EP2215895A2 - High-frequency lamp and method for the operation thereof - Google Patents

High-frequency lamp and method for the operation thereof

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Publication number
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Withdrawn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
German (de)
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/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B41/00Circuit arrangements or apparatus for igniting or operating discharge lamps
    • H05B41/14Circuit arrangements
    • H05B41/24Circuit arrangements in which the lamp is fed by high frequency ac, or with separate oscillator frequency
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J65/00Lamps without any electrode inside the vessel; Lamps with at least one main electrode outside the vessel
    • H01J65/04Lamps 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
    • H01J65/042Lamps 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
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B41/00Circuit arrangements or apparatus for igniting or operating discharge lamps
    • H05B41/14Circuit arrangements
    • H05B41/36Controlling
    • H05B41/38Controlling the intensity of light
    • H05B41/382Controlling the intensity of light during the transitional start-up phase
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02BCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B20/00Energy 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.

Abstract

The invention relates to a novel design for constructing a high-frequency lamp (10) for low and high-pressure applications and a method for the operation thereof, particularly suitable for improving the characteristics with regard to efficiency, emission spectrum, cost, and long life, in that the use of an exciter unit is no longer necessary, even at very low high-frequency power, due to an impedance transformer (26) connected downstream from a power amplifier (20), because the application of as high a voltage as possible to an ionization chamber (16) is possible using the impedance transformation.

Description

Beschreibung description
Hochfrequenzlampe und Verfahren zu deren BetriebHigh frequency lamp and method of operation
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.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
Derartige Hochfrequenzlampen sind allgemein bekannt.Such high frequency lamps are well known.
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.The task of every lamp, including a high-frequency lamp, is to emit light as efficiently as possible. Each lamp converts energy into light with more or less good efficiency. Often, a lot of heat is lost during conversion.
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.Further tasks of lamps are manifold. Often, the emitted light spectrum is very crucial to the purpose. Similarly, some applications, such as vehicle headlights and projectors, need lamps with point sources as possible.
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.The description of the prior art will be further limited to electric lamps. These can be roughly differentiated into light-emitting diodes and lamps with glass bodies. Here, the last group will be discussed below. This is divided into light bulbs and gas discharge lamps.
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.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.
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.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. This contains a starter, which ionizes the gas by means of a voltage pulse in the kV range. Furthermore, if necessary, 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.
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.A special form of the gas discharge lamp is the sulfur lamp. It consists of a quartz glass ball filled with sulfur and argon as the ionization chamber. In the glass ball, a plasma is generated by high-frequency radiation. In contrast to conventional gas discharge lamps, the sulfur lamp requires no electrodes because of the use of waveguides. Because of the extremely high temperatures that arise on the quartz glass of the sphere, it is kept in rotation and thereby cooled. This causes a lower stem having turbine blade-like fan-out. It turns in the air flow, which is generated by a fan inside the magnetron (HF power source with approximately 1500W). If this cooling fails, the glass ball would melt after 20 seconds.
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 desSulfur 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
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.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.
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.Due to the relatively high expenditure on equipment (power supply for magnetron, shielding of the microwaves, temperatures), this lamp was not commercially available for a long time. Since 2006, LG Electronics has been producing sulfur lamps under the name "Power Lighting System" (PLS lamps, also available as Sulfur Plasma lamps). They are often used as lighting in television studios or as artificial lighting for plants.
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.From "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. 6A, 2007, and "Numerical analysis of antenna-excited microwave discharge lamp by finite element method", M. Kando, T. Fukaya and T. Mizojiri; 28th IC-PIG, Juicy 15-20, 2007, Prague, Czech Republic are high-frequency lamps known that work with small high-frequency power (30-100W) and instead of the waveguide coupling have a coupling via a TEM line (coaxial line) with inner conductor electrode. Since these lamps use the long wires of a glass discharge lamp as an antenna, these lamps will be more appropriately referred to as RF antenna lamps hereinafter.
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.However, these lamps, as well as the sulfur lamps, have no impedance transformers. Thus, the requirements for frequency stability of the high-frequency generator are low in these lamps.
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.A disadvantage of these known gas discharge lamps, however, 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). Furthermore, 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.
Die als Energiesparlampen genutzten Gasentladungslampen sind nicht dimmbar, was im praktischen Einsatz einen sehr großen Nachteil darstellt.The gas discharge lamps used as energy-saving lamps are not dimmable, which represents a very great disadvantage in practical use.
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.Because the previous high-frequency lamps have no impedance transformation in the high-impedance range, very large currents flow through the Electrodes. Since these are made of materials such as tungsten with a poor surface finish, the ohmic losses are very large.
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.Accordingly, it is an object of the invention to provide 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.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß einerseits mit einer Hochfrequenz- lampe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dazu ist bei einerThis object is achieved on the one hand with a high-frequency lamp with the features of claim 1. This is at one
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.High-frequency lamp having a signal generating area for generating a high-frequency signal and that, ie the signal generating area, downstream ionization chamber, wherein the signal generating portion includes a switchable high frequency oscillator and at its output a power amplifier for increasing a power of the high frequency signal and wherein the ionization chamber, 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.
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.With regard to the method, this object is achieved according to the invention by the features of claim 9. It is provided that for the operation of a high-frequency lamp of the type outlined and subsequently described, the high-frequency signal from the radio frequency quenzoszillator is generated, wherein the power of the high-frequency signal is increased by the downstream power amplifier, that the high-frequency signal is transformed by the power amplifier downstream impedance transformer in the high voltage region and that the transformed high-frequency signal is supplied to the electrode.
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.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. In addition, 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. Finally, 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. 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.
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.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.
Für die der Ionisationskammer zugeordnete Elektrode können unter- schiedliche Materialien eingesetzt und Formen verwendet werden, wodurch sich gleichermaßen Wirkungsgrad und Anwendungsbereich verbessern lassen.For 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.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran- Sprüche. Dabei verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitereAdvantageous embodiments of the invention are the subject of the subclaims. The relations used point to the others
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.Education of the subject of the main claim by the features of the respective dependent claim; they should not be construed as a waiver of obtaining independent, objective protection for the feature combinations of the dependent claims. Furthermore, with a view to an interpretation of the claims in a closer specification of a feature in a subordinate claim, it is to be assumed that such a restriction does not exist in the respective preceding claims.
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.According to a preferred refinement of the high-frequency lamp, it is provided that 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. By detecting 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.
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.If 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.
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.It is further preferred that 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. If 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.
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.If 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.
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.If 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. If 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. In this way, 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.
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.According to an embodiment which is alternative to the previously described embodiment, however, it is provided that 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. In this version tion form gives each glass bulb in ionization of the gas contained therein each characteristic emission spectrum. Put simply, each glass bulb radiates exactly one color. By controlling 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. However, there is also the at least fundamental suitability as an imaging element in display devices in the manner of a monitor. For the latter case, one will usually provide three glass flasks, which - in accordance with the known RGB model - are intended for the emission of red, green and blue light. In connection with this aspect of the invention, 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. In that regard, 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. In this way, 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. With regard to the method according to the invention, as described above, according to the invention, embodiments of the method for operating the respective representational developments of the high-frequency lamp are also provided.
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.In order to operate one of the preferred embodiments of the high-frequency lamp, it is correspondingly provided that 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. With regard to the aspect of the adaptation of the high-frequency signal, the advantage lies in the fact that before or during the ignition of the high-frequency lamp, the ionization chamber acts as a small capacitor with high-impedance parallel resistance, while immediately after the ionization (lighting operation) increases the capacity and reduces the parallel resistance Thus, therefore, after ignition, the resonance frequency, the frequency to be used for the high-frequency signal, changes. For this reason, the signal generation after ignition of the lamp must be able to perform a quick one-time frequency hopping, the high-frequency signal is thus "adapted" to the situation of lighting operation. For the components coupler and high-frequency detector, this means that, if the high-frequency lamp ignites, a significantly greater RF power is reflected at the electrode. This passes to the coupler and is fed via this attenuated the high-frequency detector. The changed output signal of the high frequency detector is received by the processing unit and this performs the frequency hopping for the lighting operation. With regard to the aspect of the variation of the high-frequency signal, the advantage lies in the fact that with a variation of the high-frequency signal by a small positive and a small negative value, the reflected powers for a plurality of frequency points, eg for an average frequency, a reduced frequency and increased Frequency, measured and the value with the lowest reflected power is used as a new output value for the high-frequency signal. This regulation is repeated continuously or at predefined or predefinable times. This ensures that as much HF power as possible is always fed into the ionization chamber and converted as little as possible into heat losses.
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.To operate the high-frequency lamp with a symmetrical structure, it is correspondingly provided that the signal divider separates a second high-frequency signal from the high-frequency signal, in particular such that a high-frequency signal remaining as a high-frequency signal and the second high-frequency signal are at least substantially identical, that the means for phase shifting is the second In phase shifts high frequency signal, the downstream second power amplifier increases the power of the phase-shifted second high-frequency signal and the downstream second impedance transformer transforms the resulting second high-frequency signal in one or more stages and forwards to the second electrode.
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.For other embodiments of the high-frequency lamp, it is provided that 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.
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.An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to the drawing. Corresponding objects or elements are provided in all figures with the same reference numerals.
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.The or each embodiment is not to be understood as limiting the invention. Rather, numerous modifications and modifications are possible within the scope of the present disclosure, in particular those variants, elements and combinations and / or materials, which are described, for example, by combination or modification of individual in conjunction with the general or specific description part as well as in the claims and / or features contained in the drawing or elements or method steps for the skilled worker with regard to the solution of the task can be removed and lead by combinable features to a new subject or to new process steps or process steps, even if they manufacturing or working procedures affect.
In der Zeichnung zeigenIn the drawing show
FIG 1 ein schematisch vereinfachtes Blockschaltbild einer Hochfrequenzlampe für einen so genannten Stellbetrieb, FIG 2 ein schematisch vereinfachtes Blockschaltbild der Hochfrequenzlampe für einen Regelbetrieb,1 shows a schematically simplified block diagram of a high-frequency lamp for a so-called control operation, FIG 2 is a schematically simplified block diagram of the high-frequency lamp for a control operation,
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,3 shows a schematically simplified block diagram for a high-frequency lamp with differential control ("symmetrical structure"), 4 shows a lamp head with single-stage impedance transformation, that is to say with a single-stage transformatively effective section,
FIG 5 einen Lampenkopf mit dreistufiger Impedanztransformation, also mit einem mehrstufig transformatorisch wirksamem Ab- schnitt,FIG. 5 shows a lamp head with a three-stage impedance transformation, that is to say with a multistage transformer-effective section, FIG.
FIG 6 einen EorMode in einem Rundhohlleiter (E-FeId gestrichelt, H- FeId durchgezogen),6 shows an EorMode in a circular waveguide (dashed E-field, H-solid drawn through),
FIG 7 eine Hohlraumresonatorlampe mit einstufiger Impedanztransformation für die Anregung des Eoi-Modes bei unsymmetrischer Anregung,7 shows a cavity resonator lamp with single-stage impedance transformation for the excitation of the Eoi mode with asymmetrical excitation,
FIG 8 eine Ankopplung einer dielektrischen Elektrode für die Anregung eines HE-n-Grundmodes,8 shows a coupling of a dielectric electrode for the excitation of a HE-n fundamental mode,
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.9 shows a coupling of a dielectric electrode for the excitation of the EorModes, and 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 zeigt schematisch vereinfacht den Aufbau einer Ausführungsform einer insgesamt mit 10 bezeichneten Hochfrequenzlampe gemäß der1 shows schematically simplified the structure of an embodiment of a generally designated 10 high-frequency lamp according to the
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.Invention. 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. For the signal generating region 12, it is provided that 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.
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.In this way, the structure of a high-frequency lamp 10 (RF lamp) 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.
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.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.
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.The higher the frequency of the high-frequency signal 14 is selected, the smaller the voltage applied to the electrode 28 can be. Already In the lower GHz range, for which there are many low-cost electronic components, 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.
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.Because working with narrow-band high-frequency signals 14, an HF-compatible structure is very easy. For example, it is now possible to use lambda / 2 lines with all their advantages. That Lines do not have to have the desired characteristic impedance.
Dieses vereinfacht z.B. ein hochfrequenzgerechtes Design der Hochfrequenzlampe 10.This simplifies e.g. a high-frequency design of the high-frequency lamp 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 keinThe electrode 28 now radiates the energy over several paths or a large area. The electromagnetic energy generated in the ionized region around the electrode 28, an RF current that emits radiant energy due to the heating radiant energy in the optical range. Thus, 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. Initial measurements have shown that no
Material austritt. Die Hochfrequenzlampe 10 kann somit über eine längere Lebensdauer eingesetzt werden.Material exits. The high frequency lamp 10 can thus be used over a longer life.
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.As a power amplifier 20 are highly integrated and cheapest high-frequency power amplifier for GSM mobile applications and handsets into consideration, have the efficiencies of over 60%. Efficiencies of 80% are achievable in the so-called class E-Betheb.
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.Short lines can be realized almost lossless in the lower GHz range. Thus, for the signal acting as HF-Vorschalteinheit 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.
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.The choice of material for the electrode structure allows not only metal but also the use of a dielectric material. For example, the electrode 28 may be made of a ceramic material having a high dielectric constant and a very high melting point. This design is a very decisive point with regard to the color temperature and the often desired spectrum, which corresponds to daylight. As a result, a significantly improved efficiency can be achieved.
Ein zusätzlicher Vorteil dieser Lampe gegenüber allen Energiesparlampen besteht darin, dass die hier vorgeschlagene Hochfrequenzlampe dimmbar ist.An additional advantage of this lamp over all energy-saving lamps is that the high-frequency lamp proposed here is dimmable.
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.Teach fundamental physics books that the ionization of a gas nenstrahleinschuss only by the electron impact, excited by an electrical, thermal ionization at extremely high temperatures (10 K 6) or photoionization by means of ultraviolet light. Moreover, in the GHz range, the inventor has realized experimental physics constructions by means of which ionized regions have arisen via the introduction of relatively little high-frequency energy. These results coincide with other published results, eg. B. "experiments with high frequency" by H. Chmela, Franzis-Verlag, which were carried out in the MHz range. This will be referred to hereinafter as high-frequency ionization. Also in "A Novel Spark Plug for Improved Ignition in Engines with Gasoline Direct Injection (GDI)" by K. Linkenheil and others, IEEE Transactions on Plasma Science, VoI 33, No. 5, Oct. In 2005, this high frequency ionization is detected and highlighted that additional UV radiation allows this ionization at lower electric field strengths.
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.If an ionized gas has the same number of electrons and ions, then it is a gas that is space-charge-free and called plasma.
Anhand der Maxwellschen Gleichungen lässt sich zeigen, dass für ein ionisiertes Gas die folgenden mathematischen Zusammenhänge gelten:It can be shown from Maxwell's equations that the following mathematical relationships apply to an ionized gas:
Relative Dielektrizitätszahl: er = 1 - (N e2) / e0 / m / ( u2 + w2) (1 )Relative Dielectric constant: e r = 1 - (N e 2 ) / e 0 / m / (u 2 + w 2 ) (1)
Relative Leitfähigkeit: k = (N e2 u) / m / ( u2 + w2) (2)Relative conductivity: k = (N e 2 u) / m / (u 2 + w 2 ) (2)
Plasmafrequenz: wp = e (N e2 / m / e0) (3) mit den Größen:Plasma frequency: wp = e (N e 2 / m / e 0 ) (3) with the quantities:
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.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.
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 tieferenDetailed investigations show that below the plasma frequency no electromagnetic energy is capable of propagation and no losses te be held in the plasma. By contrast, the space has a real field impedance Zf above the plasma frequency. Zf drops to higher frequencies and exponentially approaches the free space resistance Z 0 of around 377W. This means that at higher frequencies, lower voltages are required to achieve the same power levels than at lower frequencies
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.Frequencies. 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.
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.An analysis of the atmosphere for the transmission properties of the RF signals shows that in the two- to three-digit MHz range, the radiation is almost not absorbed, while at 50 GHz, the entire radiation is absorbed as molecular absorption in hydrogen or oxygen. In the lower MHz range, so-called Tesla transformers can be used to manufacture 10OW generators with a 5kV output voltage and thus produce 10cm spark gaps in air, cf. also the already mentioned reference "Experiments with high frequency", a.a.O. The inventor has already generated a 1 cm long spark gap at 2.5 GHz using a 10 W transmitter and a voltage of 2 kV.
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.In the following, the signal generation in the high frequency lamp 10 will be described. In the initial state (ignition operation), the ionization chamber 16 acts as a small capacity with high resistance parallel resistor. Immediately after the ionization (lighting operation), the capacity increases and the parallel resistance decreases. Consequently, after ignition, the resonance frequency f r changes . For this reason, it is advantageous if 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 eιn of the ionization chamber 16 after ignition or is conjugate complex adapted.
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.By means of so-called 3D-RF simulators, the electromagnetic fields and the input resistance Z eιn can be calculated before the time of ignition of the lamp. Of course, simulators do not take into account high-frequency ionization and ignition. If the changing input resistance Z eιn 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.
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.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. In FIG. 1, 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.
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.In order for the greatest possible voltage to be present in the ionization chamber 16, an impedance transformation is carried out by means of the impedance transformer 26. performed. There is a very wide range of circuits in the HF-FaII. 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. In addition to the high transformation of the impedance level and thus also of the voltage, 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 Ω range or in the single-digit kΩ range or higher.
Eine Spannung an der Elektrode 28 in der Ionisationskammer 16 berechnet sich unmittelbar aus der Ausgangsleistung des Verstärkers 20 Pout undA voltage at the electrode 28 in the ionization chamber 16 is calculated directly from the output power of the amplifier 20 P out and
^aus- ^ off
Folglich sollte ein Arbeitspunkt so gewählt werden, dass dieser deutlich über der Plasmafrequenz wp liegt.Consequently, an operating point should be chosen so that it lies clearly above the plasma frequency wp.
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.In order to obtain the best possible efficiency, a preferred embodiment of the invention provides that as little high-frequency power as possible is reflected. For this purpose, 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.
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 f 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.For this lighting operation there is the following optimization: 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 and outputs a corresponding actuating signal 35. The reflected powers are measured for three frequency points f r2 -f r Δ, fe, fe + frΔ. 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.
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'.FIG. 3 shows a preferred embodiment of the high-frequency lamp 10, which is distinguished by a symmetrical structure. The high-frequency oscillator 18 is a low-loss signal divider 40 with a first and second signal divider output 42, 44 downstream. The power amplifier 20 (see FIG 1 or FIG 2) is connected to the first signal divider output 42 is followed by the already described in FIG 1 or FIG 2 circuit components. At the second signal divider output 44, a phase shifting means 46 is connected to which a second power amplifier 48, a second impedance transformer tor 50 and a second electrode 52 are connected in series. The high-frequency signal 14 generated by the high-frequency oscillator 18 is divided by the signal splitter 40, in particular into two equal proportions, ie the high-frequency signal 14 and a second high-frequency 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.An "upper" signal path via amplifier 20, transformer 26 up to the first electrode 28 (left) is unchanged from the situation described with reference to FIG. 1 or FIG. In a "lower" signal path is initially as means for phase shift 46, a phase shifter with 180 ° phase rotation, the z. B. can be realized in the form of a 180 ° long line. Thereafter, the antiphase signal is boosted in power by the second amplifier 48 and boosted by the second impedance transformer 50 to be finally supplied to the second electrode 52 (right).
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.This design has the advantages that the amplification of both amplifiers 20, 48 is simply added without additional circuitry, that the plasma in the ionization chamber 16 is punctiform in the middle and that no mass (see FIG. 1 or FIG the glass bulb 22 must be brought.
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.This high-frequency lamp 10 with the illustrated control operation can of course also be used in control mode, that is, in an embodiment as shown in FIG 2 and described in connection with it above.
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.Regardless of the number of impedance transformations (FIG 1, FIG 2: only one impedance transformer 26. FIG 3: two impedance transformers, namely impedance transformer 26 and second impedance transformer 50) in the signal generation, an apparatus for impedance transformation, as shown in FIG. 4, is advantageous. 4 shows, as a lamp head, the ionization chamber 16 of a high-pressure gas discharge lamp 10 (cf., FIG. 1) with the glass bulb 22 and a pressure insulation region 54 (glass lead-through). A short supply line 56, which forms the input of the impedance transformer 26, 50 as it were, can be a pure coaxial line with the characteristic impedance of 50 ohms. These as well as the remainder of this distributed circuit are contained in a circular tube 58 having at the end a cap 60 with bore 62 resembling a washer. This tube 58 forms the ground for this unbalanced distributed circuit and the cap 60 forms the ground for the electrode 28. The supply line 56 is connected to a first and second line bow 64, 66. The first conductor bend 64 is connected to an inner conductor 68 which is arranged in the glass feedthrough 54 and is made of molybdenum, for example. This in turn conducts the high-frequency signal 14 (see FIG. 1) to the electrode 28, which is surrounded by the gas or gas-metal vapor mixture.
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.In terms of circuit technology, the second line bend 66 is a small inductance connected to ground. The first conductor bend 64 and the inner conductor 68 form a significantly larger inductance. The head part of electrode 28 and associated mass can be described by a small capacitor and a parallel-connected high-impedance load resistor. Consequently, the circuit forms a parallel resonant circuit with coupled inductance. The inductance must be in resonance with the capacitance. The voltage at the coupling point in the region of the beginning of the feed line 56 is markedly transformed up to the electrode 28. This single-stage impedance transformation is very compact, simple and robust. A corresponding one-stage transformatively effective portion comprises at least the supply line 56 and the first and second line bow 64, 66. The direct connection of the inner conductor 68 via the first and second line bow 64, 66 to ground lowers the temperature of the electrode 28. The mechanical structure is stable and compact. However, at very high pressures and / or very low powers, or even to improve the efficiency, multi-stage transformations can offer advantages. Transformations with concentrated components that are known, cf. H. Heuermann: "High-frequency technology", op. Cit., Have relatively poor grades and thus relatively large losses. An embodiment which is even better in this respect is shown in FIG.
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. DieseThe circuit in FIG. 5 differs from the circuit shown in FIG. 4 by a high-impedance design of an extended line section 70 instead of the short supply line 56 previously provided in its place for realizing a series inductance and by a purely capacitive coupling of the extended line section 70 to the line through the Tube 58 formed mass. In addition, two small capacitors 72, 74 result from the first and second line bends 64, 66, because of the line geometry. The latter are two series-connected gamma transformers (see H. Heuermann: "Hochfrequenztechnik", loc. Cit.). The circuit shown in FIG 5 with a multi-stage transforming effective section comprises the extended line section 70, the two capacitors 72, 74 and 64, 66, the first and second line bow 64, 66. A first transformer is by the series inductance of the extended line section 70 and the capacitance connected to ground of one of the capacitors 72 resulting from the conduction geometry. A second transformation The capacitor is formed by the series capacitance 60 of the second capacitor 74 resulting from the conduction of the line, and a grounded inductance 64 of the second conduction arc. The third stage of the impedance transformation is as usual. The advantages of this somewhat more elaborate circuit are higher transformation ratio and wider bandwidth. For both embodiments (FIG. 4 and FIG. 5), the high-frequency signal is transmitted through a shielded waveguide structure (in this case the tube 58), which is formed by the configuration of the inner conductors 56, 64, 66, 68; 70, 64, 66, 68 is formed so that an impedance transformation is included, the glass bulb 22 is supplied. These
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.Construction has the advantage compared to HF antenna lamps that no RF radiation takes place and the lamp is therefore eligible. Furthermore, the efficiency increases. The HF load (filled glass bulb 22 with a short feedthrough electrode 28) has a very high impedance, which means that when adapted, very large electric field strengths are achieved at low powers.
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.Cavity modes are well studied scientifically and technically and implemented in many components such as RF filters. From a certain lower, so-called cutoff frequency, these modes can exist. They are very popular in technology because the losses in the metal are very low. FIG. 6 shows a possible cavity mode (E 0 -ι). This is very interesting for implementation in a high-frequency lamp 10 (FIG. 1, FIG. 2, FIG. 3) for room illumination or for other applications, since the electric field (and thus also the plasma) has the optimal form of a large ball. In the relatively large ionization chamber 16, there are only field lines that propagate only parallel to the ground planes. In addition, these strongest electric fields make a ring that ensures a maximum flare ball. A possible embodiment of the high-frequency lamp 10 (FIG. 1, FIG. 2, FIG. 3) as a cavity resonator lamp 76 (short: HR lamp) for exciting the EorMode is shown in FIG. 7 shows the arrangement for the case in which the HR lamp 76 has been designed in asymmetrical circuit technology (see FIG. 1 or FIG. For both possible circuit techniques, the magnetic field is excited by a loop-shaped electrode 78. In this case, a symmetrical solution (FIG. 3) prevents the occurrence of other unwanted cavity modes much better than the asymmetrical solution. The loop-shaped electrode 78 of the HR lamp 76 is thus only a coupling element for the resonator, which is formed only from the limitation of the possibly slightly metallized surfaces of the glass bulb 22. By means of an adjustable coupling k (see H. Heuermann: "Hochfrequenztechnik", op. Cit.), A voltage transformation can again be performed. This transformation is shown (a weak coupling can be used to create a large transformation) in H. Heuermann: "High-Frequency Technique", op. Cit., As a gamma transformation that slightly detunes the resonance frequency. As the transformation value increases, the bandwidth decreases.
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.In the case presented of the Eoi mode, the plasma sphere forming in the ionization chamber 16 (region of the largest currents in the plasma) is located only in the cavity and does not contact the loop-shaped electrode 78 (electrodes 78, not shown, in the case of a symmetrical solution according to FIG. 3). still the mass. Of course, the entire content of the ionization chamber 16 is also ionized here. The lonisationsstrecken are to be considered in first approximation as ohmic resistors (consumers). These "reduce" the reactive resonator range, so that frequency hopping may also be useful here. The choice of mode and the geometric design of the electrode has an influence on the maximum plasma region and the resulting input resistance Z eιn of the HR lamp 76. By means of SD-RF field simulators, the electromagnetic fields in the interior of the glass bulb 22 in alignment and the absolute size. The areas of greatest electric field strength are the areas where the largest plasma currents flow. These hottest regions are thus decoupled from the or each electrode 78.
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.The previous electrode designs referred only to the use of a metallic electrode 28, 52, 78. A very advantageous embodiment of the invention is when, instead of the metallic electrode 28, 52, 78, a purely dielectric electrode or a mixed structure of a metal core and a dielectric sheath is used. If only one dielectric (with a relatively large dielectric constant) is used as the electrode, RF technology refers to the dielectric wire or dielectric resonator. In the case of the dielectric wire, a hybrid fundamental HE 11 is preferably selected as the line mode. Depending on the coupling, further low-loss modes can also be used for the dielectric resonator. In contrast, if a mixed structure of a metal core and a dielectric sheath is used, a Goubauscher surface conductor (also Goubau Harmsscher conductor) is created, which allows a very low-loss transmission in the range of two-digit MHz range to the GHz range.
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", „ε20", „λ/2" und „λ=14,4σ < λc=23J6σ".These two structures (general dielectric electrode), instead of the metallic electrode (s) 28; 52 or acting as a coupling element loop-shaped electrode (s) 78 are used. In this case, the coupling structure of the elements described, for example, in the embodiment according to FIG. 4, namely electrode 28, pressure insulation layer, changes. rich / glass feedthrough 54 and inner conductor 68. Depending on the desired high frequency mode, a wide range of mechanical constructions is applicable. An example of an excitation of the basic mode (which is capable of propagation from OHz) is shown in FIG. 8. Another example is shown in FIG. 9 for the excitation of the Eoi mode whose implementability is very advantageous. The text comprised by FIG. 8 is "HEn wave" and "λ / 2". The text comprised by FIG. 9 is "E O i wave", "εi = 81 ε 0 ", "ε 2 = ε 0 ", "λ / 2" and "λ = 14.4σ <λ c = 23 J 6σ ".
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.As mentioned, the dielectric electrode can be used instead of another electrode 28, 52, 78 in the HF and HR lamps 10, 76 (FIGS. 1, 2, 3 and 7, respectively). With the HR lamp 76, nothing changes at the waveguide mode. Only the geometric shaping of the dielectric wire has to be optimized according to the coupling-in conditions. Consequently, one proceeds from a coaxial mode to the mode of the dielectric conductor and finally to the ball waveguide mode. Somewhat different is the high-frequency lamp 10. Here changes optically less. For example, FIG. 10 shows a high-frequency lamp 10 which, with the dielectric electrode used, is also referred to as a dielectric lamp, above a mass plate 80 (the glass bulb 22 is not shown) for a point light generation with symmetrical activation from one side, ie with two electrodes 82, 84 in an embodiment that can be implemented by means of purely metallic, mixed or purely dielectric electrode materials. However, a metallic electrode is an LC resonant circuit and a dielectric electrode is a mode of a dielectric resonator. In both cases, the embodiment shown in FIG. 10 produces a glow of a point source which sits between the two electrodes 82, 84. This arrangement is an advantageous embodiment of the high-frequency lamp 10 for high-pressure applications. If, in addition or as an alternative to the measures proposed here for increasing the electric field, the resonator voltage is to be increased even further, this succeeds if a "loaded quality" is improved. DE 10 2004 054 443 (Heuermann, H., Sadeghfam, A., Lünebach, M .: "Resonator system and method for increasing the loaded quality of a resonant circuit") contains a large number of circuit technology solutions that can also be used here , Accordingly, the relevant disclosure content of the above-mentioned DE 10 2004 054 443 is hereby incorporated in its entirety in the description of the invention in the foreground.
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.In the following, further embodiments or possible embodiments of the invention will be presented, at least cursorily: The use of magnets allows a simple manipulation of the design of the ionization path. After the electrode design, that is, its design in terms of shape and dimension, is basically arbitrary, the high-frequency lamp 10 can also be used as a light source for effective advertising lamps. By means of a suitable frequency selection, different ionization paths can be controlled very quickly, which allows new ways for a lamp design. Among other things, areas with different phosphors (phosphors) and thus also different colors can be ionized. This allows a variant of display devices in the manner of a plasma TV.
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.Even the classic plasma television concept can be replaced by the RF excitation. Instead of the LF control signals, two push-pull HF control signals can be used. An impedance transformation also allows to achieve high voltages at very low power levels. In addition, currently the three colors of a pixel via 3 x two data lines. In contrast, a frequency division multiplexing method can be used to drive a pixel over only two lines. Among other things, this design would improve the image resolution. In addition to the efficiency, the reaction time of all the plasma-plasma variants mentioned would be improved.
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.In summary, the present invention can be briefly described as follows: A novel design for the construction of a high frequency lamp 10 for low and high pressure applications and a method for their operation is specified, which is particularly suitable for the properties with respect to To improve the efficiency, emission spectrum, cost and longevity by using an impedance transformer 20 downstream impedance transformer 26, even at very low RF power, the use of an ignition unit is no longer necessary because with the impedance transformation, the application of the highest possible voltage to an ionization chamber 16 succeeds , This high-frequency lamp 10 can be used both as a high-pressure and as a low-pressure gas discharge lamp. Classic starters are not necessary. Depending on the design, the high-frequency lamp 10 has a small punctiform or a large spherical ionization region with large current flows and thus high color temperatures with a coverage of up to several dm 2 and allows any adjustment of the light output. This dimming capability and the better light spectrum qualify the high-frequency lamp 10 for interior lighting. The long service life, the daylight spectrum, the low price and the high power compatibility qualify the high-frequency lamp 10 with punctiform high current range for use in devices such as so-called projectors and beamers as well as a motor vehicle headlamp. Excellent efficiencies and highest Color temperatures can be achieved with this high-frequency lamp 10, inter alia, by the use of dielectric electrodes. The high-frequency lamp 10 can be produced very inexpensively by means of high-frequency electronic components, which are very inexpensive due to the telecommunications market, and conventional gas discharge lamp technology, especially since the high voltage requirements are significantly lower compared to conventional starter circuits.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
10 Hochfrequenzlampe, 46 Phasenverschiebung10 high-frequency lamp, 46 phase shift
HF-Lampe 48 LeistungsverstärkerHF lamp 48 power amplifier
12 Signalerzeugungsbereich 50 Impedanztransformator12 Signal generation area 50 Impedance transformer
14 Hochfrequenzsignal 52 zweite Elektrode14 high-frequency signal 52 second electrode
14' Hochfrequenzsignal 35 54 Druckisolationsbereich14 'high frequency signal 35 54 pressure isolation area
16 Ionisationskammer 56 Zuführungsleitung16 ionization chamber 56 supply line
18 Hochfrequenzoszillator 58 Rohr18 high-frequency oscillator 58 tube
20 Leistungsverstärker 60 Kappe20 power amplifier 60 cap
22 Glaskolben 62 Bohrung22 glass bulb 62 bore
24 Gas 40 64 erster Leitungsbogen24 gas 40 64 first pipe bend
26 Impedanztransformator 66 zweiter Leitungsbogen26 impedance transformer 66 second line arc
28 Elektrode 68 Innenleiter28 electrode 68 inner conductor
30 Masse 70 Leitungsstück30 ground 70 line piece
32 Steuersignal 72 Kondensator32 control signal 72 capacitor
34 Verarbeitungseinheit 45 74 Kondensator34 Processing unit 45 74 Capacitor
35 Stellsignal 76 Hohlraumresonatorlampe,35 control signal 76 cavity resonator lamp,
36 Koppler HR-Lampe36 coupler HR lamp
38 Hochfrequenzdetektor 78 schleifenförmige Elektrode38 high-frequency detector 78 loop-shaped electrode
40 Signalteiler 80 Masseteller40 signal divider 80 mass plates
42 Signalteilerausgang 50 82 Elektrode42 Signal divider output 50 82 Electrode
44 Signalteilerausgang 84 Elektrode 44 Signal divider output 84 Electrode

Claims

Patentansprüche claims
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.1. High-frequency lamp (10) having a signal generating area (12) for generating a high-frequency signal (14) and a downstream ionization chamber (16), wherein the signal generating area (12) comprises a switchable high-frequency oscillator (18) and at whose output a power amplifier (20 ) for raising a power of the high-frequency signal (14), wherein the ionization chamber (16) comprising at least one gas-filled glass bulb (22), at least one electrode (28) is associated and wherein the power amplifier (20) an impedance transformer (26 ) connected at its output to the or each electrode (28).
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. 2. high-frequency lamp (10) according to claim 1, wherein the signal generating portion (12) in addition to the power amplifier (20) downstream, in particular between the power amplifier (20) and impedance transformer (26) arranged coupler (36), a high-frequency detector (38) and a processing unit (34), wherein a in the operation of the high frequency lamp (10) at the electrode (28) reflected high frequency signal via the coupler (36) the high frequency detector (38) can be supplied and wherein a due to an output signal of the high frequency detector (38) of the Processing unit (34) can be supplied as a control signal (35) generatable control signal to the high-frequency oscillator (18) for optimizing the high-frequency signal (14) based on the reflected signal.
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.3. High-frequency lamp (10) according to claim 1, wherein the high-frequency oscillator (18) a signal divider (40) having a first and second signal divider output (42, 44) connected downstream and the power amplifier (20) at the first signal divider output (42) is connected, wherein second signal divider output (44), a phase shifting means (46), a second power amplifier (48), a second impedance transformer (50) and a second electrode (52) are connected in series.
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).4. High-frequency lamp (10) according to claim 1 or 2 or according to claim 3, wherein the impedance transformer (26) or the impedance transformer (50) and / or the second impedance transformer (50) comprises a single-stage or multi-stage transforming effective section (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.5. High-frequency lamp (10) according to any one of the preceding claims, wherein the or each electrode (28) is dielectric, in particular by a surrounded by a dielectric sheath metal core is formed.
6. Hochfrequenzlampe (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer schleifenförmigen Elektrode (78).6. High-frequency lamp (10) according to one of the preceding claims with a loop-shaped electrode (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.7. High-frequency lamp (10) according to one of the preceding claims, wherein the glass bulb (22) is filled with a mixture of at least two gases, in particular exactly three gases, with different emission spectra.
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.8. High-frequency lamp (10) according to one of the preceding claims, wherein the ionization chamber (16) comprises at least two glass pistons (22), in particular three glass pistons (22), each with a gas are filled with different emission spectra and wherein each glass bulb (22) is associated with an electrode (28) for supplying a high-frequency signal (14).
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.9. A method for operating a high frequency lamp (10) according to claim 1, wherein the high frequency signal (14) from the high frequency oscillator (18) is generated, wherein the power of the high frequency signal (14) by the downstream power amplifier (20) is increased, wherein the high frequency signal ( 14) is transformed into the high voltage range by the impedance transformer (50) connected downstream of the power amplifier (20), and wherein the transformed high frequency signal (14) is supplied to the electrode (28).
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.10. The method of claim 9 for operating a high-frequency lamp (10) according to claim 2, wherein the high-frequency detector (38) at an ignition of the high-frequency lamp (10) to the electrode (28) reflected and via the coupler (36) forwarded high-frequency signal detected and wherein the processing unit (34) for optimizing the high-frequency signal (14) adapts the control signal (32) based on the output signal of the high-frequency detector (38), in particular by a predetermined positive or negative value varies and a corresponding control signal (35) based on the control signal (32) and the output signal of the high-frequency detector (38) generated.
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.11. The method according to any one of claims 9 or 10 for operating a high-frequency lamp (10) according to claim 3, wherein the signal divider (40) from the high-frequency signal (14) a second high-frequency signal (14 '), in particular such that a high-frequency signal (14) remaining high-frequency signal and the second high-frequency signal (14') are at least substantially identical, wherein the means for phase shift (46) the second high-frequency signal (14 ' ), the downstream second power amplifier (48) increases the power of the phase-shifted second high-frequency signal (14 '), and wherein the downstream second impedance transformer (50) transforms the resulting second high-frequency signal (14') in one or more stages and to the second electrode (52).
12. Verfahren nach Anspruch 9, 10 oder 11 , wobei der Impedanztransformator (26; 50) das Hochfrequenzsignal einstufig oder mehrstufig transformiert.12. The method of claim 9, 10 or 11, wherein the impedance transformer (26; 50) transforms the high frequency signal in one or more stages.
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.13. The method according to any one of claims 9 to 12 for operating a high-frequency lamp (10) according to claim 7, wherein the high-frequency oscillator (18) generates at least two high-frequency signals (14) and the at least one electrode (28) are supplied.
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.14. The method according to any one of claims 9 to 12 for operating a high frequency lamp (10) according to claim 8, wherein the high frequency oscillator (18) generates at least two high frequency signals (14) and fed each high frequency signal (14) exactly one of the at least two electrodes (28) becomes.
15. Anzeigevorrichtung mit einer Mehrzahl von zeilen- und spaltenför- mig angeordneten Hochfrequenzlampen (10) nach Anspruch 7 oder 8. 15. Display device with a plurality of line and column-shaped arranged high-frequency lamps (10) according to claim 7 or 8.
16. Verfahren zum Betrieb einer Anzeigevorrichtung nach Anspruch 15, wobei jede Hochfrequenzlampe (10) nach einem Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14 betrieben wird. 16. A method of operating a display device according to claim 15, wherein each high frequency lamp (10) is operated by a method according to claim 13 or 14.
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