP3404413B2; US5144206A; DE4230020A1

Abstract

Kopplungsanordnung für eine elektrodenlose HID-Lampe mit integriertem Anpassungsnetzwerk zur Impedanzanpassung mit
einem ersten schraubenförmigen Koppler (15), der an einem ersten Ende Eingangsleistung empfängt und ein zweites Ende besitzt, das einem Zwischenraum zur Aufnahme einer Lampenkapsel (14) zugewandt ist,
einem zweiten schraubenförmigen Koppler (15), der koaxial zum ersten schraubenförmigen Koppler angeordnet ist, an einem ersten Ende Eingangsleistung empfängt und ein zweites Ende aufweist, das dem Zwischenraum für die Aufnahme der Lampenkapsel (14) zugewandt ist,
mit Kopplungselementen (32, 20), welche die Leistung zum zweiten schraubenförmigen Koppler (15) verzögern, um eine Phasenverschiebung um 180° zwischen dem ersten und dem zweiten Koppler (15) zu erzeugen, und
einem Viertelwellenwandler (33), der ein erstes Ende aufweist, das an das erste Ende des ersten schraubenförmigen Kopplers (15) gekoppelt ist, und ein zweites Ende, das an eine Nebenschluss-Reaktanz (35, 11) und eine Hochfrequenz-Leistungsversorgung angeschlossen ist,
wobei der Viertelwellenwandler (33) und die Kopplungselemente (32,...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrodenlose Lichtquellen und im engeren Sinne, auf eine Lampenhalterung, die für eine Kopplung und eine Impedanzanpassung der Leistung bzw. Energiezufuhr an die Lampe sorgt. Die Halterung sorgt dabei für einen nominell stabilen Zustand einer Eingangsimpedanz mit einem vorbestimmten Wert (beispielsweise 50 oder 75 Ohm) und ermöglicht dadurch eine direkte Verbindung mit einer RF-Energiequelle (beispielsweise 915 oder 2450 MHz) mittels konventioneller Übertragungsleitungstechniken.
Mikrowellengespeiste, elektrodenlose Entladungslampen hoher Intensität (HID-Lampen) wurden bereits unter Verwendung von Endbefestigungen, die typischerweise große, unförmige, abgeschirmte, koaxiale Strukturen bildeten, an Energiequellen angeschlossen. Beispiele für solche Befestigungen sind in den U.S.-Patenten US 3 943 403 und US 4 002 944 beschrieben. Diese Endhalterungen machen elektrodenlose Lampen infolge ihrer optischen Charakteristika für viele Anwendungen ungeeignet.
Erst kürzlich führte ein neues zweiendiges Erregungsschema, wie es von Lapatovich in den U.S.-Patenten US 5 113 121 und US 5 070 277 gelehrt wird, zu einer beachtlichen Verringerung der Größe und des Gewichts der Lampe, wie auch zu verbesserten optischen Charakteristiken. Der von Lapatovich gelehrte Kopplungsaufbau erfordert jedoch eine externe, variable Einrichtung zur Anpassung der Impedanz, die unförmig und teuer ist. Ein Beispiel für eine variable Einrichtung zur Anpassung der Impedanz (beispielsweise eine Abstimm-Stichleitung = stub tuner) ist im U.S.-Patent. 4 001 632 beschrieben.
Ferner ist aus der US 4 266 162 eine elektrodenlose Entladungslampe mit zweiseitiger Kopplungsanordnung bekannt, bei der es keinen integralen Aufbau und keine Mikrostreifenleitung gibt, die tatsächlich in einem Netzwerk zur Impedanzanpassung verwendet würden. Es gibt auch keine Nebenschluss-Reaktanz als Teil eines integrierten Aufbaus. Es gibt nur einen allgemeinen Schaltkreis, welcher anregt, dass ein innerer Satz von Leitern an den Lampenenden angelegt werden kann, vorausgesetzt, dass ein äußerer Leiter das ganze umgibt.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird demgegenüber darin gesehen, eine besonders vorteilhafte Kopplungsanordnung für eine elektrodenlose HID-Lampe zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die vorliegende Erfindung kombiniert das zweiendige Erregungsschema mit einem integrierten Netzwerk zur Impedanzanpassung auf der gleichen gedruckten Schaltungsplatte wie der Balun-Applikator, wie er in den U.S.-Patenten US 5 113 121 und US 5 070 277 gelehrt wird. Da das Netzwerk zur Impedanzanpassung in die Kopplungsanordnung integriert und nicht durch Verbinder und/oder Koaxialkabel getrennt ist, ist das resultierende Betriebsverhalten des Systems weniger abhängig von subtilen Veränderungen der Herstellung. Darüberhinaus ist das Abstimmnetzwerk gemäß vorliegender Erfindung kompakt, vom Gewicht her leicht, preiswert und unempfindlich, wodurch es zu einem kommerziell attraktiveren Produkt wird im Vergleich mit früheren Versuchen hinsichtlich einer Impedanzanpassung.
Die Erfindung und ihre zweckmäßigen Ausgestaltungen sind im Folgenden anhand einer in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigt:
1 die experimentelle Ausrüstung, die zur Bestimmung der Impedanz der Lampenkapsel und der Zuführungen benutzt wird;
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 die vollständige Baugruppe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die vorliegende Erfindung beschreibt eine HID-Lampenbefestigung, die konventionelle gedruckte Mikrowellen- Schaltungsmaterialien benutzt und sowohl Kopplung als auch Impedanz-Anpaßfunktionen vermittelt. Die beschriebene Befestigung bzw. Halterung sorgt für eine nominelle Impedanz im Dauerzustand von 50 Ohm, jedoch sind andere Impedanzlevel im Dauerzustand möglich. Die Impedanz der Halterung ist abhängig von den Charakteristika der Lampenhülle und der Füllung.
1 zeigt die zur Bestimmung der Impedanz einer Anzahl von Lampenhüllen benutzte Baugruppe. Diese Baugruppe bzw. Anordnung weist eine Magnetronquelle 10 auf, die ein RF-Signal bei 915 MHz erzeugt. Eine Abstimm-Stichleitung 12 wurde benutzt, um die Impedanz des ankommenden Signals auf die Impedanz der Lampenkapsel 14 abzustimmen bzw. zur Übereinstimmung zu bringen. Die Impedanz der Lampe 14 und der schraubenförmigen Zuführungen 15 wurde dann durch Messung der von der Abstimm-Stichleitung 12 an der Referenzebene 16 präsentierten Impedanz bestimmt, sowie durch geeignetes Entwickeln bzw. Herauslösen des konjugiert komplexen Werts dieser gemessenen Impedanz an die Eingangs-Terminals der Zuführungen. Dies ist ein allgemein verwendetes Substitutionsverfahren zur Bestimmung von Impedanz. Das RF-Signal wurde durch schraubenförmige Wendeln 15 an die Lampenkapsel 14 gekoppelt, obgleich andere Kopplungsmethoden wie Becher oder Schleifen möglich sind. Das Leistungssignal an die Lampe wird an der Referenzebene 16 geteilt, so daß die Mikrostreifenleitung eine Länge besitzt, die etwa einer halben Wellenlänge gleich ist. Diese Verlängerung um eine halbe Wellenlänge stellt einen Balun- Impedanzwandler dar und vermittelt eine 4:1 Impedanzverringerung.
Die zur Bestimmung der Impedanz in der vorliegenden Erfindung benutzte Lampenkapsel hatte eine interne Länge von 10 mm, einen inneren Durchmesser von 2 mm und einen äußeren Durchmesser von 3 mm. Die Lampenkapseln waren mit unterschiedlichen Mengen an Quecksilber gefüllt, die sich von 0,045 mg Hg bis 0,60 mg Hg erstreckten. Die Lampen enthielten typischerweise 0,1 mg eines NaI·ScI₃-Salz mit einem standardisierten molaren Gehalt, z. B. (11.4 zu 1 Na zu Sc).
Die spiral- bzw. schraubenförmigen Wendeln 15, die in der vorliegenden Erfindung verwendet wurden, haben jeweils den gleichen Drehsinn (beispielsweise haben beide rechtshändige Wendeln), aber auch der entgegengesetzte Drehsinn kann benutzt werden. Die einander gegenüberliegenden Enden des Kopplers sind durch einen Zwischenraum getrennt, der eine Länge von etwa einem Viertel der komprimierten Wellenlänge besitzt. Die Lampenkapsel 14 ist koaxial zwischen den Kopplern positioniert.
Die schraubenförmigen Wendeln wurden aus goldplattiertem Nickeldraht mit 0,5 mm Durchmesser hergestellt. Der äußere Durchmesser der schraubenförmigen Koppler betrug 5,0 mm und die Steigung betrug 1,22 mm für 5,6 Umläufe der Wendel. Die Lampenkapsel wurde aus wasserfreiem Quarz hergestellt, obgleich andere Materialien möglich sind.
Die gemessene Impedanz ist die Impedanz der Lampe und der schraubenförmigen Wendeln 15. Die resistiven und reaktiven Komponenten der Lampe und der schraubenförmigen Wendeln werden gleichzeitig bestimmt und werden nicht unabhängig gelöst. Nichtsdestoweniger ist es möglich, die Quellenimpedanz an diese zusammengesetzte Impedanz anzupassen, ohne die Lampenimpedanz explizit zu kennen Es wurde gefunden, daß der resistive Teil der zusammengesetzten Impedanz über den Bereich der angelegten Leistung (zwischen 2 und 30 W) im wesentlichen flach mit einem Wert von näherungsweise 100 Ohm war. Dieser Bereich war etwa konstant für den Bereich der studierten Quecksilberdrücke. Der ausgelegte Schaltkreis war für diese Impedanz optimiert und sein Schema ist in 2 gezeigt.
In 2 wird Mikrowellenleistung an den Eingang 30 des der Impedanz entsprechenden Netzwerks/Balun angelegt, das die "steady-state" Impedanz der Lampe und der Schraubenförmigen Koppler zu 50 Ohm umwandelt. Die Nettoimpedanz der Lampen und der Schraubenförmigen Koppler kann eng angenähert werden als eine Reihen-Widerstand-Kondensator-Kombination 31; und diese effektive Impedanz wird heruntertransformiert mit einem Faktor von vier durch den Halbwellen-Balun 32. Somit kann die Eingangsimpedanz am Halbwellen-Balun ebenfalls durch ein Reihen-R-C-Netzwerk angenähert werden. Sodann wird ein einstückiger Mikrostreifen-Viertelwellen-Wandler 33 benutzt, um den realen Teil der Impedanz zu einem effektiven Nebenschluß-Widerstand von 50 Ohm umzuwandeln. Die Immitanz-Umwandlungs-Eigenschaft des Viertelwellen-Wandlers 33 resultiert in einer scheinbaren Nebenschluß-Induktanz am Eingang des Wandlers (d. h. der Reihenkondensator wird zu einer Nebenschlußinduktanz umgeformt). Ein Nebenschlußkondensator 35 (der als ein festes einstückiges oder ein verteiltes Element oder auch als ein mechanisch variables oder spannungsvariables Element realisiert sein kann) wird anschließend verwendet, um zu der offenbaren Nebenschlußinduktanz in Resonanz zu treten, was in einer nominellen 50 Ohm Eingangsimpedanz resultiert. Während die in diesem Beispiel verwendete äquivalente Schaltkreisdarstellung der Lampe und der schraubenförmigen Kopplers diejenige eines Reihen-R-C-Netzwerks ist, würden ähnliche Anpassungselemente für den Fachmann offensichtlich sein, sofern alternative Kopplungsgeometrien als Zuführungen benutzt würden, wie Endbecher bzw. Becherenden, Schleifen etc. Ein neues Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung von Mikrostreifen-Übertragungsleitungs-Segmenten und Miniatur-Nebenschluß-Kondensatoren, um die angepaßte Netzwerk-Zuführung so kompakt zu machen, wie es für miniaturisierte HID-Lampen erforderlich ist. Ein zweckmäßiges und wünschenswertes Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß das Anpassungsnetzwerk in kontinuierlicher Weise angewandt wird und zu der Balun/Zuführung paßt. Dies eliminiert Vielfachstecker bzw. -verbinder, die unförmig und teuer sind, und reduziert Reflexionsvermögen und Leistungsverlust.
Die Baugruppe des vollständigen Schaltkreises einschließlich der Lampe und der Zuführungen ist in 3 gezeigt. Ungefähr 20 dieser Lampenbaugruppen wurden hergestellt und getestet.
Jede dieser Baugruppen bringt etwa 2000 Lumen bei einer Eingangsleistungshöhe von 25 W bei 915 MHz mit einem Dauerzustands-Eingang VSWR von weniger als 1,5:1. Während diese Arbeit bei 915 MHz geleistet wurde (einem zugelassenen ISM-Band in der westlichen Hemisphäre), ist es für den Fachmann offensichtlich, daß diese Techniken bei jedweder Frequenz angewendet werden können und speziell bei anderen zugelassenen ISM-Frequenzen wie 2450 MHz.
3 zeigt die Baugruppe bzw. Anordnung des vollständigen Schaltkreises der vorliegenden Erfindung, einschließlich der Lampenhülle 14 und der Mikrowellenverzögerungs-Kopplungswendeln 15. Die vollständige Anordnung besitzt eine Mikrowellenquelle 10, einen Hochfrequenz-Streifenleitungs-Ankopplungstrichter 21 und eine gedruckte Leiterplatte bzw. Schaltung 18 mit dem integrierten Netzwerk zur Impedanzanpassung. Die Nullebene 17 befindet sich auf der Rückseite der gedruckten Schaltung 18. Die Mikrowellenquelle 10 erzeugt ein Radiofrequenzsignal, das durch die Mikrostreifenleitung 20 und die schraubenförmigen Koppler 15 an die Lampe 14 gekoppelt wird. Ein koaxialer Streifenleitungs-Ankopplungstrichter 21 koppelt das Eingangs-Leistungssignal von der Mikrowellenquelle 10 an den Leiterstreifen 20. Das Impedanzanpassungs-Netzwerk umfaßt den Teil der Mikrostreifenleitung 20, der sich von dem Hochfrequenz-Streifenleitungs-Ankopplungstrichter 21 bis zum Knotenpunkt A erstreckt und den festen Abstimmkondensator 11 einschließt. Das Leistungssignal wird am Knotenpunkt A aufgespalten dadurch, daß man den Rest der Mikrostreifenleitung etwa einer halben Wellenlänge gleich macht. Durch geeignete Einstellung der Länge der Mikrostreifenleitungsverlängerung liefern die beiden schraubenförmigen Koppler 15 um 180° phasenverschoben Leistung zur Lampenhülle 14. Diese Halbwellenlängen-Verlängerung stellt einen Balun-Impedanzwandler dar und sorgt für eine 4 zu 1 Reduzierung an Impedanzänderung zur Mikrowellenquelle 10.
Die Lampenkapsel 14, die schraubenförmigen Wendeln oder Koppler 15 und die Lampenfüllung waren diejenigen, die zur Bestimmung der Impedanz verwendet wurden und sind weiter oben im einzelnen beschrieben worden.

Claims

Kopplungsanordnung für eine elektrodenlose HID-Lampe mit integriertem Anpassungsnetzwerk zur Impedanzanpassung mit einem ersten schraubenförmigen Koppler (15), der an einem ersten Ende Eingangsleistung empfängt und ein zweites Ende besitzt, das einem Zwischenraum zur Aufnahme einer Lampenkapsel (14) zugewandt ist, einem zweiten schraubenförmigen Koppler (15), der koaxial zum ersten schraubenförmigen Koppler angeordnet ist, an einem ersten Ende Eingangsleistung empfängt und ein zweites Ende aufweist, das dem Zwischenraum für die Aufnahme der Lampenkapsel (14) zugewandt ist, mit Kopplungselementen (32, 20), welche die Leistung zum zweiten schraubenförmigen Koppler (15) verzögern, um eine Phasenverschiebung um 180° zwischen dem ersten und dem zweiten Koppler (15) zu erzeugen, und einem Viertelwellenwandler (33), der ein erstes Ende aufweist, das an das erste Ende des ersten schraubenförmigen Kopplers (15) gekoppelt ist, und ein zweites Ende, das an eine Nebenschluss-Reaktanz (35, 11) und eine Hochfrequenz-Leistungsversorgung angeschlossen ist, wobei der Viertelwellenwandler (33) und die Kopplungselemente (32, 20) als Mikrostreifen, Streifenleitung und Stegleitung ausgebildet sind.
Kopplungsanordnung nach Anspruch 1, bei welcher die Nebenschluss-Reaktanz (35, 11) einen nicht verstellbaren Kondensator aufweist.
Kopplungsanordnung nach Anspruch 2, bei welcher der nicht verstellbare Kondensator eine Kapazität von etwa 4 pF besitzt.