EP2215895A2 - Hochfrequenzlampe und verfahren zu deren betrieb - Google Patents

Hochfrequenzlampe und verfahren zu deren betrieb

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EP2215895A2
EP2215895A2 EP08855170A EP08855170A EP2215895A2 EP 2215895 A2 EP2215895 A2 EP 2215895A2 EP 08855170 A EP08855170 A EP 08855170A EP 08855170 A EP08855170 A EP 08855170A EP 2215895 A2 EP2215895 A2 EP 2215895A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
frequency
signal
lamp
electrode
frequency signal
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08855170A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Holger Heuermann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dritte Patentportfolio Beteiligungs GmbH and Co KG
Original Assignee
Dritte Patentportfolio Beteiligungs GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Dritte Patentportfolio Beteiligungs GmbH and Co KG filed Critical Dritte Patentportfolio Beteiligungs GmbH and Co KG
Publication of EP2215895A2 publication Critical patent/EP2215895A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J65/00—Lamps without any electrode inside the vessel; Lamps with at least one main electrode outside the vessel
    • H01J65/04—Lamps in which a gas filling is excited to luminesce by an external electromagnetic field or by external corpuscular radiation, e.g. for indicating plasma display panels
    • H01J65/042—Lamps in which a gas filling is excited to luminesce by an external electromagnetic field or by external corpuscular radiation, e.g. for indicating plasma display panels by an external electromagnetic field
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B41/00—Circuit arrangements or apparatus for igniting or operating discharge lamps
    • H05B41/14—Circuit arrangements
    • H05B41/36—Controlling
    • H05B41/38—Controlling the intensity of light
    • H05B41/382—Controlling the intensity of light during the transitional start-up phase
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B20/00—Energy efficient lighting technologies, e.g. halogen lamps or gas discharge lamps

Definitions

  • the invention relates to a high-frequency lamp, hereinafter sometimes referred to briefly as an RF lamp, according to the preamble of claim 1. It further relates to a method for operating such a high-frequency lamp according to the preamble of claim. 9
  • Incandescent lamps have inside the glass body a filament (eg tungsten) and a protective gas.
  • the filament with a melting point of about 3000 0 C is heated to typically 2500 0 C. According to the Planck's radiation law does not result in a light spectrum corresponding to daylight for the incandescent lamp, but it shines distinctly yellowish-reddish.
  • Incandescent lamps are operated with a DC or an AC voltage with frequencies up to the kHz range. You do not need ballast electronics.
  • Gas discharge lamps related to the invention are light sources which use a gas discharge utilizing spontaneous emission by atomic or molecular electronic transitions and the recombination radiation of an electrical discharge generated plasma.
  • the gas contained in the quartz glass bulb (ionization chamber) is often a mixture of metal vapors (eg mercury) and noble gases (eg argon) and possibly other gases as well as halogens.
  • Gas discharge lamps are divided into the two classes of low and high pressure discharge lamps. The former uses a glow discharge and the latter uses an arc discharge. These lamps all require a ballast.
  • the frequency is converted into the kHz range for continuous operation. Consequently, these lamps are not lamps which are operated by means of a high-frequency signal in the MHz or GHz range.
  • Sulfur lamps have a similar luminous efficacy as energy-saving lamps (fluorescent lamps). They have a balanced luminous spectrum with about 5700 K to 6000 K color temperature and are thus very effective white light sources. By regulating the performance of the LEDs
  • Magnetrons are well dimmable to sulfur lamps, their color spectrum remains stable. Due to the high luminous flux, the lamps are usually not installed directly at the place of use. Instead, the light is guided into the room with the help of light guides. This makes this lamp type easy to maintain.
  • a disadvantage of these known gas discharge lamps is that the technology for these lamps is very expensive and therefore expensive. In addition, they are only available as a power lamp with about 1500 W. In addition, all previously known gas discharge lamps require a separate circuit for igniting the plasma. Voltages in the kV range are needed here.
  • the hitherto known high-frequency lamps which manage without ignition circuit, has the disadvantage that they require a great deal of power (over 30 W microwave power).
  • gas discharge lamps act as antennas. This has the serious disadvantage in practice that high-frequency radiation is emitted to a greater extent. Such lamps are not allowed due to this radiation.
  • gas discharge lamps used as energy-saving lamps are not dimmable, which represents a very great disadvantage in practical use.
  • a high-frequency lamp which satisfies the above-mentioned requirements. Disadvantages avoids or at least reduces their effects, in particular to provide a structure of a high-frequency lamp, which can be used both as high-pressure and low-pressure gas discharge lamp and is particularly suitable to improve properties such as efficiency, emission spectrum, costs and longevity. Another object of the invention is to provide a method of operating such a high frequency lamp.
  • the at least one Gas-filled glass bulb comprises, at least one electrode is assigned, provided that the power amplifier, an impedance transformer is connected downstream, which is connected at its output to the or each electrode.
  • the advantage of the invention consists firstly in the fact that a high-frequency oscillator can be used in the signal generation region of the high-frequency lamp, which can be changed via a voltage and is available as a low-cost module.
  • the output of the high-frequency oscillator which is typically in the mW range, can be increased in the one to two-digit watt range by a power amplifier, which has both a high efficiency, as well as inexpensive.
  • the use of an impedance transformer which is used to apply the highest possible voltage to the ionization chamber, saves the use of an ignition unit even at very low RF power. Furthermore, a significantly higher ionization rate and thus greater efficiency is achieved by the large permanently applied electric field strength.
  • the impedance transformer Since the high-frequency power is permanently coupled with a high voltage by the impedance transformer, the ohmic losses at the electrode tips, which are made of poorly conductive materials, are lower, thereby increasing the efficiency. In addition, due to the operation in the high frequency range, a large number of circuit options are available as an impedance transformer so that it can also be achieved with low-cost components such as capacitors and coils.
  • the construction of a high-frequency lamp with such a signal generating area is also advantageous in that no high frequency quenzabstrahlung outside the high frequency lamp takes place and it is therefore eligible.
  • the electrode associated with the ionization chamber different materials can be used and molds can be used, which can improve both efficiency and field of application.
  • the signal generating area additionally comprises a coupler connected downstream of the power amplifier, in particular between power amplifier and impedance transformer, a high-frequency detector and a processing unit, wherein a high-frequency signal reflected at the electrode during operation of the high-frequency lamp can be fed to the high-frequency detector via the coupler and wherein a control or actuating signal which can be generated by the processing unit on the basis of an output signal of the high-frequency detector can be fed to the high-frequency oscillator for optimizing the high-frequency signal on the basis of the reflected signal.
  • the reflection optimized high-frequency signal whose optimization is possible, for example after ignition of the high-frequency lamp to then possible reduction in the frequency of the high-frequency signal. Additionally or alternatively, a control of the high-frequency oscillator is possible based on the reflected high-frequency signal.
  • the high-frequency lamp is configured such that the high-frequency oscillator is followed by a signal divider with a first and second signal divider output and the power amplifier is connected to the first signal divider output, wherein the second signal divider output means for phase shifting - hereinafter also referred to as "phase shifter" and z. B. realized in the form of a 180 ° long line -, a second power amplifier, a second impedance transformer and a second electrode are connected in series, can be applied with a high-frequency oscillator, the ionization chamber with an opposite phase signal.
  • This embodiment will be referred to below to distinguish from the embodiment described above with only one power amplifier, an impedance transformer and an electrode as a symmetrical structure.
  • the impedance transformer or, in the case of a high-frequency lamp with a symmetrical construction, the impedance transformer and / or the second impedance transformer comprises a single-stage or multi-stage transformer-effective section, the advantage of the single-stage transformation being above all its compactness and robustness, while with a multi-stage transformation, an improvement in the efficiency of the impedance transformer can be achieved.
  • the or each electrode is dielectric, ie made of a dielectric material, in particular formed by a metal core surrounded by a dielectric sheath, excellent efficiencies and highest color temperatures can be achieved.
  • the or each electrode is loop-shaped, the occurrence of unwanted cavity modes can be avoided, which again applies to the high-frequency lamp with a symmetrical structure.
  • the glass bulb is filled with a mixture of at least two gases, in particular exactly three gases, with different emission spectra, different colors can be ionized by suitably changing the frequency of the high-frequency signal.
  • the high-frequency signal comprises a frequency spectrum which is suitable for ionizing more than one gas, a color mixture results correspondingly for the perceived, emitted light.
  • two, three or more colors can be directly ionized by a narrow-band high-frequency signal, while with appropriately selected wide-band high-frequency signals, an ionization of several colors and their superimposition, a generation of mixed colors is possible.
  • This embodiment of the high frequency lamp is suitable for lighting effects, such as self-luminous advertising materials, or for display instruments.
  • the ionization chamber comprises at least two glass flasks, in particular three glass flasks, which are each filled individually with a gas having different emission spectra and wherein each glass flask has an electrode for supplying a high-frequency signal assigned.
  • each glass bulb in ionization of the gas contained therein each characteristic emission spectrum. Put simply, each glass bulb radiates exactly one color.
  • the electrode assigned to the respective glass bulb it is thus possible for the high-frequency lamp as a whole to emit a first or second (or third and possibly further) color (s) or the color mixture possible when simultaneously emitting a plurality of colors.
  • This embodiment of the high-frequency lamp is also considered for the generation of light effects.
  • a plurality of such high-frequency lamps arranged in rows and columns can be combined to form a display device, that is to say a monitor, a television and the like.
  • the invention also relates to a method suitable for operating such a display device, in which each high-frequency lamp included is operated such that either at least two high frequency signals are generated by the high frequency oscillator and the at least one electrode supplied or generated by the high frequency oscillator at least two high frequency signals and each high frequency signal accurately one of the at least two electrodes is supplied.
  • any visible image which can be generated by the display device can be individually controlled by exactly one pixel, a "pixel", corresponding high-frequency lamp and achieve a desired color emission, a desired color value, for the respective pixel / pixel.
  • embodiments of the method for operating the respective representational developments of the high-frequency lamp are also provided.
  • the high-frequency detector detects the high-frequency signal reflected at the electrode when the high-frequency lamp is ignited and relayed via the coupler, and in that the processing unit optimizes the control signal for optimizing the high-frequency signal on the basis of the output signal of the high-frequency detector, in particular varies by a given positive or negative value.
  • At least two high-frequency signals are generated by the high-frequency oscillator and supplied to the at least one electrode or that at least two high-frequency signals are generated by the high-frequency oscillator and each high frequency signal is fed to precisely one of the at least two electrodes.
  • FIG. 5 shows a lamp head with a three-stage impedance transformation, that is to say with a multistage transformer-effective section
  • FIG. 6 shows an EorMode in a circular waveguide (dashed E-field, H-solid drawn through),
  • FIG. 9 shows a coupling of a dielectric electrode for the excitation of the EorModes
  • FIG. 10 shows a schematically simplified illustration of a high-frequency lamp over a mass plate for a point light generation with symmetrical activation from one side.
  • FIG. 1 shows schematically simplified the structure of an embodiment of a generally designated 10 high-frequency lamp according to the
  • This comprises a signal generating section 12 for generating a high-frequency signal 14 and an ionization chamber 16 connected downstream of the signal generating section.
  • the signal generating section 12 in turn comprises a high-frequency oscillator 18 and at its output a power amplifier 20 for boosting a power of the high-frequency signal 14.
  • the ionization chamber 16 in turn comprises at least one gas-filled glass bulb 22 (gas 24, possibly supplemented by metal vapors and / or halogens), which is associated with at least one almost arbitrarily configurable electrode 28.
  • the power amplifier 20 has a Impedance transformer 26 is connected at its output to the or each electrode 28 is connected.
  • An outer shield of the signal generating circuit forms a mass 30, with which the electrode 28, which leads the RF signal 14 as the feedthrough electrode into the interior of the ionization chamber 16, capacitively coupled.
  • a high-frequency lamp 10 based on a relatively narrow-band high-frequency signal 14 (in the three-digit MHz and total GHz range), which is converted by means of the impedance transformer 26 in a high voltage range, and a wide almost arbitrarily configurable Arc region that does not reach 30 to the mass, as it is on an inner surface of the glass bulb 22, eg a quartz glass used for its production ends, possible.
  • the intended impedance transformer 26 also saves the use of a previously required for high-frequency lamp 10 ignition unit even with very small RF power. Furthermore, a significantly higher ionization rate and thus greater efficiency is achieved by the large permanently applied electric field strength. Because high frequency power is permanently coupled in with a high voltage, the ohmic losses at the tips of the or each electrode 28, which have poorly conductive materials, are lower, which in turn increases efficiency.
  • a simple embodiment of an impedance transformer 26 includes a coil and a capacitor. When using 0402 SMD components, space is less than 2mm 2 and costs less than 4 cents.
  • the voltage can be reduced to single-digit kV values in the lower range, depending on the desired arc length. This reduction of the maximum stress allows implementation with significantly less expensive materials and components.
  • the electrode 28 now radiates the energy over several paths or a large area.
  • the energy output from the electrode 28 is no longer as a stream, but as an electromagnetic field.
  • the electrode 28 is no longer loaded by the current flow.
  • the high frequency lamp 10 can thus be used over a longer life.
  • Short lines can be realized almost lossless in the lower GHz range.
  • the signal acting as HF-Vorschaltmaschine signal Generation range 12 which is preferably integrated in one foot of the high-frequency lamp (lamp base), also given the potential for a very good efficiency and thus a highly integrated feasibility.
  • an ionized gas has the same number of electrons and ions, then it is a gas that is space-charge-free and called plasma.
  • Plasma frequency: wp e (N e 2 / m / e 0 ) (3) with the quantities:
  • N number of electrons per volume
  • e charge of an electron
  • m mass of an electron
  • eo electric field constant
  • u frequency of the collisions of the electrons with the gas molecules
  • w frequency of the high frequency signal.
  • Equation (2) shows that the (small) resistance and thus the losses increase with increasing frequency. Consequently, at higher frequencies, the gases can be heated better.
  • the signal generation in the high frequency lamp 10 will be described.
  • the ionization chamber 16 acts as a small capacity with high resistance parallel resistor.
  • the capacity increases and the parallel resistance decreases. Consequently, after ignition, the resonance frequency f r changes .
  • the signal generation that is to say the functionality of the signal generation region 12, after ignition of the high-frequency lamp 10 is capable of producing a fast one-time frequency jump of f M to perform after f r2 . It is important that the output resistance Z from the signal generation 12 corresponds to the input resistance Z e ⁇ n of the ionization chamber 16 after ignition or is conjugate complex adapted.
  • the electromagnetic fields and the input resistance Z e ⁇ n can be calculated before the time of ignition of the lamp.
  • simulators do not take into account high-frequency ionization and ignition. If the changing input resistance Z e ⁇ n be determined after ignition, so this is possible via a so-called hot scattering parameter measurement. This is known from the measurement of the electrical properties of power transistors.
  • the o.g. Frequency hopping can be achieved either with a voltage varying oscillator 18, e.g. in one embodiment as a so-called VCO (voltage controlled oscillator), or implement a fast electronic switching between two fixed oscillators. Since VCOs in the lower GHz range are available at very low cost as modules, they may be preferred.
  • the high-frequency oscillator 18 is shown as a switchable high-frequency oscillator 18. This is supplied with a control signal 32.
  • the high-frequency signal 14, ie the output signal of the oscillator 18, which is typically in the mW range, is raised by means of the power amplifier 20 in the one to two-digit W range.
  • Highly integrated electronic power amplifiers 20 in the lower single-digit GHz range have efficiencies of well over 60% and are extremely inexpensive and thus predestined.
  • an impedance transformation is carried out by means of the impedance transformer 26. performed.
  • An inexpensive circuit consists of capacitors and coils (multistage gamma transformer) and can be read in "Hochfrequenztechnik" by H. Heuermann, Vieweg-Verlag.
  • the impedance transformer 26 may be implemented in one or more stages.
  • the circuit comprised by the impedance transformer 26 should also include an adaptation of the electrode 28 of the ionization chamber 16.
  • the output impedance Z out should preferably be in the two-digit ⁇ range or in the single-digit k ⁇ range or higher.
  • a voltage at the electrode 28 in the ionization chamber 16 is calculated directly from the output power of the amplifier 20 P out and
  • an operating point should be chosen so that it lies clearly above the plasma frequency wp.
  • a preferred embodiment of the invention provides that as little high-frequency power as possible is reflected.
  • a circuit is particularly suitable as shown schematically simplified in FIG 2.
  • the circuit comprised by the signal generating section 12 is activated by the control signal 32 (see also FIG.
  • a processing unit 34 in the manner of a micro-processor sets the high-frequency oscillator 18 to a frequency f r1 for the ignition operation.
  • a control signal generated by the processing unit 34 or generated by the processing unit 34 is also designated as a control signal 35 to distinguish it from the control signal 32.
  • the generated high-frequency signal 14 is set high in the power via the amplifier 20, passes through a low-loss coupler 36 and passes via the impedance transformer 26 to the electrode 28 of the ionization chamber 16, which holds a gas mixture 24 enclosed by the quartz glass jacket of the glass bulb 22. If the high-frequency lamp 10 ignites, a significantly greater RF power is reflected at the electrode 28. This passes to the coupler 36 and is attenuated via this supplied to a high-frequency detector 38. A thereby changed output signal of the high-frequency detector 38 is received by the processing unit 34, which causes by setting the high-frequency oscillator 18 to the frequency f r2 a frequency jump for the Leuchtbe- operation.
  • the processing unit 34 varies the frequency of the high-frequency signal 14 by the frequency f r2 by a small positive and a small negative value f r ⁇ and outputs a corresponding actuating signal 35.
  • the reflected powers are measured for three frequency points f r2 -f r ⁇ , fe, fe + fr ⁇ . The value with the lowest reflected power is then the new output value. This rule is repeated throughout. This ensures that as much HF power as possible is always fed into the ionization chamber 16 and converted as little as possible into heat losses.

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Abstract

Es werden eine neuartige Konstruktion zum Aufbau von einer Hochfrequenzlampe (10) für Nieder- und Hochdruckanwendungen sowie ein Verfahren für deren Betrieb angegeben, die bzw. das insbesondere dazu geeignet ist, die Eigenschaften im Hinblick auf Wirkungsgrad, Emissionsspektrum, Kosten und Langlebigkeit zu verbessern, indem aufgrund eines einem Leistungsverstärker (20) nachgeschalteten Impedanztransformators (26) auch bei sehr kleinen Hochfrequenzleistungen der Einsatz einer Zündeinheit nicht mehr erforderlich ist, da mit der Impedanztransformation die Anlegung einer möglichst hohen Spannung an eine Ionisationskammer (16) gelingt.

Description

Beschreibung
Hochfrequenzlampe und Verfahren zu deren Betrieb
Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenzlampe, im Folgenden mitunter kurz auch als HF-Lampe bezeichnet, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Hochfrequenzlampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
Derartige Hochfrequenzlampen sind allgemein bekannt.
Aufgabe einer jeden Lampe, also auch einer Hochfrequenzlampe, ist es, möglichst effizient Licht zu emittieren. Jede Lampe wandelt Energie in Licht mit einem mehr oder weniger guten Wirkungsgrad um. Oftmals entsteht bei der Umwandlung sehr viel Verlustwärme.
Weitere Aufgaben von Lampen sind vielfältig. Oftmals ist das emittierte Lichtspektrum sehr entscheidend über den Einsatzzweck. Genauso benötigen einige Applikationen, wie Kfz-Scheinwerfer und Beamer, Lampen mit möglichst punktförmigen Lichtquellen.
Die Beschreibung des Standes der Technik soll im Weiteren auf elektrische Lampen beschränkt werden. Diese lassen sich grob in Leuchtdioden und Lampen mit Glaskörper unterscheiden. Hier soll im Weiteren auf die letzte Gruppe eingegangen werden. Diese teilt sich in Glühlampen und Gasentladungslampen auf.
Glühlampen besitzen innerhalb des Glaskörpers einen Glühfaden (z. B. aus Wolfram) und ein Schutzgas. Der Glühfaden mit einem Schmelzpunkt von über 3000 0C wird auf typisch 2500 0C aufgeheizt. Gemäß dem Planckschen Strahlungsgesetz ergibt sich für die Glühlampe damit noch kein Lichtspektrum, das dem Tageslicht entspricht, sondern sie leuchtet deutlich gelb-rötlicher. Glühlampen werden mit einer Gleich- oder einer Wechselspannung mit Frequenzen bis in den kHz-Bereich betrieben. Sie benötigen keine Vorschaltelektronik.
Gasentladungslampen, die in Verwandtschaft zur Erfindung stehen, sind Lichtquellen, die eine Gasentladung verwenden und dabei die spontane Emission durch atomare oder molekulare elektronische Übergänge und die Rekombinationsstrahlung eines durch elektrische Entladung erzeugten Plasmas ausnutzen. Bei dem im Quarzglaskolben (Ionisationskammer) enthaltenen Gas handelt es sich oftmals um ein Gemisch aus Metalldämpfen (z. B. Quecksilber) und Edelgasen (z. B. Argon) und ggf. anderen Gasen wie auch Halogenen. Gasentladungslampen werden in die beiden Klassen Nieder- und Hochdruckentladungslampen unterteilt. Erstere verwendet eine Glimmentladung und letztere eine Bogenentladung. Diese Lampen benötigen allesamt ein Vorschaltgerät. Dieses enthält einen Starter, der mittels eines Spannungsimpulses im kV-Bereich das Gas ionisiert. Weiterhin wird für den Dauerbetrieb ggf. die Frequenz in den kHz-Bereich umgesetzt. Folglich handelt es sich bei diesen Lampen auch nicht um Lampen, die mittels eines Hochfrequenzsignals im MHz- oder GHz-Bereich betrieben werden.
Eine Sonderform der Gasentladungslampe ist die Schwefellampe. Sie besteht aus einer mit Schwefel und Argon gefüllten Quarzglaskugel als Ionisationskammer. In der Glaskugel wird durch Hochfrequenzeinstrahlung ein Plasma erzeugt. Im Unterschied zu herkömmlichen Gasentladungslampen benötigt die Schwefellampe wegen des Einsatzes von Hohlleitern keine Elektroden. Wegen der extrem hohen Temperaturen, die am Quarzglas der Kugel entstehen, wird sie in Drehung gehalten und dadurch gekühlt. Dies bewirkt ein unterer Stängel, der turbinenschaufelartige Fächerungen aufweist. Er dreht sich im Luftstrom, der von einem Ventilator innerhalb des Magnetrons (HF-Leistungsquelle mit rund 1500W) erzeugt wird. Bei Ausfall dieser Kühlung würde die Glaskugel nach 20 Sekunden schmelzen.
Schwefellampen haben eine ähnlich hohe Lichtausbeute wie Energiesparlampen (Leuchtstofflampen). Sie haben ein ausgeglichenes Leuchtspektrum mit etwa 5700 K bis 6000 K Farbtemperatur und sind somit sehr effektive weiße Lichtquellen. Durch Regelung der Leistung des
Magnetrons sind Schwefellampen gut dimmbar, ihr Farbspektrum bleibt dabei stabil. Aufgrund des hohen Lichtstroms werden die Lampen meistens nicht direkt am Einsatzort aufgestellt. Das Licht wird stattdessen mit Hilfe von Lichtleitern in den Raum geführt. Das macht diesen Lampentyp wartungsfreundlich.
Aufgrund des relativ hohen Geräteaufwandes (Stromversorgung für Magnetron, Abschirmung der Mikrowellen, Temperaturen) war diese Lampe lange nicht kommerziell verfügbar. Seit 2006 produziert LG Electronics Schwefellampen unter der Bezeichnung "Power Lighting System" (PLS- Lampen, auch als Sulfur Plasma Lampen angeboten). Sie werden häufig als Beleuchtung in Fernsehstudios oder als künstliche Beleuchtung für Pflanzen eingesetzt.
Aus "Emission Properties of Compact Antenna-Excited Super-High Pressure Mercury Microwave Discharge Lamps", T. Mizojiri, Y. Morimoto, and M. Kando in Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 46, No. 6A, 2007, sowie "Numerical analysis of antenna-excited microwave discharge lamp by finite element method", M. Kando, T. Fukaya and T. Mizojiri; 28th IC- PIG, JuIy 15-20, 2007, Prague, Czech Republic sind Hochfrequenzlampen bekannt, die mit kleinen Hochfrequenzleistungen (30-100W) arbeiten und anstatt der Hohlleiterankopplung eine Ankopplung über eine TEM-Leitung (Koaxialleitung) mit Innenleiterelektrode aufweisen. Da diese Lampen die langen Drähte einer Glasentladungslampe als Antenne nutzen, sollen diese Lampen im Weiteren passender als HF-Antennenlampen bezeichnet werden.
Diese Lampen, wie auch die Schwefellampen, weisen jedoch keine Impedanztransformatoren auf. Somit sind bei diesen Lampen die Anforderun- gen an eine Frequenzstabilität des Hochfrequenzgenerators gering.
Nachteilig bei diesen bekannten Gasentladungslampen ist jedoch, dass die Technik für diese Lampen sehr aufwendig und somit teuer ist. Zudem sind sie nur als Leistungslampe mit rund 1500 W verfügbar. Außerdem benötigen alle bisher bekannten Gasentladungslampen einen gesonderten Schaltkreis zur Zündung des Plasmas. Hier werden Spannungen im kV- Bereich benötigt. Bei den bisher bekannten Hochfrequenzlampen, die ohne Schaltkreis zur Zündung auskommen, ergibt sich als Nachteil vor allem, dass sie sehr viel Leistung (über 30 W Mikrowellenleistung) benöti- gen. Weiterhin fungieren Gasentladungslampen als Antennen. Dieses hat den in der Praxis gravierenden Nachteil, dass Hochfrequenzstrahlung in höherem Maße emittiert wird. Derartige Lampen werden aufgrund dieser Abstrahlung nicht zugelassen.
Die als Energiesparlampen genutzten Gasentladungslampen sind nicht dimmbar, was im praktischen Einsatz einen sehr großen Nachteil darstellt.
Weil die bisherigen Hochfrequenzlampen keine Impedanztransformation in den hochohmigen Bereich aufweisen, fließen sehr große Ströme durch die Elektroden. Da diese aus Materialien wie Wolfram mit einer schlechten Oberflächengüte bestehen, sind die ohmschen Verluste sehr groß.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht entsprechend darin, eine Hochfre- quenzlampe anzugeben, welche die o.g. Nachteile vermeidet oder zumindest deren Auswirkungen reduziert, insbesondere darin, einen Aufbau einer Hochfrequenzlampe anzugeben, die sowohl als Hochdruck- als auch als Niederdruckgasentladungslampe einsetzbar ist und speziell dazu geeignet ist, Eigenschaften wie Wirkungsgrad, Emissionsspektrum, Kos- ten und Langlebigkeit zu verbessern. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Hochfrequenzlampe anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß einerseits mit einer Hochfrequenz- lampe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dazu ist bei einer
Hochfrequenzlampe mit einem Signalerzeugungsbereich zur Generierung eines Hochfrequenzsignals und einer jenem, also dem Signalerzeugungsbereich, nachgeschalteten Ionisationskammer, bei welcher der Signalerzeugungsbereich einen schaltbaren Hochfrequenzoszillator und an des- sen Ausgang einen Leistungsverstärker zur Anhebung einer Leistung des Hochfrequenzsignals umfasst und bei welcher der Ionisationskammer, die zumindest einen gasgefüllten Glaskolben umfasst, mindestens eine Elektrode zugeordnet ist, vorgesehen, dass dem Leistungsverstärker ein Impedanztransformator nachgeschaltet ist, der an seinem Ausgang mit der oder jeder Elektrode verbunden ist.
Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 9. Dabei ist vorgesehen, dass zum Betrieb einer Hochfrequenzlampe der eingangs skizzierten und nachfol- gend weiter beschriebenen Art das Hochfrequenzsignal vom Hochfre- quenzoszillator generiert wird, wobei die Leistung des Hochfrequenzsignals durch den nachgeschalteten Leistungsverstärker erhöht wird, dass das Hochfrequenzsignal durch den dem Leistungsverstärker nachgeschalteten Impedanztransformator in den Hochspannungsbereich transformiert wird und dass das transformierte Hochfrequenzsignal der Elektrode zugeführt wird.
Der Vorteil der Erfindung besteht zunächst darin, dass im Signalerzeugungsbereich der Hochfrequenzlampe ein Hochfrequenzoszillator ver- wendbar ist, der sich über eine Spannung verändern lässt und als preisgünstiges Modul erhältlich ist. Zudem kann das Ausgangssignal des Hochfrequenzoszillators, das typisch im mW-Bereich liegt, durch einen Leistungsverstärker, der sowohl einen hohen Wirkungsgrad aufweist, als auch preisgünstig ist, in den ein- bis zweistelligen Watt-Bereich angehoben werden. Die Verwendung eines Impedanztransformators schließlich, der zur Anlegung einer möglichst hohen Spannung an die Ionisationskammer eingesetzt wird, erspart auch bei sehr kleinen Hochfrequenzleistungen den Einsatz einer Zündeinheit. Weiterhin wird durch die große dauerhaft anstehende elektrische Feldstärke eine deutlich höhere lonisationsrate und somit ein größerer Wirkungsgrad erzielt. Da durch den Impedanztransformator die Hochfrequenzleistung dauerhaft mit einer hohen Spannung eingekoppelt wird, sind die ohmschen Verluste an den Elektrodenspitzen, die aus schlecht leitenden Materialien hergestellt sind, geringer, wodurch sich die Effizienz steigert. Zudem stehen aufgrund des Betriebs im Hochfrequenzbereich eine hohe Anzahl an Schaltungsmöglichkeiten als Impedanztransformator zur Verfügung, so dass dieser auch mit preisgünstigen Komponenten wie Kondensatoren und Spulen erzielbar ist.
Der Aufbau einer Hochfrequenzlampe mit einem solchen Signalerzeu- gungsbereich ist außerdem dahingehend vorteilhaft, dass keine Hochfre- quenzabstrahlung außerhalb der Hochfrequenzlampe stattfindet und sie daher zulassungsfähig ist.
Für die der Ionisationskammer zugeordnete Elektrode können unter- schiedliche Materialien eingesetzt und Formen verwendet werden, wodurch sich gleichermaßen Wirkungsgrad und Anwendungsbereich verbessern lassen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran- Sprüche. Dabei verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere
Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruchs durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin; sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmalskombinationen der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen. Des Weiteren ist im Hinblick auf eine Auslegung der Ansprüche bei einer näheren Konkretisierung eines Merkmals in einem nachgeordneten Anspruch davon auszugehen, dass eine derartige Beschränkung in den jeweils vorangehenden Ansprüchen nicht vorhanden ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Hochfrequenzlampe ist vorgesehen, dass der Signalerzeugungsbereich zusätzlich einen dem Leistungsverstärker nachgeschalteten, insbesondere zwischen Leistungsverstärker und Impedanztransformator angeordneten Koppler, einen Hochfrequenzdetektor und eine Verarbeitungseinheit umfasst, wobei ein im Betrieb der Hochfrequenzlampe an der Elektrode reflektiertes Hochfrequenzsignal über den Koppler dem Hochfrequenzdetektor zuführbar ist und wobei ein aufgrund eines Ausgangssignals des Hochfrequenzdetektors von der Verarbeitungseinheit generierbares Steuer- oder Stellsignal dem Hochfrequenzoszillator zur Optimierung des Hochfrequenzsignals auf Basis des reflektierten Signals zuführbar ist. Durch Erfassung des reflek- tierten Hochfrequenzsignals ist dessen Optimierung möglich, z.B. nach Zündung der Hochfrequenzlampe zur dann möglichen Verringerung der Frequenz des Hochfrequenzsignals. Zusätzlich oder alternativ ist auf Basis des reflektierten Hochfrequenzsignals auch eine Regelung des Hochfrequenzoszillators möglich.
Wenn die Hochfrequenzlampe derart ausgestaltet ist, dass dem Hochfrequenzoszillator ein Signalteiler mit einem ersten und zweiten Signalteilerausgang nachgeschaltet und der Leistungsverstärker am ersten Signaltei- lerausgang angeschlossen ist, wobei am zweiten Signalteilerausgang ein Mittel zur Phasenverschiebung - nachfolgend auch als "Phasenschieber" bezeichnet und z. B. in Form einer 180° langen Leitung realisiert -, ein zweiter Leistungsverstärker, ein zweiter Impedanztransformator und eine zweite Elektrode hintereinander geschaltet sind, kann mit einem Hochfre- quenzoszillator die Ionisationskammer mit einem gegenphasigen Signal beaufschlagt werden. Diese Ausführungsform wird im Folgenden zur Unterscheidung von der eingangs beschriebenen Ausführungsform mit nur einem Leistungsverstärker, einem Impedanztransformator und einer Elektrode als symmetrischer Aufbau bezeichnet.
Weiter bevorzugt ist vorgesehen, dass der Impedanztransformator oder, bei einer Hochfrequenzlampe mit symmetrischem Aufbau, der Impedanztransformator und/oder der zweite Impedanztransformator, einen einstufig oder mehrstufig transformatorisch wirksamen Abschnitt umfasst, wobei der Vorteil der einstufigen Transformation vor allem in ihrer Kompaktheit und Robustheit liegt, während sich mit einer mehrstufigen Transformation eine Verbesserung des Wirkungsgrades des Impedanztransformators erreichen lässt. Wenn die oder jede Elektrode dielektrisch ist, also aus einem dielektrischen Material hergestellt ist, insbesondere durch einen von einer dielektrischen Ummantelung umgebenen Metallkern gebildet ist, lassen sich hervorragende Wirkungsgrade und höchste Farbtemperaturen erzielen.
Wenn die oder jede Elektrode schleifenförmig ausgeführt ist, lässt sich das Auftreten unerwünschter Hohlraummoden vermeiden, wobei dies nochmals verstärkt für die Hochfrequenzlampe mit symmetrischem Aufbau gilt.
Wenn der Glaskolben mit einem Gemisch mindestens zweier Gase, insbesondere genau dreier Gase, mit unterschiedlichen Emissionsspektren gefüllt ist, lassen sich durch geeignete Änderung der Frequenz des Hochfrequenzsignals unterschiedliche Farben ionisieren. Wenn das Hochfrequenzsignal ein Frequenzspektrum umfasst, das zur Ionisation von mehr als einem Gas geeignet ist, ergibt sich entsprechend für das wahrgenommene, abgestrahlte Licht eine Farbmischung. Auf diese Weise können zwei, drei oder mehr Farben durch ein schmalbandiges Hochfrequenzsignal direkt ionisiert werden, während mit entsprechend gewählten breitban- digen Hochfrequenzsignalen eine Ionisation mehrer Farben und durch deren Überlagerung eine Erzeugung von Mischfarben möglich ist. Diese Ausführungsform der Hochfrequenzlampe eignet sich für Lichteffekte, etwa bei selbstleuchtenden Werbemitteln, oder auch für Anzeigeinstrumente.
Gemäß einer zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform alternativen, gleichwohl bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Ionisationskammer mindestens zwei Glaskolben, insbesondere drei Glaskolben, umfasst, die je für sich mit einem Gas mit unterschiedlichen Emissionsspektren gefüllt sind und wobei jedem Glaskolben eine Elektrode zur Zuführung eines Hochfrequenzsignals zugeordnet ist. Bei dieser Ausfüh- rungsform gibt jeder Glaskolben bei Ionisation des darin enthaltenen Gases das jeweils charakteristische Emissionsspektrum ab. Vereinfacht ausgedrückt strahlt jeder Glaskolben also genau eine Farbe ab. Durch Ansteuerung der den jeweiligen Glaskolben zugeordneten Elektrode lässt sich damit für die Hochfrequenzlampe insgesamt das Abstrahlen einer ersten oder zweiten (oder dritten und evtl. weiterer) Farbe(n) oder die beim gleichzeitigen Abstrahlen mehrerer Farben mögliche Farbmischung erreichen. Auch diese Ausführungsform der Hochfrequenzlampe kommt für die Erzeugung von Lichteffekten in Betracht. Hinzu kommt allerdings auch die zumindest grundsätzliche Eignung als bildgebendes Element in Anzeigevorrichtungen nach Art eines Monitors. Für letzteren Fall wird man üblicherweise drei Glaskolben vorsehen, die - entsprechend dem bekannten RGB-Modell - zur Abstrahlung von roten, grünem und blauem Licht bestimmt sind. Im Zusammenhang mit diesem Aspekt der Erfindung lässt sich eine Mehrzahl von zeilen- und spaltenförmig angeordneten, derartigen Hochfrequenzlampen zu einer Anzeigevorrichtung, also einem Monitor, einem Fernseher und dergleichen, kombinieren. Insoweit betrifft die Erfindung auch ein zum Betrieb einer solchen Anzeigevorrichtung geeignetes Verfahren, bei dem jede davon umfasste Hochfrequenzlampe derart betrieben wird, dass entweder vom Hochfrequenzoszillator mindestens zwei Hochfrequenzsignale generiert und der mindestens einen Elektrode zugeführt werden oder vom Hochfrequenzoszillator mindestens zwei Hochfrequenzsignale generiert und jedes Hochfrequenzsignal genau einer der mindestens zwei Elektroden zugeführt wird. Auf diese Weise lässt sich jede im von der Anzeigevorrichtung generierbaren, sichtbaren Bild genau einem Bildpunkt, einem "Pixel", entsprechende Hochfrequenzlampe individuell ansteuern und eine gewünschte Farbemission, ein gewünschter Farbwert, für den jeweiligen Bildpunkt/das jeweilige Pixel, erreichen. Hinsichtlich des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie oben beschrieben, sind gemäß der Erfindung auch Ausgestaltungen der Verfahren zum Betrieb der jeweiligen gegenständlichen Fortbildungen der Hochfrequenzlampe vorgesehen.
Zum Betrieb einer der bevorzugten Ausführungsformen der Hochfrequenzlampe ist entsprechend vorgesehen, dass der Hochfrequenzdetektor das bei einer Zündung der Hochfrequenzlampe an der Elektrode reflektierte und über den Koppler weitergeleitete Hochfrequenzsignal detektiert und dass die Verarbeitungseinheit zur Optimierung des Hochfrequenzsignals das Steuersignal aufgrund des Ausgangssignals des Hochfrequenzdetektors anpasst, insbesondere um einen vorgegebenen positiven oder negativen Wert variiert. Hinsichtlich des Aspekts der Anpassung des Hochfrequenzsignals liegt der Vorteil vor allem darin, dass vor oder bei dem Zünden der Hochfrequenzlampe die Ionisationskammer wie eine kleine Kapazität mit hochohmigem Parallelwiderstand wirkt, während sich unmittelbar nach erfolgter Ionisierung (Leuchtbetrieb) die Kapazität vergrößert und sich der Parallelwiderstand verringert, sich also folglich nach erfolgter Zündung die Resonanzfrequenz, die für das Hochfrequenzsignal zu verwendende Frequenz, verändert. Aus diesem Grund muss die Signalerzeugung nach erfolgter Zündung der Lampe in der Lage sein, einen schnellen einmaligen Frequenzsprung durchzuführen, das Hochfrequenzsignal wird also an die Situation des Leuchtbetriebs "angepasst". Für die Komponenten Koppler und Hochfrequenzdetektor bedeutet dies, dass, sofern die Hochfrequenzlampe zündet, eine deutlich größere HF-Leistung an der Elektrode reflektiert wird. Diese gelangt zum Koppler und wird über diesen abgeschwächt dem Hochfrequenzdetektor zugeführt. Das veränderte Ausgangssignal des Hochfrequenzdetektors wird der Verarbeitungseinheit aufgenommen und dieser führt den Frequenzsprung für den Leuchtbetrieb durch. Hinsichtlich des Aspekts der Variation des Hochfrequenzsignals liegt der Vorteil vor allem darin, dass bei einer Variation des Hochfrequenzsignals um einen kleinen positiven und einen kleinen negativen Wert die reflektier- ten Leistungen für mehrere Frequenzpunkte, z.B. für eine mittlere Frequenz, eine verringerte Frequenz und eine erhöhte Frequenz, gemessen werden und der Wert mit der geringsten reflektierten Leistung als neuer Ausgangswert für das Hochfrequenzsignal verwendet wird. Diese Regelung wird kontinuierlich oder zu vorgegebenen oder vorgebbaren Zeitpunk- ten wiederholt. So ist sichergestellt, dass immer möglichst viel HF- Leistung in die Ionisationskammer eingespeist und möglichst wenig in Wärmeverluste umgewandelt wird.
Zum Betrieb der Hochfrequenzlampe mit symmetrischem Aufbau ist ent- sprechend vorgesehen, dass der Signalteiler von dem Hochfrequenzsignal ein zweites Hochfrequenzsignal abteilt, insbesondere derart, dass ein als Hochfrequenzsignal verbleibendes Hochfrequenzsignal und das zweite Hochfrequenzsignal zumindest im Wesentlichen identisch sind, dass das Mittel zur Phasenverschiebung das zweite Hochfrequenzsignal in der Phase verschiebt, der nachgeschaltete zweite Leistungsverstärker die Leistung des phasenverschobenen zweiten Hochfrequenzsignals erhöht und der nachgeschaltete zweite Impedanztransformator das resultierende zweite Hochfrequenzsignal einstufig oder mehrstufig transformiert und an die zweite Elektrode weiterleitet.
Für andere Ausgestaltungen der Hochfrequenzlampe ist vorgesehen, dass vom Hochfrequenzoszillator mindestens zwei Hochfrequenzsignale generiert und der mindestens einen Elektrode zugeführt werden oder dass vom Hochfrequenzoszillator mindestens zwei Hochfrequenzsignale generiert und jedes Hochfrequenzsignal genau einer der mindestens zwei Elektroden zugeführt wird.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Einander entsprechende Gegenstände oder Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Das oder jedes Ausführungsbeispiel ist nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen. Vielmehr sind im Rahmen der vorliegenden Offenba- rung zahlreiche Abänderungen und Modifikationen möglich, insbesondere solche Varianten, Elemente und Kombinationen und/oder Materialien, die zum Beispiel durch Kombination oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den im allgemeinen oder speziellen Beschreibungsteil beschriebenen sowie in den Ansprüchen und/oder der Zeichnung enthalte- nen Merkmalen bzw. Elementen oder Verfahrensschritten für den Fachmann im Hinblick auf die Lösung der Aufgabe entnehmbar sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen Gegenstand oder zu neuen Verfahrensschritten bzw. Verfahrensschrittfolgen führen, auch soweit sie Herstell- oder Arbeitsverfahren betreffen.
In der Zeichnung zeigen
FIG 1 ein schematisch vereinfachtes Blockschaltbild einer Hochfrequenzlampe für einen so genannten Stellbetrieb, FIG 2 ein schematisch vereinfachtes Blockschaltbild der Hochfrequenzlampe für einen Regelbetrieb,
FIG 3 ein schematisch vereinfachtes Blockschaltbild für eine Hochfrequenzlampe mit differentieller Ansteuerung ("symmetrischer Aufbau"), FIG 4 einen Lampenkopf mit einstufiger Impedanztransformation, also mit einem einstufigen transformatorisch wirksamem Abschnitt,
FIG 5 einen Lampenkopf mit dreistufiger Impedanztransformation, also mit einem mehrstufig transformatorisch wirksamem Ab- schnitt,
FIG 6 einen EorMode in einem Rundhohlleiter (E-FeId gestrichelt, H- FeId durchgezogen),
FIG 7 eine Hohlraumresonatorlampe mit einstufiger Impedanztransformation für die Anregung des Eoi-Modes bei unsymmetrischer Anregung,
FIG 8 eine Ankopplung einer dielektrischen Elektrode für die Anregung eines HE-n-Grundmodes,
FIG 9 eine Ankopplung einer dielektrischen Elektrode für die Anregung des EorModes und FIG 10 eine schematisch vereinfachte Darstellung einer Hochfrequenzlampe über einem Masseteller für eine Punktlichtgeneration bei symmetrischer Ansteuerung von einer Seite.
FIG 1 zeigt schematisch vereinfacht den Aufbau einer Ausführungsform einer insgesamt mit 10 bezeichneten Hochfrequenzlampe gemäß der
Erfindung. Diese umfasst einen Signalerzeugungsbereich 12 zur Generierung eines Hochfrequenzsignals 14 und eine dem Signalerzeugungsbereich nachgeschaltete Ionisationskammer 16. Der Signalerzeugungsbereich 12 seinerseits umfasst einen Hochfrequenzoszillator 18 und an dessen Ausgang einen Leistungsverstärker 20 zur Anhebung einer Leistung des Hochfrequenzsignals 14. Die Ionisationskammer 16 wiederum umfasst zumindest einen gasgefüllten Glaskolben 22 (Gas 24, ggf. um Metalldämpfe und/oder Halogene ergänzt), dem mindestens eine fast beliebig gestaltbare Elektrode 28 zugeordnet ist. Für den Signalerzeu- gungsbereich 12 ist vorgesehen, dass dem Leistungsverstärker 20 ein Impedanztransformator 26 nachgeschaltet ist, der an seinem Ausgang mit der oder jeder Elektrode 28 verbunden ist. Eine äußere Schirmung der Signalerzeugungsschaltung bildet eine Masse 30, mit der die Elektrode 28, die als Durchführungselektrode das Hochfrequenzsignal 14 ins Innere der Ionisationskammer 16 führt, kapazitiv verkoppelt ist.
Auf diese Weise wird der Aufbau einer Hochfrequenzlampe 10 (HF- Lampe) basierend auf einem relativ schmalbandigen Hochfrequenzsignal 14 (im dreistelligen MHz- und gesamten GHz-Bereich), das mittels des Impedanztransformators 26 in einen Hochspannungsbereich umgesetzt wird, und einem breiten fast beliebig gestaltbaren Lichtbogenbereich, der nicht bis zur Masse 30 reicht, da er an einer inneren Oberfläche des Glaskolbens 22, also z.B. einem zu dessen Fertigung verwendeten Quarzglas, endet, möglich.
Der vorgesehene Impedanztransformator 26 erspart auch bei sehr kleinen HF-Leistungen die Verwendung einer bisher für Hochfrequenzlampe 10 erforderlichen Zündeinheit. Weiterhin wird durch die große dauerhaft anstehende elektrische Feldstärke eine deutlich höhere lonisationsrate und somit ein größerer Wirkungsgrad erzielt. Weil die Hochfrequenzleistung dauerhaft mit einer hohen Spannung eingekoppelt wird, sind die ohmschen Verluste an den Spitzen der oder jeder Elektrode 28, die nur schlecht leitende Materialien haben, geringer, was wiederum die Effizienz steigert. Eine einfache Ausführungsform eines Impedanztransformators 26 umfasst eine Spule und einem Kondensator. Bei der Verwendung von 0402-SMD-Komponenten liegen der Platzbedarf unter 2mm2 und die Kosten unter 4 Cent.
Je höher die Frequenz des Hochfrequenzsignals 14 gewählt wird, desto kleiner kann die an der Elektrode 28 anliegende Spannung sein. Bereits im unteren GHz-Bereich, für den es viele preisgünstige Elektronikbausteine gibt, kann die Spannung je nach gewünschter Lichtbogenlänge auf einstellige kV-Werte im unteren Bereich gesenkt werden. Diese Reduktion der maximalen Spannung erlaubt eine Umsetzung mit deutlich preisgüns- tigeren Materialien und Komponenten.
Weil mit schmalbandigen Hochfrequenzsignalen 14 gearbeitet wird, ist ein HF-tauglicher Aufbau sehr einfach möglich. Beispielsweise lassen sich nunmehr lambda/2-Leitungen mit all ihren Vorteilen einsetzen. D.h. Lei- tungen müssen nicht den gewünschten Wellenwiderstand aufweisen.
Dieses vereinfacht z.B. ein hochfrequenzgerechtes Design der Hochfrequenzlampe 10.
Die Elektrode 28 strahlt nunmehr die Energie über mehrere Pfade oder eine große Fläche ab. Die elektromagnetische Energie erzeugt im ionisierten Bereich um die Elektrode 28 einen HF-Strom, der aufgrund der Erhitzung lichtbogenartig Strahlungsenergie im optischen Bereich abgibt. Somit erfolgt der Energieaustritt aus der Elektrode 28 nicht mehr als Strom, sondern als elektromagnetisches Feld. Die Elektrode 28 wird vom Strom- fluss nicht mehr belastet. Erste Messungen haben gezeigt, dass kein
Material austritt. Die Hochfrequenzlampe 10 kann somit über eine längere Lebensdauer eingesetzt werden.
Als Leistungsverstärker 20 kommen hoch integrierte und preisgünstigste Hochfrequenzleistungsverstärker für GSM-Mobilfunk-Anwendungen und Handsets in Betracht, die Wirkungsgrade von über 60% aufweisen. Wirkungsgrade von 80% sind im so genannten Klasse-E-Betheb erzielbar.
Kurze Leitungen lassen sich im unteren GHz-Bereich nahezu verlustfrei realisieren. Somit ist für den als HF-Vorschalteinheit fungierenden Signal- erzeugungsbereich 12, der bevorzugt in einem Fuß der Hochfrequenz- lampe (Lampenfuß) integrierbar ist, ebenfalls das Potential für einen sehr guten Wirkungsgrad und somit eine hoch integrierte Realisierbarkeit gegeben.
Die Materialwahl für den Elektrodenaufbau erlaubt neben Metall auch den Einsatz eines dielektrischen Werkstoffes. Beispielsweise kann die Elektrode 28 aus einem keramischen Material mit einer hohen dielektrischen Konstanten und sehr hohem Schmelzpunkt bestehen. Diese Ausgestal- tung ist ein sehr entscheidender Punkt bzgl. der Farbtemperatur und dem oftmals angestrebten Spektrum, das dem Tageslicht entspricht. Dadurch lässt sich auch ein deutlich verbesserter Wirkungsgrad erzielen.
Ein zusätzlicher Vorteil dieser Lampe gegenüber allen Energiesparlampen besteht darin, dass die hier vorgeschlagene Hochfrequenzlampe dimmbar ist.
Physikalische Grundlagenbücher lehren, dass die Ionisation eines Gases nur durch die Elektronenstoßionisierung, angeregt durch einen Elektro- nenstrahleinschuss, der thermischen Ionisierung bei extrem hohen Temperaturen (106 K) oder der Fotoionisierung mittels ultravioletten Lichtes erfolgt. Darüber hinaus hat der Erfinder im GHz-Bereich experimentalphy- sikalisch Aufbauten realisiert, mittels denen ionisierte Bereiche über die Einspeisung von relativ wenig hochfrequenter Energie entstanden. Diese Ergebnisse decken sich mit anderen publizierten Resultaten, z. B. "Experimente mit Hochfrequenz" von H. Chmela, Franzis-Verlag, die jedoch im MHz-Bereich durchgeführt wurden. Dieses soll im Weiteren als Hochfrequenzionisierung bezeichnet werden. Auch in "A Novel Spark-Plug for Improved Ignition in Engines with Gasoline Direct Injection (GDI)" von K. Linkenheil und anderen, IEEE Transactions on Plasma Science, VoI 33, No. 5, Oct. 2005 wird diese Hochfrequenzionisation nachgewiesen und herausgehoben, dass eine zusätzliche UV-Strahlung diese Ionisation bei kleineren elektrischen Feldstärken erlaubt.
Weist ein ionisiertes Gas die gleiche Anzahl von Elektronen und Ionen auf, so handelt es sich um ein im Mittel raumladungsfreies Gas und wird Plasma genannt.
Anhand der Maxwellschen Gleichungen lässt sich zeigen, dass für ein ionisiertes Gas die folgenden mathematischen Zusammenhänge gelten:
Relative Dielektrizitätszahl: er = 1 - (N e2) / e0 / m / ( u2 + w2) (1 )
Relative Leitfähigkeit: k = (N e2 u) / m / ( u2 + w2) (2)
Plasmafrequenz: wp = e (N e2 / m / e0) (3) mit den Größen:
N: Zahl der Elektronen pro Volumen, e: Ladung eines Elektrons, m: Masse eines Elektrons, eo: elektrische Feldkonstante, u: Frequenz der Zusammenstöße der Elektronen mit den Gasmolekülen, w: Frequenz des Hochfrequenzsignals.
Detaillierte Untersuchungen zeigen, dass unterhalb der Plasmafrequenz keine elektromagnetische Energie ausbreitungsfähig ist und keine Verlus- te im Plasma stattfinden. Hingegen weist der Raum einen reellen Feldwellenwiderstand Zf oberhalb der Plasmafrequenz auf. Zf fällt zu höheren Frequenzen ab und nähert sich exponentiell dem Freiraumwiderstand Z0 von rund 377W. D.h. bei höheren Frequenzen benötigt man geringere Spannungen, um die gleichen Leistungen umzusetzen als bei tieferen
Frequenzen. Gleichung (2) zeigt, dass der (kleine) Widerstand und somit die Verluste mit zunehmender Frequenz steigen. Folglich lassen sich bei höheren Frequenzen die Gase besser erhitzen.
Aus einer Analyse der Atmosphäre für die Transmissionseigenschaften der HF-Signale ergibt sich, dass im zwei- bis dreistelligen MHz-Bereich die Strahlung nahezu gar nicht absorbiert wird, während bei 50 GHz die gesamte Strahlung als molekulare Absorption in Wasserstoff bzw. Sauerstoff gedämpft wird. Im unteren MHz-Bereich kann man so genannte Tesla- Transformatoren verwenden, um damit 10OW-Generatoren mit 5kV Ausgangsspannung zu fertigen und damit 10cm lange Funkenstrecken in Luft zu erzeugen, vgl. auch die bereits genannte Literaturstelle "Experimente mit Hochfrequenz", a.a.O. Der Erfinder hat bei 2,5GHz mittels eines 10W- Senders und einer Spannung von 2kV bereits eine 1 cm lange Funkenstre- cken erzeugt.
Im Folgenden wird die Signalerzeugung bei der Hochfrequenzlampe 10 beschrieben: Im Anfangszustand (Zündbetrieb) wirkt die Ionisationskammer 16 wie eine kleine Kapazität mit hochohmigem Parallelwiderstand. Unmittelbar nach erfolgter Ionisierung (Leuchtbetrieb) vergrößert sich die Kapazität und verringert sich der Parallelwiderstand. Folglich verändert sich nach erfolgter Zündung die Resonanzfrequenz fr. Aus diesem Grund ist vorteilhaft, wenn die Signalerzeugung, also die Funktionalität des Signalerzeugungsbereichs 12, nach erfolgter Zündung der Hochfrequenzlam- pe 10 in der Lage ist, einen schnellen einmaligen Frequenzsprung von fM nach fr2 durchzuführen. Wichtig ist, dass der Ausgangswiderstand Zaus der Signalerzeugung 12 dem Eingangswiderstand Zeιn der Ionisationskammer 16 nach erfolgter Zündung entspricht bzw. konjugiert komplex angepasst ist.
Mittels so genannter 3D-HF-Simulatoren lassen sich die elektromagnetischen Felder und der Eingangswiderstand Zeιn vor dem Zeitpunkt der Zündung der Lampe berechnen. Simulatoren berücksichtigen die Hochfrequenzionisation und Zündung natürlich nicht. Soll der sich verändernde Eingangswiderstand Zeιn nach der Zündung bestimmt werden, so ist dieses über eine so genannte heiße Streuparametermessung möglich. Diese ist bekannt aus der Vermessung der elektrischen Eigenschaften von Leistungstransistoren.
Der o.g. Frequenzsprung lässt sich entweder mit einem über einer Spannung veränderbaren Oszillator 18, z.B. in einer Ausführung als sogenannter VCO (voltage controlled oscillator), oder über eine schnelle elektronische Umschaltung zwischen zwei Festoszillatoren realisieren. Da VCOs im unteren GHz-Bereich äußerst preisgünstig als Module erhältlich sind, wird man diese ggf. bevorzugen. In FIG 1 ist der Hochfrequenzoszillator 18 als schaltbarer Hochfrequenzoszillator 18 dargestellt. Dieser wird mit einem Steuersignal 32 beaufschlagt. Das Hochfrequenzsignal 14, also das Ausgangssignal des Oszillators 18, welches typisch im mW-Bereich liegt, wird mittels des Leistungsverstärkers 20 in den ein- bis zweistelligen W- Bereich angehoben. Hochintegrierte elektronische Leistungsverstärker 20 im unteren einstelligen GHz-Bereich weisen Wirkungsgrade von weit über 60% auf und sind äußerst preisgünstig und somit prädestiniert.
Damit in der Ionisationskammer 16 eine möglichst große Spannung an- liegt, wird mittels des Impedanztransformators 26 eine Impedanztransfor- mation durchgeführt. Dafür gibt es im HF-FaII ein sehr großes Spektrum an Schaltungen. Eine preisgünstige Schaltung besteht aus Kondensatoren und Spulen (mehrstufiger Gamma-Transformator) und kann in "Hochfre- quenztechnik" von H. Heuermann, Vieweg-Verlag, nachgelesen werden. Der Impedanztransformator 26 kann ein- oder mehrstufig ausgeführt sein. Neben der Hochtransformation des Impedanzniveaus und somit auch der Spannung sollte die vom Impedanztransformator 26 umfasst Schaltung auch eine Anpassung der Elektrode 28 der Ionisationskammer 16 beinhalten. Die Ausgangsimpedanz Zaus sollte möglichst im zweistelligen Ω-Be- reich oder im einstelligen kΩ-Bereich oder höher liegen.
Eine Spannung an der Elektrode 28 in der Ionisationskammer 16 berechnet sich unmittelbar aus der Ausgangsleistung des Verstärkers 20 Pout und
^aus-
Folglich sollte ein Arbeitspunkt so gewählt werden, dass dieser deutlich über der Plasmafrequenz wp liegt.
Zur Erlangung einer bestmöglichen Effizienz sieht eine bevorzugte Aus- führungsform der Erfindung vor, dass möglichst wenig Hochfrequenzleistung reflektiert wird. Dafür eignet sich besonders eine Schaltung wie sie schematisch vereinfacht in FIG 2 dargestellt ist. Die vom Signalerzeugungsbereich 12 umfasste Schaltung wird durch das Steuersignal 32 (vgl. auch FIG 1 ) aktiviert. Eine Verarbeitungseinheit 34 nach Art eines Mikro- Prozessors stellt den Hochfrequenzoszillator 18 auf eine Frequenz fr1 für den Zündbetrieb ein. Ein dazu von der Verarbeitungseinheit 34 generiertes oder durch die Verarbeitungseinheit 34 generierbares Steuersignal wird zur Unterscheidung von dem Steuersignal 32 auch als Stellsignal 35 bezeichnet. Das generierte Hochfrequenzsignal 14 wird über den Verstär- ker 20 in der Leistung hoch gesetzt, durchläuft einen verlustarmen Koppler 36 und gelangt über den Impedanztransformator 26 zur Elektrode 28 der Ionisationskammer 16, die ein Gasgemisch 24 durch den Quarzglasmantel des Glaskolbens 22 eingeschlossen hält. Sofern die Hochfrequenzlampe 10 zündet, wird eine deutlich größere HF-Leistung an der Elektrode 28 reflektiert. Diese gelangt zum Koppler 36 und wird über diesen abgeschwächt einem Hochfrequenzdetektor 38 zugeführt. Ein dabei verändertes Ausgangssignal des Hochfrequenzdetektors 38 wird von der Verarbeitungseinheit 34 aufgenommen, die durch Einstellen des Hochfrequenzoszillators 18 auf die Frequenz fr2 einen Frequenzsprung für den Leuchtbe- trieb veranlasst.
Für diesen Leuchtbetrieb gibt es folgende Optimierung: Die Verarbeitungseinheit 34 variiert die Frequenz des Hochfrequenzsignals 14 um die Frequenz fr2 um einen kleinen positiven und einen kleinen negativen Wert frΔ und gibt ein entsprechendes Stellsignal 35 aus. Die reflektierten Leistungen werden für drei Frequenzpunkte fr2-frΔ, fe, fe+frΔ gemessen. Der Wert mit der geringsten reflektierten Leistung ist dann der neue Ausgangswert. Diese Regelung wird durchgehend wiederholt. So ist sichergestellt, dass immer möglichst viel HF-Leistung in die Ionisationskammer 16 eingespeist und möglichst wenig in Wärmeverlusten umgewandelt wird.
In FIG 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Hochfrequenzlampe 10 gezeigt, die sich durch einen symmetrischen Aufbau auszeichnet. Dem Hochfrequenzoszillator 18 ist dabei ein verlustarmer Signalteiler 40 mit einem ersten und zweiten Signalteilerausgang 42, 44 nachgeschaltet. Der Leistungsverstärker 20 (vgl. FIG 1 oder FIG 2) ist am ersten Signalteilerausgang 42 angeschlossen daran schließen sich die bereits in FIG 1 oder FIG 2 beschriebenen Schaltungskomponenten an. Am zweiten Signalteilerausgang 44 ist ein Mittel zur Phasenverschiebung 46 angeschlossen, dem ein zweiter Leistungsverstärker 48, ein zweiter Impedanztransforma- tor 50 und eine zweite Elektrode 52 hintereinander geschaltet sind. Das durch den Hochfrequenzoszillator 18 erzeugte Hochfrequenzsignal 14 wird durch den Signalteiler 40 aufgeteilt, insbesondere in zwei gleichgroße Anteile, also das Hochfrequenzsignal 14 und ein zweites Hochfrequenz- Signal 14'.
Ein "oberer" Signalpfad über Verstärker 20, Transformator 26 bis hin zur ersten Elektrode 28 (links) ist gegenüber der anhand von FIG 1 oder FIG 2 beschriebenen Situation unverändert. In einem "unteren" Signalpfad be- findet sich zunächst als Mittel zur Phasenverschiebung 46 ein Phasenschieber mit 180° Phasendrehung, der z. B. in Form einer 180° langen Leitung realisiert sein kann. Danach wird das gegenphasige Signal vom zweiten Verstärker 48 in der Leistung angehoben und vom zweiten Impedanztransformator 50 in der Spannung angehoben, um schließlich der zweiten Elektrode 52 (rechts) zugeführt zu werden.
Diese Konstruktion hat die Vorteile, dass sich die Verstärkung beider Verstärker 20, 48 ohne zusätzliche Beschaltung einfach addiert, dass das Plasma in der Ionisationskammer 16 punktförmig in der Mitte sitzt und dass keine Masse (vgl. FIG 1 oder FIG 2; Bezugszeichen 30) an den Glaskolben 22 herangeführt werden muss.
Diese Hochfrequenzlampe 10 mit dem dargestellten Stellbetrieb lässt sich selbstredend auch im Regelbetrieb verwenden, also in einer Ausführung wie in FIG 2 dargestellt und im Zusammenhang damit weiter oben beschrieben.
Unabhängig von der Anzahl der Impedanztransformationen (FIG 1 , FIG 2: nur ein Impedanztransformator 26; FIG 3: zwei Impedanztransformatoren, nämlich Impedanztransformator 26 und zweiter Impedanztransformator 50) in der Signalerzeugung ist eine Vorrichtung zur Impedanztransformati- on, wie sie in FIG 4 gezeigt ist, vorteilhaft. FIG 4 zeigt als Lampenkopf die Ionisationskammer 16 einer Hochdruckgasentladungslampe 10 (vgl. FIG 1 ) mit dem Glaskolben 22 und einem Druckisolationsbereich 54 (Glasdurchführung). Bei einer kurzen Zuführungsleitung 56, die quasi den Eingang des Impedanztransformator 26, 50 bildet, kann es sich um eine reine Koaxialleitung mit dem Wellenwiderstand von 50 Ohm handeln. Diese wie auch der Rest dieser verteilten Schaltung befinden sich in einem kreisrunden Rohr 58, das am Ende eine Kappe 60 mit Bohrung 62 aufweist, die einer Unterlegscheibe ähnelt. Dieses Rohr 58 bildet die Masse für diese unsymmetrische verteilte Schaltung und die Kappe 60 bildet die Masse für die Elektrode 28. Die Zuführungsleitung 56 ist mit einem ersten und zweiten Leitungsbogen 64, 66 verbunden. Der erste Leitungsbogen 64 ist mit einem in der Glasdurchführung 54 angeordneten Innenleiter 68, der z.B. aus Molybdän gefertigt ist, verbunden. Dieser wiederum leitet das Hochfrequenzsignal 14 (vgl. FIG 1 ) an die Elektrode 28, die vom Gas oder Gasmetalldampfgemisch umgeben ist.
Schaltungstechnisch handelt es sich bei dem zweiten Leitungsbogen 66 um eine kleine gegen Masse geschaltete Induktivität. Der erste Leitungsbogen 64 und der Innenleiter 68 bilden eine deutlich größere Induktivität. Der Kopfteil aus Elektrode 28 und zugehöriger Masse kann durch einen kleinen Kondensator und einem parallel geschalteten hochohmigen Lastwiderstand beschrieben werden. Folglich bildet die Schaltung einen Paral- lelschwingkreis mit angekoppelter Induktivität. Die Induktivität muss mit der Kapazität in Resonanz sein. Die Spannung am Ankoppelpunkt im Bereich des Beginns der Zuführungsleitung 56 wird merklich zur Elektrode 28 hoch transformiert. Diese einstufige Impedanztransformation ist sehr kompakt, einfach und robust. Ein damit korrespondierender, einstufig transformatorisch wirksamer Abschnitt umfasst zumindest die Zuführungsleitung 56 sowie den ersten und zweiten Leitungsbogen 64, 66. Der direkte Anschluss des Innenleiters 68 über den ersten und zweiten Leitungsbogen 64, 66 gegen Masse senkt die Temperatur der Elektrode 28. Der mechanische Aufbau ist stabil und kompakt. Jedoch kann bei sehr hohen Drücken und/oder sehr kleinen Leistungen oder auch für die Verbesserung des Wirkungsgrades eine mehrstufige Transformationen Vorteile bieten. Transformatio- nen mit konzentrierten Bauelementen, die bekannt sind, vgl. H. Heuermann: "Hochfrequenztechnik", a.a.O., weisen relativ schlechte Güten und somit relativ große Verluste auf. Eine in dieser Hinsicht nochmals verbesserte Ausführungsform ist in FIG 5 dargestellt.
Die Schaltung in FIG 5 unterscheidet sich von der in FIG 4 dargestellten Schaltung durch eine hochohmige Auslegung eines verlängerten Leitungsstücks 70 anstelle der zuvor an dessen Stelle vorgesehenen kurzen Zuführungsleitung 56 zur Realisierung einer Serieninduktivität und durch eine rein kapazitive Ankopplung des verlängerten Leitungsstücks 70 an die durch das Rohr 58 gebildete Masse. Darüber hinaus ergeben sich mit dem ersten und zweiten Leitungsbogen 64, 66 aufgrund der Leitungsgeometrie zwei kleine Kondensatoren 72, 74. Bei letzteren handelt es sich um zwei in Serie geschaltete Gamma-Transformatoren (vgl. H. Heuermann: "Hochfrequenztechnik", a.a.O.). Der in FIG 5 dargestellte Schaltung mit einem mehrstufig transformatorisch wirksamen Abschnitt umfasst das verlängerte Leitungsstück 70, die beiden Kondensatoren 72, 74 sowie 64, 66 den ersten und zweiten Leitungsbogen 64, 66. Ein erster Transformator wird durch die Serieninduktivität des verlängerten Leitungsstücks 70 und die gegen Masse geschaltete Kapazität eines der sich durch die Leitungs- geomethe ergebenden Kondensatoren 72 gebildet. Ein zweiter Transfor- mator wird durch die Serienkapazität 60 des zweiten sich durch die Lei- tungsgeomethe ergebenden Kondensators 74 und eine gegen Masse geschaltete Induktivität 64 des zweiten Leitungsbogens gebildet. Die dritte Stufe der Impedanztransformation ist wie gehabt. Die Vorteile dieser etwas aufwändigeren Schaltung sind höheres Transformationsverhältnis und größere Bandbreite. Für beide Ausführungsformen (FIG 4 und FIG 5) gilt, dass das Hochfrequenzsignal über eine geschirmte Wellenleiterstruktur (im konkreten Fall das Rohr 58), die durch die Gestaltung der Innenleiter 56, 64, 66, 68; 70, 64, 66, 68 so ausgeformt ist, dass eine Impedanz- transformation enthalten ist, dem Glaskolben 22 zugeführt wird. Diese
Konstruktion hat gegenüber HF-Antennenlampen den Vorteil, dass keine HF-Abstrahlung stattfindet und die Lampe also zulassungsfähig ist. Weiterhin steigt der Wirkungsgrad. Die HF-Last (gefüllter Glaskolben 22 mit kurzer Durchführungselektrode 28) ist sehr hochohmig, wodurch bei An- passung sehr große elektrische Feldstärken bei kleinen Leistungen gegeben sind.
Hohlraummoden sind bestens wissenschaftlich und technisch untersucht und in vielen Komponenten wie HF-Filtern implementiert. Ab einer gewis- sen unteren, so genannten Cutoff-Frequenz können diese Moden existieren. Sie werden in der Technik sehr gerne genutzt, da die Verluste im Metall sehr gering sind. FIG 6 stellt einen möglichen Hohlraummode (E0-ι) dar. Dieser ist für eine Implementierung in einer Hochfrequenzlampe 10 (FIG 1 , FIG 2, FIG 3) zur Raumausleuchtung oder für andere Anwendun- gen sehr interessant, da das elektrische Feld (und somit auch das Plasma) die optimale Form einer großen Kugel hat. In der relativ großen Ionisationskammer 16 gibt es nur Feldlinien, die sich nur parallel zu den Masseflächen ausbreiten. Zusätzlich bilden diese stärksten elektrischen Felder einen Ring, der eine maximale Leuchtkugel sicherstellt. Eine mögliche Ausführungsform der Hochfrequenzlampe 10 (FIG 1 , FIG 2, FIG 3) als Hohlraumresonatorlampe 76 (kurz: HR-Lampe) zur Anregung des EorModes ist in FIG 7 dargestellt. FIG 7 zeigt die Anordnung für den Fall, dass die HR-Lampe 76 in unsymmetrischer Schaltungstechnik (vgl. FIG 1 oder FIG 2) ausgelegt wurde. Für beide möglichen Schaltungstechniken wird das magnetische Feld durch eine schleifenförmige Elektrode 78 angeregt. Hierbei verhindert eine symmetrische Lösung (FIG 3) noch viel besser als die unsymmetrische Lösung das Auftreten anderer unerwünschter Hohlraummoden. Die schleifenförmige Elektrode 78 der HR- Lampe 76 ist somit nur noch ein Koppelelement für den Resonator, der lediglich aus der Begrenzung der ggf. leicht metallisierten Flächen des Glaskolbens 22 gebildet wird. Mittels einer einstellbaren Kopplung k (siehe H. Heuermann: "Hochfrequenztechnik", a.a.O) kann wiederum eine Spannungstransformation vollzogen werden. Dargestellt wird diese Transforma- tion (mittels einer schwacher Kopplung lässt sich eine große Transformation erzeugen) in H. Heuermann: "Hochfrequenztechnik", a.a.O., als Gam- matransformation, die die Resonanzfrequenz leicht verstimmt. Mit zunehmendem Transformationswert nimmt die Bandbreite ab.
Bei dem vorgestellten Fall des Eoi-Modes befindet sich die in der Ionisationskammer 16 ausbildende Plasmakugel (Bereich der größten Ströme im Plasma) nur im Hohlraum und kontaktiert weder die schleifenförmige Elektrode 78 (Elektroden 78, nicht dargestellt, bei einer symmetrischen Lösung gemäß FIG 3) noch die Masse. Selbstredend ist auch hier der gesamte Inhalt der Ionisationskammer 16 ionisiert. Die lonisationsstrecken sind in erster Näherung als ohmsche Widerstände (Verbraucher) zu betrachten. Diese "verkleinern" den reaktiven Resonatorbereich, so dass auch hier ggf. ein Frequenz-Hopping nützlich ist. Die Wahl des Modes und die geometrische Gestaltung der Elektrode hat einen Einfluss auf den maximalen Plasmabereich und den resultierenden Eingangswiderstand Zeιn der HR-Lampe 76. Mittels SD-HF-Feldsimulatoren lassen sich die elektromagnetischen Felder im Inneren des Glaskol- bens 22 in der Ausrichtung und der absoluten Größe darstellen. Die Bereiche mit den größten elektrischen Feldstärken sind die Bereiche, in denen die größten Plasmaströme fließen. Diese somit heißesten Bereiche sind folglich von der oder jeder Elektrode 78 entkoppelt.
Die bisherigen Elektrodenauslegungen bezogen sich nur auf die Verwendung einer metallischen Elektrode 28, 52, 78. Eine sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist es, wenn anstatt der metallischen Elektrode 28, 52, 78 eine rein dielektrische Elektrode oder ein gemischter Aufbau aus einem Metallkern und einer dielektrischen Ummantelung Verwendung findet. Wird nur ein Dielektrikum (mit relativ großer dielektrischer Konstante) als Elektrode verwendet, so spricht man in der HF-Technik vom dielektrischen Draht oder dielektrischen Resonator. Beim dielektrischen Draht wird bevorzugt eine Hybridgrundwelle HE11 als Leitungsmode gewählt. Für den dielektrischen Resonator sind je nach Ankopplung auch weitere ver- lustärmere Moden nutzbar. Wird dagegen ein gemischter Aufbau aus einem Metallkern und einer dielektrischen Ummantelung verwendet, so entsteht ein Goubauscher Oberflächenleiter (auch Goubau-Harmsscher Leiter), der eine sehr verlustarme Übertragung im Bereich vom zweistelligen MHz-Bereich bis in den GHz-Bereich erlaubt.
Diese beiden Aufbauten (allg. dielektrische Elektrode) können anstatt der metallischen Elektrode(n) 28; 52 oder der als Koppelelement fungierenden schleifenförmige Elektrode(n) 78 eingesetzt werden. Hierbei ändert sich die Ankopplungsstruktur der z.B. in der Ausführungsform gemäß FIG 4 dafür beschriebenen Elemente, nämlich Elektrode 28, Druckisolationsbe- reich/ Glasdurchführung 54 und Innenleiter 68. Abhängig vom gewünschten Hochfrequenzmode ist ein großes Spektrum an mechanischen Konstruktionen anwendbar. Ein Beispiel für eine Anregung des Grundmodes (der ab OHz ausbreitungsfähig ist) zeigt FIG 8. Ein weiteres Beispiel zeigt FIG 9 für die Anregung des Eoi-Modes, dessen Implementierbarkeit sehr vorteilhaft ist. Der von FIG 8 umfasste Text lautet „HEn-Welle" und „λ/2". Der von FIG 9 umfasste Text lautet „EOi-Welle", „εi=81 ε0", „ε2=ε0", „λ/2" und „λ=14,4σ < λc=23J6σ".
Wie erwähnt kann die dielektrische Elektrode anstelle einer sonstigen Elektrode 28, 52, 78 in der HF- und der HR-Lampe 10, 76 (FIG 1 , 2, 3 bzw. FIG 7) eingesetzt werden. Bei der HR-Lampe 76 ändert sich nichts am Hohlleitermode. Lediglich die geometrische Formung des dielektrischen Drahtes muss gemäß den Einkoppelbedingungen optimiert werden. Folglich geht man von einem koaxialen Mode über auf den Mode des dielektrischen Leiters und zuletzt auf den Kugelhohlleitermode. Etwas anders sieht es bei der Hochfrequenzlampe 10 aus. Hier ändert sich optisch weniger. Beispielsweise zeigt FIG 10 eine Hochfrequenzlampe 10, die mit der verwendeten dielektrische Elektrode auch als dielektrische Lampe bezeichnet wird, über einem Masseteller 80 (der Glaskolben 22 ist nicht dargestellt) für eine Punktlichtgeneration bei symmetrischer Ansteuerung von einer Seite, also mit zwei Elektroden 82, 84, in einer Ausführungsform, die mittels rein metallischen, gemischten oder rein dielektrischen Elektrodenwerkstoffen umgesetzt sein kann. Jedoch handelt es sich bei einer metallischen Elektrode um einen LC-Schwingkreis und bei einer dielektrischen Elektrode um einen Mode eines dielektrischen Resonators. Die in FIG 10 gezeigte Realisierungsform erzeugt in beiden Fällen ein Leuchten einer Punktquelle, die zwischen den beiden Elektroden 82, 84 sitzt. Diese Anordnung ist eine vorteilhafte Ausgestaltung der Hochfre- quenzlampe 10 für Hochdruckanwendungen. Soll zusätzlich oder alternativ zu den hier vorgeschlagenen Maßnahmen zur Erhöhung des elektrischen Feldes die Resonatorspannung noch weiter angehoben werden, so gelingt dieses, wenn eine "belastete Güte" verbessert wird. In DE 10 2004 054 443 (Heuermann, H., Sadeghfam, A., Lünebach, M.: "Resonatorsystem und Verfahren zur Erhöhung der belasteten Güte eines Schwingkreises") ist eine große Anzahl von schaltungstechnischen Lösungen enthalten, die auch hier genutzt werden können. Entsprechend gilt der diesbezügliche Offenbarungsgehalt der o.g. DE 10 2004 054 443 hiermit als vollumfänglich in die Beschreibung der hier im Vordergrund stehenden Erfindung integriert.
Nachfolgend werden weitere Ausgestaltungen oder Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung zumindest kursorisch vorgestellt: Ein Einsatz von Magneten erlaubt eine einfache Manipulation der Gestaltung der lonisati- onsstrecke. Nachdem die Elektrodengestaltung, also deren Gestaltung hinsichtlich Form und Dimension, grundsätzlich beliebig ist, kann die Hochfrequenzlampe 10 auch als Leuchtmittel für effektvolle Werbelampen eingesetzt werden. Über eine geeignete Frequenzwahl können sehr schnell unterschiedliche lonisationswege angesteuert werden, was einer Lampengestaltung neue Wege erlaubt. Unter anderem lassen sich Bereiche mit unterschiedlichen Leuchtstoffen (Phosphoren) und somit auch unterschiedlichen Farben ionisieren. Dieses erlaubt eine Variante von Anzeigegeräten nach Art eines Plasmafernsehers.
Auch das klassische Plasmafernseherkonzept kann durch die HF-Anregung abgelöst werden. Statt der NF-Steuersignale lassen sich zwei im Gegentakt betriebene HF-Steuersignale verwenden. Eine Impedanztransformation erlaubt auch hier große Spannungen bei sehr geringen Leistun- gen zu erzielen. Darüber hinaus werden zur Zeit noch die drei Farben eines Pixels über 3 x zwei Datenleitungen angesteuert. Demgegenüber kann mit einem Frequenzmultiplexverfahren ein Pixel über nur zwei Leitungen angesteuert werden. Diese Gestaltung würde unter anderem die Bildauflösung verbessern. Die Reaktionszeit aller genannten Plasmafern- sehervarianten würde man dadurch neben dem Wirkungsgrad verbessern können.
Zusammenfassend lässt sich die vorliegende Erfindung damit kurz wie folgt beschreiben: Es werden eine neuartige Konstruktion zum Aufbau von einer Hochfrequenzlampe 10 für Nieder- und Hochdruckanwendungen sowie ein Verfahren für deren Betrieb angegeben, die bzw. das insbesondere dazu geeignet ist, die Eigenschaften im Hinblick auf Wirkungsgrad, Emissionsspektrum, Kosten und Langlebigkeit zu verbessern, indem aufgrund eines einem Leistungsverstärker 20 nachgeschalteten Impe- danztransformators 26 auch bei sehr kleinen Hochfrequenzleistungen der Einsatz einer Zündeinheit nicht mehr erforderlich ist, da mit der Impedanztransformation die Anlegung einer möglichst hohen Spannung an eine Ionisationskammer 16 gelingt. Diese Hochfrequenzlampe 10 ist sowohl als Hochdruck- als auch als Niederdruckgasentladungslampe einsetzbar. Klassische Starter sind nicht notwendig. Die Hochfrequenzlampe 10 weist je nach Auslegung einen kleinen punktförmigen oder einen großen kugelförmigen lonisationsbereich mit großen Stromflüssen und somit hohen Farbtemperaturen mit einer Abdeckung bis zu mehreren dm2 auf und erlaubt eine beliebige Einstellung der Lichtleistung. Diese Dimmfähigkeit und das bessere Lichtspektrum qualifizieren die Hochfrequenzlampe 10 für Innenbeleuchtungen. Die große Lebensdauer, das Tageslichtspektrum, der geringe Preis und die große Leistungsverträglichkeit qualifizieren die Hochfrequenzlampe 10 mit punktförmigen Hochstrombereich zur Verwendung in Geräten wie so genannten Beamern und Projektoren sowie als Kfz-Scheinwerferlampe. Hervorragende Wirkungsgrade und höchste Farbtemperaturen lassen sich mit dieser Hochfrequenzlampe 10 u.a. durch den Einsatz dielektrischer Elektroden erzielen. Die Hochfrequenzlampe 10 lässt sich mittels Hochfrequenzelektronikbauelementen, die aufgrund des Telekommunikationsmarktes sehr preisgünstig verfügbar sind, und üblicher Gasentladungslampentechnologie sehr preiswert herstellen, zumal die Hochspannungsanforderungen deutlich geringer sind, verglichen zu klassischen Starterschaltungen.
Bezugszeichenliste
10 Hochfrequenzlampe, 46 Phasenverschiebung
HF-Lampe 48 Leistungsverstärker
12 Signalerzeugungsbereich 50 Impedanztransformator
14 Hochfrequenzsignal 52 zweite Elektrode
14' Hochfrequenzsignal 35 54 Druckisolationsbereich
16 Ionisationskammer 56 Zuführungsleitung
18 Hochfrequenzoszillator 58 Rohr
20 Leistungsverstärker 60 Kappe
22 Glaskolben 62 Bohrung
24 Gas 40 64 erster Leitungsbogen
26 Impedanztransformator 66 zweiter Leitungsbogen
28 Elektrode 68 Innenleiter
30 Masse 70 Leitungsstück
32 Steuersignal 72 Kondensator
34 Verarbeitungseinheit 45 74 Kondensator
35 Stellsignal 76 Hohlraumresonatorlampe,
36 Koppler HR-Lampe
38 Hochfrequenzdetektor 78 schleifenförmige Elektrode
40 Signalteiler 80 Masseteller
42 Signalteilerausgang 50 82 Elektrode
44 Signalteilerausgang 84 Elektrode

Claims

Patentansprüche
1. Hochfrequenzlampe (10) mit einem Signalerzeugungsbereich (12) zur Generierung eines Hochfrequenzsignals (14) und einer jenem nach- geschalteten Ionisationskammer (16), wobei der Signalerzeugungsbereich (12) einen schaltbaren Hochfrequenzoszillator (18) und an dessen Ausgang einen Leistungsverstärker (20) zur Anhebung einer Leistung des Hochfrequenzsignals (14) umfasst, wobei der Ionisationskammer (16), die zumindest einen gasgefüll- ten Glaskolben (22) umfasst, mindestens eine Elektrode (28) zugeordnet ist und wobei dem Leistungsverstärker (20) ein Impedanztransformator (26) nachgeschaltet ist, der an seinem Ausgang mit der oder jeder Elektrode (28) verbunden ist.
2. Hochfrequenzlampe (10) nach Anspruch 1 , wobei der Signalerzeugungsbereich (12) zusätzlich einen dem Leistungsverstärker (20) nachgeschalteten, insbesondere zwischen Leistungsverstärker (20) und Impedanztransformator (26) angeordneten Kopp- ler (36), einen Hochfrequenzdetektor (38) und eine Verarbeitungseinheit (34) umfasst, wobei ein im Betrieb der Hochfrequenzlampe (10) an der Elektrode (28) reflektiertes Hochfrequenzsignal über den Koppler (36) dem Hochfrequenzdetektor (38) zuführbar ist und wobei ein aufgrund eines Ausgangssignals des Hochfrequenzdetektors (38) von der Verarbeitungseinheit (34) als Stellsignal (35) generierbares Steuersignal dem Hochfrequenzoszillator (18) zur Optimierung des Hochfrequenzsignals (14) auf Basis des reflektierten Signals zuführbar ist.
3. Hochfrequenzlampe (10) nach Anspruch 1 , wobei dem Hochfrequenzoszillator (18) ein Signalteiler (40) mit einem ersten und zweiten Signalteilerausgang (42, 44) nachgeschaltet und der Leistungsverstärker (20) am ersten Signalteilerausgang (42) angeschlossen ist, wobei am zweiten Signalteilerausgang (44) ein Mittel zur Phasenverschiebung (46), ein zweiter Leistungsverstärker (48), ein zweiter Impedanztransformator (50) und eine zweite Elektrode (52) hintereinander geschaltet sind.
4. Hochfrequenzlampe (10) nach Anspruch 1 oder 2 oder nach An- spruch 3, wobei der Impedanztransformator (26) bzw. der Impedanztransformator (50) und/oder der zweite Impedanztransformator (50) einen einstufig oder mehrstufig transformatorisch wirksamen Abschnitt umfasst (56, 66, 64; 70, 74, 66, 64).
5. Hochfrequenzlampe (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die oder jede Elektrode (28) dielektrisch ist, insbesondere durch einen von einer dielektrischen Ummantelung umgebenen Metallkern gebildet ist.
6. Hochfrequenzlampe (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer schleifenförmigen Elektrode (78).
7. Hochfrequenzlampe (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Glaskolben (22) mit einem Gemisch mindestens zweier Gase, insbesondere genau dreier Gase, mit unterschiedlichen Emissionsspektren gefüllt ist.
8. Hochfrequenzlampe (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ionisationskammer (16) mindestens zwei Glaskolben (22), insbesondere drei Glaskolben (22), umfasst, die je für sich mit einem Gas mit unterschiedlichen Emissionsspektren gefüllt sind und wobei jedem Glaskolben (22) eine Elektrode (28) zur Zuführung eines Hochfrequenzsignals (14) zugeordnet ist.
9. Verfahren zum Betrieb einer Hochfrequenzlampe (10) nach Anspruch 1 , wobei das Hochfrequenzsignal (14) vom Hochfrequenzoszillator (18) generiert wird, wobei die Leistung des Hochfrequenzsignals (14) durch den nachgeschalteten Leistungsverstärker (20) erhöht wird, wobei das Hochfrequenzsignal (14) durch den dem Leistungsverstärker (20) nachgeschalteten Impedanztransformator (50) in den Hochspannungsbereich transformiert wird und wobei das transformierte Hochfrequenzsignal (14) der Elektrode (28) zugeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9 zum Betrieb einer Hochfrequenzlampe (10) nach Anspruch 2, wobei der Hochfrequenzdetektor (38) das bei einer Zündung der Hochfrequenzlampe (10) an der Elektrode (28) reflektierte und über den Koppler (36) weitergeleitete Hochfrequenzsignal detektiert und wobei die Verarbeitungseinheit (34) zur Optimierung des Hochfrequenzsignals (14) das Steuersignal (32) aufgrund des Ausgangssignals des Hochfrequenzdetektors (38) anpasst, insbesondere um einen vorgegebenen positiven oder negativen Wert variiert und ein entsprechendes Stellsignal (35) anhand des Steuersignals (32) und des Ausgangssignals des Hochfrequenzdetektors (38) generiert.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10 zum Betrieb einer Hochfrequenzlampe (10) nach Anspruch 3, wobei der Signalteiler (40) von dem Hochfrequenzsignal (14) ein zweites Hochfrequenzsignal (14') abteilt, insbesondere derart, dass ein als Hochfrequenzsignal(14) verbleibendes Hochfrequenzsignal und das zweite Hochfrequenzsignal (14') zumindest im Wesentlichen identisch sind, wobei das Mittel zur Phasenverschiebung (46) das zweite Hochfre- quenzsignal (14') in der Phase verschiebt, der nachgeschaltete zweite Leistungsverstärker (48) die Leistung des phasenverschobenen zweiten Hochfrequenzsignals (14') erhöht und wobei der nachgeschaltete zweite Impedanztransformator (50) das resultierende zweite Hochfrequenzsignal (14') einstufig oder mehrstufig transformiert und an die zweite Elektrode (52) weiterleitet.
12. Verfahren nach Anspruch 9, 10 oder 11 , wobei der Impedanztransformator (26; 50) das Hochfrequenzsignal einstufig oder mehrstufig transformiert.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12 zum Betrieb einer Hochfrequenzlampe (10) nach Anspruch 7, wobei vom Hochfrequenzoszillator (18) mindestens zwei Hochfrequenzsignale (14) generiert und der mindestens einen Elektrode (28) zugeführt werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12 zum Betrieb einer Hochfrequenzlampe (10) nach Anspruch 8, wobei vom Hochfrequenzoszillator (18) mindestens zwei Hochfrequenzsignale (14) generiert und jedes Hochfrequenzsignal (14) genau einer der mindestens zwei Elektroden (28) zugeführt wird.
15. Anzeigevorrichtung mit einer Mehrzahl von zeilen- und spaltenför- mig angeordneten Hochfrequenzlampen (10) nach Anspruch 7 oder 8.
16. Verfahren zum Betrieb einer Anzeigevorrichtung nach Anspruch 15, wobei jede Hochfrequenzlampe (10) nach einem Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14 betrieben wird.
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