JP2014533879A - 無線周波数ランプ用のrfシステム - Google Patents

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Abstract

RFデバイス(5)、具体的にはRFランプ、RFスパークプラグまたは同様のHFプラズマアプリケーションと、前記RFデバイス(5)を動作させるためのRF信号カップリングイン装置(3)とを備えるRFシステムが提案される。前記RFシステムは、前記RFデバイス(5)を動作させるためにRF信号を発生するためのオシレータ(7)を備え、前記システムは、前記オシレータ(7)によって生成された前記RF信号および前記RFデバイスによって反射された信号に基づいて、前記RFデバイスのマッチングの程度に比例した電圧信号(Uprop)を生成するための手段(15)を備えることを特徴とする。さらに、前記システムは、前記RFデバイス(5)のマッチングの程度に比例した前記電圧信号(Uprop)に基づいて前記オシレータ(7)の出力周波数をマッチングさせるための制御信号(UA)を生成するための、望ましくはマイクロプロセッサのないデバイス(27)を備えることを特徴とする。【選択図】 図2

Description

説明
本発明は、請求項1のプリアンブルに記載のRFシステム、請求項14のプリアンブルに記載の信号カップリングイン装置(Signaleinkopplungsvorrichtung)、および請求項15のプリアンブルに記載のRFデバイスを動作させる方法に関係する。
ここで論じられるタイプのRFシステムは、例えば、WO 2009/068618 A2で知られている。それは、特に、無線周波数デバイス、例えば無線周波数ランプなどを、高周波数で、具体的には2.45GHzのISM帯域において効率的に動作させるために役立つ。RFデバイス、具体的にはRFランプ、RFスパークプラグまたは同様のRFプラズマアプリケーションの動作は、ランプの良好な無線周波数マッチングを前提とする。ランプのマッチング(Anpassung)は周波数に依存し、オシレータによって生成されるRF信号のある程度の部分が、その動作のランプによって吸収されることができる。入力されるRF信号の周波数に対するRFデバイスのマッチングが大きければ大きいほど、ランプによって反射される信号の部分は、したがって、より少ない。RFデバイスのマッチングは、このように、RFシステムの全体の効率に重要な貢献をする。特に、無線周波数で動作される省エネルギランプの場合には、数10MHzの大きさのオーダのRFシステムにおいて最適にマッチングされた周波数からの動作周波数のずれは、50%を超える効率の低減に結びつく場合がある。入力されたRF信号へのRFデバイスのマッチングは、多くの要因に依存する。これらは、特に、製造上の公差、温度特性、およびRFデバイスのエレクトロニクスにおける老朽化による変化(alterungsbedingte Anderungen)に関係する。更に、図1から明らかなように、マッチングの位置および概して大きさもまた、RFデバイスのイグニッション後に変化する。図1aは、イグニッション前のRFデバイスに入力されたRF信号の動作周波数foの概略図を示し、図1bは、RFデバイスのイグニッション後の同じ信号を示す。動作周波数fo’が、もはやRFデバイスの最適動作周波数に対応しないほど、RFデバイスのイグニッション後にシフトすることが、明白になっている。この場合、RFデバイスのマッチングはもはや最適ではなく、RFデバイスに入力されたRF信号の反射が生じ、このことは、前記したように、RFデバイスの効率を相当に低減し得る。
先行技術は、RFデバイスのマッチングの動的な閉ループ制御のために設けられる制御回路を開示する。例えば、前記回路は、増幅器開発およびMHzプラズマ技術の分野で知られている可変コンデンサを使用する。この場合、ステッパモータにリンクされた可変コンデンサがインピーダンス変換を得るために使用される。この解決法は、RFデバイスのアナログマッチングを可能にするが、閉ループ制御を制御し、個々の設定を形成するマイクロコントローラの使用を必ず用意する。その結果、第一に、動的なマッチング時間が長くなり、そして、前記回路は、更に比較的複雑となり、コストが高くなる。
更に、例えば移動無線分野において、より高い周波数でスイッチングネットワークを提供することが知られており、このネットワークは、onおよびoffが切り替えられる異なる誘導性および容量性エレメントによって、アンテナを動的にマッチングさせるための不連続状態を有するマッチングメカニズムを可能にする。この解決法は、負荷インピーダンスの大きな変化に対する個別のマッチング値を実現することを可能にする。実現されることができる個別のステップおよび補正可能な負荷のずれは、スイッチング状態の数およびマッチングメカニズムの複数のエレメントに依存する。この解決法もまた、マイクロコントローラの使用を必ず用意することが必要であり、このことは、前記と同様に、全体のシステムを複雑にし、比較的高価にする。
したがって、本発明の目的は、最適な動作周波数へのRFデバイスのマッチングを、簡単に、費用効果が大きくかつ効率的に実現する、RFデバイスおよびRF信号カップリングイン装置を備えたRFシステムを提供することにある。
上記の目的を達成するために、請求項1の特徴を備えたRFシステムが提案される。本発明によるRFシステムは、RFデバイス、具体的にはRFランプ、RFスパークプラグまたは同様のRFプラズマアプリケーションと、RFデバイスを動作させるためのRF信号カップリングイン装置とを備え、RF信号カップリングイン装置は、RFデバイスを動作させるためのRF信号を生成するためにオシレータを備えている。RFシステムは、オシレータによって生成されたRF信号とRFデバイスによって反射された信号とに基づいてRFデバイスのマッチングの程度(Anpassungsgrad)に比例した電圧信号(proportionalen Spannungssignals)を生成するための手段、および、RFデバイスのマッチングの程度に比例した電圧信号に基づいてオシレータの出力周波数をマッチングさせるための制御信号を生成するための、望ましくはマイクロプロセッサのないデバイス(vorzugsweise mikroprozessoriose Einrichtung)によって特徴づけられる。
したがって、本発明の本質的な点は、RFデバイスの最適なマッチングが、イグニッション時に、且つ動作中に確実にされることにあり、このことは、制御信号の周波数をRFデバイスの最適なマッチングの周波数へと動的に制御する制御回路によって、もたらされる。このような制御回路は、ALL回路(振幅ロックループ回路)として指定されることができる。本発明によるRFシステム、および、具体的には、本発明によるRF信号カップリングイン装置は、このように、省エネルギランプのイグニッション時だけでなく、動作中においても、RFデバイス、具体的には省エネルギランプのマッチングに対して、RF信号の周波数位置のアナログ且つ動的な閉ループ制御を可能にする。先行技術における以前に知られている解決法とは対照的に、本発明は、寧ろマイクロコントローラを必要とせず、それどころか、回路エレメントを制御するために必要とされる論理演算装置を形成するほんのわずかなロジックゲートのみを必要とする。RFシステム全体は、そのために非常に単純化され、個別の半導体IC上で必要に応じて実現されることができる。
本発明の本質的な基本概念は、RFデバイスのマッチングの程度に比例する電圧信号が生成されることであり、この目的のために対応する手段が設けられ、RFデバイスのマッチングの程度に比例した電圧信号は、オシレータによって生成されたRF信号、およびRFデバイスによって反射された信号に基づいて生成される。RFデバイスのマッチングの程度に比例した電圧信号は、その後さらに、極めて短時間内でオシレータの出力周波数をマッチングさせるための制御信号を出力するのが可能な方法で、望ましくはマイクロプロセッサの無いデバイスにおいて、具体的には、少なくとも1つのロジックゲートを使用して処理される。
RFデバイスの最良のマッチングを有する周波数への、動作周波数のアナログ閉ループ制御は、本発明によるRFシステムを用いて達成される。この場合、RFプラズマが最適の周波数において確実に点火される、ということが保証される。さらに、ランプが最適の周波数で動作することが保証される。さらにまた、動作周波数と最適周波数との間のずれは、例えば、製造公差、温度特性あるいはエレクトロニクスにおける老朽化による変化に起因するが、これら周波数間のずれが、イグニッションの間、および動作中の間、考慮されることが保証される。マイクロコントローラを不要にするので、本発明による好ましいRFシステムは、制御時間が今では実質上ゲート経過時間の関数のみであるので、動作周波数のより速い閉ループ制御を達成する。さらに、個別のロジックゲートのみが必要とされるので、RF信号カップリングイン装置の回路の配置全体がいっそうコンパクトになる。回路配置はまた、必要ならば、個別の半導体IC上で実現されることもできる。半導体ICを用いた、大量生産のためのコンパクトで便宜的なソリューションアプローチが生じる。本発明により提供されるさらなる利点は、ハードウェアがよりスリム化され、ソフトウェアが必要とされないので、極めて複雑でない開発である。ソフトウェアが要求されないという事実は、さらに、ソフトウェアバグも発生するはずもなく、したがって、RFシステム全体が、障害の影響を受けにくいことを意味する。
RFデバイスのマッチングの程度に比例した電圧信号を生成するための手段が、オシレータによって生成されたRF信号の一部分をカップリングアウトするための少なくとも1つのカップリングアウトデバイス、およびRFデバイスによって反射された信号の一部分をカップリングアウトするための少なくとも1つの更なるカップリングアウトデバイスを備えるRFシステムが、特に望ましい。さらに、望ましくは、オシレータによって生成されたRF信号のカップルドアウト部分の電圧信号を検出し出力するための電圧検出デバイス、および、RFデバイスによって反射された信号のカップルドアウト部分の電圧信号を検出し出力するための、少なくとも1つの更なる電圧検出デバイスが設けられる。RFデバイスのマッチングの程度に比例した実際の電圧信号を生成するために、望ましくは、RFデバイスによって反射された信号のカップルドアウト部分の電圧信号、およびオシレータによって生成されたRF信号のカップルドアウト部分の電圧信号に基づいて、RFデバイスのマッチングの程度に比例した電圧信号を生成するデバイス、具体的には少なくとも1つの演算増幅器、が設けられる。
あるいは、RFデバイスのマッチングの程度に比例した電圧信号を生成するための手段は、サーキュレータを備えることができ、サーキュレータは、オシレータによって生成されたRF信号の一部分をカップリングアウトするために、そしてRFデバイスによって反射された信号の一部分をカップリングアウトするために設計され、適切な場合、カップルドアウト部分の対応する電圧信号を検知し出力する。望ましくは、サーキュレータは、カップルドアウト部分の電圧信号に基づいてRFデバイスのマッチングの程度に比例した電圧信号を生成する少なくとも1つのデバイス、具体的には少なくとも1つの演算増幅器あるいは少なくとも1つの増幅器回路、を備える。
更なる望ましいRFシステムにおいては、オシレータの出力周波数をマッチングさせるための制御信号を生成するために望ましくはマイクロプロセッサのないデバイスは、少なくとも1つの、望ましくは3つの条件に基づいてオシレータの入力周波数をマッチングさせるための制御信号を出力するために少なくとも1つの、望ましくは2つのゲートを有する論理演算装置を備える。更に、論理演算装置はシフトレジスタに接続されることができ、シフトレジスタは、論理演算装置の出力信号を受け取るために設けられる。更に、望ましくはマイクロプロセッサのないデバイスはまた、論理演算装置の出力信号をクロックするためのクロック発生回路デバイスを備えることができる。このようにして、人為的なデジタル信号が、生成され、あるいはクロックされることができる。オシレータを制御するために、望ましくは、論理演算装置は、アナログ出力電圧を生成するためのループフィルタを介してオシレータに接続される。アナログ出力周波数は、具体的には、ループフィルタによって滑らかにされている論理演算装置のデジタル出力信号によって、生成される。あるいは、オシレータの周波数を制御するために、ループフィルタの代わりに、チャージポンプ配置(チャージポンプ)がアナログ出力電圧を生成するために設けられることができる。更なる代替として、ループフィルタおよびチャージポンプ配置の両方が省かれ、代わりに、オシレータの周波数を制御するためのアナログ出力電圧を生成するために設計されているように、望ましくはマイクロプロセッサのないデバイス、具体的には、論理演算装置が設計される。望ましくは、RFシステムはさらに、オシレータをあらかじめ定められた状態に置くように設計されているリセット回路を備える。それ故、リセット回路は、オシレータのあらかじめ定められた状態を、具体的には、あらかじめ定められた動作周波数を設定することを可能にする。
請求項1乃至13のうちのいずれかの請求項によるRFシステムにおいて使用される信号カップリング装置もまた、上記に記載された目的を達成するために提案される。
最後に、RFデバイス、具体的にはRFランプ、RFスパークプラグまたは同様のRFプラズマアプリケーションを動作させる方法が、上記に記載された目的を達成するためにさらに提案される。該方法は、オシレータによって、RFデバイスを動作させるためのRF信号を生成するステップを備える。該方法は、オシレータによって生成されたRF信号、およびRFデバイスにおいて反射された信号に基づいて、RFデバイスのマッチングの程度に比例した電圧信号を生成することによって特徴づけられる。更に、該方法は、RFデバイスのマッチングの程度に比例した電圧信号に基づいてオシレータの出力周波数をマッチングさせるための制御信号を生成することによって特徴づけられる。
オシレータの出力周波数をマッチングさせるための制御信号を生成する前にRFデバイスのマッチングの程度に比例した電圧信号に基づいて第1の条件を生成することを含んでいる方法が望ましい。前記第1の条件は、望ましくは、RFデバイスのマッチングの程度に比例した電圧信号とあらかじめ定められた電圧値とを比較することにより得られる。オシレータの出力周波数をマッチングさせるための制御信号を生成する前にRFデバイスのマッチングの程度に比例した電圧信号に基づいて第2条件を生成することが同様に望ましい。具体的には、この場合、第1の条件は、RFデバイスのマッチングの程度に比例した電圧信号を導き出すことにより得られる。本発明による方法はまた、望ましくは、第1および第2の条件を、そして具体的には、第3の条件も、1つまたは複数のロジックゲートに導き出し、論理ゲートまたは複数の論理ゲートに基づいた真理値表に基づいてオシレータの出力周波数をマッチングさせるための制御信号を生成するステップを備える。
本発明による方法の利点については、上記に説明された本発明によるRFシステムの利点を参照してください。
本発明は、下記に、図面を参照して、よりいっそう詳細に説明される。
図1aは、RFデバイスのイグニッション前の動作周波数の概略グラフを示す。 図1bは、RFデバイスのイグニッション後の動作周波数の概略グラフを示す。 図2は、本発明によるRFシステムの例示的な実施形態の回路図を示す。 図3は、オシレータの出力周波数をマッチングさせるための制御信号を生成するための、望ましくはマイクロプロセッサのないデバイスの例示的な実施形態の回路図を示す。 図4は、本発明による論理演算装置の例示的な実施形態の略図を示す。 図5は、論理演算装置によって実現される真理値表を示す。 図6は、クロック発生回路デバイスの例示的な実施形態の略図を示す。 図7は、ループフィルタの例示的な実施形態の略図を示す。 図8は、リセット回路の例示的な実施形態の略図を示す。
発明の詳細な説明
図2は、本発明によるRFシステム1の実施形態の略図を示す。RFシステム1は、RF信号カップリングイン装置3およびRFデバイス5を備えており、RFデバイス5は、RFランプ、RFスパークプラグまたは同様のRFプラズマアプリケーションであり得る。本発明はこの後、参照符号5を使用して、RFランプに基づいた単に一例として説明される。
RF信号カップリングイン装置3は、RFランプ5を動作させるために機能し、この目的のために、オシレータ7を用いて、イグニッション、およびRFランプ5の動作のための動作周波数を有するRF信号を生成する。図2において示されるような本発明によるRFシステム1の実施形態の場合には、増幅器9および減衰エレメント11がオシレータ7に接続されており、更なる増幅器13によって動作電力に増加する前に、増幅器9および減衰エレメント11によって、オシレータ7の出力信号は、増加させるあるいは減少させることができる。増幅器9および13、および減衰エレメント11は、オプションであって、省略されるか、あるいは、他の適切なエレメントと取り替えられることができる。さらに、RFランプ5とオシレータ7との間で、他の組み合わせの配置も考えられる。
RF信号カップリングイン装置3は、RFデバイスのマッチングの程度に比例した電圧信号を生成するための手段をさらに備え、前記手段は、参照符号15を用いて概要が示されている。図2において示されるような本発明の実施形態によれば、前記手段15は2つのカップリングアウトデバイス7および19を備えており、カップリングアウトデバイス17は、オシレータ7によって生成されたRF信号の一部分aをカップリングアウトするために機能し、一方、カップリングアウトデバイス19は、RFランプ5によって反射された信号の一部分bをカップリングアウトするために機能する。言うまでも無く、ランプが、オシレータ7によって生成されたRF信号の周波数に最適にマッチングしないときのみ、信号bは、RFランプ5によって反射される。カップリングアウトデバイス17は、したがって、RFランプ5に向かっているパワーをカップリングアウトするために機能し、一方、カップリングアウトデバイス19は、RFランプ5から逃げ出している、すなわち、RFランプ5によって反射されるパワーをカップリングアウトするために機能する。
参照番号15を有する手段は更に、電圧検出デバイス21(検出器)を備えており、これは、オシレータ13によって生成されたRF信号のカップルドアウト部分aの電圧信号を検出し出力するために機能する。更に、電圧検出デバイス23(検出器)が設けられており、これは、RFランプ5によって反射された信号bのカップルドアウト部分の電圧信号を検知し出力するために機能する。本発明のこの実施形態に従い、電圧検出デバイス21および23によって生成された2つの電圧信号が共通の演算増幅器25に入力され、演算増幅器25は、電圧検出デバイス21および23の出力電圧に基づいてマッチングするランプに比例した電圧Upropを生成する。
RFランプのマッチングの程度に比例した電圧信号Upropを生成するための、参照番号15によって識別された手段の実施形態の代替として、サーキュレータが、カップリングアウトデバイス17および19の代わりに使用されることができ、このサーキュレータは、RFランプ5とオシレータ7との間の結合(Verbindung)から、RFランプ5の反射された信号をカップリングアウトし、それを被制御変数として利用可能にする。しかしながら、オシレータ7のRF信号はそのプロセスの過程で失われる。この場合、演算増幅器25は省かれることができるか、あるいは、これは増幅器回路と取り替えられることができる。RFランプのマッチングの程度に比例した電圧信号を生成するための手段15の更なる実施形態では、ただ1つのカップリングデバイス17または19のみを設ける対応もされることができ、それらは、オシレータ7によって生成されたRF信号の部分、およびランプ5によって反射されたRF信号部分の両方をカップリングアウトするためにそれぞれ機能することができる。
非常に重要なことは、オシレータ7のRF信号およびランプ5で反射された信号から、RFデバイスのマッチングの程度に比例した電圧信号を生成するデバイスが設けられることである。言いかえれば、RFデバイスのマッチングの程度に比例する生成された電圧信号は、RFランプ5に通されるオシレータ7のRF信号のどのくらい多くがRFランプ5において反射されるのか、したがって、RFランプのミスマッチがどれくらい高いかの尺度である。
本発明によれば、その後のステップにおいて、ランプマッチングに比例した電圧Upropは、オシレータ7の出力周波数をマッチングさせるための制御信号を生成するために、望ましくはマイクロプロセッサのないデバイス27に入力される。図2において示される実施形態の場合には、望ましくはマイクロプロセッサのないデバイス27は、振幅弁別器29、ループフィルタ31、およびリセット回路33を備えている。振幅弁別器29は、RFランプ5のマッチングの程度に比例した電圧Upropに基づいて、デジタルあるいはクロック出力電圧Uを生成し、出力電圧Uは次に、フィルタデバイス、具体的にはループフィルタ31に入力され、実質上アナログ出力信号Uが生成される方法でクロック信号Uを滑らかにし、出力信号Uは、制御電圧としてオシレータ7に入力される。オシレータ7に入力された制御電圧Uは、このように、オシレータ7の周波数が増加されるべきか、減少されるべきか、あるいは同じままで存続すべきかの尺度である。
図3は、図2の中で図示されたいわゆる振幅弁別器29の例示的な実施形態を示す。振幅弁別器29は、RFランプ5のマッチングの程度に比例した電圧Upropが入力されるインプット35を有している。この例示的な実施形態の場合には、合計3つの条件K1、K2およびK3が振幅弁別器29において生成される。第1の条件K1は、RFランプ5のマッチングの程度に比例した電圧信号Upropに基づいて、あらかじめ定められた電圧値と比較される前記信号によって、生成される。この目的のために、振幅弁別器29は、第1の電圧信号Upropおよび第2の固定電圧値が入力される比較器39を備えており、後者は、電圧値生成デバイス41によって生成される。電圧値生成デバイス41は、望ましくは、分圧器によって実現される。比較器39は、現在の電圧Upropの値を、電圧値生成デバイス41の固定電圧値と比較する。比較器39の結果として生じる出力信号は、第1の条件K1に対応する。
同時に、振幅弁別器29において、電圧信号Upropが、一体型反転比較器 (integriertem invertiertem Komparator)を有する微分器ユニット43に入力され、このユニットが、電圧信号Upropを導き出す。微分器ユニット43の出力信号は、したがって、ランプマッチングの傾向についての情報、すなわち、これが減少するのか増加するのかどうかについての情報、を提供し、第2の条件K2に対応する。
第1の条件K1および第2の条件K2は、論理演算装置45に入力される。論理演算装置45は、シフトレジスタ、具体的には、例えば、2つのD型フリップフロップによって実現されることができる2ビットシフトレジスタ47に接続されており、それらから、第3の条件K3を受け取る。図3において図示されるように、シフトレジスタ47は、振幅弁別器29内でアナログプロセスを人為的にデジタル化する、あるいはクロックするために、クロック発生器49に接続されることができる。
振幅弁別器29の論理演算装置45の可能な実現化が、図4に従った概略の実施形態において図示されている。論理演算装置45は3つのインプット51、53および55を備えており、第1の条件K1はインプット51によって、第2の条件K2は第2のインプット53を通して、そして第3の条件K3は第3のインプット55を通して、論理演算装置45に入力される。論理演算装置45はさらに、図3において図示されるシフトレジスタ47に接続されたアウトプット57を備える。
図4に従った例示的な実施形態においては、論理演算装置45は、2つのロジックゲート59および61と、1つのインバータ63とを備える。ロジックゲート61は、例えばXORゲートであり、一方、ロジックゲート49はANDゲートである。インバータ63は、XORゲート61から供給された信号を反転する。出力信号Yが、論理演算装置45のアウトプット57に存在するならば、図4において示されるような配置に対して次式が当てはまる:
Figure 2014533879
上述の関係を有する論理演算装置45は、図5に示されるような真理値表に割り当てられることができる。この実施形態においては、演算増幅器25からのランプマッチングに比例した電圧Upropが、電圧値生成デバイス41によって定められた値を超過する場合のみ、オシレータ7の出力周波数が増加される(Y=1)ことが、図5による真理値表から明白であり、そして、同時に、
− 一体型反転比較器を有する微分器ユニット43によって生成された条件K2が存在し(K2=「1」)、一方、シフトレジスタ47からのn−1ビットが「1」に対応する、
− あるいは、一体型反転比較器を有する微分器ユニット43によって生成された条件K2が存在しない(K2=「0」)、一方、シフトレジスタ47からのn−1ビットが「0」に対応する。
クロック発生回路デバイス49は、個々のロジックゲートの過渡応答による誤判定がこれにより回避されることができるので、有利である。クロック発生回路デバイス49の可能な実現化が、図6において図示される。一例として示され、出力端子77において固定周波数fを有する信号を実現するために、クロック発生回路デバイス49は3つのインバータ65、67および69と、2つのレジスタ71および73と、1つのキャパシタ75とを備える。次の周波数が、レジスタ71および73の抵抗R、およびキャパシタ75のキャパシタンスCについて発生する:
f=0.558/(RC)
図7は、図2において図示されるループフィルタ31の例示的な実施形態を示しており、このループフィルタは、振幅弁別器29からクロック出力電圧Uを受け取る。ループフィルタ31は、シフトレジスタ47経由で通過する論理演算装置45のデジタル制御信号から、オシレータ7の出力周波数の閉ループ制御のためのアナログ電圧を生成する。
図7に従う実施形態において、ループフィルタ31は、直列レジスタ79と、少なくとも1つの分路キャパシタ81と、さらに、少なくとも1つの分路レジスタ83とを備えており、これらは、シフトレジスタ47に接続されたループフィルタ31の入力端子85と、
オシレータ7に接続されたループフィルタ31の出力端子87との間に位置する。
オシレータ7の出力周波数を増加させるために、論理演算装置45のアウトプット57は「1」にセットされる。この信号は、直列レジスタ79の抵抗と分路キャパシタ81のキャパシタンスの積に対応する時定数τLadeで、直列レジスタ79を介してループフィルタ31における分路キャパシタ81をチャージする。論理演算装置45のアウトプット57における値「0」は、分路キャパシタ81上のチャージが分路レジスタ83およびレジスタ79によって形成された並列回路を介してディスチャージされるという効果を有している。対応する時定数τEntladeは、分路キャパシタ81のキャパシタンスと、2つのレジスタ79および83によって形成された並列回路の結果として生じる抵抗との積に対応する。
図8は、図2において示されたリセット回路33の可能な実施形態を示す。この実施形態においては、リセット回路33は、ループフィルタ31の中の分路キャパシタ81における電圧を基準電圧Uvergleichと比較するための比較器89を備えており、基準電圧Uvergleichは、例えば、外部分圧器91を用いて生成されることができる。閉ループ制御の下限周波数は、これにより定義されることができる。ループフィルタ31中の分路キャパシタ81における電圧が、電圧値Uvergleichよりも低くなる場合は、ループフィルタ31中の分路キャパシタ81をチャージする電圧は、単安定スイッチ93経由で生成される。オシレータ7の出力周波数は、これにより、閉ループ制御の上限周波数において定義されることができる。リセット回路33および結果として生じるリセットプロセスが、スイッチオンの間、およびRFランプ5の動作期間中、必要に応じて起動されることができる。
要約すると、図2において示されるRFシステム1は単に例示的な実施形態であって、幾つかのエレメントに関して修正されることが出来る、ということが明記され得る。具体的には、カップリングアウトデバイスは、サーキュレータと取り替えられることができる。電圧検出デバイス21および23は、任意の設計の適切な検出器であり得る。更にまた、図8において示されるリセット回路33を、あるいは前記リセット回路の機能を、論理演算装置45の中に組み込む可能性がある。他方、リセット回路33をゲートと取り替える、具体的には、比較器および/または単純なサンプルホールド回路と取り替える可能性がある。
図7に従うループフィルタ31は、さらに、チャージポンプ、すなわち、位相ロックループ回路(PLL)のモデルに基づいたチャージポンプ回路、と取り替えられることができる。この場合、最適動作周波数が「保持」されることができるような回路が設計され得る。この場合、回路は、多少、より複雑でより大きく、新しい論理演算装置および負電圧を必要とする。さらに、ループフィルタ31あるいは少なくともそれの機能を、論理演算装置45に取り込むことも考えられる。アナログ出力電圧は、そのとき、論理演算装置45において直接生成されることができるのでクロック発生器の使用が不必要である。さらに、論理演算装置45を拡張することもまた考えられる。具体的には、マイクロプロセッサを使用しないでさらなる機能を実現することができるさらなる条件が、考慮に入れられることができる。このとき、さらなるロジックゲートが、この目的のために多分必要である。さらに、シフトレジスタ47もまた修正されることができ、具体的には、シフトレジスタは、例えば非安定フリップフロップの使用により補完されることができる。具体的には、クロック発生器あるいはクロック発生回路デバイス49を不要にする更なるエレメントを設けることは可能である。
増幅器9および12、および減衰エレメント11の使用もまた、オプションである。例えば、より正確なパワー設定のために可変利得を有する増幅器を使用することもまた考えられる。同様に、減衰エレメントは可変方式で具現化されることができる、あるいは、対応する更なる可変減衰エレメントが設けられることができる。具体的には、増幅および減衰の順序もまたオプションである。
概して、本発明は、RFシステム、具体的には、損失ができるだけ無い方法で、RF信号をRFデバイスへ、具体的にはRFランプへ、カップリングするための、RFシステムにおいて使用の有利なRF信号カップリングイン装置を実現する。RF信号カップリングイン装置は、望ましくはマイクロプロセッサがない設計であり、寧ろ、マイクロプロセッサを無用にするロジックゲートを使用する。このような方法で、RFシステムは、例えば、省エネルギランプ用の、RF信号カップリングイン装置の出力周波数の高速アナログ閉ループ制御を実現する。本発明によるRF信号カップリング装置は、RFランプに対して最良のマッチングを有するその動作周波数において、RFランプのイグニッションおよび効率的な動作を可能にする。有利なアナログ閉ループ制御は、さらにまた、製造上の公差、動作上支配された温度特性、あるいはエレクトロニクスにおける老朽化による変化に起因した周波数のずれを補正できる。インプリメントされた論理演算装置は、個々のロジックゲートのみから成り、したがって、単一の半導体ICへの、回路の有利な集積化を可能にする。本発明は、このように、RF信号カップリングイン装置の、したがって、大量生産を使用するRFシステム全体の、コスト効率の良い実現のために不可欠なもの (Voraussetzungen)を提供する。
参照符号のリスト
1 RFシステム
3 RF信号カップリングイン装置
5 RFデバイス(RFランプ)
7 オシレータ
9 増幅器
11 減衰エレメント
13 増幅器
15 RFデバイスのマッチングの程度に比例した電圧信号を生成するための手段
17 カップリングアウトデバイス
19 カップリングアウトデバイス
21 電圧検出デバイス
23 電圧検出デバイス
25 演算増幅器
27 望ましくはマイクロプロセッサのないデバイス
29 振幅弁別器
31 フィルタデバイス(ループフィルタ)
33 リセット回路(リセットデバイス)
35 インプット
37 比較デバイス
39 比較器
41 電圧値生成デバイス
43 微分器ユニット
45 論理演算装置
47 シフトレジスタ
49 クロック発生回路デバイス
51 インプット
53 インプット
55 インプット
57 アウトプット
59 ロジックゲート
61 ロジックゲート
63 インバータ
65 インバータ
67 インバータ
69 インバータ
71 レジスタ
73 レジスタ
75 キャパシタ
77 出力端子
79 直列レジスタ
81 分路キャパシタ
83 分路レジスタ
85 インプット
87 アウトプット
89 比較器
91 外部分圧器
93 単安定スイッチ
fo 動作周波数
fo’ ずれた動作周波数
a オシレータのRF信号の部分
b 反射された信号の部分
Uprop ランプのマッチングの程度に比例した電圧
クロック出力電圧
アナログ出力信号
参照番号15を有する手段は更に、電圧検出デバイス21(検出器)を備えており、これは、オシレータ13によって生成されたRF信号のカップルドアウト部分aの電圧信号を検出し出力するために機能する。更に、電圧検出デバイス23(検出器)が設けられており、これは、RFランプ5によって反射された信号のカップルドアウト部分の電圧信号を検知し出力するために機能する。本発明のこの実施形態に従い、電圧検出デバイス21および23によって生成された2つの電圧信号が共通の演算増幅器25に入力され、演算増幅器25は、電圧検出デバイス21および23の出力電圧に基づいてマッチングするランプに比例した電圧Upropを生成する。
図4に従った例示的な実施形態においては、論理演算装置45は、2つのロジックゲート59および61と、1つのインバータ63とを備える。ロジックゲート61は、例えばXORゲートであり、一方、ロジックゲート59はANDゲートである。インバータ63は、XORゲート61から供給された信号を反転する。出力信号Yが、論理演算装置45のアウトプット57に存在するならば、図4において示されるような配置に対して次式が当てはまる:
Figure 2014533879
概して、本発明は、RFシステム、具体的には、損失ができるだけ無い方法で、RF信号をRFデバイスへ、具体的にはRFランプへ、カップリングするための、RFシステムにおいて使用の有利なRF信号カップリングイン装置を実現する。RF信号カップリングイン装置は、望ましくはマイクロプロセッサがない設計であり、寧ろ、マイクロプロセッサを無用にするロジックゲートを使用する。このような方法で、RFシステムは、例えば、省エネルギランプ用の、RF信号カップリングイン装置の出力周波数の高速アナログ閉ループ制御を実現する。本発明によるRF信号カップリング装置は、RFランプに対して最良のマッチングを有するその動作周波数において、RFランプのイグニッションおよび効率的な動作を可能にする。有利なアナログ閉ループ制御は、さらにまた、製造上の公差、動作上支配された温度特性、あるいはエレクトロニクスにおける老朽化による変化に起因した周波数のずれを補正できる。インプリメントされた論理演算装置は、個々のロジックゲートのみから成り、したがって、単一の半導体ICへの、回路の有利な集積化を可能にする。本発明は、このように、RF信号カップリングイン装置の、したがって、大量生産を使用するRFシステム全体の、コスト効率の良い実現のために不可欠なもの (Voraussetzungen)を提供する。
以下に、本願発明の当初の[特許請求の範囲]に記載された発明を付記する。
[1]
RFデバイス(5)、具体的にはRFランプ、RFスパークプラグまたは同様のRFプラズマアプリケーションと、前記RFデバイス(5)を動作させるためのRF信号カップリングイン装置(3)とを備えるRFシステム(1)であって、
前記RFデバイス(5)を動作させるためのRF信号()を生成するためのオシレータ(7)
を備え、
前記オシレータ(7)によって生成された前記RF信号および前記RFデバイスによって反射された信号に基づいて、前記RFデバイス(5)のマッチングの程度に比例した電圧信号(Uprop)を生成するための手段(15)と、
前記RFデバイス(5)のマッチングの程度に比例した前記電圧信号(Uprop)に基づいて、前記オシレータ(7)の出力周波数をマッチングさせるための制御信号(U )を生成するための望ましくはマイクロプロセッサのないデバイス(27)と、
によって特徴づけられた、
RFシステム(1)。
[2]
前記RFデバイス(5)のマッチングの程度に比例した電圧信号(Uprop)を生成するための前記手段が、前記オシレータ(7)によって生成された前記RF信号の一部分をカップリングアウトし、前記RFデバイス(5)によって反射された前記信号の一部分をカップリングアウトするための少なくとも1つのカップリングアウトデバイス(17、19)を備える、
ことを特徴とする[1]に記載のRFシステム。
[3]
前記RFデバイス(5)のマッチングの程度に比例した電圧信号(Uprop)を生成するための前記手段が、前記オシレータ(7)によって生成された前記RF信号の前記カップルドアウト部分(a)の電圧信号を検出し出力するための少なくとも1つの電圧検出デバイス(21)と、前記RFデバイス(5)によって反射された前記信号の前記カップルドアウト部分(b)の電圧信号を検出し出力するための少なくとも1つのさらなる電圧検出デバイス(23)とを備える、
ことを特徴とする[1]または[2]に記載のRFシステム。
[4]
前記RFデバイス(5)のマッチングの程度に比例した電圧信号(Uprop)を生成するための前記手段が、前記オシレータ(7)によって生成された前記RF信号の前記カップルドアウト部分(a)の前記電圧信号、および前記RFデバイス(5)によって反射された前記信号の前記カップルドアウト部分(b)の前記電圧信号に基づいて、前記RFデバイス(5)のマッチングの程度に比例した電圧信号(Uprop)を生成する少なくとも1つのデバイスを、具体的には、少なくとも1つの演算増幅器(25)の形式で備える、
ことを特徴とする[1]乃至[3]のうちのいずれかに記載のRFシステム。
[5]
前記RFデバイス(5)のマッチングの程度に比例した電圧信号(Uprop)を生成するための前記手段が、
前記オシレータ(7)によって生成された前記RF信号の一部分をカップリングアウトするために、そして前記RFデバイス(5)によって反射された前記信号()の一部分をカップリングアウトするために設計されているサーキュレータを備え、
適切な場合、前記カップルドアウト部分(a、b)の対応する電圧信号を検出し出力する、
ことを特徴とする[1]に記載のRFシステム。
[6]
前記サーキュレータが、少なくとも1つデバイス、具体的には、少なくとも1つの演算増幅器または少なくとも1つの増幅器回路を備え、
前記少なくとも1つデバイスは、前記カップルドアウト部分の前記電圧信号に基づいて前記RFデバイス(5)のマッチングの程度に比例した電圧信号を生成する、
ことを特徴とする[5]に記載のRFシステム。
[7]
前記オシレータ(7)の前記出力周波数をマッチングさせるための制御信号(U )を生成するための前記望ましくはマイクロプロセッサのないデバイス(27)が、少なくとも1つの、望ましくは2つのロジックゲート(61、63、59)を有する論理演算装置(45)備え、
前記論理演算装置(45)は、少なくとも1つの、望ましくは3つの条件(K1、K2、K3)に基づいて、前記オシレータ(7)の前記入力周波数をマッチングさせるための制御信号を出力する、
ことを特徴とする[1]乃至[6]のうちのいずれかに記載のRFシステム。
[8]
前記論理演算装置(45)の出力信号(Y)を受け取るためのシフトレジスタ(47)が設けられている、
ことを特徴とする[7]に記載のRFシステム。
[9]
前記論理演算装置(45)の前記出力信号(Y)をクロックするためのクロック発生回路デバイス(49)が設けられている、
ことを特徴とする[8]に記載のRFシステム。
[10]
前記オシレータ(7)の前記周波数を制御するために、論理演算装置(45)が、アナログ出力電圧(U )を生成するためのループフィルタ(31)を介してオシレータ(7)に接続されている、
ことを特徴とする[7]乃至[9]のうちのいずれかに記載のRFシステム。
[11]
前記オシレータ(7)の前記周波数を制御するために、論理演算装置(45)が、アナログ出力電圧(U )を生成するためのチャージポンプ配置を介してオシレータ(7)に接続されている、
ことを特徴とする[7]乃至[9]のうちのいずれかに記載のRFシステム。
[12]
前記オシレータ(7)の前記周波数を制御するためのアナログ出力電圧(U )を生成するために設計されるように、前記望ましくはマイクロプロセッサのないデバイス(27)、具体的には論理演算装置(45)、が設計されている、
ことを特徴とする[7]乃至[9]のうちのいずれかに記載のRFシステム。
[13]
前記オシレータ(7)をあらかじめ定められた状態に設定するために設計されているリセット回路(33)が設けられている、
ことを特徴とする[1]乃至[12]のうちのいずれかに記載のRFシステム。
[14]
[1]乃至[13]のうちのいずれかに記載のRFシステムにおいて使用するための信号カップリングイン装置(3)。
[15]
RFデバイス(5)、具体的にはRFランプ、RFスパークプラグまたは同様のRFプラズマアプリケーション、を動作させる方法であって、
オシレータ(7)によって、前記RFデバイス(5)を動作させるためのRF信号を生成すること、
を備え、
前記オシレータ(7)によって生成された前記RF信号および前記RFデバイスによって反射された信号に基づいて、前記RFデバイス(5)のマッチングの程度に比例した電圧信号(Uprop)を生成すること、および
前記RFデバイス(5)のマッチングの程度に比例した前記電圧信号(Uprop)に基づいて、前記オシレータ(7)の出力周波数をマッチングさせるための制御信号(UA)を生成すること、
により特徴づけられた、
方法。
[16]
前記オシレータ(7)の前記出力周波数をマッチングさせるための制御信号(U )を生成する前に、前記RFデバイス(5)のマッチングの程度に比例した前記電圧信号(Uprop)に基づいて第1の条件(K1)を生成すること、
により特徴づけられた、
[15]に記載の方法。
[17]
前記RFデバイス(5)のマッチングの程度に比例した前記電圧信号(Uprop)をあらかじめ定められた電圧値と比較することによって、前記第1の条件(K1)が得られる、
ことを特徴とする[16]に記載の方法。
[18]
前記オシレータ(7)の前記出力周波数をマッチングさせるための制御信号(U )を生成する前に、前記RFデバイス(5)のマッチングの程度に比例した前記電圧信号(Uprop)に基づいて第2の条件(K1)を生成すること、
により特徴づけられた、
[15]乃至[17]のうちのいずれかに記載の方法。
[19]
前記RFデバイス(5)のマッチングの程度に比例した前記電圧信号(Uprop)を導き出すことによって、第2の条件(K2)が得られる、
ことを特徴とする[18]に記載の方法。
[20]
前記第1(K1)の条件および前記第2の条件(K2)、および、具体的には第3の条件(K3)を、1つまたは複数のロジックゲート(59、61、63)へ導き出すこと、そして、1つのロジックゲートまたは複数のロジックゲートに基づいた真理値表に基づいて、前記オシレータ(7)の前記出力周波数をマッチングさせるための制御信号(UA)を生成すること、
により特徴づけられた、
[16]乃至[19]のうちのいずれかに記載の方法。

Claims (20)

  1. RFデバイス(5)、具体的にはRFランプ、RFスパークプラグまたは同様のRFプラズマアプリケーションと、前記RFデバイス(5)を動作させるためのRF信号カップリングイン装置(3)とを備えるRFシステム(1)であって、
    前記RFデバイス(5)を動作させるためのRF信号()を生成するためのオシレータ(7)
    を備え、
    前記オシレータ(7)によって生成された前記RF信号および前記RFデバイスによって反射された信号に基づいて、前記RFデバイス(5)のマッチングの程度に比例した電圧信号(Uprop)を生成するための手段(15)と、
    前記RFデバイス(5)のマッチングの程度に比例した前記電圧信号(Uprop)に基づいて、前記オシレータ(7)の出力周波数をマッチングさせるための制御信号(U)を生成するための望ましくはマイクロプロセッサのないデバイス(27)と、
    によって特徴づけられた、
    RFシステム(1)。
  2. 前記RFデバイス(5)のマッチングの程度に比例した電圧信号(Uprop)を生成するための前記手段が、前記オシレータ(7)によって生成された前記RF信号の一部分をカップリングアウトし、前記RFデバイス(5)によって反射された前記信号の一部分をカップリングアウトするための少なくとも1つのカップリングアウトデバイス(17、19)を備える、
    ことを特徴とする請求項1に記載のRFシステム。
  3. 前記RFデバイス(5)のマッチングの程度に比例した電圧信号(Uprop)を生成するための前記手段が、前記オシレータ(7)によって生成された前記RF信号の前記カップルドアウト部分(a)の電圧信号を検出し出力するための少なくとも1つの電圧検出デバイス(21)と、前記RFデバイス(5)によって反射された前記信号の前記カップルドアウト部分(b)の電圧信号を検出し出力するための少なくとも1つのさらなる電圧検出デバイス(23)とを備える、
    ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のRFシステム。
  4. 前記RFデバイス(5)のマッチングの程度に比例した電圧信号(Uprop)を生成するための前記手段が、前記オシレータ(7)によって生成された前記RF信号の前記カップルドアウト部分(a)の前記電圧信号、および前記RFデバイス(5)によって反射された前記信号の前記カップルドアウト部分(b)の前記電圧信号に基づいて、前記RFデバイス(5)のマッチングの程度に比例した電圧信号(Uprop)を生成する少なくとも1つのデバイスを、具体的には、少なくとも1つの演算増幅器(25)の形式で備える、
    ことを特徴とする請求項1乃至請求項3のうちのいずれかの請求項に記載のRFシステム。
  5. 前記RFデバイス(5)のマッチングの程度に比例した電圧信号(Uprop)を生成するための前記手段が、
    前記オシレータ(7)によって生成された前記RF信号の一部分をカップリングアウトするために、そして前記RFデバイス(5)によって反射された前記信号()の一部分をカップリングアウトするために設計されているサーキュレータを備え、
    適切な場合、前記カップルドアウト部分(a、b)の対応する電圧信号を検出し出力する、
    ことを特徴とする請求項1に記載のRFシステム。
  6. 前記サーキュレータが、少なくとも1つデバイス、具体的には、少なくとも1つの演算増幅器または少なくとも1つの増幅器回路を備え、
    前記少なくとも1つデバイスは、前記カップルドアウト部分の前記電圧信号に基づいて前記RFデバイス(5)のマッチングの程度に比例した電圧信号を生成する、
    ことを特徴とする請求項5に記載のRFシステム。
  7. 前記オシレータ(7)の前記出力周波数をマッチングさせるための制御信号(U)を生成するための前記望ましくはマイクロプロセッサのないデバイス(27)が、少なくとも1つの、望ましくは2つのロジックゲート(61、63、59)を有する論理演算装置(45)備え、
    前記論理演算装置(45)は、少なくとも1つの、望ましくは3つの条件(K1、K2、K3)に基づいて、前記オシレータ(7)の前記入力周波数をマッチングさせるための制御信号を出力する、
    ことを特徴とする請求項1乃至請求項6のうちのいずれかの請求項に記載のRFシステム。
  8. 前記論理演算装置(45)の出力信号(Y)を受け取るためのシフトレジスタ(47)が設けられている、
    ことを特徴とする請求項7に記載のRFシステム。
  9. 前記論理演算装置(45)の前記出力信号(Y)をクロックするためのクロック発生回路デバイス(49)が設けられている、
    ことを特徴とする請求項8に記載のRFシステム。
  10. 前記オシレータ(7)の前記周波数を制御するために、論理演算装置(45)が、アナログ出力電圧(U)を生成するためのループフィルタ(31)を介してオシレータ(7)に接続されている、
    ことを特徴とする請求項7乃至請求項9のうちのいずれかの請求項に記載のRFシステム。
  11. 前記オシレータ(7)の前記周波数を制御するために、論理演算装置(45)が、アナログ出力電圧(U)を生成するためのチャージポンプ配置を介してオシレータ(7)に接続されている、
    ことを特徴とする請求項7乃至請求項9のうちのいずれかの請求項に記載のRFシステム。
  12. 前記オシレータ(7)の前記周波数を制御するためのアナログ出力電圧(U)を生成するために設計されるように、前記望ましくはマイクロプロセッサのないデバイス(27)、具体的には論理演算装置(45)、が設計されている、
    ことを特徴とする請求項7乃至請求項9のうちのいずれかの請求項に記載のRFシステム。
  13. 前記オシレータ(7)をあらかじめ定められた状態に設定するために設計されているリセット回路(33)が設けられている、
    ことを特徴とする請求項1乃至請求項12のうちのいずれかの請求項に記載のRFシステム。
  14. 請求項1乃至請求項13のうちのいずれかの請求項に記載のRFシステムにおいて使用するための信号カップリングイン装置(3)。
  15. RFデバイス(5)、具体的にはRFランプ、RFスパークプラグまたは同様のRFプラズマアプリケーション、を動作させる方法であって、
    − オシレータ(7)によって、前記RFデバイス(5)を動作させるためのRF信号を生成すること、
    を備え、
    − 前記オシレータ(7)によって生成された前記RF信号および前記RFデバイスによって反射された信号に基づいて、前記RFデバイス(5)のマッチングの程度に比例した電圧信号(Uprop)を生成すること、および
    − 前記RFデバイス(5)のマッチングの程度に比例した前記電圧信号(Uprop)に基づいて、前記オシレータ(7)の出力周波数をマッチングさせるための制御信号(UA)を生成すること、
    により特徴づけられた、
    方法。
  16. 前記オシレータ(7)の前記出力周波数をマッチングさせるための制御信号(U)を生成する前に、前記RFデバイス(5)のマッチングの程度に比例した前記電圧信号(Uprop)に基づいて第1の条件(K1)を生成すること、
    により特徴づけられた、
    請求項15に記載の方法。
  17. 前記RFデバイス(5)のマッチングの程度に比例した前記電圧信号(Uprop)をあらかじめ定められた電圧値と比較することによって、前記第1の条件(K1)が得られる、
    ことを特徴とする請求項16に記載の方法。
  18. 前記オシレータ(7)の前記出力周波数をマッチングさせるための制御信号(U)を生成する前に、前記RFデバイス(5)のマッチングの程度に比例した前記電圧信号(Uprop)に基づいて第2の条件(K1)を生成すること、
    により特徴づけられた、
    請求項15乃至請求項17のうちのいずれかの請求項に記載の方法。
  19. 前記RFデバイス(5)のマッチングの程度に比例した前記電圧信号(Uprop)を導き出すことによって、第2の条件(K2)が得られる、
    ことを特徴とする請求項18に記載の方法。
  20. 前記第1(K1)の条件および前記第2の条件(K2)、および、具体的には第3の条件(K3)を、1つまたは複数のロジックゲート(59、61、63)へ導き出すこと、そして、1つのロジックゲートまたは複数のロジックゲートに基づいた真理値表に基づいて、前記オシレータ(7)の前記出力周波数をマッチングさせるための制御信号(UA)を生成すること、
    により特徴づけられた、
    請求項16乃至請求項19のうちのいずれかの請求項に記載の方法。
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