EP0641510B1 - Elektrodenlose entladungslampe mit filter und impedanzanpassungsschaltung - Google Patents
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- H05B41/00—Circuit arrangements or apparatus for igniting or operating discharge lamps
- H05B41/14—Circuit arrangements
- H05B41/24—Circuit arrangements in which the lamp is fed by high frequency ac, or with separate oscillator frequency
Definitions
- the embodiment described above may nonetheless produce unacceptable RFI levels owing to the close physical proximity of the components.
- the power amplifier, the impedance matching and filter network and the induction coil share a common circuit ground, harmonic currents generated by the amplifier may circulate around the small grounding surface, which contains a finite impedance. As a result, a surface voltage potential develops along the grounding area. Since one end of the induction coil is either directly or capacitively connected to this circuit ground, it will act as a transmitting antenna and radiate a wide range of harmonics to free space.
- Fig. 9 illustrates a cross-sectional view of the electronic components of an electrodeless discharge lamp positioned inside a metal chassis shield.
- Figs. 12, 13 and 14 illustrate equivalent circuits useful in determining the voltages at the inputs to the induction coil in the embodiment of Fig. 11.
- an electrodeless discharge lamp operates in essentially two stages, referred to respectively as the start-up and steady-state stages.
- an electric field generated by the induction coil causes some of the atoms in the gaseous mixture to become ionized. As more and more electrons are freed in this process, a plasma of circulating charged particles is formed.
- the lamp should turn on (i.e., the H-field ionization process should begin) at a specified DC voltage for a given magnetic flux across the induction coil.
- the specified voltage should be as low as possible and is normally defined in terms of a required input power (P min ) to the series L-C induction network.
- induction coil 14 When energized by an oscillating signal, induction coil 14 acts as an antenna and transmits electromagnetic radiation into the surrounding environment.
- Amplifier 12 may be a Class D or Class E amplifier which delivers an output that may be rich in harmonics.
- the basic frequency of the oscillator may be set at a frequency which is within a frequency band approved by the FCC, but the harmonics may be within bands that are forbidden for electrodeless discharge lamps. For example, electrodeless discharge lamps are frequently operated at 13.56 MHz, which is approved for industrial, scientific and medical (ISM) uses.
- the second harmonic (27.12 MHz) and third harmonic (40.68 MHz) are also approved for ISM uses, but the fourth and fifth harmonics are fairly close to television channels 2 and 4, respectively.
- the prohibited frequencies above the third harmonic must in particular be filtered to avoid radio frequency interference (RFI) problems, and RF radiation at the lower frequencies should also be minimized.
- RFID radio frequency interference
- Lamp turn-on occurs at 60 ⁇ V in ⁇ 100 volts DC.
- the steady-state DC supply voltage is 130 volts and 19 RF watts is delivered to the induction coil network.
- the attenuation must be 40 dB or more for f ⁇ 3f o where f o is the oscillator frequency which is equal to 13.56 MHz.
- the induction coil is designed to have an inductance of 5.3 ⁇ H and an equivalent series resistance (ESR) of 2 ⁇ .
- the lamp can be constructed to satisfy the FCC requirements as to permissible RFI emissions.
- Inputs c and d of impedance matching and filter network 13 are directly connected to the single-ended output of amplifier 12, which may be rich in harmonics.
- amplifier 12 may be rich in harmonics.
- a Class D or Class E power amplifier may have an efficiency of 80% or higher but may have outputs which deviate substantially from a pure sine wave and are therefore very "noisy". Designing an effective filtering network for such an amplifier to fit into a very small space, such as is available in an electrodeless lamp, with adequate isolation between components, is very difficult.
- Fig. 5 shows that if induction coil 14 is not Faraday-shielded, it will become a radio frequency transmitting antenna, which is fed by generators G o and G n . Even if the frequency of G o falls within an FCC-approved band (e.g., the band for ISM uses), the frequency of G n would contain the even and odd harmonics of the fundamental frequency. In order to meet the FCC limits, the harmonics produced by generator G n must be either eliminated or substantially reduced before they reach induction coil 14. According to this invention, a method is provided for separating, filtering and isolating generator G n . This is accomplished by connecting filters to all input and output terminals of amplifier 12 and oscillator 11, and by the addition of a conductive Faraday shield around these components.
- FCC-approved band e.g., the band for ISM uses
- symmetrical matching filters 13A and 13B converts the single-ended outputs e and f (circuit ground) of amplifier 12 into double-ended outputs which are identified in Fig. 6 as nodes g and h when referenced to virtual ground (the metal chassis 100). If the symmetrical matching filters 13A and 13B are exactly balanced (each corresponding component is a perfect match), the output signal of filters 13A and 13B will become signals equal in magnitude but opposite in phase at g and h, with respect to virtual ground. The difference between the signals at nodes g and h is equal to the magnitude of output signal of filter 13.
- the embodiment described above provides excellent shielding of the harmonic frequencies produced by amplifier 12, and allows the components to be positioned adjacent each other in a closely confined space such as within an electrodeless discharge lamp. Unless further precautions are taken however, the fundamental frequency will still be radiated by induction coil 14. An arrangement for minimizing radiation of the fundamental frequency will now be described.
- Point P in Fig. 10A represents a point well removed from coil 14 in relation to its length D.
- ⁇ is the wavelength of the signal emitted by coil 14
- X is the distance between point P and coil 14. With ⁇ >> D, and X >> D, point P sees coil 14 essentially as a point source.
- Fig. 11 illustrates the portion of lamp 60 (Fig. 6) which includes amplifier 12 filters 13A and 13B and capacitors 16A and 16B.
- induction coil 14 is shown as split into equal halves 14A and 14B inside an induction coil unit 120.
- Resistors 121A and 121B together represent the reflected resistance from the induced plasma in the sealed vessel (not shown).
- the point labelled z represents the physical center of coil 14.
- Fig. 12 illustrates an equivalent circuit in which the voltage outputs at points g and h have been replaced by equivalent signal sources G a and G b which have impedances R a and R b , respectively.
- the impedance of resistors R a and R b can be made much smaller than the impedances of capacitors 16A and 16B, inductors 14A and 14B, and resistors 121A and 121B. Therefore, the variation in the impedance of resistors R a and R b as a result of temperature changes and differences in the component values of filters 13A and 13B becomes insignificant to the balanced circuit network of Fig. 12 and can be ignored. Accordingly, the equivalent circuit of Fig.
- the voltage at point s is of equal magnitude but opposite phase to the voltage at point t.
- point z at the midpoint between coils 14A and 14B acts as a virtual ground, and the combination of coils 14A and 14B acts as a dipole antenna. If, as described above, the electrical length of coils 14A and 14B is small in relation to the wavelength of the RFI emitted by the "antenna", a point removed from coils 14A and 14B will not experience any net electrical field as a result of the radio frequency signal which is applied to coils 14A and 14B.
- Fig. 14 illustrates the circuitry shown in Figs. 7 and 11, including in particular inductors L 3A and L 3B , capacitors 16A and 16B, inductors 14A and 14B, and resistors 121A and 121B.
- symmetrical filter While a particular form of symmetrical filter is illustrated in Fig. 7, it will be understood by those skilled in the art that a wide variety of symmetrical filters can be designed, some containing, for example, Baluns transformers, conventional transformers, and frequency traps. The broad principles of this aspect of the invention are intended to cover all such variations.
- amplifier illustrated in Figs. 4 and 6 is a single-ended Class D amplifier, other types of single-ended or double-ended (push-pull) amplifiers may be used to provide the input signal to the filter network of this invention.
- oscillator 11 and amplifier 12 are supplied by a power supply 63, which preferably includes a power factor controller as described in the above mentioned Application Serial No. 07/886,718.
- a line filter 62 is included.
- Line filter 62 which is of a structure known to those skilled in the art, also protects the electronic components in lamp 60 against surges and other transients in the 60 Hz AC supply voltage.
Landscapes
- Circuit Arrangements For Discharge Lamps (AREA)
- Discharge Lamps And Accessories Thereof (AREA)
Claims (21)
- Elekrodenlose Entladungslampe (10) miteinem Hochfrequenzverstärker (12) mit zwei Ausgängen,einer Induktionsspulenschaltung (14, 16) mit zwei Eingängen undeiner Filterschaltung (13), die zwischen dem Verstärker (12) und der Induktionsspulenschaltung (14, 16) angeordnet ist,daß die Filterschaltung (13) ein erstes Filter (13A) und ein zweites Filter (13B) aufweist,daß das erste Filter (13A) einen ersten Eingang besitzt, der mit einem ersten Ausgang (e) des Verstärkers (12) verbunden ist, sowie einen Ausgang, der mit einem ersten Eingang (g) der Induktionsspulenschaltung (14, 16) verbunden ist,daß das zweite Filter (13B) einen ersten Eingang besitzt, der mit einem zweiten Ausgang (f) des Verstärkers (12) verbunden ist, sowie einen Ausgang, der mit einem zweiten Eingang (h) der Induktionsspulenschaltung (14, 16) verbunden ist,daß das erste und das zweite Filter (13A, 13B) jeweils einen zweiten Eingang besitzen und diese zweiten Eingänge in einem gemeinsamen Schaltungsknoten (66) miteinander verbunden sind,und daß das erste und das zweite Filter (13A, 13B) annähernd symmetrisch sind, so daß die Ausgangssignale der Filter (13A, 13B) im wesentlichen gleiche Amplituden und entgegengesetzte Phasen haben
- Elekrodenlose Entladungslampe nach Anspruch 1,mit einer leitfähigen Abschirmung für den genannten Verstärker (12), wobei der gemeinsame Schaltungsknoten (66) mit dieser leitfähigen Abschirmung verbunden ist.
- Elekrodenlose Entladungslampe nach Anspruch 2,bei der das erste und zweite Filter (13A, 13B) und der Verstärker (12) von der genannten Abschirmung umschlossen sind und die Induktionsspulenschaltung (14, 16) eine Induktionsspule (14) aufweist, die außerhalb der Abschirmung angeordnet ist.
- Elekrodenlose Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 3,bei der die Induktionsspulenschaltung (14, 16) einen ersten Kondensator (16A) aufweist, der zwischen dem ersten Filter (13A) und einer/der Induktionsspule (14) angeordnet ist, sowie einen zweiten Kondensator (16B), der zwischen dem zweiten Filter (13B) und der Induktionsspule (14) angeordnet ist.
- Elekrodenlose Entladungslampe nach Anspruch 4,bei der der erste und der zweite Kondensator (16A, 16B) im wesentlichen gleich sind
- Elekrodenlose Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 5,bei der das erste Filter (13A) eine erste Induktivität (L1A) und eine zweite Induktivität (L2A) und das zweite Filter (13B) eine dritte Induktivität (L1B) und eine vierte Induktivität (L2B) umfassen, wobei die erste und die dritte Induktivität auf einem ersten gemeinsamen Ringkern und die zweite und die vierte Induktivität auf einem zweiten gemeinsamen Ringkern gewickelt sind.
- Elekrodenlose Entladungslampe nach Anspruch 7,bei der die magnetische Kopplung zwischen der ersten und der dritten Induktivität (L1A, L1B) kleiner als 0,4 und die magnetische Kopplung zwischen der zweiten und der vierten Induktivität (L2A, L2B) kleiner als 0,4 ist.
- Elekrodenlose Entladungslampe nach Anspruch 7,bei der das erste Filter (13A) einen ersten und einen zweiten Kondensator (C1A, C2A) aufweist und das zweite Filter (13B) einen dritten und einen vierten Kondensator (C1B, C2B) aufweist, wobei alle diese Kondensatoren mit dem gemeinsamen Schaltungsknoten (66) verbunden sind.
- Elekrodenlose Entladungslampe nach Anspruch 2 und einem der Ansprüche 3 bis 7, soweit von Anspruch 2 abhängig,bei der die Abschirmung und ein Mittelabgriff (Z) der Spule (14) während des Betriebs der Lampe auf der Masse des Chassis (100) gehalten werden.
- Elekrodenlose Entladungslampe nach Anspruch 9mit zwei abgeglichenen Kondensatoren (16A, 16B), von denen der eine (16A) mit einem Eingang (s) der Spule (14) und der andere (16B) mit dem anderen Eingang (t) der Spule (14) verbunden ist.
- Elekrodenlose Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 10 miteinem Stromversorgungsteil (63),einem Hochfrequenzoszillator (11),und einem Verstärker (12),wobei die Induktionsspule (14) ein von dem Verstärker (12) geliefertes Hochfrequenzsignal übertragen kann, derart daß in einem Gas ein Plasma aus geladenen Partikeln erzeugt wird,wobei das erste und das zweite Filter (13A, 13B) zwischen dem Verstärker (12) und der Induktionsspule (14) angeordnet sind, so daß sie den Durchgang von Hochfrequenzstörungen (RFI) zu der Induktionsspule (14) verhindern,sowie mit einem weiteren Filter (62), das zwischen dem Stromversorgungsteil (63) und einem Netzschalter (61) der Lampe angeordnet ist, so daß es den Durchgang eines Störsignals zu dem Netzschalter (61) verhindert.
- Elekrodenlose Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 10mit einem Metallgehäuse (100), das den Hochfrequenzverstärker (12) umschließt, wobei die Induktionsspule (14) außerhalb des Metallgehäuses (100) angeordnet ist und wobei das Metallgehäuse (100) und der Mittelabgriff (Z) der Spule (14) auf einer virtuellen Masse gehalten werden.
- Elekrodenlose Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 12,bei der die Filterschaltung (13) so ausgebildet ist, daß sie eine Impedanzanpassung bewirkt, wobei diese Impedanzanpassung zwei ausgewählte Innpedanztransformationen für die Induktionsspulenschaltung (14, 16) bei verschiedenen Betriebsbedingungen der Lampe (10) liefert.
- Elekrodenlose Entladungslampe nach Anspruch 13,bei der eine der genannten Betriebsbedingungen beim Einschalten der Lampe (10) auftritt und die andere Betriebsbedingung dem stationären Betrieb der Lampe (10) entspricht.
- Elekrodenlose Entladungslampe nach Anspruch 13 oder 14,bei der die Impedanzanpassungs- und Filterschaltung (13) ein Mittel zum Ausfiltern von Harmonischen der von dem Verstärker (12) erzeugten Hochfrequenzsignale aufweist, das den Durchgang dieser Harmonischen zu der Induktionsspulenschaltung (14, 16) verhindert
- Elekrodenlose Entladungslampe nach Anspruch 14 oder 15,bei der die Induktionsspulenschaltung eine/die Induktionsspule (14) und weiterhin ein Gefäß (15) umfaßt, das ein ausgewähltes Gas enthält, wobei die Induktionsspule (14) nach dem Einschalten der Lampe (10) ein Plasma aus geladenen Partikeln in dem Gas erzeugt,bei der die Induktionsspulenschaltung (14, 16) im Anfangsstadium des Einschaltens der Lampe eine an zwei Eingängen der Schaltung gemessene erste Eigenimpedanz und im stationären eingeschalteten Zustand der Lampe (10) eine zweite Eigenimpedanz an den genannten Eingängen besitzt,und bei der die mit der Induktionsspulenschaltung (14, 16) verbundene Impedanzanpassungs- und Filterschaltung (13) zwei Eingänge aufweist und die genannte im Anfangsstadium des Einschaltens der Lampe vorhandene erste Eigenimpedanz in eine an ihren Eingängen gemessene gewünschte erste Impedanz transformiert und die im stationären eingeschalteten Zustand der Lampe (10) vorhandene zweite Eigenimpedanz in eine an den Eingängen gemessene zweite gewünschte Impedanz transformiert.
- Elekrodenlose Entladungslampe nach Anspruch 16,bei der die zweite Eigenimpedanz wenigstens zehn mal so groß ist wie die erste Eigenimpedanz.
- Elekrodenlose Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 17,bei der die Filterschaltung (13) mehrere elektrische Komponenten und eine Masse aufweist, wobei diese Masse niedrige Impedanz besitzt und die Komponenten elektrisch gegeneinander isoliert sind.
- Elekrodenlose Entladungslampe nach einem der Ansprüche 16 bis 18, bei derdas Gefäß ein abgedichtetes Gefäß (15) ist, das ein ionisierbares Gas enthält,in diesem Gefäß (15) ein Plasma aus geladenen Partikeln erzeugt wird, wenn die Lampe (10) in Betrieb ist,die Induktionsspule (14) in der Nähe des abgedichteten Gefäßes (15) angeordnet ist, ohne daß eine Abschirmungsstruktur um das Plasma vorgesehen ist.
- Elekrodenlose Entladungslampe nach einem der Ansprüche 13 bis 19,bei der sich die beiden ausgewählten Innpedanztransformationen um einen Faktor von wenigstens zehn voneinander unterscheiden.
- Elekrodenlose Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 20,bei der der Verstärker (12) so ausgebildet ist, daß er ein elektrisches Signal mit einer Frequenz von wenigstens 20 kHz erzeugt und ein/das weitere(s) Filter ein Leitungsfilter (62) ist, das mit dem Stromversorgungsteil (63) der Lampe (10) und dem Netzschalter (61) der Lampe (10) verbunden ist, so daß es den Durchgang eines Störsignals zu dem Netzschalter (61) verhindert.
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