DE69615934T2

DE69615934T2 - Entladungslampe mit verringerter magnetischer Störstrahlung

Info

Publication number: DE69615934T2
Application number: DE69615934T
Authority: DE
Inventors: Benjamin Alexandrovich; Valery A. Godyak; Robert B. Piejak
Original assignee: Osram Sylvania Inc
Current assignee: Osram Sylvania Inc
Priority date: 1995-06-14
Filing date: 1996-06-12
Publication date: 2002-04-04
Anticipated expiration: 2016-06-13
Also published as: KR970004971A; DE69615934D1; KR100403394B1; JP3671087B2; CA2178851C; CA2178851A1; EP0749151B1; EP0749151A1; JPH097551A; US5539283A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Entladungslichtquelle, die die Eigenschaften des Oberbegriffs des Anspruchs 10 hat und auf ein Verfahren zur Reduzierung eines externen magnetischen Flusses gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Eine Lampe und ein Verfahren gemäß den Oberbegriffen von Anspruch 1 und 10 sind bekannt aus der US 4,727,294.
Es ist wohlbekannt, dass induktiv gekoppelte elektrodenlose Niedrigdruckentladungslampen viele Vorteile bieten. Eine typische induktiv gekoppelte Entladungslampe umfasst eine Lampenbirne, die in einer vakuumdichten Art gedichtet ist und die mit einem Metalldampf und einem Edelgas bei einem sehr niedrigen Druck gefüllt ist. Ein Induktor wird von einer Hochfrequenzspannungsversorgung (über 20 KHz) mit Energie versorgt und stellt so eine Entladung in dem Raum zwischen dem Induktor und einer fluoreszierenden Schicht, die die innere Oberfläche der Lampenbirne bedeckt, zur Verfügung.
Ein Problem, das bei Betrieb einer Gasentladungslampe auftritt ist, dass elektromagnetische Felder außerhalb der Lampe erzeugt werden, die Hochfrequenzstöhrstrahlungsströme in den Spannungsversorgungsleitungen verursachen. Als Konsequenz insbesondere wegen der magnetischen Komponente des Feldes können Störungen in anderen elektrischen Apparaten (wie Radio- und TV-Empfänger), die mit den Spannungsversorgungsleitungen verbunden sind, auftreten. Deshalb ist die Reduktion der elektromagnetischen Störstrahlung (EMI) und insbesondere ihrer magnetische Komponente eine der wichtigsten Aufgaben für kommerziell realisierbare induktive Entladungslampen.
In dem Gebiet wurden Versuche durchgeführt, den magnetischen Fluss zu reduzieren, der außerhalb der Lampenumhüllung von induktiv gekoppelten Entladungslampen gefunden wird.
Zum Beispiel US-Patent Nr. 4,245,179 und 4,254,363 beschreiben induktive Primärspulengeometrien, die beabsichtigen, den gesamten magnetischen Fluss der Entladung zu reduzieren. Diese Techniken sind jedoch im Allgemeinen nicht sehr praktikabel und es gibt keine verfügbaren Daten, die die Effizienz der Reduzierung des externen magnetischen Flusses zeigen.
US-Patent Nr. 4,645,967, 4,704,562, 4,727,294, 4,920,297 und 4,940,923 lehren einen Satz von leitfähigen kurzgeschlossenen Antistöhrstrahlungsringen 10, 11, 12, die auf der Außenseite der Lampenumhüllung angebracht sind und das Entladungsgefäß umgeben (am besten gezeigt in Fig. 1). Wenn eine Entladung induktiv angeregt ist, erzeugen die Ringe 10, 11 und 12 einen Strom, der einen magnetischen Fluss in entgegengesetzter Richtung zu den primären Fluss induziert, der einen Teil des magnetischen Flusses der primären Spule neutralisiert.
Nachteilhafterweise ist diese Technik nicht sehr effizient und sie wurde befunden, den magnetischen Fluss, der von der Entladung emittiert wird nur ungefähr um 1,8 bis 2,0 Dezibel (dB) pro Ring zu reduzieren. Effizientere Techniken um die magnetische Komponente des elektromagnetischen Feldes, das von der Entladungslampe produziert wird, zu reduzieren, wären in diesem Gebiet hochgradig wünschenswert.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache und effektive Technik bereitzustellen, die deutlich die externe magnetische Stöhrstrahlung reduziert, die von jeder induktiven Entladung emittiert wird, welche von einem Luftkern- oder Ferritkerninduktor, der mit einer Hochfrequenzspannungsversorgung betrieben wird, aufrechterhalten wird.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Entladungslampe mit einer reduzierten magnetischen Stöhrstrahlung bereitzustellen.
Diese Aufgaben sind mit einem Verfahren nach dem Anspruch 1 und einer Lampe nach Anspruch 10 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart. Auch wenn die vorliegende Erfindung ihre Anwendung in dem Abschirmen der magnetischen Komponente von EMI findet, welche von induktiv angeregten Hochfrequenzentladungen erzeugt werden, findet sich eine besondere Nützlichkeit in der Reduzierung des magnetischen externen Flusses, der aus der Entladungslampe austritt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer elektrodenlose Niedrigdruckentladungslampe, die einen Antistöhrstrahlungsring gemäß dem Stand der Technik hat.
Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm einer magnetischen Stöhsstrahlungsreduktionstechnik gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 zeigt diagrammartig eine elektrodenlose Niedrigdruckentladungslampe mit einer abschirmenden Schleife gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm eines Testaufbaus.
Fig. 5 ist ein Diagramm der Abschirmung in Bezug auf die Spannung, die an die Primärspule angelegt wird.
Fig. 6 ist ein Diagramm der relativen Größe und Phase der Spannung, die in einer Kontrollschleife induziert ist in Bezug auf die Spannung, die in einer magnetischen Aufnahmeschleife induziert ist.
Fig. 7 ist ein Diagramm, das die Reiheninduktivität und den Gütefaktor "Q" der Primärspule als Funktion der Frequenz für drei verschiedene Abschlüsse zeigt.
Fig. 8 ist ein Diagramm, das die Größe der Spannung der magnetischen Aufnahmeschleife in Bezug auf die Primärspulenspannung für vier verschiedene Abschlüsse zeigt.
Fig. 9 ist ein Diagramm, das die Änderung der Primärspuleninduktivität und des Gütefaktors "Q" über ein Frequenzspektrum zwischen 4 und 8 MHz für den kapazitierenden Abschluss und den C/R-Abschluss zeigt.
Fig. 10 zeigt schematisch mehrere unabhängige abschirmende Schleifen der vorliegenden Erfindung.
Fig. 11 zeigt schematisch eine abschirmende Schleife der vorliegenden Erfindung, die innerhalb der Lampenumhüllung gesichert ist.
Fig. 12 zeigt schematisch eine abschirmende Schleife der vorliegenden Erfindung mit mehreren Windungen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Bezugnehmend auf Fig. 2 schließt eine elektrodenlose Niedrigdruckentladungslampe 13 eine transparente Glaslampenumhüllung 14 ein, die in einer gasdichten Art gedichtet ist und ein Edelgas (z. B. Argon) und ein verdampftes Metall (z. B. Quecksilber) bei einem sehr niedrigen Druck enthält, womit ein ionisierbares gasförmiges Medium 15 gebildet wird. Die Lampenumhüllung 14 hat eine Birne 16 und eine Kavität 17 (oder einen wiedereintretenden Teil der Lampenumhüllung 14) 17, wobei eine Primärspule 18 vorgesehen ist, die mehrere Windungen eines Kupferdrahts umfasst. Die Primärspule 18 ist Teil eines Induktors 19, der ein Luftkerninduktor oder ein Ferritkerninduktor sein kann. Falls ein Ferritkerninduktor 19 gewählt ist, ist ein stabförmiger Kern (der Kern kann ein Ferritrohr sein) eines magnetischen Materials (Ferrite) innerhalb der Kavität 17 vorgesehen, der von der Primärspule 18 umgeben ist.
Die Primärspule 18 ist mit einer Hochfrequenzspannungsversorgungseinheit 20 (schematisch gezeigt) verbunden, so dass ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld in die Lampenumhüllung 14 induziert werden kann.
Die innere Wand 21 der Lampe 14 ist mit einer transparenten Lage 22 einer lichtemittierenden Substanz beschichtet, wobei dies üblicherweise eine Mischung von verschiedenen fluoreszierenden oder phosphorisierenden metallischen Salzen (wie Kalzium Wolframat, Zinksulfid und/oder Zinksilicat) ist.
Bei Betrieb der Lampe 13 wird ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld in die Lampenumhüllung 14 induziert, das sicherstellt, das eine induktive Entladung innerhalb der Lampenumhüllung 14 aufrechterhalten wird. Die Entladung besteht zum größten Teil aus ultravioletten Strahlen, die unsichtbar sind. Das ultraviolette Licht trifft die fluoreszierende Substanz der Schicht 22, damit diese Strahlung mit einer längeren Wellenlänge im sichtbaren Bereich des Spektrum emittiert. Bei geeigneter Wahl der fluoreszierenden Substanz kann dem Licht jede gewünschte Farbe gegeben werden.
Die Entladungslampe 13, die bei derartigen hohen Frequenzen (oberhalb von 20000 Hz) betrieben wird, kann elektromagnetische Stöhrstrahlung außerhalb der Lampenumhüllung 14 erzeugen, die potentiellerweise fähig sind, Radio- oder Fernsehempfang in der nahen Umgebung der Lampe zu stören und die ernstesten Probleme können durch den externen magnetischen Fluss verursacht werden.
Um diese unerwünschte externe magnetische Stöhrstrahlung deutlich zu reduzieren, ist die Entladungslampe 13 mit wenigstens einer abschirmenden leitenden Schleife 23 versehen, wie am besten in Fig. 2 und in Fig. 3 gezeigt. Die abschirmende Schleife 23 umgibt die Entladung, die innerhalb der Lampenumhüllung 14 erzeugt und aufrechtgehalten wird. Zur leichteren Darstellbarkeit ist in Fig. 2 und 3 nur eine abschirmende Schleife 23 gezeigt; jedoch kann, falls gewünscht, auch mehr als eine abschirmende Schleife eingesetzt werden.
Jede abschirmende Schleife 23 ist in einem angemessenen Blindwiderstand 24 abgeschlossen. Wenn die Entladung induktiv angeregt ist, erzeugt die abschirmende Schleife 23 einen Strom, der einen magnetischen Fluss in eine dem primären Fluss außerhalb der primären Spule entgegengesetzten Richtung induziert, so dass dabei ein Teil des magnetischen Flusses der primären Induktionsspule 18 wirksam neutralisiert wird. Weil der dabei erzeugte Stromfluss in der Schleife 23 größer ist, als der in einem einfachen geschlossenen Ring (wie im Stand der Technik), wird eine Reduzierung der magnetischen Stöhrstrahlung zwischen 6 dB und 25 dB beobachtet, im Vergleich zu 1,8 bis 2,0 dB, wenn geschlossene Ringe eingesetzt werden.
Neben anderen Faktoren hängt die genaue Reduktion des magnetischen Flusses von der Kopplung zwischen der Primärspule 18 und der abschirmenden Schleife 23, dem spezifischen Blindwiderstand 24, mit dem die Schleife 23 abgeschlossen ist und dem Unterschied zwischen der Frequenz des Entladungsbetriebs (eine vorbestimmte Betriebshochfrequenz) und der Resonanzfrequenz der abgeschlossenen Schleife 23 ab.
Der wichtige Schlüssel, um diese Technik wirksam zu machen, ist die Wahl des richtigen Blindwiderstandes 24, mit dem die abschirmende Schleife 23 abgeschlossen wird, so dass der Strom in der Schleife 23 von angemessener Größe ist und antiphasisch in Bezug auf den Strom, der in der Primärspule 18 fließt, der die Entladung aufrechterhält, ist. Weil die abschirmende Schleife 23 in ihrer elektrischen Natur immer induktiv ist, ist der Gesamtabschlussblindwiderstand 24 in seiner Natur immer kapazitiv und kann ebenso einen gewissen Widerstand beinhalten, um den Frequenzbereich der magnetischen Flussreduktion (auf Kosten von ein paar dB der Wirksamkeit) verbreitern.
Es wird von einem Fachmann richtig eingeschätzt werden, dass die Wahl der Abschlussblindwiderstandes 24 alles andere als offensichtlich ist. Maximale magnetische Abschirmung wird bei einer Frequenz erreicht, die etwas oberhalb der Frequenz liegt, bei der der Schleifenblindwiderstand und der Abschlussblindwiderstand zusammen in Resonanz kommen. Um den magnetischen Fluss außerhalb der Entladungslampe 13 deutlich zu reduzieren, sollte die Schleife 23/Abschluss 24 Kombination unterhalb der Frequenz in Resonanz kommen, mit der die Entladungslampe 13 betrieben wird. Falls der Abschlussblindwiderstand 24 die abschirmende Schleife 23 etwas oberhalb der Betriebsfrequenz in Resonanz kommen läßt, wird der gegenteilige Effekt beobachtet und der magnetische Fluss außerhalb der Entladungslampe 13 ist größer als er ohne jeglich abschirmende Schleife 23 wäre. Die Resonanz der abschirmenden Schleife mit dem Abschluss 24 genau mit der Betriebsfrequenz der Entladungslampe ist ebenso nicht wünschenswert, da dies einen erhöhten externen magnetischen Fluss ergibt und die Verluste, die sich in der primären Spule 18 zeigen, gewaltig erhöht.
Um den oben beschriebenen Effekt zu erläutern, wurden die Messungen in dem Testbett, wie in Fig. 4 gezeigt, durchgeführt. [Fig. 4 ist eine schematische Darstellung der Geometrie der Primärspule 18 und der verschiedener Schleifen, um dem Effekt zu demonstrieren.] Primärspule 18 (Schleife 25) besteht aus einer 10 cm (vier Inch) langen Spule mit achtundzwanzig (28) Windungen und einem äußeren Durchmesser von ungefähr 3,2 cm (ein und ein Viertel Inch). Die Induktivität dieser Spule ist etwa acht (8) uH. Die elektromagnetische Feld-(emf)-Kontrollschleife 26 hat einen äußeren Durchmesser von 5 cm (zwei Inch) und wird benutzt, den emf bei diesem Durchmesser zu messen. Die abschirmende Schleife 23 ist eine Schleife mit einem äußeren Durchmesser von 10 cm (vier Inch), dessen induzierter Strom den magnetischen Fluss der von der Primärspule 18 erzeugt wird, aufwiegt. Der Abschlussblindwiderstand 24 ist in die abschirmende Schleife 23 eingefügt. Die magnetische Aufnahmeschleife 27 ist eine elektrostatisch abgeschirmte magnetische Aufnahmeschleife mit einem äußeren Durchmesser von ungefähr 35,6 cm [vierzehn (14")]. Diese Schleife wurde benutzt, um die Größe der Abschirmung, die mit der abschirmenden Schleife 23 erreicht wurde, anzuzeigen. Für alle hier beschriebenen Tests ist die emf-Kontrollschleife 26 und die abschirmende Schleife 23 in der Mittelebene der primären Induktionsspule 18. Um die magnetische Abschirmtechnik zu demonstrieren, wurden die Verstärkung/Phase und Impedanzmessungen über ein Frequenzspektrum bei der Betriebsfrequenz der Primärspule aufgenommen, wobei ein HP 4194A Verstärkung-/Phasen- und Impedanzanalysierer benutzt wurde.
Fig. 5 zeigt das Verhältnis der Größen (in dB) und die Phasendifferenz zwischen der Primärspulenspannung und Spannung, die in die magnetische Aufnahmespule induziert wurde über einen Frequenzbereich zwischen 1 MHz und 5 MHz für drei Fälle: eine offen geschaltete Abschirmschleife (im Wesentlichen keine Abschirmung), eine kurzgeschlossene Abschirmschleife (Stand der Technik) und eine abgeschlossene Abschirmschleife (vorliegende Erfindung). Die Spannung, die in die magnetische Aufnahmeschleife 27 induziert wird, ist proportional zu der magnetischen Stöhrstrahlung von der betriebenen Primärspule 18. Das Absenken des relativen magnetischen Flusses mit der Frequenz kann im Fall der offenen Schaltung ignoriert werden, da es einfach den Frequenzgang der magnetischen Aufnahmeschleife 27 wiedergibt. Die Stärke der magnetischen Abschirmung, die in Bezug auf die Spannung, die an die Primärspule 18 angelegt ist, auftritt, ist der Unterschied zwischen dem magnetischen Fluss ohne Abschirmung und dem mit Abschirmung (kurzgeschlossen oder abgeschlossen). Fig. 5 zeigt, dass die kurzgeschlossene Schleife, wie im Stand der Technik beschrieben, etwa 1,8 dB Abschirmung aufweist und frequenzunabhängig ist. Die abgeschlossene Schleife 23 bietet eine "negative" Abschirmung, d. h. eine Erhöhung des magnetischen Flusses der Primärspule 18 bei Frequenzen unterhalb der Resonanz (etwa 2,5 MHz) der abgeschlossenen Schleife 23, während es eine deutlich stärkere Abschirmung als die kurzgeschlossene Schleife oberhalb der Resonanzfrequenz bietet. Zwei Kreise zeigen den Punkt der maximalen magnetischen Abschirmung und die entsprechende Phasenantwort, welche bei 2,74 MHz auftritt. Die maximale magnetische Flussreduktion ist in diesem Fall etwa 8 dB unterhalb des unabgeschirmten Ergebnisses. Das Verhalten dieser abgeschlossenen Schleife ist stellvertretend für deren allgemeines Verhalten: bei Frequenzen unterhalb der Resonanzfrequenz einer abgeschlossenen Schleife erhöht sich der aufgenommene magnetische Fluss; während bei Frequenzen oberhalb ihrer Resonanz der relative aufgenommene magnetische Fluss absinkt. Von der relativen Stärke des magnetischen Flusses und den Phasendaten kann geschlossen werden, dass unterhalb der Resonanz der Stromfluss in der abgeschlossenen Schleife 23 in derselben Richtung ist, wie in der Primärspule und den magnetischen Fluss, den sie einschließt, verstärkt; daher erhöht sich der magnetische EMI der Primärspule. Während oberhalb der Resonanz der Stromfluss in der abgeschlossenen Schleife 23 entgegengesetzt zu dem Stromfluss in der Primärspule 18 ist und er den gesamten magnetischen Fluss, den er einschließt, neutralisiert (reduziert); daher sinkt die magnetische Stöhrstrahlung von der Primärspule 18 ab. Gestützt auf diese Messungen kann die abgeschlossenen Schleife 23 als eine frequenzabhängige magnetische Abschirmtechnik verstanden werden, die unterhalb der Betriebsfrequenz der Entladung in Resonanz kommen muss, um wirksam zu sein.
Die in Fig. 5 gezeigten Daten zeigen die Größe der Abschirmung in Bezug auf die Spannung, die an die Primärspule 18 angelegt ist; jedoch eine aussagekräftigere Größe der Wirksamkeit der magnetischen Abschirmung ist in Fig. 6 gegeben, die die relative Größe und Phase der Spannung zeigt, die in die emf-Kontrollschleife 26 induziert wird in Bezug genommen zu der Spannung, die in der magnetischen Aufnahmeschleife 27 induziert wird. Weil die abschirmende Schleife 23 etwas von dem magnetischen Feld der Primärspule 18 neutralisiert, reduziert sie leicht die Spannung, die in der emf- Kontrollschleife 26 induziert wird. Weil diese induzierte Spannung die Betriebsspannung für die Hauptkomponente der induktiven Entladung darstellt, ist der Quotient zwischen ihr und dem externen magnetischen Fluss ein genaueres Maß für die Wirksamkeit der Abschirmung. Daher zeigt Fig. 6, dass die kurzgeschlossene Schleife magnetische Stöhrstrahlnug wirksam um 1,6 dB reduziert, während die abgeschlossene Schleife sie um etwa 6,5 dB in Bezug auf die Spannung, die die Entladung aufrechterhalten würde, reduziert.
Fig. 7 zeigt die Reiheninduktivität und den Gütefaktor "Q" für die Primärspule als Funktion der Frequenz für die drei vorher erwähnten verschiedenen Abschlüsse für die abschirmende Schleife 23. Diese Daten unterstützen die Daten von Fig. 5. Die Primärspuleninduktivität, LS, ist für die offengeschaltete Schleife nahezu konstant; und sie ist etwas weniger mit der kurzgeschlossenen Schleife, weil der Strom durch die Schleife den magnetischen Fluss in der Primärspule 18 leicht reduziert. Für den Fall der abschirmenden (abgeschlossenen) Schleife 23, ist LS größer als die offenengeschaltete LS unterhalb der Resonanz (was anzeigt, dass die abgeschlossene Schleife einen Stromfluss hat, der den gesamten Fluss, den sie einschließt, vergrößert), während oberhalb der Resonanz, LS weniger ist als für die offengeschaltete LS (was anzeigt, dass die abgeschlossene Schleife einen Stromfluss hat, der dem gesamten Fluss, den sie einschließt, entgegengesetzt ist). Die Spitzenänderung für LS für diesen Fall ist +/- 9%.
Die Kurven für den "Q"-Faktor der Primärspule, ebenfalls gezeigt in Fig. 7, sind auch wichtig, diskutiert zu werden, weil sie die praktischen "Kosten" der magnetischen Abschirmung anzeigen. Über den hier gezeigten Frequenzbereich ist der "Q"-Faktor am größten für die offengeschaltete Schleife, etwas kleiner für die kurzgeschlossene Schleife und beträchtlich kleiner (abhängig von der Frequenz) für die abgeschlossene Schleife, wobei der kleinste "Q"-Faktor bei der Resonanz auftritt. Dieses Ergebnis zeigt einfach, dass der ersichtliche "Q"-Faktor der Primärspule die ohmschen Verluste des Stromflusses in der abschirmenden Schleife 23 einschließt. Also im Wesentlichen ist Energieverlust in der abschirmenden Schleife 23 der "Preis" für die Reduktion der magnetischen EMI.
Der "Q"-Faktor der Primärspule bei 2,74 MHz für die abgeschlossene Schleife 23 ist 38, während er etwa 300 ist, wenn die abschirmende Schleifenschaltung offen ist. Diese starke Degradierung im "Q"-Faktor könnte in diesem Fall ein Problem in einer Entladungslampe aufwerfen, falls die in der abschirmenden Schleife 23 dissipierte Energie die Energieübertragungseffizienz (Entladungsenergie/Gesamtenergie zu der Spule geliefert) auf ein unakzeptables Niveau reduziert. Das Problem, ob der reduzierte "Q"- Faktor signifikant ist oder nicht, hängt mit dem Phasenwinkel zwischen der Spannung und dem Strom der Entladung, dem "Q"-Faktor der Schleifen/Abschlussschaltung und dem Verhältnis zwischen der Betriebsfrequenz (die unterdrückt werden soll) und der Resonanzfrequenz der abgeschlossenen Schleife zusammen. Der niedrige "Q"-Faktor, der in diesem Fall beobachtet wird, ist in erster Linie auf den Abschlusskondensator zurückzuführen, der ein "by-pass"-Typkondensator war, mit einem Serienwiderstand von 0,394 Ohm bei 2,7 MHz. Der "Q"-Faktor konnte durch Einsatz eines Abschlusskondensators mit einer besseren Qualität verbessert werden. Ein Abschlusskondensator mit einer besseren Qualität hätte einen niedrigeren Serienwiderstand, der den gesamten "Q"-Faktor erhöht und die magnetische Abschirmung verbessert; das wird weiter unten mit den Daten, die bei 6,78 MHz aufgenommen wurden, diskutiert. Zusätzlich wird aus Fig. 7 klar, dass, falls diese Technik bei einer größeren Frequenz, als bei der die maximale Abschirmung erreicht ist, benutzt wird, die Abschirmung etwas abnehmen würde, aber sie könnte immer noch wirksamer sein, als eine kurzgeschaltete Schleife und der "Q"-Faktor könnte bei der Frequenz so sein, dass er nicht deutlich den Energietransfer beeinträchtigen würde.
Der Effekt des Reihenwiderstandes in dem Abschluss der abschirmenden Schleife auf die Wirksamkeit der Abschirmung und den Primärspulen "Q"-Faktor wurde bei etwas höheren Frequenzen untersucht, indem die Größe der Spannung an der magnetischen Aufnahmeschleife in Bezug auf die Primärspulenspannung (wie in Fig. 5) um 6 MHz herum gemessen wurde. Vier verschiedene Abschlüsse wurden benutzt: eine offengeschaltete Schleife, eine kurzgeschlossene Schleife, ein 1,88 nF Silber-mica-Kondensator (RS = 0,033 Ohm) und ein 1,88 nF Silber-mica-Kondensator in Reihe mit einem 1,2 Ohm- Widerstand (im Weiteren C/R genannt). Das Ergebnis dieser Messung ist über einen Frequenzbereich zwischen 4 und 8 MHz in Fig. 8 gezeigt. Wie ersichtlich, ist der magnetische Fluss mit der kurzgeschlossenen Schleife etwa 2 dB runter, bis zu 26 dB runter (maximale EMI Erniedrigung ist ungefähr 20fach) mit dem 1,88 nF Kondensatorabschluss und ungefähr 6 dB runter (maximal) mit dem C/R-Abschluss. Bei 6,78 MHz, eine willkürlich gewählte Frequenz, ist der magnetische Fluss etwa 16 dB runter mit dem Kondensator und ungefähr 5 dB mit dem C/R-Abschluss.
Die Änderungen der Primärspuleninduktivität und dem "Q"-Faktor über ein Frequenzspektrum zwischen 4 und 8 MHz für den Kondensatorabschluss und den C/R-Abschluss ist in Fig. 9 dargestellt. Mit dem Kondensatorabschluss ist die maximale Primärspuleninduktivität +/- 75% des Werts ohne Abschirmung. Diese dramatische Induktivitätsvariation zeigt, dass bei der Resonanz der Effekt der Abschirmschleife auf die Primärspulencharakteristik ziemlich stark ist. Es ist jedoch zu bemerken, dass bei der Frequenz, bei der die Vorrichtung am wirksamsten den magnetischen Fluss abschirmt (etwa 300 bis 400 KHz überhalb der Resonanz) die Primärspulenimpedanzänderungen weniger als 10 % ist. Es ist unwahrscheinlich, dass diese kleine Änderung in der Primärspulenimpedanz den Betrieb der Entladungslampe beeinträchtigt. Die Änderungen der Primärspuleninduktivität für den C/R-Abschluss ist viel kleiner.
Die Daten für die Änderung des "Q"-Faktors der Primärspule mit der Frequenz ist ebenfalls in Fig. 9 gezeigt. Der C/R-Abschluss ergibt ein breites Minimum im "Q"-Faktor, das eventuell unpraktisch niedrig ist. Die Änderungen des "Q"-Faktors der kapazitiv abgeschlossenen Schleife ist beachtlich schärfer und ausgenommen in der Nähe der Resonanz ist der "Q"-Faktor beachtlich größer als der des C/R-Abschlusses ("Q"-Faktorskala in Fig. 9 ist 100/Teilstrich). Bei 6,78 MHz z. B. ist der "Q"-Faktor des positiven Abschlusses etwa 160, was nur zu einem sehr kleinen Anstieg der Primärspulenverluste durch Abschirmung führen würde. Die in Fig. 8 und 9 gezeigten Daten deuten darauf hin, dass eine Erniedrigung des Widerstandes in der abschirmenden Schleife 23 eine Erhöhung der Wirksamkeit der Abschirmung zusammen mit einer Reduzierung der Energiedissipation in der Primärspule 18 durch gegenseitige Kopplung mit der abschirmenden Schleife 23 ergibt.
Wie schematisch in Fig. 2 gezeigt, ist die abschirmende Schleife 23 außerhalb der Lampenumhüllung 14 angeordnet. Die abschirmende Schleife 23 kann als Ring (z. B. Kupfer) oder als leitfähiger Film geformt sein, der auf der Glaswand 22 der Lampenhüllung 14 abgeschieden ist. Der Film sollte ein ziemlich guter Leiter sein, so dass er nicht zu viel Energie dissipiert.
Jedoch gibt es konzeptgemäß keinen Grund, warum die abschirmende Schleife 23 (in Form eines Rings oder eines Films) nicht innerhalb der Lampenumhüllung (wie am besten in Fig. 11 gezeigt) angeordnet sein könnte. Selbstverständlich sollte jedes Problem der Kompatibilität der Materialien zwischen der abschirmenden Schleife 23 und dem gasförmigen Medium (z. B. Quecksilber) innerhalb der Lampenumhüllung betrachtet werden. Falls z. B. Quecksilber Teil des gasförmigen Mediums ist, wäre ein Kupfermetallring, der der Lampenatmosphäre ausgesetzt wäre, keine gute Wahl, weil er in einer Art mit Quecksilber wechselwirkt, die vernichtend für den Lampenbetrieb ist. Wolfram könnte eine gute Wahl von dem Standpunkt der Quecksilberkompatibilität her sein. Weiterhin muss ein Kondensatormaterial benutzt werden, das eingekapselt ist, so dass es nicht ausgast und das mit der Quecksilber/Puffergasentladungsatmosphäre kompatibel ist.
Es kann mehr als eine abschirmende Schleife 23 benutzt werden, um externe magnetische Stöhrstrahlung abzuschirmen. Das Kriterium für mehr als eine Schleife ist einfach durch die Stärke der benötigten Abschirmung bestimmt. Zwei abschirmende Schleifen werden effektiver sein als eine (obgleich nicht zweimal so effektiv). Ebenso wie mit einer einzelnen abschirmenden Schleife würde eine Mehrzahl von abschirmenden Schleifen am effektivsten sein, wenn die Ebene der Schleife parallel zu der Ebene der betriebenen Primäreinheit ist. Die abschirmenden Schleifen können unabhängig voneinander sein (wie am besten in Fig. 10 gezeigt) oder eine abschirmende Schleife mit mehreren Windungen kann benutzt werden (wie am besten in Fig. 12 gezeigt), statt einer Mehrzahl von unabhängigen Schleifen 23. Die abschirmende Schleife mit mehreren Windungen würde weniger Kapazität erfordern, um in Resonanz zu kommen.
Die beste Stelle für die abschirmende Schleife 23 ist in der Mittelebene der Entladung, obgleich sie nicht genau dort sein muss. Sie könnte ebenso außerhalb des Zentrums der Mittelebene angeordnet sein. Sie muss dem betriebenen Induktor nahe genug sein, so dass genügend Kopplung erreicht werden kann, um den nötigen Strom zu induzieren, um den magnetischen Fluss des betriebenen Induktors 19 zu minimieren oder zu reduzieren. Falls die Schleife 23 außerhalb der Birne 16 ist, ist es einfach einen mit Kupfer metallisierten Filmring auf der Glasoberfläche aufzubringen (z. B. mit Plasmadampfdeposition) und zwar so, dass der Filmring bei einem gewissen Punkt unterbrochen ist, wo der Abschlusskondensator 24 angeschlossen ist. Maximale EMI- Unterdrückung tritt auf, wenn die abschirmende Schleife 23 aus dem Material mit der höchsten Leitfähigkeit gemacht ist; jedoch auch mit einem weniger leitfähigen Ringmaterial kann beachtliche EMI-Unterdrückung immer noch erreicht werden. Nebenbei bemerkt, der Abschlusskondensator 24 kann sehr klein gemacht werden, da er höchstens für ein paar Volt ausgelegt sein braucht.
Die vorliegende Erfindung stellt eine neue Technik zur Reduzieren der magnetischen Stöhrstrahlung für eine induktiv gekoppelte Entladung dar, welche in der Praxis eine Größenordnung wirksamer ist als die im Stand der Technik beschriebene. Diese Erfindung zeigt, dass externe magnetische Interferenzen eines betriebenen Induktors durch Umgeben des Induktors mit einer abgeschlossenen Schleife, dessen Resonanzfrequenz etwas niedriger ist als die der Betriebsfrequenz, reduziert werden kann. Die Ergebnisse lassen darauf schließen, dass der Gesamtwiderstand der abschirmenden Schleife die Wirksamkeit der Abschirmung stark beeinflusst und außerdem die Wirksamkeit des Energietransfers beeinflusst. Hinzufügen von Widerstand zu der abschirmenden Schleifenschaltung reduziert den "Q"-Faktor" der Primärspule und führt dazu, die Resonanz breitbandiger zu machen, was die Größe der magnetischen Abschirmung reduziert und die Energieeinbringung in die abschirmende Schleifung erhöht. Quantitativ ist die Beziehung zwischen dem abschirmenden Schleifenwiderstand und den Primärspuleneigenschaften von der genauen Geometrie der Primärspule und der abschirmenden Schleife, der Kopplung zwischen den beiden Schleifen und dem Unterschied zwischen der Resonanzfrequenz der abschirmenden Schleife und der Betriebsfrequenz beeinflusst. Obwohl die Technik zusammen mit einer elektrodenlosen Niedrigdruckentladungslampe diskutiert wurde, könnte sie für die EMI-Reduzierung in verschiedenen Anwendungen in Betracht gezogen werden. Eine einfache EMI-Reduzierungstechnik ist oben beschrieben, die deutlich den externen magnetischen Fluss einer Induktionsspule, die mit einer Hochfrequenzquelle betrieben wird, reduziert. Diese Technik reduziert wesentlich die magnetischen Stöhrstrahlung, die von irgendeiner induktiven Entladung emittiert wird, die mit einem Luftkerninduktor oder einem Ferritkerninduktor aufrechterhalten wird, solange der Ferritkern keinen geschlossenen magnetischen Pfad bildet.
Es wird von Fachleuten richtig eingeschätzt werden, dass innerhalb des Bereichs der beigefügten Ansprüche die Erfindung anders umgesetzt werden kann als hierin spezifisch beschrieben.

Claims

1. Verfahren zur Reduzierung eines externen magnetischen Flusses, der von einem Induktor (19) emittiert wird, der von einem ionisierbaren gasförmigen Medium (15) umgeben ist, wobei der Induktor (19) eine Primärspule (18) einschließt, die mit einer vorbestimmten Hochfrequenz betrieben wird, um eine induktive Entladung aufrecht zu erhalten,

wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

das Umgeben des Induktors (19) mit wenigstens einer abschirmenden leitfähigen Schleife (23), die eine Induktivität hat,

gekennzeichnet durch das

Abschließen der wenigstens einen abschirmenden Schleife (23) mit einem kapazitiven Abschluss (24), um mit der wenigstens einen abschirmenden Schleife (23) in Resonanz zu kommen, und das

Vorsehen einer Resonanzfrequenz des kapazitiven Abschlusses (24) in Reihe mit der Induktivität der abschirmenden Schleife (23) unterhalb der vorbestimmten Betriebsfrequenz der Primärspule (18).

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die induktive Entladung in einer elektrodenlose Niedrigdruckentladungslampe (13) aufrecht erhalten wird, und das weiterhin die folgenden Schritte umfasst:

das Vorsehen einer dichten transparenten Lampenumhüllung (14), die mit dem gasförmigen Medium (15) gefüllt ist, wobei das gasförmige Medium (15) ein Edelgas und ein verdampftes Metall einschließt, und wobei der Induktor (19) in der Lampenumhüllung (14) aufgenommen ist,

das Aufbringen einer Schicht (22) eines fluoreszierenden Materials auf der internen Oberfläche (21) der Lampenumhüllung (14), und das

Vorsehen von Mitteln (20) zum Anlegen einer Hochfrequenzspannung an die Primärspule (18) zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes in der Lampenumhüllung (14), um die induktive Entladung im dem gasförmigen Medium (15) aufrechtzuerhalten, wobei das fluoreszierende Material (22) durch die Entladung in dem gasförmigen Medium (15) zur Emission von Licht angeregt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2 weiterhin den Schritt umfassend, die abschirmende Schleife (23) außerhalb der Lampenumhüllung (14) zu sichern.

4. Verfahren nach Anspruch 2 weiterhin den Schritt umfassend, die abschirmende Schleife (23) innerhalb der Lampenumhüllung (14) zu sichern.

5. Verfahren nach Anspruch 1 weiterhin den Schritt umfassend, den Induktor (19) mit mehreren unabhängigen abschirmenden Schleifen (23) zu umgeben, wobei jede in einem entsprechenden kapazitiven Abschluss (24) abgeschlossen ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die abschirmende Schleife (23) einen leitfähigen Ring mit mehreren Windungen (23) einschließt, der in einem kapazitiven Abschluss (24) abgeschlossen ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1 weiterhin den Schritt umfassend, die abschirmende Schleife in der Mittelebene der Primärspule (18) zu positionieren.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Induktor (19) einen Luftkerninduktor einschließt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Induktor (19) einen Ferritkerninduktor einschließt.

10. Eine Gasentladungslampe (13) mit reduzierter externer magnetischer Störstrahlung mit:

einer dichten transparenten Lampenumhüllung (14), die mit einem ionisierbaren gasförmigen Medium (15) gefüllt ist, wobei das gasförmiges Medium (15) ein Edelgas und ein verdampftes Metall einschließt,

eine Schicht (22) eines fluoreszierenden Materials, das auf der internen Oberfläche (21) der Lampenumhüllung (14) angeordnet ist,

ein Induktor (19), der innerhalb der Lampenumhüllung (14) aufgenommen ist, wobei der Induktor (19) eine Primärspule (18) einschließt,

Mittel (20) zum Anlegen einer Spannung einer vorbestimmten Betriebshochfrequenz an die Primärspule (18) zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes innerhalb der Lampenumhüllung (14), um eine induktive Entladung in dem gasförmigen Medium (15) aufrecht zu erhalten, wobei das fluoreszierende Material (22) durch die Entladung in dem gasförmigen Medium (15) zur Emission von Licht angeregt wird,

wenigstens einer abschirmenden leitfähigen Schleife, die den Induktor (19) umschließt,

gekennzeichnet dadurch, dass

die wenigstens eine abschirmende Schleife (23) in einem kapazitiven Abschluss (24) abgeschlossen ist, um mit der wenigstens einen abschirmenden Schleife (23) in Resonanz zu kommen, wobei

eine Resonanzfrequenz des kapazitiven Abschlusses (24) in Reihe mit der Induktivität der abschirmenden Schleife (23) unterhalb der vorbestimmten Betriebsfrequenz der Primärspule (18) aufrecht erhalten wird.

11. Entladungslampe nach Anspruch 10, wobei die wenigstens eine abschirmende Schleife (23) außerhalb der Lampenumhüllung (14) gesichert ist.

12. Entladungslampe nach Anspruch 10, wobei die wenigstens eine abschirmende Schleife (23) innerhalb der Lampenumhüllung (14) gesichert ist.

13. Entladungslampe nach Anspruch 10, wobei der Induktor (19) mit mehreren unabhängigen abschirmenden Schleifen (23) umgeben ist, wobei jeder mit einem entsprechenden kapazitiven Abschluss (24) abgeschlossen ist.

14. Entladungslampe nach Anspruch 10, wobei die abschirmende Schleife (23) einen leitfähigen Ring mit mehreren Windungen (23) einschließt, der in einem kapazitiven Abschluss abgeschlossen ist.

15. Entladungslampe nach Anspruch 10, wobei die wenigstens eine abschirmende Schleife (23) in der Mittelebene der Primärspule (18) positioniert ist.

16. Entladungslampe nach Anspruch 10, wobei der Induktor (19) einen Luftkerninduktor einschließt.

17. Entladungslampe nach Anspruch 10, wobei der Induktor (19) einen Ferritkerninduktor einschließt.

18. Entladungslampe nach Anspruch 10, wobei die Lampenumhüllung (14) und das gasförmige Medium (15) für Betrieb bei einer Frequenz von mehr als einem MHz ausgewählt sind.

19. Entladungslampe nach Anspruch 10, wobei das Edelgas aus der Gruppe bestehend aus Argon, Krypton, Xenon und Neon ausgewählt ist.

20. Entladungslampe nach Anspruch 10, wobei das verdampfte Metall aus der Gruppe bestehend aus Quecksilber und Natrium ausgewählt ist.

21. Entladungslampe nach Anspruch 10, wobei die wenigstens eine abschirmende Schleife (23) einen leitfähigen Film einschließt, der auf der Lampenumhüllung (14) aufgebracht ist.