DE4412469A1 - Elektromagnetische Entladungsvorrichtung mit dualen Leistungsverstärkern - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf elektrische Entladungseinrichtungen und betrifft insbesondere eine elektromagnetische Entladungsvorrichtung für elektrodenlose Entladungen hoher Intensität, gemeinhin elektrodenlose HID- Bogenlampen genannt (electrodeless HID arc lamps).

Es wurden elektrodenlose Lichtquellen entwickelt, die mit der Kopplung von Hochfrequenzleistung an eine Hochdruck- Bogenentladung in einer elektrodenlosen Lampe arbeiten. Diese Lichtquellen besitzen typischerweise eine mit einer Endeinrichtung (termination fixture) verbundene Hochfrequenz- Leistungsquelle mit einem inneren Leiter und einem den inneren Leiter umgebenden äußeren Leiter. Die elektrodenlose Lampe ist am Ende des inneren Leiters positioniert und wirkt als eine Endlast (termination load) für die Einrichtung. Die Endeinrichtung hat die Funktion, während einer Hochdruck-Entladung die Impedanz der elektrodenlosen Lampe an die Ausgangsimpedanz der Hochfrequenz- Leistungsquelle anzupassen. Auf diese Weise wird ein hoher Prozentsatz der Hochfrequenz-Eingangsleistung von der Entladung in der elektrodenlosen Lampe absorbiert, sobald die Hochdruckentladung ihren Gleichgewichtszustand erreicht.

Frühere Patente beschreiben elektrodenlose Lichtquellen, bei welchen die Ende einer Richtung einem Ende der elektrodenlosen Lampe Leistung zuführt. Auch wenn Lichtquellen mit einendiger Ankopplung im allgemeinen zufriedenstellende Ergebnisse erbringen, so haben sie doch gewisse Nachteile. Wird Leistung an ein Ende der Lampe gekoppelt und ist das andere Ende leerlaufend, dann nimmt das elektrische Feld in der Lampe mit wachsender Entfernung von dem die Leistung ankoppelnden Leiter ab. Als Ergebnis nimmt auch die Entladungsintensität mit zunehmender Entfernung von dem die Leistung ankoppelnden Leiter ab. Dies gibt Anlaß zu ungleichmäßiger Helligkeit.

Ungleichmäßige Lichtbögen sind aus verschiedenen Gründen unerwünscht. Sie erzeugen in der Wand der Hülle sowohl Heißstellen als auch Kaltstellen. Heißstellen treten nahe den Punkten maximaler Bogenintensität und an denjenigen Punkten auf, wo der Bogen sich an die Lampenhülle heftet. Das Material der Hüllenwand besitzt eine maximale Betriebstemperatur. Deshalb wird die Gesamtleistung, die der Lampe zugeführt werden kann, ohne die Maximaltemperatur zu überschreiten, durch die Existenz von Heißstellen reduziert. Die Lichtabgabe der Lampe ist dementsprechend verringert. Darüberhinaus wird, für einen vorgegebenen Wert der Eingangsleistung, die Lebensdauer der Lampe reduziert, wenn Heißstellen auftreten. Kaltstellen kommen an denjenigen Stellen der Lampenwand vor, die am weitesten vom Bogen entfernt sind. Sie sind unerwünscht, weil das Füllmaterial an Kaltstellen auf der Lampenhülle kondensieren und einen Teil der Lichtabgabe durch Absorption blockieren kann. Umgekehrt führt ein gleichmäßigerer Bogen zu einer gleichmäßigeren Wandtemperatur und es läßt sich sowohl ein höherer Pegel an Eingangsleistung als auch an Lichtabgabe erreichen. Auch erhöht sich die Lebensdauer der Lampe, wenn Temperaturänderungen über die Lampenwand minimiert werden. Deshalb ist es bei der Speisung elektrodenloser HID-Lampen von Vorteil, an beiden Enden der rohrförmigen Kapsel Leistung zuzuführen, um eine gleichmäßige Aufheizung der Lampenhülle zu gestatten.

Das U.S. Patent Nr. 4 266 162, das am 5. Mai 1981 McNeill et al erteilt wurde, beschreibt eine elektromagnetische Entladungsvorrichtung mit einer Kopplungseinrichtung, die Leistung an beiden Enden eines elektrodenlosen Entladungsgefäßes ankoppelt. Die Leistung wird entweder von zwei Hochfrequenz- Leistungsquellen oder von einer einzigen Hochfrequenz- Leistungsquelle unter Verwendung eines Leistungsteilers an die Einrichtung gekoppelt. Da das Synchronisieren bzw. die Phaseneinstellung und die Leistungsteilung in den Hochleistungsabschnitten der Vorrichtung erfolgen, sind höhere Kosten und erhöhtes Leistungsvermögen der Elektronik erforderlich.

Das am 3. Dezember 1991 an Lapatovich ausgegebene U.S.-Patent Nr. 5 070 277 beschreibt ein doppelendiges Erregungsschema zur Lieferung von Mikrowellenenergie an eine in einer elektrodenlosen Lampe verwendete zylindrische Lampenkapsel. Eine einzige Mikrowellen-Leistungsquelle liefert bei Pegeln von ungefähr 25 W Leistung an eine Appliziereinrichtung, wo sie geteilt und beiden Lampenenden über eine Mikrobandsymmetrierleitung (microstrip balun) zugeführt wird.

Obwohl die oben beschriebenen Methoden zur Speisung von Leistung an beide Enden einer Lampe mit unterschiedlichem Erfolg verwendet wurden, wurde festgestellt, daß nach wie vor bestimmte Nachteile vorhanden sind. Beispielsweise gibt es mit Leistungsungleichgewicht verbundene Schwierigkeiten, die eine Überhitzung eines Endes der Lampe bewirken. Ferner wird eine ungleichmäßige Temperaturverteilung längs der Lampenhülle hervorgerufen, die in unerwünschter Art und Weise zu einer Rückverteilung (redistribution) von Kondensat führt. Dies führt wiederum zu reduzierter Lichtabgabe der Lampe und zu einem beschleunigten Angriff durch Bestandteile der chemischen Füllung. Aus diesen Gründen wäre eine Verbesserung der Leistungsverteilung und demzufolge der Aufheizung der Lampenhülle von Vorteil.

Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte elektromagnetische Entladungsvorrichtung zu schaffen, die beiden Enden der Lampe Leistung zuführt.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte elektromagnetische Entladungsvorrichtung zu schaffen, bei welcher die Kosten und die Anforderungen an das Leistungsvermögen (power handling requirements) der Elektronik reduziert und die Langzeit- Zuverlässigkeit verbessert sind.

Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte elektromagnetische Entladungseinrichtung zu schaffen, die zu einem verbesserten Leistungsgleichgewicht und einer gleichmäßigeren Temperaturvetteilung längs der Lampenhülle führt.

Diese Aufgaben werden gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung gelöst durch die Schaffung einer elektromagnetischen Entladungseinrichtung mit einer elektrodenlosen Entladungslampe, die ein Entladungsgefäß mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende besitzt, das ein Füllmaterial aufweist, das eine elektromagnetische Entladung stützt. Der Ausgang eines ersten Leistungsverstärkers wird an ein Ende einer elektrodenlosen Entladungslampe elektromagnetisch gekoppelt, und der Ausgang eines zweiten Leistungsverstärkers wird elektromagnetisch an das andere Ende der Lampe gekoppelt. Ein erster Ausgang eines Leistungsteilers wird (beispielsweise über eine Mikrobandleitung) an den Eingang des ersten Leistungsverstärkers und ein zweiter Ausgang des Leistungsteilers wird (beispielsweise mittels Mikrobandleitung) an den Eingang des zweiten Leistungsverstärkers gekoppelt. Ein Hochfrequenzoszillator zur Erzeugung eines Signals niederer Leistung besitzt einen Ausgang, der an den Eingang des Leistungsteilers angekoppelt ist.

In Übereinstimmung mit weiteren Gesichtspunkten der vorliegenden Erfindung umfaßt die elektromagnetische Entladungsvorrichtung einen Mischer für die Modulation eines Trägersignals, der einen Ausgang besitzt, der an den Eingang des Leistungsteilers angekoppelt ist. Ein Modulationsoszillator für die Erzeugung eines Modulationssignals besitzt einen Ausgang, der an einen ersten Eingang das Mischers angekoppelt ist. Bei der gegenwärtigen Ausführungsform ist der Ausgang des Hochfrequenzoszillators an den zweiten Eingang des Mischers angeschlossen.

In Übereinstimmung mit weiteren Lehren der vorliegenden Erfindung besitzt die elektromagnetische Entladungsvorrichtung einen Phasenschieber mit einem an den Ausgang des Leistungsteilers angeschlossenen Eingang und mit einem Ausgang, der an den Eingang des ersten Leistungsverstärkers angeschlossen ist.

In Übereinstimmung mit weiteren Lehren nach der vorliegenden Erfindung erzeugt der Leistungsteiler Niederleistungssignale an den ersten und zweiten Ausgängen 180° außer Phase.

In Übereinstimmung mit weiteren Aspekten der vorliegenden Erfindung besitzt die elektromagnetische Entladungseinrichtung ein Paar von Wechselstrom-Eingangsanschlüssen und einen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler mit einem Eingang, der an die Wechselstrom-Eingangsanschlüsse angekoppelt ist, und mit einem Gleichstromausgang, der an den Hochfrequenzoszillator und an die ersten und zweiten Leistungsverstärker angeschlossen ist.

In Übereinstimmung mit zusätzlichen Aspekten der vorliegenden Erfindung besitzt die elektromagnetische Entladungseinrichtung ein Paar Gleichstrom-Eingangsanschlüsse und einen Gleichstrom- Gleichstrom-Wandler mit einem Eingang, der an die Gleichstrom- Eingangsanschlüsse gekoppelt ist, und mit einem Gleichstromausgang, der an den Hochfrequenzoszillator und die ersten und zweiten Leistungsverstärker angeschlossen ist.

Weitere Aufgaben, Vorteile und neue Merkmale der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert und den Fachleuten teilweise bei der Prüfung des Folgenden offenbar oder können durch Praktizieren der Erfindung erlernt werden. Die vorgenannten Aufgaben und Vorteile der Erfindung lassen sich vorstellen und erreichen durch die Instrumentarien und Verknüpfung wie sie vor allem in den beigefügten Ansprüchen erläutert werden.

Die Erfindung wird aus der folgenden beispielhaften Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher werden. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer elektromagnetischen Entladungsvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung;

Fig. 2 ein schematisches Diagramm der Ausführungsform der elektromagnetischen Entladungsvorrichtung nach Fig. 1:

Fig. 3 eine bevorzugte Anordnung bzw. Ausgestaltung der Ausführungsform der elektromagnetischen Entladungslampe nach Fig. 1:

Fig. 4 ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform einer elektromagnetischen Entladungseinrichtung nach der vorliegenden Erfindung mit einem Mischer und einem Modulationsoszillator:

Fig. 5 ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform einer elektromagnetischen Entladungsvorrichtung nach vorliegender Erfindung mit einem variablen Phasenschieber;

Fig. 6 ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform einer elektromagnetischen Entladungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung mit einem Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler: und

Fig. 7 ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform einer elektromagnetischen Entladungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung mit einem Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler.

Zwecks besseren Verständnisses der vorliegenden Erfindung zusammen mit anderen und weiteren Aufgaben, Vorteilen und Fähigkeiten wird auf die folgende Erläuterung und die beigefügten Ansprüche in Verbindung mit den oben beschriebenen Zeichnungen Bezug genommen.

Was die Zeichnungen angeht, so zeigt Fig. 1 ein Blockdiagramm einer elektromagnetischen Entladungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung weist eine elektrodenlose Entladungslampe 10 mit einem Entladungsgefäß 12 auf. Die Lampenhülle 12 besitzt ein erstes Ende 14 und ein zweites Ende 16 und schließt ein Füllmaterial ein, daß während elektromagnetischer Entladung Licht emittiert. An die Enden 14 und 16 der elektrodenlosen Entladungslampe 10 ist jeweils Hochfrequenzenergie mittels eines Paars schraubenförmiger Applikatoren 18 und 32 oder dergleichen gekoppelt. Ein Ausgang 24 eines ersten Leistungsverstärkers 20 ist mit dem Ende 14 der elektrodenlosen Entladungslampe 10 verbunden. In gleicher Weise ist ein Ausgang 30 eines zweiten Leistungsverstärkers 26 mit dem Ende 16 der Lampe 10 verbunden. Ein erster Ausgang 38 eines Leistungsteilers 34 ist an den Eingang 22 des ersten Leistungsverstärkers 20 angeschlossen. Ein zweiter Ausgang 40 des Leistungsteilers 34 ist an den Eingang des zweiten Leistungsverstärkers 26 angeschlossen. Ein Hochfrequenzoszillator 44 für die Erbringung eines Niederleistungssignals besitzt einen an den Eingang 36 des Leistungsteilers 34 angeschlossenen Ausgang 46.

Der Oszillator 44 arbeitet mit einer Frequenz im Bereich von 100 MHz bis 300 GHz und befindet sich typischerweise im 15M (Industrial, Scientific and Medical)-Band zwischen 902 MHz und 928 MHz oder im bei 2,45 GHz zentrierten ISM-Band. Eine bevorzugte Betriebsfrequenz ist 915 MHz.

Vorzugsweise besteht die elektrodenlose Entladungslampe 10 aus einer Kapsel oder einem Gefäß 12, die bzw. das in der Lage ist, sowohl Hochfrequenzenergie als auch Licht zu übertragen bzw. durchzulassen. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Kapsel aus einem glasartigen Silicium oder einem ähnlichen lichtdurchlässigen Material hergestellt, das ein eingeschlossenes zylindrisches Volumen mit einer inneren Länge von weniger als 20,0 mm und einem inneren Durchmesser von weniger als etwa 5,0 mm definiert. Die Lampenkapselwand kann etwa 0,5 bis 1,5 mm dick sein bei einem Außendurchmesser von etwa 2,0 mm bis 8,0 mm, in Abhängigkeit von der Kapselwanddicke. Die bevorzugte Kapsel besitzt etwa 10,0 mm lichte Länge, 2,0 mm lichten Durchmesser und einen Außendurchmesser von 4,0 mm.

Die Kapsel schließt eine Lampenfüllung ein, die die verschiedensten zusätzlichen Dotierungsmaterialien umfassen kann, wie es Stand der Technik ist. Die Zusammensetzung der Lampenfüllung wird derart gewählt, daß sie zumindest ein verdampfbares und durch die Hochfrequenzenergie zur Emission erregbares Material einschließt. Die bevorzugte Lampenfüllung umfaßt Argongas und eine metallische Verbindung, wie ein metallisches Salz. Skandiumjodid ist ein bevorzugtes Metallsalz. Eine solcher Lampenfüllzusammensetzung besteht aus 1,0 mg metallischen Quecksilbers und 0,1 mg Natrium-Skandium-Jodid. Der Gasdruck der Argonfüllung bei Raumtemperatur bewegt sich im Bereich von etwa 5 bis 50 Torr und beträgt vorzugsweise 20 Torr. Weitere Einzelheiten der Konstruktion geeigneter Lampenkapseln sind in dem für Lapatovich erteilten U.S. Patent Nr. 5 070 277 erläutert.

Schraubenförmige Applikatoren 18 und 32 sind dazu bestimmt, Energie bzw. Leistung in die Lampenkapsel 10 zu koppeln und sind aus einem Metall wie Nickel hergestellt. Gemäß einem Beispiel wurden die schraubenförmigen Applikatoren für einen Betrieb bei 915 Mhz ausgelegt, wobei eine Kapsel mit lichtem Durchmesser von 2,0 mm und einem Außendurchmesser von 4,0 mm verwendet wurde. Die schraubenförmigen Applikatoren wurden aus Nickeldraht mit 0,635 mm (0,025 Zoll) Durchmesser hergestellt und besaßen eine lichte Weite (bzw. inneren Durchmesser) von 5,0 mm, eine Steigung von 1,46 mm auf 5,2 Drahtwindungen, was eine Gesamtlänge eines schraubenförmigen Applikators von 7,6 mm implizierte. Die Lampenkapsel paßte in die letzte Windung des schraubenförmigen Applikators ohne zu berühren und war dabei rund um den Umfang der Kapsel etwa 0,5 mm von dem schraubenförmigen Applikator getrennt.

Beispiele einer für die Verwendung gemäß vorliegender Erfindung geeigneten elektromagnetischen Ankopplung sind die schrauben­ förmigen Verzögerungsleitungen für Mikrowellen, wie sie im U.S. Patent Nr. 5 070 277 für Lapatovich, oder die Schleifenapplikatoren, wie sie in dem U.S. Patent Nr. 5 130 612 für Lapatovich et al beschrieben sind. Es ist wichtig, festzustellen, daß die EM-Ankopplungsstrukturen die Lampe an keinem Punkt berühren.

Wie in Fig. 1 dargestellt, ist der schraubenförmige Applikator 18 am Lampenende 14 mit dem Ausgang 24 des ersten Leistungsverstärkers 20 mittels einer 50-Ohm-Übertragungs- Mikrobandleitung 76 verbunden. Eine 50-Ohm-Mikrobandleitung 78 koppelt den schraubenförmigen Applikator 32 am Lampenende 16 an den Ausgang 30 des zweiten Leistungsverstärkers 26. Gewöhnlich ist ein Anpassungselement für die Impedanz zwischen dem Leistungsverstärker und dem schraubenförmigen Applikator erforderlich, in dem erläuterten Beispiel jedoch gewährleisten die Entladungslampe und die Applikatoren eine näherungsweise angepaßte bzw. abgeglichene Impedanz für den Leistungsverstärker.

Von den schraubenförmigen Applikatoren 18 und 32 an die Lampenenden 14 und 16 gelieferte Hochfrequenzleistung erzeugt innerhalb der Lampenhülle ein elektrisches Hochfrequenzfeld, welches ausreichte, um in dem Füllmaterial eine Entladung zu unterhalten. Zwecks zuverlässigen Startens sollte das innerhalb der Lampenkapsel durch Mikrowellen induzierte elektrische Feld größer sein, als es für das Hervorrufen einer Entladung erforderlich ist. Für Standard-Elektrodenlampen mit Standard- Lampenfüllungen handelt es sich dabei um etwa 150 Volt pro Zentimeter. Bei Hochfrequenzen wird dieses Feld reduziert. Die Erfordernisse für eine Feldentladung können durch die Beaufschlagung der Kapsel mit einer UV-Lichtquelle während des Startens wesentlich verringert werden, wie dies beispielsweise im U.S. Patent Nr. 4 041 352 für McNeill et al offenbart ist. Hochfrequenzenergie wird in Licht und Wärme umgewandelt und erzeugt im Vergleich mit einendigen Ankopplungsmethoden einen gleichmäßigeren Bogen.

Der Eingang 22 des ersten Leistungsverstärkers 20 ist mittels einer 50-Ohm-Mikrobandleitung 66 mit einem ersten Ausgang 38 des Leistungsteilers 34 verbunden. Eine weitere 50-Ohm- Mikrobandleitung 68 koppelt den Eingang 28 des zweiten Leistungsverstärkers 26 an einen zweiten Ausgang 40 des Leistungsteilers 34. Der Leistungsteiler 34 empfängt am Eingang 36 Leistung vom Ausgang 46 eines Hochfrequenzoszillators 44 und teilt die Eingangsleistung zwischen dem ersten Ausgang 38 und dem zweiten Ausgang 40 auf. Der Eingang 36 des Leistungsteilers 34 ist mit dem Ausgang 46 des Oszillators 44 mittels einer 50-Ohm- Mikrobandleitung 64 verbunden. Wie in Fig. 1 dargestellt, besitzt der Leistungsteiler 34 einen Isolierwiderstand 42. Vorzugsweise sind die an den Ausgängen 38 und 40 erscheinenden Signale um 180° außer Phase.

Anstelle der Verwendung einer planaren Übertragungs­ leitungstechnologie für die Mikrobandleitungen 64, 66, 68, 76, 78, ist es auch möglich, andere geeignete Ankopplungselemente zu verwenden, wie koaxiale Leitungen.

Fig. 2 zeigt ein detailliertes schematisches Diagramm der Ausführungsform der elektromagnetischen Entladungsvorrichtung nach Fig. 1. Der Hochfrequenzoszillator 44 umfaßt eine Halbleiter-Wirkeinrichtung SW, beispielsweise einen statischen Induktionstransistor (SIT) mit einer Quelle, die mit dem einen Ende einer Drossel L1 verbunden ist. Das andere Ende der Drossel L1 ist an die Verbindungsstelle einer Parallelschaltung eines Kondensators C1 und eines Widerstands R1 angeschlossen. Der Drain des Halbleiterschalters SW ist mit einem Ende der Mikrobandleitung 64 verbunden. Eine Gleichstrom-Energiezufuhr, beispielsweise 12-Volt-Gleichstrom, erfolgt über eine Drossel L2 an das eine Ende der Mikrobandleitung 64. An einen Teil der Mikrobandleitung 64 ist ein variabler Kondensator VC zur Einstellung der Frequenz des Oszillators 44 angeschlossen. Das vom Oszillator 44 erzeugte Niederleistungssignal (etwa 1 Watt) ist über einen Kondensator C2 am Eingang 36 des Leistungsteilers 34 angeschlossen, wo zwischen dem ersten Ausgang 38 und dem zweiten Ausgang 40 geteilt wird.

Der erste Leistungsverstärker 20 umfaßt einen integrierten Schaltkreis IC1 mit einem Eingang 22 am Stift 1. Die Stifte 2, 3 und 4 des integrierten Schaltkreises IC1 werden jeweils durch die Kondensatoren C3, C4 und C5 zur Schaltkreismasse überbrückt. Der Stift 6 des integrierten Schaltkreises IC1, der in diesem Fall der Metallflansch an dem Gehäuse ist, ist mit Masse verbunden. Mittels einer Parallelschaltung aus einer Spule L3 und einem Widerstand R3 wird Gleichstromleistung mit dem IC1 verbunden. Der Ausgang 24 des Leistungsverstärkers 20 (am Stift 5 des IC1) ist mit dem Mikrobandleiter 76 verbunden. In gleicher Weise besitzt der zweite Leistungsverstärker 26 einen integrierten Schaltkreis IC2 mit einem Eingang 28 am Stift 2. Die Stifte 2, 3 und 4 des integrierten Schaltkreises IC2 werden jeweils durch Kondensatoren C6, C7, C8 zur Schaltkreismasse überbrückt. Der Stift 6 des integrierten Schaltkreises IC2 ist mit der Schaltkreismasse verbunden. Mittels einer Parallelschaltung aus einer Spule L4 und einen Widerstand R4 ist Gleichstromenergie an den IC2 gelegt. Der Ausgang 30 des Leistungsverstärkers 26 (am Stift 5 des IC2) ist mit der Mikrobandleitung 78 verbunden.

Die integrierten Schaltkreise IC1 und IC2 der Leistungsverstärker 20 und 26 können handelsübliche, für Telefonverbindungsnetze hergestellte Baugruppen sein. Ein geeigneter Typ ist der Mitsubishi-Teil M67720. Es wird für den Fachmann offensichtlich sein, daß auch andere, in den 15M-Bändern arbeitende Verstärker verwendet werden könnten.

Als spezielles Beispiel, das jedoch keineswegs beschränkend auszulegen ist, werden die folgenden Komponenten als für eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geeignet angegeben, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist:

Die Schaltung nach Fig. 2 kann unter Verwendung von Bandleitungs- oder Mikrobandleitungstechnologie aus gedrucktem Leiterplattenmaterial hergestellt werden. Die Bandleitungs- oder Mikrobandleitungstechnologie ist von geringem Gewicht, nicht teuer, leicht herstellbar und kompakt im Vergleich mit Hohlleitern bei Frequenzen von 915 MHz oder 2,45 GHz.

Fig. 3 stellt eine bevorzugte Ausgestaltung der Ausführungsform der elektromagnetischen Entladevorrichtung nach Fig. 2 dar. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Schaltung unter Verwendung von Mikrobandleitungen auf einem Substrat aus Teflon- Fiberglas ausgelegt bzw. angeordnet, wobei der Oszillator in einem hybriden gedruckten Leistungsteiler enthalten ist. Der bei dieser Ausführungsform verwendete 180°-Leistungsteiler ist eine aus 70,7 Ohm-Mikrostreifenleitung konstruierte Ringhybride. Der Leistungsteiler besitzt einen Isolierwiderstand, um jede Erregung im geraden Modus zu dämpfen, d. h. um jedwede In-Phase-Energie zu absorbieren. Die relevanten Auslegungsregeln bezüglich einer Ringhybride sind bekannt und werden beispielsweise in Microstrip Lines and Slotlines, Gupta, K. C., Ramesh, G. and Bahl, I.J., Artech House, Dedham, MA, (1979) Seiten 251-252 diskutiert. Zur Herstellung von Mikrobandleitung- oder Bandleitungsschaltungen können auch andere geeignete Materialien verwendet werden, beispielsweise Aluminiumoxid, Quarz, Aluminiumnitrid, Luftdielektrikum oder anderweitige keramische oder glasgefüllte Substrate.

Die Länge und die Impedanz der Leitungen werden zur Anpassung an die spezielle, zu erregende Lampe eingestellt. Bei der beschriebenen Ausführungsform hatten die Lampe und die Schrauben eine Impedanz von Z = R + jX, mit R = 96 Ohm und X = 38 Ohm. Dies resultiert in einer äquivalenten VSWR von 1,4 : 1, was einer an den Ausgang der Leistungsverstärker angepaßten Impedanzbedingung angenähert ist, wenn gleiche Längen 50-Ohm- Mikrobandleitungen verwendet werden, um die Lampe und die Schrauben mit dem Vorschaltgerät zu verbinden. Eine derartige Vorrichtung kann nominell einer Lampe 50-W-Mikrowellenleistung bei 915 MHz zuführen. Messungen an den Ausgängen der Endverstärker 20 und 26, die mit 50-Ohm-Belastungen abgeschlossen sind, zeigen jeweils 23,8 W und 24,5 W, mit 180°- Phasenverschiebung zwischen den Signalen. Dies entspricht einem Amplituden-Ungleichgewicht von 0,126 dB.

In Fig. 4 ist ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform einer elektromagnetischen Entladungseinrichtung dargestellt, wobei im wesentlichen die gleichen Bauelemente wie diejenigen in Fig. 1 mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind. Wie dargestellt, umfaßt Fig. 4 einen Mischer 50 zur Modulation eines Trägersignals von einem Hochfrequenzoszillator 44. Ein Modulationsoszillator 60 für die Erzeugung eines Modulationssignals besitzt einen mit einem ersten Eingang 54 des Mischers 50 verbundenen Ausgang 62. Der Hochfrequenzoszillator 44 erzeugt ein Trägersignal niedriger Energie und besitzt einen mit einem zweiten Eingang 56 des Mischers 50 verbundenen Ausgang 46. Der Mischer 50 besitzt einen mit dem Eingang 36 des Leistungsteilers 34 verbundenen Ausgang 52. Wichtig ist, daß der Mischer und der Modulationsoszillator, die Amplitudenmodulation bewirken, im Niederleistungsbereich der Vorrichtung angeschlossen sind. Es wird für den Fachmann offensichtlich sein, daß eine ähnliche Anordnung für Frequenzmodulation (FM) oder Pulsbreitenmodulation (PWM) des Niederleistungs-Oszillatorsignals ausgelegt werden kann.

Fig. 5 zeigt ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform einer elektromagnetischen Entladungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung mit einem Phasenschieber 70, der zur Steuerung der Leistungsspeisung der Lampe im Niederleistungsbereich angeordnet ist. Ein Ausgang 74 des Phasenschiebers 70 ist mit dem Eingang 22 des Leistungsverstärkers 20 verbunden. Ein Eingang 72 des Phasenschiebers ist mit dem Ausgang 38 des Leistungsteilers 34 verbunden. Vorzugsweise ist der Phasenschieber variabel und läßt sich von Hand oder elektrisch steuern. Geeignete Einrichtungen für den Phasenschieber 70 umfassen einstellbare Verzögerungsleitungen und spannungsgesteuerte reaktive Elemente (beispielsweise Varactoren (Reaktanzdioden) oder PIN-Dioden).

Die hier beschriebene elektromagnetische Entladungsvorrichtung kann mit Netzspannungen betrieben werden, oder auch mit Gleichstrom-Grundleistung mit zusätzlicher leistungskonditionierender Elektronik. Fig. 6 zeigt ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform einer elektromagnetischen Entladungseinrichtung, die einen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler 82 für die Speisung des Vorschaltgeräts aus Netz-(Wechselstrom-)Spannungen aufweist. Der Eingang 84 des Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlers 82 ist an ein Paar Wechselstrom-Eingangsanschlüsse 80 angeschlossen. Der Ausgang 86 des Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlers 82 ist an den Hochfrequenzoszillator 44 und die ersten und zweiten Leistungsverstärker 20, 26 angeschlossen.

Fig. 7 zeigt ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform einer elektromagnetischen Entladungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung mit einem Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 90, um eine mobile Installation zu ermöglichen, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug. Der Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 90 besitzt einen mit einem Paar Gleichstrom-Eingangsanschlüssen 88 verbundenen Eingang. 92. Der Gleichstromausgang 94 des Wandlers 90 ist an den Hochfrequenzoszillator 44 und die ersten und zweiten Leistungsverstärker 20, 26 angeschlossen. Es wird dem Fachmann klar sein, daß der Betrieb bei anderen Frequenzen als 60 Hz durch geeignete Konditionierung der Grundleistungsquelle erreicht werden kann, beispielsweise 50 Hz in Europa und 400 Hz für den Betrieb in Luftfahrzeugen.

Es wurde somit eine elektromagnetische Entladevorrichtung gezeigt und beschrieben mit einer Leistungszufuhr/einem Lampenvorschaltgerät mit einem Niederleistungsoszillator, Leistungsteilung und Phaseneinstellbereich, sowie mit einem Endverstärker oder einem Leistungsbereich. Der Niederleistungsbereich kann auch einen Mischer enthalten, so daß an den Niederleistungsbereich ein moduliertes Signal angelegt werden kann. Das Modulationssignal kann über Amplituden-, Frequenz- oder Pulsbreitenmodulation (jeweils AM, FM oder PWM) dem Träger aufgedrückt werden. Entsprechend der vorliegenden Erfindung werden die Phaseneinstellung und die Modulation im Niederleistungsbereich durchgeführt, vor der Endverstärkung auf geeignete Leistungspegel. Die Steuerung des Niederleistungssignals verringert die Kosten und die Leistungsanforderungen an die Elektronik erheblich.

Die Leistungszufuhr/das Lampenvorschaltgerät ermöglicht ein besseres Gleichgewicht (d. h. Leistungsspeisung), da Reihenübertragungsleitungsverluste bei einer Hochleistungs- Symmetrierleitung, die eine Lampe treibt, zu einem bevorzugten Strompfad führen, was zu lokaler Überhitzung führt. Vorliegende Erfindung macht eine Hochleistungs-Symmetrierleitung überflüssig.

Jedes Ende der Lampe kann unabhängig bezüglich seiner Impedanz angepaßt werden (das das Gleichgewicht weiter verbessert). Das ist wichtig, da die Geometrie bei der Lampenherstellung selten zwei identische Lampenenden erlaubt, sogar bei gegossenen Kapseln. Dementsprechend sind schon allein aus diesem Grunde einige Impedanzunterschiede zwischen den Enden zu erwarten.

Die vorliegenden Erfindung erlaubt eine größere physikalische Trennung der Leistungseinrichtungen im Vorschaltgerät, als sich in einer Signalausgangsvorrichtung erreichen lassen, wodurch die thermischen Charakteristiken verbessert werden. Dies wird ohne ein erhebliches Anwachsen der Gesamtgröße des Lichtsystems erreicht. Ferner ermöglicht die vorliegende Erfindung eine Niederleistungssteuerung der Differential-Phasenverschiebung, und zwar durch das Einsetzen eines variablen Phasenschiebers in einen Ausgang des Leistungsteilers, was zur Variierung der der Lampe zugeführten Leistung verwendet werden kann, da lediglich die außer Phase befindlichen Komponenten des Stroms in der Lampe verbraucht werden. Da das gesamte Phasenverschieben und Feineinstellen im Niederleistungsbereich des Schaltkreises durchgeführt werden kann, sind die Leitungsverluste, das Heizen und die technischen Daten des Leistungsteilers, der Phasenschieber, der Mischer und der Oszillator verringert. Die Lebensdauer der Vorrichtung wird dementsprechend verlängert sein.

Die vorliegende Erfindung zeigt einen einfachen Weg zur Vergrößerung der einer elektrodenlosen HID-Lampe zugeführten Leistung von nominell 25 W beim Stand der Technik auf nominell 50 W bei der vorliegenden Auslegung. Es wird dem Fachmann klar sein, daß die hier beschriebene Technik auch bei höheren Leistungspegeln angewendet werden kann.

Claims (14)

1. Elektromagnetische Entladungsvorrichtung, bestehend aus:
einer elektrodenlosen Entladungslampe mit einem Entladungsgefäß, das ein erstes und ein zweites Ende aufweist und ein Füllmaterial enthält, das eine elektromagnetische Entladung stützt,
einem ersten Leistungsverstärker mit einem Eingang und einem Ausgang, der elektromagnetisch an das erste Ende der elektrodenlosen Entladungslampe angekoppelt ist,
einem zweiten Leistungsverstärker mit einem Eingang und einem Ausgang, der elektromagnetisch mit dem zweiten Ende der elektrodenlosen Entladungslampe gekoppelt ist,
einem Leistungsteiler mit einem Eingang und einem ersten Ausgang, der an den Eingang des ersten Leistungsverstärkers angeschlossen ist, und mit einem zweiten Ausgang, der an den Eingang des zweiten Leistungsverstärkers angeschlossen ist, und
einem Hochfrequenzoszillator zur Erzeugung eines Niederleistungssignals mit einem an den Eingang des Leistungsteilers angeschlossenen Ausgang.

2. Elektromagnetische Entladevorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Leistungsteiler an den ersten und zweiten Ausgängen 180° außer Phase befindliche Signale erzeugt.

3. Elektromagnetische Entladevorrichtung nach Anspruch 1 mit einem Paar Wechselstromspeiseanschlüssen und einem Wechselstrom- Gleichstrom-Wandler mit einem Eingang, der an die Wechselstrom­ speiseanschlüsse angeschlossen ist und der einen Gleichstromausgang aufweist, der an den Hochfrequenzoszillator und die ersten und zweiten Leistungsverstärker angeschlossen ist.

4. Elektromagnetische Entladevorrichtung nach Anspruch 1 mit einem Paar Gleichstromspeiseanschlüssen und einem Gleichstrom- Gleichstrom-Wandler mit einem Eingang, der an die Gleichstromspeiseanschlüsse angeschlossen ist und einen Gleichstromausgang aufweist, der an den Hochfrequenzoszillator und die ersten und zweiten Leistungsverstärker angeschlossen ist.

5. Elektromagnetische Entladevorrichtung mit
einer elektrodenlosen Entladungslampe mit einem Entladungsgefäß, das ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist und ein Füllmaterial enthält, das eine elektromagnetische Entladung stützt,
einem ersten Leistungsverstärker mit einem Eingang und mit einem Ausgang, der elektromagnetisch an das erste Ende der elektrodenlosen Entladungslampe angeschlossen ist,
einem zweiten Leistungsverstärker mit einem Eingang und mit einem Ausgang, der elektromagnetisch an das zweite Ende der elektrodenlosen Entladungslampe angeschlossen ist,
einem Leistungsteiler mit einem Eingang und einem ersten Ausgang, der an den Eingang des ersten Leistungsverstärkers angeschlossen ist, und mit einem zweiten Ausgang, der an den Eingang des zweiten Leistungsverstärkers angeschlossen ist,
einem Mischer zur Modulation eines Leistungssignals mit einem Ausgang, der an den Eingang des Leistungsteilers angeschlossen ist und einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang aufweist,
einem Modulationsoszillator zur Erzeugung eines Modulationssignals, der einen mit dem ersten Eingang des Mischers verbundenen Ausgang aufweist, und
einem Hochfrequenzoszillator zur Erzeugung eines Niederleistungs- Trägersignals, der einen Ausgang aufweist, der mit dem zweiten Eingang des Mischers verbunden ist.

6. Elektromagnetische Entladevorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher der Leistungsteiler an den ersten und zweiten Ausgängen Niederleistungssignale erzeugt, die um 180° außer Phase sind.

7. Elektromagnetische Entladevorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher der Mischer die Niederleistungs-Trägersignale vom Hochfrequenzoszillator amplitudenmoduliert, frequenzmoduliert oder pulsbreitenmoduliert.

8. Elektromagnetische Entladevorrichtung nach Anspruch 5, die ferner ein Paar Wechselstromspeiseanschlüsse und einen Wechselstrom- Gleichstrom-Wandler aufweist, der einen Eingang besitzt, der mit den Wechselstromspeiseanschlüssen verbunden ist, und der einen Wechselstromausgang besitzt, der mit dem Hochfrequenzoszillator und den ersten und zweiten Leistungsverstärkern verbunden ist.

9. Elektromagnetische Entladevorrichtung nach Anspruch 5 mit einem Paar Gleichstromspeiseanschlüssen und einem Gleichstrom- Gleichstrom-Wandler, der einen Eingang aufweist, der mit den Gleichstromspeiseanschlüssen verbunden ist, und der einen Gleichstromausgang aufweist, der an den Hochfrequenzoszillator und die ersten und zweiten Leistungsverstärker angeschlossen ist.

10. Elektromagnetische Entladevorrichtung, bestehend aus:
einer elektrodenlosen Entladungslampe mit einem Entladungsgefäß, das ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist und ein Füllmaterial enthält, das eine elektromagnetische Entladung stützt,
einem ersten Leistungsverstärker mit einem Eingang und einem Ausgang, der elektromagnetisch an das erste Ende der elektrodenlosen Entladungslampe angeschlossen ist,
einem Phasenschieber mit einem Eingang und einem Ausgang, der an den Eingang des ersten Leistungsverstärkers angeschlossen ist,
einem zweiten Leistungsverstärker mit einem Eingang und einem Ausgang, der elektromagnetisch an das zweite Ende der elektrodenlosen Entladungslampe angeschlossen ist,
einem Leistungsteiler mit einem Eingang und einem ersten Ausgang, der an den Eingang des Phasenschiebers angeschlossen ist, und mit einem zweiten Ausgang, der mit dem Eingang des zweiten Leistungsverstärkers verbunden ist,
und einem Hochfrequenzoszillator zur Erzeugung eines Niederleistungssignals, der einen Ausgang aufweist, der mit dem Eingang des Leistungsteilers verbunden ist.

11. Elektromagnetische Entladevorrichtung nach Anspruch 10, bei welcher der Phasenschieber variabel ist.

12. Elektromagnetische Entladevorrichtung nach Anspruch 10, bei welcher der Leistungsteiler an ersten und zweiten Ausgängen Leistungssignale erzeugt, die um 180° außer Phase sind.

13. Elektromagnetische Entladevorrichtung nach Anspruch 10, die ein Paar Wechselstromspeiseanschlüsse und einen Wechselstrom- Gleichstrom-Wandler aufweist, der einen an den Wechselstrom­ speiseanschlüssen angeschlossenen Eingang und einen Gleichstromausgang besitzt, der an den Hochfrequenzoszillator und an die ersten und zweiten Leistungsverstärker angeschlossen ist.

14. Elektromagnetische Entladevorrichtung nach Anspruch 10, die ein Paar Gleichstromspeiseanschlüsse und einen Gleichstrom- Gleichstrom-Wandler aufweist, der einen Eingang besitzt, der an die Gleichstromspeiseanschlüsse gekoppelt ist und der einen Gleichstromausgang aufweist, der an den Hochfrequenzoszillator und die ersten und zweiten Leistungsverstärker gekoppelt ist.