KR20100105579A - 고주파 램프 및 고주파 램프 작동 방법 - Google Patents

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Abstract

임피던스 변환을 이용하여 이온화 챔버(16)에 가능한 높은 전압을 인가할 수 있으므로, 전력 증폭기(20) 하류에 연결된 임피던스 변환기(26)로 인해 심지어 매우 낮은 고주파 전력인 경우에서도 더 이상 여기 유닛을 사용할 필요가 없다는 점에서, 본 발명은 효율, 방출 스펙트럼, 비용 및 오랜 수명에 관한 특징을 개선하기에 특히 적합한 저압 및 고압 응용을 위한 고주파 램프(10) 및 그 고주파 램프의 작동 방법을 구성하기 위한 신규한 설계에 관한 것이다.

Description

고주파 램프 및 고주파 램프 작동 방법{HIGH-FREQUENCY LAMP AND METHOD FOR THE OPERATION THEREOF}
본 발명은 특허청구범위 제1항의 전제부에 따른 고주파 램프에 관한 것이며, 고주파 램프는 이후에 종종 간단하게 HF 램프로 지칭된다. 본 발명은 또한 이러한 고주파 램프를 작동시키기 위한 특허청구범위 제9항의 전제부에 따른 방법에 관한 것이다.
이러한 종류의 고주파 램프는 일반적으로 공지되어 있다.
각각의 램프의 임무 및 이에 따른 고주파 램프의 임무도 또한 가능한 효율적으로 빛을 발출하는 것이다. 각각의 램프는 어느 정도 양호한 효율로 에너지를 광으로 변환시킨다. 변환되는 동안에 상당히 많은 양의 소산 열이 종종 발생한다.
램프의 또 다른 임무는 여러 가지이다. 방출된 광 스펙트럼은 사용 목적상 종종 매우 중요하다. 마찬가지로, 자동차 헤드라이트 및 프로젝터와 같은 일부 응용제품들은 가능한 점 형상인 광원을 갖는 램프를 필요로 한다.
이하에서 종래 기술의 설명은 전기 램프에 대한 것으로 제한될 것이다. 이들은 대개 유리 본체를 갖는 램프 및 발광 다이오드로 구분될 수 있다. 램프 그룹이 이하에서 취급될 것이다. 램프 그룹은 백열 램프 및 가스 방전 램프로 세분된다.
백열 램프는 유리 본체 내의 필라멘트(예를 들어 텅스텐으로 제조됨) 및 보호 가스를 포함한다. 3000℃를 넘는 녹는점을 갖는 필라멘트는 전형적으로 2500℃로 가열된다. 플랑크 복사 법칙에 따르면, 백열 램프에 대해서는 주광(daylight)에 대응하는 광 스펙트럼을 아직 얻지 못하는 데, 그 이유는 백열 램프는 오히려 훨씬 황적색(yellow-reddish) 빛을 방사하기 때문이다. 백열 램프는 직류 전압 또는 최대 kHz 범위까지의 주파수를 가진 교류 전압에서 작동된다. 백열 램프는 임의의 밸러스트 전자회로(ballast electronics)를 필요로 하지 않는다.
본 발명에 관련되는 가스 방전 램프는 가스 방전을 사용하며 그에 따라 원자 또는 분자 전자 전이(atomic or molecular-electronic transitions)에 의한 자발적 방출 및 방전에 의해 생성된 플라즈마의 재결합 복사선을 사용하는 광원이다. 수정 유리로 된 전구(이온화 챔버) 내에 포함된 가스는 종종 금속 증기(예를 들어 수은)와 불활성 가스(예를 들어 아르곤) 및 가능하다면 할로겐과 같은 다른 가스들의 혼합물이다. 가스 방전 램프는 저압 및 고압 방전 램프로 구분된다. 저압 방전 램프는 글로우 방전(glow discharge)을 사용하고 고압 방전 램프는 아크 방전(arc discharge)을 이용한다. 이들 램프들은 모두 밸러스트를 필요로 한다. 이들 램프들은 모두 kV 범위에서 전압 펄스에 의해 가스를 이온화시키는 점등관(starter)을 포함한다. 또한, 영구적인 작동을 위해, 필요한 경우에 주파수가 kHz 범위로 변환된다. 결과적으로, 이들 램프들은 고주파 신호에 의해 MHz 또는 GHz 범위에서 작동되는 램프가 아니다.
가스 방전 램프의 특별한 형태는 유황 램프이다. 유황 램프는 유황 및 아르곤으로 충전된 수정 유리 글로브(quartz glass globe)를 이온화 챔버로서 포함한다. 유리 글로브 내에서 고주파 복사선에 의해 플라즈마가 발생된다. 통상적인 가스 방전 램프와 달리, 유황 램프는 도파관을 사용하기 때문에 임의의 전극을 필요로 하지 않는다. 글로브의 수정 유리에서 발생하는 매우 높은 온도로 인해, 유황 램프는 계속 회전되며 그에 의해 냉각된다. 이는 터빈 블레이드와 유사한 팬 구조를 포함하는 하부 컬럼부에 의해 기인된다. 이것은 환기 장치에 의해 마그네트론(대략 1500W의 HF 에너지원) 내에서 발생되는 공기 스트림 내에서 회전한다. 이러한 냉각이 실패하는 경우에, 유리 글로브는 20초 후에 녹을 것이다.
유황 램프의 광효율(luminous efficiency)은 에너지 절약형 램프(형광 램프)의 광효율과 마찬가지로 높다. 그들은 대략 5700K 내지 6000K 색온도의 밸런스된 광 스펙트럼을 가지며, 따라서 매우 효과적인 백색 광원이다. 마그네트론의 전력을 조절함으로써, 유황 램프는 그들의 색 스펙트럼을 안정적으로 유지하면서 다소 만족스럽게 광량이 줄어들 수 있다. 높은 광속(luminous flux)으로 인해, 램프는 대부분의 경우에 응용 위치에 직접 설치되지 않는다. 대신에, 광은 광학적 전도체에 의해 실내로 안내된다. 이로 인해 이러한 타입의 램프가 잘 유지된다.
장치(마그네트론용 전원 장치, 마이크로파의 차폐 및 온도)와 관련하여 비교적 높은 비용으로 인해, 이러한 램프는 오랜 시간 동안 상업적으로 이용 가능하지 않았다. 2006년 이후로, LG 전자는 "전력 조명 시스템(Power Lighting System)"(PLS 램프, 유황 플라즈마 램프로서 또한 상품화됨)라는 명칭으로 유황 램프를 생산했다. 유황 램프는 텔레비전 스튜디오 내의 조명으로서 또는 식물을 위한 인공 조명으로서 종종 사용되고 있다.
티. 미조지리(T. Mizojiri), 와이. 모리모또(Y. Morimoto) 및 엠. 칸도(M. Kando)의 "컴팩트 안테나 여기식 초고압 수은 마이크로파 방전 램프의 방출 특성(Emission Properties of Compact Antenna-Excited Super-High Pressure Mercury Microwave Discharge Lamps)"(Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 46, No. 6A, 2007년) 및 엠. 칸도(M. Kando), 티 후까야(T. Fukaya) 및 티. 미조지리(T. Mizojiri)의 "유한 요소 방법에 의한 안테나 여기식 마이크로파 방전 램프의 수치 해석(Numerical analysis of antenna-excited microwave discharge lamp by finite element method)"(28번째 IC- PIG, 2007년 7월 15일 내지 20일, 체코 프라하)으로부터, 작은 고주파 전력(30 내지 100W)에서 작동하면서 내부 전도체 전극을 포함하는 TEM 라인(동축 라인) 상으로의 커플링을 도파관 커플링 대신에 포함하는 고주파 램프가 공지된다. 이들 램프는 가스 방전 램프의 긴 배선을 안테나로 이용하므로, 이들 램프들은 이하에서는 보다 적합하게 HF 안테나 램프로 지칭되어야 할 것이다.
그러나, 유황 램프와 마찬가지로 이들 램프들은 임피던스 변환기를 포함하지 않는다. 그러므로, 고주파 발생기의 주파수 안정성에 대한 요건이 이들 램프에서는 낮다.
그러나, 이들 공지된 가스 방전 램프의 단점은 이들 램프에 대한 기술이 비용을 필요로 하며, 따라서 가격이 비싸다는 것이다. 또한, 그들은 대략 1500W의 전력 램프로서만 이용 가능하다. 더군다나, 현재까지 공지된 모든 가스 방전 램프들은 플라즈마를 점등시키기 위한 별개의 회로를 필요로 한다. 이 때문에 kV 범위의 전압이 필요하다. 점등을 위한 회로 없이 사용할 수 있는 지금까지 공지된 고주파 램프에서는 특히 훨씬 많은 전력(30W보다 큰 마이크로파 전력)을 필요로 하는 단점이 발생한다. 또한, 가스 방전 램프는 안테나로서 작용한다. 실제로, 이들은 고주파 복사선이 많이 방출되는 중요한 단점을 갖는다. 이러한 램프는 이러한 복사선으로 인해 허가되지 않는다.
에너지 절약형 램프로서 사용되는 방전 램프는 광량을 줄일 수 없는 데, 이러한 사실은 실제 사용에서 매우 중요한 단점이 된다.
이전의 고주파 램프는 높은 저항 범위에서 임피던스 변환기를 갖지 않으므로, 전극을 통해 매우 큰 전류가 흐른다. 이들은 텅스텐과 같은 재료로 제조되며 또한 열악한 표면 품질을 가지므로, 오옴 손실이 매우 크다,
이에 따라, 본 발명의 과제는 전술한 단점을 회피하거나 그 효과를 적어도 감소시키는 고주파 램프를 제안하는 데에 있으며, 특히 고압 및 저압 가스 방전 램프에서 사용될 수 있으며 또한 효율, 방출 스펙트럼, 비용 및 내구성과 같은 특성을 개선하기에 특히 적합한 고주파 램프를 제안하는 데에 있다. 본 발명의 또 다른 과제는 이러한 고주파 램프의 작동 방법을 제안하는 데에 있다.
이러한 과제는 한편으로는 본 발명에 따라 특허청구범위 제1항의 특징부를 갖는 고주파 램프에 의해 달성된다. 이를 위해, 고주파 신호를 발생시키기 위한 신호 발생부 및 그 하류에 즉 신호 발생부의 하류에 연결된 이온화 챔버를 포함하는 고주파 램프에서, 신호 발생부는 절환 가능 고주파 발진기 및 고주파 발진기의 출력에서 고주파 신호의 전력을 증가시키기 위한 전력 증폭기를 포함하며, 적어도 하나의 가스 충전형 유리 전구를 포함하는 이온화 챔버는 관련된 적어도 하나의 전극을 구비하고, 고주파 램프는 전력 증폭기의 하류에 연결되도록 상기 전극 또는 각각의 전극에 연결된 임피던스 변환기를 구비한다.
방법에 관하여, 이러한 과제는 본 발명에 따라 특허청구범위 제9항의 특징부에 의해 달성된다. 이러한 경우에, 처음에 개략 설명되며 이하에서 설명된 바와 같은 유형의 고주파 램프의 작동을 위해, 고주파 신호는 고주파 발진기에 의해 발생되고, 고주파 신호의 전력은 하류에 연결된 전력 증폭기에 의해 증가되며, 고주파 신호는 전력 증폭기의 하류에 연결된 임피던스 변환기에 의해 고전압 범위로 변환되며, 변환된 고주파 신호는 전극에 공급된다.
본 발명의 장점은 먼저 전압을 통해 변화될 수 있으며 저비용 모듈로서 이용 가능한 고주파 발진기가 고주파 램프의 신호 발생부에서 사용될 수 있는 데 있다. 또한, 대개 mW 범위에 있는 고주파 발진기의 출력 신호는 고효율을 가지면서 저비용인 전력 증폭기에 의해 한 자리 내지 두 자리 와트 범위로 증가될 수 있다. 마지막으로, 이온화 챔버에 가능한 가장 높은 전압을 인가하기 위해 사용되는 임피던스 변환기의 사용은 심지어 매우 낮은 고주파 전력에서도 점등 유닛의 사용을 불필요하게 한다. 또한, 확실하게 높은 이온화율 및 그에 따라 더 높은 효율은 영구적으로 인가되는 큰 전기장 강도에 의해 달성된다. 고주파 전력이 높은 전압에서 임피던스 변환기에 의해 영구적으로 내부에 커플링되므로, 열악한 전도성 재료로 제조되는 전극 말단부에서의 오옴 손실이 더 낮아지며, 그에 따라 효율이 증가한다. 또한, 고주파 범위에서의 작동으로 인해 임피던스 변환기로서의 매우 많은 수의 절환 선택 사양이 이용 가능하며, 이러한 절환 선택 사양은 심지어 축전지와 코일과 같은 저비용 부품으로도 달성될 수 있다.
이와는 별개로, 고주파 방출이 고주파 램프의 외부에서 발생하지 않으므로, 신호 발생부와 같은 것을 갖는 고주파 램프의 구조가 또한 유리하며, 따라서 이러한 구조는 승인을 받기에 적합하다.
이온화 챔버에 관련된 전극을 위해, 다양한 재료 및 형태가 사용될 수 있으며, 그에 따라 효율성 및 애플리케이션의 범위가 동일한 정도로 개선될 수 있다.
본 발명의 유리한 구성은 종속항의 대상이다. 이 경우에 사용된 소급 참조(back-reference)는 각각의 종속항의 특징부에 의해 주 청구항의 대상에 대한 추가적인 개발에 관련되므로, 소급 참조는 소급 참조된 청구항의 특징부 결합에 대한 독립적인 물리적인 보호의 달성에 대한 포기(disclaimer)로 이해되지 않아야 한다. 또한, 종속 청구항의 특징부의 보다 상세한 설명의 경우에 특허청구범위의 해석과 관련하여 각각의 선행하는 청구항에 이러한 제한이 주어지지 않는다는 것이 추정되어야 한다.
고주파 램프의 하나의 바람직한 구성에서, 신호 발생부는, 전력 증폭기의 하류에 연결되며 특히 전력 증폭기와 임피던스 변환기 사이에 배치된 커플러, 고주파 검출기 및 프로세싱 유닛을 더 포함하며, 고주파 램프가 작동될 때 전극에서 반사된 고주파 신호가 커플러를 통해 고주파 검출기에 공급될 수 있고, 고주파 검출기의 출력 신호를 기초로 프로세싱 유닛에 의해 발생될 수 있는 제어 또는 가동 신호가 반사된 신호를 기초로 고주파 신호를 최적화하기 위한 고주파 발진기에 공급될 수 있다. 반사된 고주파 신호를 검출함으로써, 그에 대한 최적화는 예를 들어 이후에 가능한 고주파 신호의 감소를 위해 고주파 램프의 점등 이후에 가능하다. 추가적으로 또는 대안적으로 반사된 고주파 신호를 기초로 고주파 발진기의 조절도 또한 가능하다.
제1 및 제2 신호 분리기 출력을 갖는 신호 분리기가 고주파 발진기의 하류에 연결되며, 전력 증폭기는 제1 신호 분리기 출력에 연결되고, 위상 편이 수단(이하에서 "위상 편이기"로 지칭되기도 하며 예를 들어 180도의 긴 전도체(180˚ long conductor)의 형태로 실현됨), 제2 전력 증폭기, 제2 임피던스 변환기 및 제2 전극이 직렬로 연결되도록 고주파 램프가 구성될 때, 고주파 발진기는 이온화 챔버에 반위상 신호(anti-phase signal)를 인가할 수 있다. 이하에서 이러한 실시예는 오직 하나의 전력 증폭기, 하나의 임피던스 변환기 및 하나의 전극만을 갖는 초기에 설명된 실시예로부터 구별되기 위한 대칭 설정으로 지칭될 것이다.
더 바람직하게, 임피던스 변환기는 또는 대칭 설정을 갖는 고주파 램프의 경우에 임피던스 변환기 및/또는 제2 임피던스 변환기는 단일 스테이지 또는 다중 스테이지 변환형 활성 부분(single-stage or multi-stage transformingly active section)을 포함하도록 제공되며, 단일 스테이지 변환의 장점은 특히 컴팩트 및 강건성에 있는 반면, 임피던스 변환의 효율 개선은 다중 변환에 의해 달성될 수 있다.
상기 전극 또는 각각의 전극이 유전성이고 그에 따라 유전성 재료로 제조되며 특히 유전성 피복에 의해 둘러싸인 금속 코어에 의해 형성될 때, 우수한 효율비 및 최고의 색 온도가 달성될 수 있다.
상기 전극 또는 각각의 전극이 고리 형상으로 실현될 때, 원하지 않는 공동 모드의 발생이 회피될 수 있으며, 이는 대칭 설정을 갖는 고주파 램프인 경우에 더욱 확실하다.
유리 전구가 상이한 발광 스펙트럼을 갖는 두 개의 가스로 특히 정확하게는 세 개의 가스로 충전될 때, 고주파 신호의 주파수를 적절히 변화시킴으로써 상이한 색상이 이온화될 수 있다. 고주파 신호가 하나 이상의 가스를 이온화시키기에 적합한 주파수 스펙트럼을 포함할 때, 수용된 방출 광에 대해 상응하여 색상 혼합이 결과로서 발생한다. 이러한 방식으로, 두 개, 세 개, 또는 그 이상의 색상이 좁은 대역의 고주파 신호에 의해 직접 이온화될 수 있는 반면, 복수의 색상 및 그들의 중첩에 의해 발생된 혼합 색상의 이온화는 상응하여 선택된 광대역 고주파 신호에 의해 가능하다. 고주파 램프의 이러한 실시예는 자체 광 광고 수단(self-luminous advertising means) 또는 기타 디스플레이 기구와 같은 광 효과에 적합하다.
이전에 설명된 실시예에 대한 하나의 바람직한 대안적인 실시예에서, 이온화 챔버는 적어도 두 개의 유리 전구, 특히 세 개의 유리 전구를 포함하고, 각각의 유리 전구는 상이한 발광 스펙트럼을 갖는 하나의 가스로 각각 충전되며, 각각의 유리 전구는 고주파 신호를 공급하기 위한 관련된 하나의 전극을 구비한다. 이러한 실시예에서, 각각의 유리 전구는 내부에 포함된 가스가 이온화될 때 각각의 특유한 방출 스펙트럼을 출력한다. 따라서, 간단하게 표현해서, 각각의 유리 전구는 정확히 하나의 색을 방사한다. 각각의 유리 전구에 관련된 전극을 제어함으로써, 제1 또는 제2 (또는 제3 또는 가능하다면 그 이상의) 색상의 방출 또는 여러 색상이 동시에 방출될 때 가능한 혼합 색상의 방출이 전체적으로 고주파 램프에 대해 달성될 수 있다. 고주파 램프의 이러한 실시예는 또한 광 효과를 발생시키기 위한 선택 사양이다. 또한, 모니터형 디스플레이 장치 내의 촬영 요소로서 적어도 기본적인 적합성도 있다. 대개, 후자의 경우에 대해 공지된 RGB 모델에 따라 적색광, 녹색광 및 청색광을 방사하도록 의도된 세 개의 유리 전구가 제공될 것이다. 본 발명의 이러한 양상에 따라, 라인 및 컬럼 형태로 배치된 복수의 이러한 고주파 램프가 모니터, TV 세트 등과 같은 하나의 디스플레이 장치 내로 결합될 수 있다. 본 발명은 또한 이러한 디스플레이 장치를 작동시키기에 적합한 방법에 관한 것이며, 그 방법에서는 적어도 두 개의 고주파 신호가 고주파 발진기에 의해 발생되어 적어도 하나의 전극에 공급되거나 또는 적어도 두 개의 고주파 신호가 고주파 발진기에 의해 발생되어 각각의 고주파 신호가 적어도 두 개의 전극 중 정확히 하나의 전극에 공급되도록 디스플레이 장치에 의해 피복된 각각의 고주파 램프가 작동된다. 이러한 방식으로, 디스플레이 장치에 의해 발생될 수 있는 가시 영상 내에서의 하나의 "화소"인 하나의 영상점에 정확히 상응하는 각각의 고주파 램프가 개별적으로 제어될 수 있고, 각각의 영상점/각각의 화소에 대한 요구된 색차(chrominance)인 원하는 색상 방출이 달성된다.
전술된 바와 같은 본 발명에 관하여, 본 발명은 또한 고주파 램프의 각각의 물리적인 추가의 개발의 작동을 위한 방법의 추가적인 실현도 또한 제공한다.
고주파 램프의 바람직한 실시예 중 하나의 실시예의 작동을 위해, 고주파 검출기는 고주파 램프의 점등 시에 전극에서 반사되고 커플러를 통해 전송되는 고주파 신호를 검출하며, 프로세싱 유닛은 고주파 신호를 최적화시키기 위한 고주파 검출기의 출력 신호를 기초로 미리 정해진 양수 또는 음수만큼 제어 신호를 적응시키고, 특히 변화시킨다. 고주파 신호의 적응에 관하여, 본 명세서에서의 장점은 특히 고주파 램프의 점등 전에 또는 점등 중에, 이온화 챔버가 큰 저항인 병렬 저항을 갖는 작은 커패시턴스처럼 작용하는 반면, 이온화(조명 작동)의 발생 바로 직후에 커패시턴스는 증가하고 병렬 저항은 감소하여, 그에 따라 결과적으로 점등의 발생 이후에 고주파 신호에 사용되어야 하는 주파수인 공명 주파수가 변화한다. 이 때문에, 램프의 점등 발생 이후에, 신호 발생은 신속한 한번의 주파수 호핑(rapid one-time frequency hopping)을 수행할 위치에 있어야 하며, 그에 따라 고주파 신호는 조명 작동의 상황에 "적응"된다. 부품 커플러 및 고주파 검출기인 경우에 이는 고주파 램프가 점등될 때 확실하게 더 높은 고주파 전력이 전극에서 반사되는 것을 의미한다. 이러한 전력은 커플러에 도달하며, 커플러에 의해 감소되어 고주파 검출기로 공급된다. 고주파 검출기의 변화된 출력 신호가 프로세싱 유닛에서 수신되며, 변화된 출력 신호는 조명 작동에 대한 주파수 호핑을 수행한다.
고주파 신호의 변화의 양상과 관련하여, 작은 양수 및 작은 음수만큼 고주파 신호가 변화하는 경우에, 예를 들어 평균 주파수, 감소된 주파수 및 증가된 주파수과 같은 몇 개의 주파수 지점에 대해 반사된 전력들이 측정된다는 점에서 특히 장점이 있으며, 최소의 반사된 전력을 갖는 값이 고주파 신호에 대한 새로운 초기값으로서 사용된다. 이러한 조절은 연속적으로 또는 미리 정해지거나 미리 정의된 횟수만큼 반복된다. 따라서, 가능한 큰 HF 전력이 이온화 챔버 내로 항상 공급되며, 가능한 한 적은 양의 HF 전력이 소산 열로 변환되는 것이 보장된다.
대칭 설정을 갖는 고주파 램프의 작동을 위해, 신호 분리기는 특히 고주파 신호로서 존재하는 고주파 신호 및 제2 고주파 신호가 적어도 기본적으로 동일하게 되는 방식으로 고주파 신호로부터 제2 고주파 신호를 분리시키도록 제공되며, 위상 편이 수단은 제2 고주파 신호를 동위상(in phase)으로 편이시키고, 하류에 연결된 제2 전력 증폭기는 위상 편이된 제2 고주파 신호의 전력을 증가시키도록 제공되고, 하류에 연결된 제2 임피던스 변환기는 제2 고주파 신호를 하나의 스테이지로 또는 복수의 스테이지로 변환시키며, 변환된 고주파 신호를 제2 전극으로 전송하도록 제공된다.
고주파 램프의 다른 구성에 대해, 적어도 두 개의 고주파 신호가 고주파 발진기에 의해 발생되어 적어도 하나의 전극에 공급되도록 제공되거나, 또는 적어도 두 개의 고주파 신화가 고주파 발진기에 의해 발생되도록 제공되어 각각의 고주파 신호가 적어도 두 개의 전극 중 정확하게 하나의 전극에 공급되도록 제공된다.
이하에서, 본 발명의 일 실시예는 도면을 참조하여 상세하게 설명될 것이다. 서로 상응하는 대상 또는 요소에는 도면을 통하여 동일한 부호가 부여된다.
상기 또는 각각의 예시적인 실시예는 본 발명의 제한으로서 이해되지 않아야 한다. 오히려, 예를 들어 상세한 설명의 일반적인 또는 특정된 부분과 관련하여 설명되고 그리고/또는 도면에 포함된 개별적인 특징 및/또는 요소 또는 방법 단계의 조합 또는 변경에 의해 본 발명의 과제의 해결책에 관하여 당업자에게 명백하며 조합 가능한 특징에 의해 당업자들이 제조 또는 작업 방법에 관심을 갖는 한 신규한 대상 또는 신규한 방법 단계 및/또는 방법 단계 시퀀스로 유도되는 다향한 변형 및 변경이 본 개시 사항의 범위 내에서, 특히 이러한 변형체, 요소 및 조합체, 및/또는 재료의 범위 내에서 가능하다.
도 1은 소위 가동 작동을 위한 고주파 램프의 단순화된 개략적인 블록도이다.
도 2는 제어 작동을 위한 고주파 램프의 단순화된 개략적인 블록도이다.
도 3은 차동 구동(differential drive)("대칭 설정(symmetric set-up)")을 갖는 고주파 램프를 위한 단순화된 개략적인 블록도이다.
도 4는 단일 스테이지 임피던스 변환, 즉 단일 스테이지 변환형 활성 부분을 갖는 램프 헤드이다.
도 5는 3 스테이지 임피던스 변환, 즉 다중 스테이지 변환형 활성 부분을 갖는 램프 헤드이다.
도 6은 원형 도파관 내의 E01 모드이다(전기장: 점선, 자기장: 실선)
도 7은 비대칭 여기에서 E01 모드의 여기를 위한 단일 스테이지 임피던스 변환을 갖는 공동 공진기 램프이다.
도 8은 HE11 기본 모드의 여기를 위한 유전성 전극의 커플링이다.
도 9는 E01 모드의 여기를 위한 유전성 전극의 커플링이다.
도 10은 일 측부로부터의 대칭 구동에서 스포트라이트 발생을 위한 접지판 상의 고주파 램프에 대한 단순화된 개략적인 도시이다.
도 1은 개략적으로 단순화된 방식으로 도시되며 또한 전체적으로 10으로 표시된 본 발명에 따른 고주파 램프의 일 실시예에 대한 구성을 도시한다. 고주파 램프(10)는 고주파 신호(14)를 발생시키기 위한 신호 발생부(12) 및 신호 발생부(12)의 하류에 연결된 이온화 챔버(16)를 포함한다. 한편, 신호 발생부(12)는 고주파 발진기(18) 및 고주파 발진기(18)의 출력에서 고주파 신호(14)의 전력을 증가시키기 위한 전력 증폭기(20)를 포함한다. 한편, 이온화 챔버(16)는 적어도 하나의 가스 충전식 유리 전구(22)(가스(24), 필요한 경우에 금속 증기 및/또는 할로겐이 추가됨)를 포함하며, 또한 유리 전구(22)에는 거의 임의의 방식으로 형성될 수 있는 전극(28)이 관련된다. 신호 발생부(12)에 대해, 출력에서 상기 전극 또는 각각의 전극(28)에 연결된 임피던스 변환기(26)가 전력 증폭기(20)의 하류에 연결되도록 제공된다. 신호 발생 회로의 외부 차폐물은 접지(30)를 형성하며 또한 접지(30)와 전극(28)은 피드스루 전극(feedthrough electrode)으로서 이온화 챔버(16)의 내부로 고주파 신호(14)를 안내하는 용량성 커플링(capacitive coupling) 관계이다.
이러한 방식으로, (세 자리 MHz 범위 및 전체 GHz 범위에서) 비교적 좁은 대역의 고주파 신호(14)를 기초로 고주파 램프(10, HF 램프)의 설정이 가능하게 되며 또한 비교적 좁은 대역의 고주파 신호(14)는 임피던스 변환기(26)에 의해 고전압 범위 및 거의 임의의 방식으로 형성될 수 있는 넓은 아크 범위로 변환될 수 있으며 또한 접지(30)에 도달하지 않는 데, 그 이유는 그것은 유리 전구(22)의 내부 표면 상에서 종료되며 따라서 예를 들어 그 제조를 위해 사용된 수정 유리 상에서 종료되기 때문이다.
제공된 임피던스 변환기(26)는 고주파 램프(10)를 위해 지금까지 필요했던 점등 유닛의 사용을 불필요하게 한다. 또한, 영구적으로 인가되는 큰 전기장 강도에 의해 확실히 더 높은 이온화율 및 그에 따른 더 높은 효율비가 달성된다. 높은 전압에서 고주파 전력이 영구적으로 내부에 커플링되므로, 오직 열악한 전도성 재료만을 갖고 있는 상기 전극 또는 각각의 전극(28)의 선단부에서의 오옴 손실이 더 낮아지며, 이 사실은 효율을 다시 증가시킨다. 임피던스 변환기(26)의 간단한 실시예는 코일과 축전지를 포함한다. 0402-SMD 부품이 사용될 때, 공간 요건은 2 mm2 미만이며 또한 비용은 4 센트 미만이다.
고주파 신호(14)의 주파수가 더 높게 선택될수록, 전극(28)에 인가되는 전압이 더 작아질 수 있다. 많은 저비용 전자 부품들이 이용 가능한 더 낮은 GHz 범위에서 이미 원하는 아크 길이에 따라 전압은 1 자리 kV 값으로 더 낮은 범위로 감소될 수 있다. 최대 전압의 이러한 감소는 확실히 더 낮은 비용의 재료 및 부품으로 실현될 수 있다.
좁은 대역의 고주파 신호(14)로 작업할 수 있으므로, 고주파에 적합한 설정이 매우 쉽게 가능하게 된다. 예를 들어, 모든 이러한 장점을 갖는 λ/2 라인들이 이제 사용될 수 있다. 이는 원하는 특유한 임피던스를 나타내기 위한 라인들이 필요하지 않다는 것을 의미한다. 이는 예를 들어 고주파 램프(10)의 고주파 호환 가능 설계를 단순화시킨다.
이제 전극(28)은 몇 가지 경로를 거쳐 또는 넓은 표면을 거쳐 에너지를 방사한다. 전자기 에너지는 전극(28) 주위의 이온화된 영역에서 HF 전류를 발생시키며, 이러한 전류는 발열로 인해 아크의 종류에서의 광학 범위에서 복사 에너지를 방출한다. 따라서, 전극(28)으로부터의 에너지 배출은 더 이상 전류로서 발생하지 않으며, 오히려 전기장으로서 발생한다. 전극(28)은 더 이상 전류 흐름에 의해 부하가 걸리지 않는다. 제1 측정은 어떤 재료도 누출되지 않는다는 것을 나타낸다. 따라서, 연장된 서비스 수명에 걸쳐 고주파 램프(10)가 사용될 수 있다.
60% 초과의 효율비를 나타내는 GSM 이동식 라디오 응용 및 핸드셋을 위한 고집적 저비용 고주파 전력 증폭기가 전력 증폭기(20)로서 가능하다. 80% 초과의 효율비는 소위 클래스 E 작동에서 달성될 수 있다.
짧은 라인들이 더 낮은 GHz 범위에서 거의 0 손실로 실현될 수 있다. HF 밸러스트 유닛(HF ballast unit)으로서 작용하는 신호 발생부(12)에 대해 매우 양호한 효율 및 결과적으로 고집적 구현 선택에 대한 가능성이 부여되며, 이는 바람직하게는 고주파 램프의 기부(램프 기부) 내로 집적될 수 있다.
전극 구조에 대한 재료의 선택은 금속이 아닌 유전성 재료의 사용을 또한 허용한다. 전극(28)은 예를 들어 높은 유전 상수 및 매우 높은 녹는점을 갖는 세라믹 재료로 구성될 수 있다. 이러한 구성은 주광(daylight)에 상응하는 종종 목표가 되는 스펙트럼(often-targeted spectrum) 및 색상 온도와 관련하여 매우 중요한 문제이다.
모든 에너지 절약형 램프에 비해 이러한 램프의 또 다른 장점은 본 명세서에서 제안된 고주파 램프가 광량을 줄일 수 있다는 것이다.
물리적인 근본 원리에 관한 저서들은 가스의 이온화가 오직 전자빔 주입에 의해 여기된 전자 충격 이온화에 의해서만 발생하거나, 열 이온화는 매우 높은 온도(106K)에서 발생하거나, 또는 광 이온화는 자외선에 의해 발생한다는 것을 알려준다. 발명자는 실험 물리를 기초로 GHz 범위에서의 설정을 추가로 실현했으며, 그에 의해 비교적 작은 양의 고주파 에너지의 도입을 통해 이온화된 영역이 발현되었다. 이들 결과는 예를 들어 에이치. 크멜라(H. Chmela)의 "고주파를 사용한 실험(Experimente mit Hochfrequenz)"(Franzis Publishers)와 같은 다른 공개된 결과와 일치하긴 하지만, 그것은 MHz 범위에서 수행되었다. 이는 이하에서 고주파 이온화로서 지칭될 것이다. 또한, 케이. 링켄헤일(K. Linkenheil) 등의 "가솔린 직접 분사를 이용한 엔진 내에서의 개선된 발화를 위한 신규한 점등 플러그(A novel Spark-Plug for Improved Ignition in Engines with Gasoline Direct Injection(GDI))"(IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 33, No. 2005년 10월 5일)에서, 이러한 고주파 이온화가 증명되었고, 추가적인 자외선 복사선이 이러한 이온화를 더 낮은 전기장 강도에서 허용한다는 것이 강조된다.
이온화된 가스가 동일한 개수의 전자 및 이온을 가지면, 이온화된 가스는 평균적으로 공간 하전(space charge)이 없는 가스이며 플라즈마로 지칭된다.
맥스웰 방정식을 기초로, 이온화된 가스에 대해 다음과 같은 수학적인 상관관계가 명백하다는 것을 알 수 있다.
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003
여기서, N은 체적당 전자수, e는 단일 전자의 전하량, m은 단일 전자의 질량, e0은 전기장 상수, u는 전자와 가스 분자 사이의 충돌 횟수, 또한 w는 고주파 신호의 주파수이다.
상세한 연구는 플라즈마 주파수보다 작을 때 전자기 에너지가 전파될 수 없으며 또한 플라즈마 내에서 손실이 발생하지 않는다는 것을 보여준다. 이와 달리, 공간은 플라즈마 주파수보다 클 때 실수인 특유한 필드 임피던스 Zf를 나타낸다. Zf는 더 높은 주파수 쪽으로 급락하며 대략 377W인 자유 공간 저항(free-space resistance: Z0)에 지수적으로 근사된다. 이는 더 낮은 주파수에서와 동일한 전력을 변환시키기 위해서는 더 높은 주파수에서 더 낮은 전압이 필요하다는 것을 의미한다. 수학식 2는 증가하는 주파수에서 (작은) 저항이 증가하며 따라서 손실이 증가한다는 것을 나타낸다. 결과적으로 더 높은 주파수에서 가스는 더 양호하게 가열될 수 있다.
HF 신호의 전송 특성에 대한 대기의 분석은 두 자리 내지 세 자리 MHz 범위에서 복사 에너지는 거의 조금도 흡수되지 않는 반면 50 GHz에서 전체 복사 에너지는 수소 및/또는 산소 내로의 분자 흡수로서 감쇄된다. 더 낮은 MHz 범위에서 5kV의 출력 전압을 갖는 100W의 발생기를 제조하기 위해 그리고 공기 중에서 10 cm 길이의 스파크 간격(spark gap)을 발생하기 위해 소위 텔사 변환기(Telsa transformer)가 사용될 수 있다(전술한 문헌 "Experimente mit Hochfrequenz"도 또한 참조). 발명자는 이미 10 W의 전송기 및 2 kV의 전압을 사용하여 2.5 GHz에서 1 cm 길이의 스파크 간격을 생성했다.
고주파 램프(10)에서 신호 발생은 이하에 기술되는 데, 초기 상태(점등 작동)에서 이온화 챔버(16)는 높은 저항의 평행 저항을 갖는 작은 커패시턴스로서 작용한다. 이온화(조명 작동)의 발생 직후에 커패시턴스가 증가하여 평행 저항을 감소시킨다. 결과적으로, 점등의 발생 이후에 공명 주파수(fr)가 변화된다. 이 때문에, 고주파 램프(10)의 점등이 발생한 이후에 신호 발생 및 그에 따른 신호 발생부(12)의 기능성이 Fr1로부터 Fr2로의 신속한 한번의 주파수 호핑(frequency hopping)을 만드는 위치에 있는 것이 유리하다. 점등의 발생 이후에 신호 발생부(12)의 출력 저항(Zaus)은 켤레 복소 방식(conjugate-complex manner)으로 입력 임피던스(Zein)로 상응하고 및/또는 정합된다.
램프의 점등 시간 이전에 전자기장 및 입력 임피던스(Zein)는 소위 3D HF-시뮬레이터에 의해 계산될 수 있다. 물론, 시뮬레이터는 고주파 이온화 및 점등을 고려하지 않는다. 점등 이후에 변화하는 입력 임피던스(Zein)가 결정되면, 소위 고온 충돌 매개변수 측정에 의해 이러한 것이 가능하게 된다. 전력 트랜지스터의 전기 특성을 측정함으로써 이러한 것을 알게 된다.
전술한 주파수 호핑은 예를 들어 소위 VCO(전압 제어식 발진기: voltage controlled oscillator)와 같은 설계에서 전압에 의해 가변될 수 있는 고주파 발진기(18)에 의해 또는 두 개의 고상 발진기 사이에 신속한 전기 절환에 의해 실현될 수 있다. 더 낮은 GHz 범위에서 VCO들이 극히 저비용의 모듈로서 상업적으로 이용 가능하므로, 가능하다면 이들이 바람직할 것이다. 도 1에서, 고주파 발진기(18)는 절환 가능 고주파 발진기(18)로서 도시되어 있다. 제어 신호(32)가 고주파 발진기(18)에 인가된다. 대체로 mW 범위에 있는 고주파 신호(14) 및 그에 따른 고주파 발진기(18)의 출력 신호는 전력 증폭기(20)에 의해 한 자리 또는 두 자리 W 범위로 상승된다. 더 낮은 GHz 범위에서 고집적 전력 증폭기(20)는 60%보다 훨씬 큰 효율비를 나타내며 매우 저비용이고 따라서 적합하다.
이온화 챔버(16) 내에 존재하는 가능한 큰 전압의 경우에, 임피던스 변환기(26)에 의해 임피던스 변환이 수행된다. 이를 위해, HF인 경우에 매우 넓은 스펙트럼의 회로가 이용 가능하다. 저비용 회로는 축전지 및 코일(다중 스테이지 감마 변환기)로 구성되며, 에이치. 헤우에르만(H. Heuermann)의 "고주파 기술(Hochfrequenztechnik)"(Vieweg Publishers)에서 관찰될 수 있다. 임피던스 변환기(26)는 단일 스테이지 또는 다중 스테이지 설계물일 수 있다. 임피던스 크기 및 그에 따른 전압의 점증적 증가(stepping-up)와는 별개로, 임피던스 변환기(26)에 의해 포함된 회로는 이온화 챔버(16)의 전극(28)의 적응부(adaption)를 또한 포함해야 한다. 출력 임피던스(Zaus)는 가능하다면 두 자리 Ω 범위에서 또는 한 자리 kΩ 범위 이상에 있어야 한다.
이온화 챔버(16) 내의 전극(28)에서 전압은 전력 증폭기(20)의 출력 전력(Pout) 및 Zaus로부터 직접 계산된다.
Figure pct00004
결과적으로, 플라즈마 주파수(wp)보다 확실히 크도록 작용점(working point)이 선택되어야 한다.
가능한 최고의 효율을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 일 실시예는 가능한 작게 반사되는 고주파 전력을 제공한다. 도 2에 개략적으로 단순화된 방식으로 도시된 바와 같은 회로는 특히 이러한 목적에 적합하다. 신호 발생부(12)에 의해 포함된 회로는 제어 신호(32)에 의해 기동된다(도 1 또한 참조). 마이크로프로세서 유형의 프로세싱 유닛(34)은 점등 작동을 위해 고주파 발진기(18)를 주파수 fr1로 조정한다. 프로세싱 유닛(34)에 의해 발생되거나 발생될 수 있는 제어 신호는 제어 신호(32)와 구별하기 위해 가동 신호(35)로 지칭된다. 발생된 고주파 신호(14)는 전력 증폭기(20)를 통해 그 전력이 증가되며, 저손실 커플러(36)를 관통하고, 임피던스 변환기(26)를 통해 유리 전구(22)의 수정 유리 커버에 의해 둘러싸인 상태로 가스 혼합물(24)을 유지하는 이온화 챔버(16)의 전극(28)에 도달한다. 고주파 램프(10)가 점등하면 확실히 높은 HP 전력이 전극(28)에서 반사된다. 이러한 전력은 커플러(36)에 도달되며, 커플러(36)를 통해 감쇄된 후에 고주파 검출기(38)로 공급된다.
고주파 검출기(38)의 이렇게 변화된 출력 신호는 프로세싱 유닛(34)에 의해 수신되며, 이는 고주파 발진기(18)를 주파수 fr2로 조정함으로써 조명 작동에 대한 주파수 호핑을 야기한다.
이러한 조명 작동에 대해 다음과 같은 최적화가 있는 데, 프로세싱 유닛(34)은 고주파 신호(14)의 주파수를 주파수 fr2 근처에서 작은 양수 및 작은 음수 fr Δ 만큼 변화시키며, 상응하는 가동 신호(35)를 출력한다. 세 개의 주파수 지점 fr2-frΔ, fr2, fr2+fr Δ에 대해 반사된 전력이 측정된다. 그런 다음 최소의 반사된 전력을 갖는 값이 새로운 초기값이다. 이러한 조정은 연속적으로 반복된다. 따라서, 가능한 큰 HF 전력이 항상 이온화 챔버(16)로 공급되며 가능한 적게 소산 열로 변환된다는 것이 보장된다.
대칭 설정으로 특성화된 고주파 램프(10)의 바람직한 실시예가 도 3에 도시되어 있다. 이 경우에, 제1 및 제2 신호 분리기 출력(42, 44)을 갖는 저손실 신호 분리기(40)가 고주파 발진기(18)의 하류에 연결된다. 전력 증폭기(20)(도 1 및 도 2 참조)는 신호 분리기 출력(42)에 연결되며, 그 뒤에는 도 1 또는 도 2에서 이미 설명된 회로 부품이 연결된다. 위상 편이 수단(46)이 제2 신호 분리기 출력(44)에 연결되며, 그 뒤에 제2 전력 증폭기(48), 제2 임피던스 변환기(50) 및 제2 전극(52)가 직렬 연결된다. 고주파 발진기(18)에 의해 발생된 고주파 신호(14)는 신호 분리기(40)에 의해 특히 동일한 크기의 두 개의 부분, 즉 고주파 신호(14) 및 제2 고주파 신호(14')로 분리된다.
전력 증폭기(20), 임피던스 변환기(26)를 통해 제1 전극(28)까지의 "상부" 신호 경로(좌측)는 도 1 또는 도 2를 기초로 설명된 경우에 비해 변화되지 않는다. "하부" 신호 경로에서, 180도 위상 편이의 위상 편이기가 예를 들어 180도 긴 라인으로서 실현될 수 있는 위상 편이 수단(46)으로서 먼저 존재한다. 그 이후에, 반위상(anti-phase) 신호는 제2 증폭기에 의해 그 전력이 상승되며, 제2 임피던스 변환기(50)에 의해 그 전압이 상승되어 최종적으로 제2 전극(52)으로 공급된다(우측).
이러한 구성은 두 개의 증폭기(20, 48)의 증폭이 추가적인 배선이 없이 간단하게 추가되고, 이온화 챔버(16) 내의 플라즈마가 점 형상으로 중심에 위치되며 또한 유리 전구(22)(도 1 또는 도 2 참조, 참조부호 30)가 접지에 연결될 필요가 없다는 장점을 갖는다.
당연히, 도시된 가동 작동을 갖는 이러한 고주파 램프(10)는 제어 작동에서 또한 사용될 수 있으며, 그에 따라 도 2에 도시되고 본 명세서에서 전술된 바와 같은 설계에서 사용될 수 있다.
임피던스 변환(도 1, 도 2: 오직 하나의 임피던스 변환기(26), 도 3: 두 개의 임피던스 변환기, 즉 임피던스 변환기(26) 및 제2 임피던스 변환기(50))의 개수에 무관하게, 도 4에 도시된 바와 같은 임피던스 변환을 위한 장치는 신호 발생에서 유리하다. 도 4는 유리 전구(22) 및 압력 절연부(54)(유리 피드스루(glass feedthrough))를 갖는 고압 가스 방전 램프(10)(도1 참조)의 이온화 챔버(16)를 램프 헤드로서 도시한다. 임피던스 변환기(26, 50)의 입구를 실질적으로 형성하는 짧은 피드 라인(56)이 50 오옴의 특유한 임피던스를 갖는 순수 동축 라인일 수 있다. 이러한 분산형 회로의 나머지와 함께 이들 요소들은 구멍(62)을 갖는 와셔형 캡(washer-like cap)(60)을 단부에 포함하면서 원형 튜브(58) 내에 위치된다. 이 튜브(58)는 이러한 비대칭 분산형 회로에 대한 접지를 형성하며, 캡(60)은 전극(28)에 대한 접지를 형성한다. 피드 라인(56)은 제1 및 제2 만곡 라인(64, 66)에 연결되어 있다. 제1 만곡 라인(64)은 예를 들어 몰리브덴으로 제조되는 내부 도체(68)에 연결되며, 또한 내부 도체(68)는 압력 절연부(54) 내에 배치된다. 한편, 이러한 도체는 고주파 신호(14)(도 1 참조)를 전극(28)으로 안내하며, 또한 전극(28)은 가스 또는 가스 금속 증기 혼합물에 의해 둘러싸인다.
회로 엔지니어링의 견지에서, 제2 만곡 라인(66)은 접지에 연결된 작은 인덕턴스이다. 제1 만곡 라인(64) 및 내부 도체(68)는 확실하게 더 큰 인덕턴스를 형성한다. 전극(28)의 헤드부 및 관련된 접지는 평행하게 연결된 작은 축전지 및 높은 저항의 부하 저항으로서 기술될 수 있다. 결과적으로, 회로는 커플링된 인덕턴스를 갖는 평행한 공명 회로를 형성한다. 인덕턴스는 커패시턴스와 함께 공명 관계이어야 한다. 피드 라인(56)의 시작 영역 내의 커플링 지점에서의 전압은 전극(28) 쪽으로 확실하게 점증적으로 증가된다.
이러한 단일 스테이지 임피던스 변환은 매우 컴팩트하고 간단하며 강건하다. 그와 함께 상응하는 단일 스테이지 변환형 활성 부분은 적어도 피드 라인(56)과 제1 및 제2 만곡 라인(64, 66)을 포함한다. 내부 도체(68)의 제1 및 제2 만곡 라인(64,66)을 통한 접지로의 직접 연결은 전극(28)의 온도를 감소시킨다. 기계적 구조는 안정되고 컴팩트하다. 그러나, 다중 스테이지 변환은 매우 높은 압력 및/또는 매우 작은 전력 등의 경우에 또는 기타 효율의 개선을 위한 장점을 제공할 수 있다. 공지된 집중식 부품(에이치. 헤우에르만의 "Hochfrequenztechnik" 참조)을 사용하는 변환은 비교적 열악한 품질을 나타내며 따라서 비교적 영향력이 큰 손실을 나타낸다. 이러한 관점에서 다시 개선된 일 실시예가 도 5에 도시되어 있다.
직렬 인덕턴스를 실현하기 위해 이 위치에 이전에 제공되었던 짧은 피드 라인(56) 대신에 연장형 라인 부분(70)의 높은 저항 구성에 의해 그리고 튜브(58)에 의해 형성된 접지에 대한 연장형 라인 부분(70)의 순수 용량성 커플링에 의해 도 5의 회로는 도 4에 도시된 회로와 다르다. 또한, 두 개의 작은 축전지(72, 74)는 라인 기하 구조에 의해 제1 및 제2 만곡 라인(64, 66)으로부터 기인한다. 이들 축전지는 직렬 연결된 두 개의 감마 변환기이다(에이치. 헤우에르만의 "Hochfrequenztechnik" 참조). 다중 스테이지 변환형 활성 부분을 갖는 도 5에 도시된 회로는 연장형 라인 부분(70), 두 개의 축전지(72, 74) 및 제1 및 제2 만곡 라인(64, 66)을 포함한다. 제1 변환기는 라인 기하 구조로부터 기인하는 축전지(72)의 접지 연결형 커패시턴스 및 연장형 라인 부분(70)의 직렬 인덕턴스에 의해 형성된다. 제2 변환기는 라인 기하 구조로부터 야기되는 제2 축전지(74)의 직렬 커패시턴스(60) 및 제2 만곡 라인의 접지 연결형 인덕턴스(64)에 의해 형성된다. 임피던스 변환의 제3 스테이지는 평소와 같다. 이러한 약간 더 복잡한 회로의 장점은 더 높은 변환비와 더 큰 스펙트럼이다. 두 개의 실시예(도 4 및 도 5)에 대해, 고주파 신호가 차폐형 도파관 구조(그러한 특정 경우에 튜브(58))를 통해 유리 전구(22)에 공급되며, 이는 임피던스 변환이 포함되도록 내부 전도체(56, 64, 66, 68; 70, 64, 66, 68)의 구성에 의해 형성된다. HF 안테나에 비해, 이러한 구성은 HF 방출이 발생하지 않는 장점을 가지며, 그에 따라 램프가 허용 가능하다. 또한, 효율이 증가한다. HF 부하(짧은 피드스루 전극(28)을 포함하는 충전형 유리 전구(22))는 매우 높은 저항을 가지며, 그에 따라 적응 시에 매우 높은 전기장 강도가 부여된다.
공동 모드는 HF 필터와 같은 많은 부품에서 과학적으로 그리고 기술적으로 매우 잘 검토되고 구현된다. 특정의 낮은 소위 차단 주파수로서 모드들이 존재할 수 있다. 금속에서의 손실이 매우 낮으므로, 기술 엔지니어링에서 모드들이 잘 사용된다. 도 6은 가능한 공동 모드(E01)를 도시한다. 전기장(및 그에 따른 플라즈마)가 큰 구(ball)의 최적 형상을 가지므로, 실내 조명 또는 기타 애플리케이션에 대한 고주파 램프(10)(도 1, 도 2 및 도 3)에서의 구현에 대해 공동 모드는 매우 흥미롭다. 접지 표면에 오직 평행하게 전파되는 역선(lines of force)은 오직 비교적 큰 이온화 챔버(16) 내에만 존재한다. 또한, 이들 최강의 전기장은 최대 조명구(luminous ball)를 보장하는 링을 형성한다.
E01 모드를 여기시키기 위한 공동 공진기 램프(76)(간략히, HR 램프)로서의 고주파 램프(10)(도 1, 도 2 및 도 3)의 가능한 일 실시예가 도 7에 도시되어 있다. 도 7은 HR 램프(76)가 비대칭 회로 기술(도 1 또는 도 2 참조)로 설계되어 있는 경우에 대한 배치를 도시한다. 두 개의 가능한 회로 기술의 경우에, 자기장이 고리 형상 전극(78)이 의해 여기된다. 이 경우에, 대칭 해결책(도 3)은 비대칭 해결책보다 아주 훨씬 더 양호하게 다른 원하지 않는 공동 모드의 존재를 방해한다. 그러므로, HR 램프(76)의 고리 형상 전극(78)은 유리 전구(22)의 가능하다면 약간은 금속화된 표면의 경계에 대해 단순히 형성된 공명기에 대한 커플링 요소에 불과하다. 반면에, 조정 가능한 커플링(k)(에이치. 헤우에르만의 "Hochfrequenztechnik" 참조)을 사용하여, 전압 변환이 수행될 수 있다. 이러한 변환(영향력 있는 변환이 약한 커플링에 의해 발생될 수 있다)은 공명 주파수를 약간 오프튜닝(off-tuning)하는 감마 변환으로서 에이치. 헤우에르만의 "Hochfrequenztechnik"에 개시되어 있다.
E01 모드의 제시된 경우에, 이온화 챔버(16) 내에 형성되는 플라즈마 구(플라즈마에서 최대 전류의 영역)는 공동 내에만 위치되며, 고리 형상 전극(78)(도 3에 따른 대칭 해결책에서 도시되지 않은 전극(78)) 및 접지와 접촉하지 않는다. 물론, 이온화 챔버(16)의 전체 체적은 본 명세서에서 마찬가지로 이온화된다. 이온화 부분은 제1 근사법에서 오옴 저항(부하)으로서 간주될 수 있다. 이온화 부분은 가능하다면 주파수 호핑이 여기에서 또한 유용하도록 리액턴스성 공명기 범위(reactive resonator range)를 "감소"시킨다.
모드의 선택 및 전극의 기하학적 형상은 HR 램프(76)의 최대 플라즈마 범위 및 결과적으로 생성된 입력 저항(Zein)에 영향을 미친다. 3D HF 필드 시뮬레이터를 사용하여, 유리 전구(22) 내부의 전자기장이 배향 및 절대 크기로 시각화될 수 있다. 최대 전기장 강도를 갖는 영역은 최대 플라즈마 전류가 흐르는 영역이다. 결과적으로 가장 뜨거운 이들 영역은 상기 또는 각각의 전극(28)으로부터 커플링되지 않는다.
이전의 전극 설계들은 금속 전극(28, 52, 78)의 사용에만 적용되었다. 본 발명의 가장 유리한 구성은 금속 전극(28, 52, 78) 대신에 순수한 유전성 전극 또는 금속 코어 및 유전성 피복의 혼합 구조를 사용하는 것이다. (비교적 높은 유전 상수를 갖는) 유전성 재료만 전극으로서 사용되면, HF 기술은 유전성 배선 또는 유전성 공명기에 관하여 논의한다. 유전성 배선의 경우에, 바람직하게는 하이브리드 기본파(HE11)가 라인 모드로서 선택된다. 커플링에 따라서는, 유전 공명기에 대해 추가의 낮은 손실 모드가 또한 사용될 수 있다. 이에 비해 금속 코어 및 유전성 피복의 혼합 구조가 사용되면, 두 자리 MHz 범위로부터 GHz 범위까지의 매우 낮은 손실의 전송을 허용하는 고우바우 표면 라인(Gouba surface line)(고우바우-함스 라인(Goubau-Harms line)으로도 지칭됨)이 형성된다.
이들 두 구조(일반적으로, 유전 전극)는 커플링 요소로서 작용하는 금속 전극(28, 52) 또는 고리 형상 전극(78) 대신에 사용될 수 있다. 이 경우에, 예를 들어 도 4와 같은 실시예에서 이러한 목적을 위해 설명된 요소, 즉 전극(28), 압력 절연부/유리 피드스루(54) 및 내부 도체(68)의 커플링 구조는 변화할 것이다. 원하는 고주파 모드에 따라서, 넓은 스펙트럼의 기계적 구성이 적용될 수 있다. 도 8은 (O Hz로서 전파될 수 있는) 기본 모드에 대한 여기의 예를 도시한다. 도 9는 E01 모드의 여기의 추가적인 예를 도시하며, 이들의 구현성은 매우 유리하다. 도 8에 포함된 텍스트는 "HE11 파" 및 "λ/2"이다. 도 9에 포함된 텍스트는 "E01 파", "ε1=81ε0", "ε2=ε0", "λ/2" 및 "λ=14, 4α<λc=23.6α"이다.
전술된 바와 같이, 유전성 모드는 통상적인 전극(28, 52, 78) 대신에 HF 램프 또는 HR 램프(10, 76)(도 1, 도 2, 도 3 및/또는 도 7)에서 사용될 수 있다. HR 램프(76)의 도파관 모드에서는 아무런 변화가 없다. 커플링 상태에 따라 유전성 배선의 기하학적 형상만이 최적화되어야 한다. 결과적으로 동축 모드로부터 유전성 도체 모드로 그리고 최종적으로 구형 도파관 모드로 진행한다. 이는 고주파 램프(10)의 경우에 약간 다르다. 여기에서, 광학적 조건에서는 덜 변화된다. 예를 들어, 도 10은 유전성 전극이 사용될 때 일측부로부터의 대칭 구동에서 스포트라이트 발생을 위한 접지판(80)(유리 전구(22)는 도시되지 않음) 상에 유전성 램프로서 또한 지칭되는 고주파 램프(10)를 도시하며, 또한 고주파 램프(10)는 그에 따라 일 실시예에서 순수 금속 전극 재료, 혼합형 또는 순수형 유전성 전극 재료에 의해 실현될 수 있는 두 개의 전극(82, 84)을 갖는다. 그러나, 금속 전극은 LC 공명 회로이며, 유전성 전극은 유전성 공명기의 모드이다. 두 가지 경우에서 도 10에 도시된 실현 유형은 두 개의 전극(82, 84) 사이에 위치된 점광원(spot source)의 조명을 발생시킨다. 이러한 배치는 고압 애플리케이션에 대한 고주파 램프(10)의 유리한 구성이다. 전기장 증가시키기 위해 본 명세서에서 제안된 절차에 추가하여 또는 그 절차에 대한 대안으로서 공명기 전압이 추가로 증가되어야 할 때, 이러한 것은 "부하 인가된 품질(belastete Guete)"을 개선함으로써 달성된다. DE 10 2004 054 443"(에이치. 헤우에르만(H. Heuermann), 에이. 사데그팜(A. Sadeghfam), 엠. 뤼네바하(M. Luenebach): Resonatorsystem und Verfahren zur Erhoehung der belasteten Guete eines Schwingkreises")에는, 본 명세서에서도 또한 사용될 수 있는 많은 수의 회로 엔지니어링 해결책이 포함되어 있다. 따라서, 이 점에 있어서 전술된 DE 10 2004 054 443의 개시 내용은 본 명세서에서 집중되어 있는 본 발명의 설명 내에 일체적으로 포함되는 것으로 여겨진다.
이하에서, 본 발명의 추가적인 구성 또는 실현 선택 사항이 적어도 피상적인 방식으로 설명될 것인데, 자석의 사용은 이온화 경로의 형상화의 간단한 조작을 허용할 것이다. 전극 설계 및 그에 따른 형성 및 치수 설정을 위한 전극의 형상화는 기본적으로 임의적이므로, 고주파 램프(10)는 또한 고효율의 광고 램프에 대한 조명 수단으로서도 사용될 수 있다. 적절한 주파수 선택에 의해, 다양한 이온화 경로가 매우 신속하게 구동될 수 있으며, 이는 램프 설계에 대한 새로운 방식을 허용한다. 그 중에서도 특히, 상이한 루미노퍼(형광체) 및 그에 따른 상이한 색상을 갖는 영역이 또한 이온화될 수 있다. 이는 플라즈마 텔레비젼 세트의 종류에서 디스플레이 장치의 다양성을 허용한다.
심지어 전통적인 플라즈마 TV 개념은 HF 여기에 의해 대체될 수 있다. 푸쉬풀(push-pull) 작동으로 구동된 두 개의 HF 제어 신호가 NF 제어 신호 대신에 사용될 수 있다. 마찬가지로 매우 낮은 전력에서 높은 전압을 달성하기 위해 본 명세서에서 임피던스 변환이 허용된다. 또한, 한 화소에 대한 세 개의 색상은 현재 3 x 2 데이타 라인을 통해 추가로 제어된다. 이에 비해, 주파수 분할 멀티플렉싱 프로세스를 사용하여 한 화소가 두 개의 라인을 통해서만 제어될 수 있다. 이러한 설계는 무엇보다도 영상 해상도를 개선시 킬 것이다. 그에 따라, 효율과는 별개로, 언급된 모든 플라즈마 TV 변수의 공명 시간이 개선될 수 있다.
결론적으로, 본 발명은 다음과 같이 간략하게 설명될 수 있다. 즉, 전력 증폭기(20)의 하류에 연결된 임피던스 변환기(26)로 인해 심지어 매우 낮은 고주파 전력에서도 점등 유닛의 사용을 더 이상 필요로 하지 않으면서 특히 효율, 방출 스펙트럼, 비용 및 내구성에 대한 특성을 개선하는 저압 응용 및 고압 응용에 대한 고주파 램프(10)의 설정에 대한 신규한 구성은 물론 그 작동 방법이 제안되는 데, 그 이유는 이온화 챔버(16)로 가능한 높은 전압의 인가가 임피던스 변환에 의해 성공적으로 달성되기 때문이다. 따라서, 이러한 고주파 램프(10)는 고압 및 저압 가스 방전 램프로서 사용될 수 있다. 통상적인 점등관은 필요하지 않다. 설계에 따라 고주파 램프(10)는 큰 전류 흐름 및 그에 따른 최대 수 dm2의 적용 범위(coverage)를 갖는 높은 색상 온도를 포함하는 작은 점 형상의 또는 큰 구형 이온화 영역을 나타내며, 광효율의 임의의 조정을 허용한다. 이러한 광량 감소 가능성(dimmability) 및 개선된 광 스펙트럼은 고주파 램프(10)가 내부 조명으로 사용될 수 있게 한다. 높은 내구성, 주광성 스펙트럼, 낮은 비용 및 높은 전력 호환성은 점 형상의 높은 전류 영역을 갖는 고주파 램프(10)가 소위 광속기(beamer) 및 프로젝터와 같은 장치 및 자동차 헤드라이트에서 사용될 수 있게 한다. 무엇보다도 유전성 전극을 사용함으로써 고주파 램프(10)에 의해 우수한 효율비 및 최고의 색 온도가 달성될 수 있다. 특히, 고전압 요건이 통상적인 점등관 회로에 비해 확실하게 낮아지므로, 통신 시장으로 인해 매우 저비용으로 이용 가능한 고주파 전자 부품 및 통상적인 가스 방전 램프 기술을 사용하여, 고주파 램프(10)는 매우 비용 효율적으로 생산될 수 있다.
10: 고주파 램프 또는 HF 램프
12: 신호 발생부
14: 고주파 신호
14': 고주파 신호
16: 이온화 챔버
18: 고주파 발진기
20: 전력 증폭기
22: 유리 전구
24: 가스
26: 임피던스 변환기
28: 전극
30: 접지
32: 제어 신호
34: 프로세싱 유닛
36: 커플러
38: 고주파 검출기
40: 신호 분리기
42: 신호 분리기 출력
44: 신호 분리기 출력
46: 위상 편이 수단
48: 전력 증폭기
50: 임피던스 변환기
52: 제2 전극
54: 압력 절연부
56: 피드 라인
58: 튜브
60: 캡
62: 구멍
64: 제1 만곡 라인
66: 제2 만곡 라인
68: 내부 도체
70: 라인 부분
72: 축전지
74: 축전지
76: 공동 공진기 램프 또는 HR 램프
78: 고리 형상 전극
80: 접지판
82: 전극
84: 전극

Claims (16)

  1. 고주파 신호(14)를 발생시키기 위한 신호 발생부(12) 및 상기 신호 발생부(12)의 하류에 연결된 이온화 챔버(16)를 포함하고,
    상기 신호 발생부(12)는 절환 가능 고주파 발진기(18) 및 상기 고주파 발진기(18)의 출력위치에 고주파 신호(14)의 전력을 증가시키기 위한 전력 증폭기(20)를 포함하고,
    적어도 하나의 가스 충전형 유리 전구(22)를 포함하는 상기 이온화 챔버(16)는 관련된 적어도 하나의 전극(28)을 구비하며, 또한
    출력에서 상기 전극 또는 각각의 전극(28)에 연결된 임피던스 변환기(26)가 전력 증폭기(20)의 하류에 연결되는 것을 특징으로 하는 고주파 램프(10).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 신호 발생부(12)는 상기 전력 증폭기(20)의 하류에 연결되고, 특히 전력 증폭기(20)와 임피던스 변환기(26) 사이에 배치된 커플러(36), 고주파 검출기(38) 및 프로세싱 유닛(34)을 더 포함하고,
    상기 고주파 램프(10)의 작동 중에 상기 전극(28)에서 반사된 고주파 신호가 상기 커플러(36)를 통해 상기 고주파 검출기(38)에 공급될 수 있으며, 또한
    상기 고주파 검출기(38)의 출력 신호를 기초로 상기 프로세싱 유닛(34)에 의해 가동 신호(35)로서 발생될 수 있는 제어 신호가 반사된 신호를 기초로 상기 고주파 신호(14)를 최적화하기 위한 상기 고주파 발진기(18)에 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 고주파 램프(10).
  3. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 신호 분리기 출력(42, 44)을 갖는 신호 분리기(40)가 상기 고주파 발진기(18)의 하류에 연결되고, 상기 전력 증폭기(20)는 상기 제1 신호 분리기 출력(42)에 연결되며, 또한 위상 편이 수단(46), 제2 전력 증폭기(48), 제2 임피던스 변환기(50) 및 제2 전극(52)이 상기 제2 신호 분리기 출력(44)에 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 고주파 램프(10).
  4. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 임피던스 변환기(26) 및/또는 상기 임피던스 변환기(50) 및/또는 상기 제2 임피던스 변환기(50)는 단일 스테이지 또는 다중 스테이지 변환형 활성 부분(56, 66, 64; 70, 74, 66, 64)을 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 램프(10).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극 또는 각각의 전극(28)은 유전성이며, 특히 유전성 피복부에 의해 둘러싸인 금속 코어에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 고주파 램프(10).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 고리 형상 전극(78)을 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 램프(10).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유리 전구(22)는 상이한 발광 스펙트럼을 갖는 적어도 두 개의 가스의 혼합물, 특히 정확하게는 세 개의 가스의 혼합물로 충전되는 것을 특징으로 하는 고주파 램프(10).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이온화 챔버(16)는 적어도 두 개의 유리 전구(22), 특히 세 개의 유리 전구(22)를 포함하고, 각각의 유리 전구(22)는 상이한 발광 스펙트럼을 갖는 하나의 가스로 각각 충전되며, 또한 각각의 유리 전구(22)는 고주파 신호(14)를 공급하기 위한 관련된 하나의 전극(28)을 구비하는 것을 특징으로 하는 고주파 램프(10).
  9. 제1항에 따른 고주파 램프(10)를 작동시키는 고주파 램프 작동 방법에 있어서,
    상기 고주파 신호(14)는 상기 고주파 발진기(18)에 의해 발생되며, 여기서 상기 고주파 신호(14)의 전력은 하류에 연결된 전력 증폭기(20)에 의해 증가되고,
    상기 고주파 신호(14)는 상기 전력 증폭기(20)의 하류에 연결된 상기 임피던스 변환기(50)에 의해 고전압 범위로 변환되며, 또한
    상기 변환된 고주파 신호(14)는 상기 전극(28)에 공급되는 것을 특징으로 하는 고주파 램프 작동 방법.
  10. 제2항에 따른 고주파 램프(10)를 작동시키는 제9항에 따른 고주파 램프 작동 방법에 있어서,
    상기 고주파 검출기(38)는 상기 고주파 램프(10)의 점등 시에 상기 전극(28)에서 반사되며 또한 상기 커플러(36)를 통해 전송된 고주파 신호를 검출하며, 또한
    상기 프로세싱 유닛(34)은 상기 고주파 신호(14)를 최적화시키기 위한 상기 고주파 검출기(38)의 출력 신호를 기초로 미리 정해진 양수 또는 음수만큼 상기 제어 신호(32)를 적응, 특히 변화시키며, 또한 제어 신호(32) 및 고주파 검출기(38)의 출력 신호를 기초로 상응하는 가동 신호(35)를 발생하는 것을 특징으로 하는 고주파 램프 작동 방법.
  11. 제3항에 따른 고주파 램프(10)를 작동시키는 제9항 또는 제10항에 따른 고주파 램프 작동 방법에 있어서,
    상기 신호 분리기(40)는 특히 고주파 신호(14)로서 존재하는 고주파 신호 및 제2 고주파 신호(14')가 적어도 기본적으로 동일하게 되는 방식으로 상기 고주파 신호(14)로부터 제2 고주파 신호(14')를 분리시키고,
    상기 위상 편이 수단(46)은 상기 제2 고주파 신호(14')를 동위상(in phase)으로 편이시키며, 또한 하류에 연결된 상기 제2 전력 증폭기(48)는 상기 위상 편이된 제2 고주파 신호(14')의 전력을 증가시키며, 또한
    하류에 연결된 ㅅ아기 제2 임피던스 변환기(50)는 결과로서 발생되는 상기 제2 고주파 신호(14')를 하나의 스테이지로 또는 복수의 스테이지로 변환시키며, 도한 상기 변환된 고주파 신호를 제2 전극(52)으로 전송하는 것을 특징으로 하는 고주파 램프 작동 방법.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 임피던스 변환기(26; 50)는 고주파 신호를 하나의 스테이지로 또는 복수의 스테이지로 변환시키는 것을 특징으로 하는 고주파 램프 작동 방법.
  13. 제7항에 따른 고주파 램프(10)를 작동시키는 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 고주파 램프 작동 방법에 있어서, 적어도 두 개의 고주파 신호(14)가 상기 고주파 발진기(18)에 의해 발생되며 또한 적어도 하나의 전극(28)으로 공급되는 것을 특징으로 하는 고주파 램프 작동 방법.
  14. 제8항에 따른 고주파 램프(10)를 작동시키는 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 고주파 램프 작동 방법에 있어서, 적어도 두 개의 고주파 신호(14)가 상기 고주파 발진기(18)에 의해 발생되며, 또한 각각의 고주파 신호(14)는 적어도 두 개의 전극(28) 중 정확히 하나의 전극(28)에 의해 공급되는 것을 특징으로 하는 고주파 램프 작동 방법.
  15. 라인 및 컬럼 형태로 배치된 제7항 또는 제8항에 따른 복수의 고주파 램프(10)를 구비한 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  16. 제15항에 따른 디스플레이 장치를 작동시키는 방법에 있어서, 각각의 고주파 램프(10)는 제13항 또는 제14항에 따른 고주파 램프 작동 방법에 따라 작동되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치 작동 방법.
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