DE102009022755A1

DE102009022755A1 - Hochfrequenzlampe über Impedanztransformation

Info

Publication number: DE102009022755A1
Application number: DE102009022755A
Authority: DE
Inventors: Holger Heuermann
Original assignee: Fachhochschule Aachen
Current assignee: DRITTE PATENTPORTFOLIO BETEILIGUNGSGESELLSCHAF, DE
Priority date: 2009-05-26
Filing date: 2009-05-26
Publication date: 2010-12-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine neuartige Konstruktion zum Aufbau von einer Hochfrequenzlampe für Nieder- und Hochdruckanwendungen, die insbesondere dazu geeignet ist, die Eigenschaften im Hinblick auf Wirkungsgrad, Emissionsspektrum, Kosten und Langlebigkeit zu verbessern. Diese HF-Lampe ist sowohl als Hochdruck- als auch als Niederdruckgasentladungslampe einsetzbar. Klassische Starter sind nicht notwendig. Die beschriebene HF-Lampe zeichnet sich dadurch aus, dass sie je nach Auslegung einen kleinen punktförmigen oder einen großen kugelförmigen Ionisationsbereich mit großen Stromflüssen und somit hohen Farbtemperaturen mit einer Abdeckung bis zu mehreren Quadratdezimetern aufweist, so dass die Einstellung der Lichtleistung über einen großen Bereich variiert werden kann.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung beinhaltet eine neuartige Konstruktion zum Aufbau von einer Hochfrequenzlampe für Nieder- und Hochdruckanwendungen, die insbesondere dazu geeignet ist, die Eigenschaften in Hinblick auf Wirkungsgrad, Emissionsspektrum, Kosten und Langlebigkeit zu verbessern. Diese HF-Lampe ist sowohl als Hochdruck- als auch als Niederdruckgasentladungslampe einsetzbar. Klassische Starter sind nicht notwendig.
Die HF-Lampe weist je nach Auslegung einen kleinen punktförmigen oder einen großen kugelförmigen Ionisationsbereich mit großen Stromflüssen und somit hohen Farbtemperaturen mit einer Abdeckung bis zu mehreren dm² auf und erlaubt die beliebige Einstellung der Lichtleistung. Diese Dimmfähigkeit und das bessere Lichtspektrum qualifiziert die HF-Lampe für Innenbeleuchtungen.
Die große Lebensdauer, das Tageslichtspektrum, der geringe Preis und die große Leistungsverträglichkeit qualifiziert die HF-Lampe mit punktförmigen Hochstrombereich als Beamer-, Projektor- und Kfz-Scheinwerferlampe.
Hervorragende Wirkungsgrade und höchste Farbtemperaturen lassen sich mit dieser Lampe u. a. durch den Einsatz dielektrischer Elektroden erzielen.
Die HF-Lampe lässt sich mittels Hochfrequenzelektronikbauelemente, die aufgrund des Telekommunikationsmarktes sehr preisgünstig verfügbar sind, und üblicher Gasentladungslampentechnologie sehr preiswert herstellen, zumal die Hochspannungsanforderungen deutlich geringer sind, verglichen zu klassischen Starterschaltungen.
Dadurch, dass nunmehr Schwefellampen auch für kleine Leistungsanwendungen wie bei Energiesparlampen herstellbar sind, ist es möglich, quecksilberfreie Lampen mit hervorragendem Leuchtspektrum herzustellen.
Stand der Technik
Aufgabe einer Lampe ist es, möglichst effizient Licht zu emittieren.
Jede Lampe wandelt Energie in Licht mit einem mehr oder weniger guten Wirkungsgrad um. Oftmals entsteht bei der Umwandlung sehr viel Verlustwärme.
Weitere Aufgaben von Lampen sind vielfältig. Oftmals ist das emittierte Lichtspektrum sehr entscheidend über den Einsatzzweck. Genauso benötigen einige Applikationen wie Kfz-Scheinwerfer und Beamer möglichst punktförmige Lampen.
Die Beschreibung des Standes der Technik soll sich im Weiteren auf elektrische Lampen beschränkt werden. Diese lassen sich grob in Leuchtdioden und Lampen mit Glaskörper unterscheiden. Hier soll im Weiteren auf die letzte Gruppe eingegangen werden. Diese teilt sich in Glühlampen und Gasentladungslampen auf.
Glühlampen besitzen innerhalb des Glaskörpers einen Glühfaden (z. B. Wolfram) und ein Schutzgas. Der Glühfaden mit einem Schmelzpunkt von über 3000°C wird auf typisch 2500°C aufgeheizt. Gemäß dem planckschen Strahlungsgesetz weißt die Glühlampe damit noch kein Lichtspektrum auf, das dem Tageslicht entspricht, sondern leuchtet deutlich gelb-rötlicher.
Glühlampen werden mit einer Gleich- oder einer Wechselspannung mit Frequenzen bis in den kHz-Bereich betrieben. Sie benötigen keine Vorschaltelektronik.
Gasentladungslampen, die in Verwandtschaft zur Erfindung stehen, sind Lichtquellen, die eine Gasentladung verwenden und dabei die spontane Emission durch atomare oder molekulare elektronische Übergänge und die Rekombinationsstrahlung eines durch elektrische Entladung erzeugten Plasmas ausnutzen.
Bei dem im Quarzglaskolben (Ionisationskammer) enthaltenen Gas handelt es sich oftmals um ein Gemisch aus Metalldämpfen (z. B. Quecksilber) und Edelgasen (z. B. Argon) und ggf. anderen Gasen wie auch Halogenen.
Gasentladungslampen werden in die beiden Klassen Nieder- und Hochdruckentladungslampen unterteilt. Erstere verwendet eine Glimmentladung und letztere eine Bogenentladung.
Diese Lampen benötigen allesamt ein Vorschaltgerät. Dieses enthält einen Starter, der mittels eines Spannungsimpulses im kV-Bereich das Gas ionisiert. Weiterhin wird für den Dauerbetrieb ggf. die Frequenz in den kHz-Bereich umgesetzt.
Folglich handelt es sich bei diesen Lampen auch nicht um Lampen, die mittels eines Hochfrequenzsignals im MHz- oder GHz-Bereich betrieben werden.
Eine Sonderform der Gasentladungslampe ist die Schwefellampe. Sie besteht aus einer mit Schwefel und Argon gefüllten Quarzglaskugel. In der Glaskugel wird durch Hochfrequenzeinstrahlung ein Plasma erzeugt.
Im Unterschied zu herkömmlichen Gasentladungslampen benötigt die Schwefellampe wegen dem Einsatz von Hohlleitern keine Elektroden. Wegen den 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 1500 W) erzeugt wird. Bei Ausfall dieser Kühlung würde die Glaskugel nach 20 Sekunden schmelzen.
Schwefellampen haben eine ähnlich hohe Lichtausbeute wie Energiesparlampen (Leuchtstofflampen). Sie haben ein ausgeglichenes Leuchtspektrum mit etwa 5700 K bis 6000 K Farbtemperatur und sind somit sehr effektive weiße Lichtquellen. Durch Regelung der Leistung des Magnetrons sind Schwefellampen gut dimmbar, ihr Farbspektrum bleibt dabei stabil. Aufgrund des hohen Lichtstroms werden die Lampen meistens nicht direkt am Einsatzort aufgestellt. Das Licht wird stattdessen mit Hilfe von Lichtleitern in den Raum geführt. Das macht diesen Lampentyp wartungsfreundlich.
Aufgrund des relativ hohen Geräteaufwandes (Stromversorgung für Magnetron, Abschirmung der Mikrowellen, Temperaturen) war diese Lampe lange nicht kommerziell verfügbar. Seit 2006 produziert LG Electronics Schwefellampen unter der Bezeichnung „Power Lighting System” (PLS-Lampen, auch als Sulfur Plasma Lampen angeboten). Sie werden häufig als Beleuchtung in Fernsehstudios oder als künstliche Beleuchtung für Pflanzen eingesetzt.
In der Forschung wird neuerdings auch an Hochfrequenzlampen (HF-Lampen) geforscht, die mit kleinen Hochfrequenzleistungen (30–100 W) arbeiten und anstatt der Hohlleiterankopplung eine Ankopplung über eine TEM-Leitung (Koaxialleitung) mit Innenleiterelektrode aufweisen ([1]: Emission Properties of Compact Antenna-Excited Super-High Pressure Mercury Microwave Discharge Lamps, T. MIZOJIRI, Y. MORIMOTO, and M. KANDO; Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 46, No. 6A, 2007, sowie [2]: Numerical analysis of antenna-excited microwave discharge lamp by finite element method; M. Kando, T. Fukaya and T. Mizojiri; 28th ICPIG, July 15–20, 2007, Prague, Czech Republi).
Da diese Lampen die langen Drähte einer Glasentladungslampe als Antenne nutzen, sollen diese Lampen im Weiteren passender als HF-Antennenlampen bezeichnet werden.
Diese Lampen wie auch die Schwefellampen weisen jedoch keine Impedanztransformatoren auf. Somit sind bei diesen Lampen die Anforderungen an eine Frequenzstabilität des HF-Generators gering.
Bei den heutigen Energiesparlampen handelt es sich um Gasentladungslampen im Niederdruckbereich. Diese werden ebenfalls über ein Vorschaltgerät, in dem eine Hochspannung erzeugt wird, angesteuert. Das Füllmedium des Glaskörpers ist Argon mit Quecksilber.
Kritik am Stand der Technik
Gasentladungslampen haben gegenüber den Glühlampen große Vorteile bzgl. der Effizienz.
Die Schwefellampe hebt sich von den übrigen Gasentladungslampen dadurch ab, dass sie eine sehr hohe Farbtemperatur aufweist und somit ein weißes Lichtspektrum hat. Jedoch ist die Technik für diese Lampe sehr aufwendig und somit teuer. Zudem ist sie nur als Leistungslampe mit rund 1500 W verfügbar.
Alle bisher bekannten Gasentladungslampen benötigen einen gesonderten Schaltkreis zur Zündung des Plasmas. Hier werden Spannungen im kV-Bereich benötigt. Die als Energiesparlampen genutzten Gasentladungslampen sind nicht dimmbar, was im praktischen Einsatz einen sehr großen Nachteil darstellt.
Die bisher bekannten HF-Lampen [1, 2] kommen zwar ohne Schaltkreis zur Zündung aus, aber sie benötigen sehr viel Leistung (über 30 W Mikrowellenleistung).
Weiterhin verwenden beide Konzepte herkömmliche Gasentladungslampen in Form von Antennen. Dieses hat den in der Praxis gravierenden Nachteil, dass Hochfrequenzstrahlung in höherem Maße emittiert wird. Derartige Lampen werden aufgrund dieser Abstrahlung nicht zugelassen.
Weil die bisherigen HF-Lampen 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.
Energiesparlampen und andere Gasentladungslampen weisen neben der (Edel-) Gasfüllung auch Quecksilberfüllungen auf. Erst wenn das Quecksilber verdampft ist baut sich der notwendige Druck auf. Deshalb haben diese Lampen auch Anlaufzeiten, die nicht selten im Minutenbereich liegen.
Erzielbare Vorteile
Eine Hauptaufgabe der der vorliegenden Erfindung ist die kostengünstige Herstellung und der kostengünstige Betrieb einer Lampe in wahlweise der Form einer Hochdrucklampe und derart einer Punktlichtquelle oder in Form einer Niederdrucklampe und derart eines größflächigeren Glashohlkörpers und in beiden Fällen mit bester Weißlichtqualität zur getreuen Farbwiedergabe und mit langer Lebensdauer ohne wesentliche Degradationseffekte, wobei in beiden Fällen der Glashohlkörper keine innen angeordnete Elektrode aufweist, sondern zumindest und bevorzugt eine außenliegende dielektrische Elektrode.
Diese außenliegende dielektrische Elektrode wird durch eine Vorschaltelektronik mit Impedanztransformation auf Basis eines Hochfrequenzoszillators mit einem ausgangsseitigen Leistungsverstärker zur Anhebung der Leistung des Hochfrequenzsignals und nachgeschaltetem Impedanztransformator angesteuert. Durch die hohe gewählte Mikrowellenfrequenz von 2,45 GHz des Hochfrequenzsignals und die hohe transformierte Spannung mittels Impedanztransformator kann die Einkopplung des HF-Feldes in den Glashohlkörper sehr effizient erfolgen und kann der Ein- und Ausschaltvorgang sehr schnell realisiert werden und wird insbesondere keine erhöhte Zündspannung oder dergleichen benötigt.
Durch die Wahl eines elektrodenlosen Glashohlkörpers fällt das Problem der Verunreinigung einer innen angeordneten Elektrode, üblicherweise aus hochreinem Wolfram, beziehungsweise die Veränderung der Elektrode im Verlauf der Lebensdauer weg und es kann zum Beispiel mit einer Schwefel-Füllung eine für Projektorlampen geforderte gleich großer Strahlungsanteil im blauen, grünen und roten Spektralbereich in Annäherung an einen ideal Schwarzen Strahler bei 8000°K erreicht werden und es können derart problemlos über 10.000 Stunden Lebensdauer erreicht werden, eine für Fernsehgeräte geforderte Lebensdauer.
Zusätzlich kann der Austausch der Glashohlkörper sehr einfach erfolgen, da die dielektrische Elektrode außen angeordnet ist.
Weiters stellt bei Punktlichtquellen wie beispielsweise bei UHP-Lampen (Ultra High Performance Lampen von Philips) oder bei Halogenglühlampen oder bei Metallhalogenid-Hochdruck-Gasentladungslampen die gesamte Temperatur der Lampe ein Kostenproblem bezüglich Integration in Geräte und Anlagen dar. Bei Verwendung der erfinderischen HF-Lampe in der Form der punktlichtemittierenden Hochdrucklampe ist lediglich der elektrodenlose Glashohlkörper entsprechend heiß. Dabei kann durch eine entsprechende Ausbildung der dielektrischen Elektrode und der Halterungselemente des Glashohlkörpers eine geringe Wärmeleitung erreicht werden und kann damit eine derartige HF-Lampe kostengünstig in Gerätschaften integriert werden und können insbesondere thermoplastische Konstruktionselemente verwendet werden.
Weiterhin betrifft die Erfindung den Aufbau einer Hochfrequenzlampe (HF-Lampe) basierend auf einem relativ schmalbandigen Hochfrequenzsignal (im dreistelligen MHz- und gesamten GHz-Bereich), das mittels eines Impedanztransformators in einem Hochspannungsbereich umgesetzt wird, und einem breiten fast beliebig gestaltbaren Lichtbogenbereich, der nicht bis zur Masse reicht, da er am Quarzglas endet.
Das Hochfrequenzsignal wird über eine geschirmte Wellenleiterstruktur, die durch die Innenleitergestaltung so ausgeformt ist, dass eine Impedanztransformation enthalten ist, dem Glaskolben zugeführt. Diese Konstruktion hat folgende Vorteile gegenüber den HF-Antennenlampen: Es findet keine HF-Abstrahlung statt und die Lampe ist zulassungsfähig. Weiterhin steigt der Wirkungsgrad. Die HF-Last (gefüllter Glaskolben mit kurzer Durchführungselektrode) ist sehr hochohmig, wodurch bei Anpassung sehr große elektrische Feldstärken bei kleinen Leistungen gegeben sind.
Der implementierte Impedanztransformator erspart auch bei sehr kleinen HF-Leistungen die Verwendung einer Zündeinheit. Weiterhin wird durch die große dauerhaft anstehende elektrische Feldstärke eine deutlich höhere Ionisationsrate und somit ein größerer Wirkungsgrad erzielt.
Weil die Hochfrequenzleistung dauerhaft mit einer hohen Spannung eingekoppelt wird, sind die ohmschen Verluste an den Elektrodenspitzen, die nur schlecht leitende Materialien haben, geringer, was wiederum die Effizienz steigert.
Der einfachste Impedanztransformator besteht aus einer Spule und einem Kondensator. Bei der Verwendung von 0402-SMD-Komponenten liegt der Platzbedarf unter 2 mm² und die Kosten unter 4 Cent.
Je höher die Frequenz des Hochfrequenzsignals gewählt wird, desto kleiner kann die an der Elektrode 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 preisgünstigeren Materialien und Komponenten.
Weil nur mit einem bzw. zwei schmalbandigen Hochfrequenzsignalen gearbeitet wird, ist ein HF-tauglicher Aufbau sehr einfach möglich. Beispielsweise lassen sich nunmehr lambda/2-Leitungen mit all ihren Vorteilen einsetzen. D. h. Leitungen müssen nicht den gewünschten Wellenwiderstand aufweisen.
Dieses vereinfacht z. B. ein hochfrequenzgerechtes Design der Lampe.
Die Elektrode strahlt nunmehr die Energie über mehrere Pfade oder eine große Fläche ab. Die elektromagnetische Energie erzeugt im ionisierten Bereich um die Elekt rode einen HF-Strom, der aufgrund der Erhitzung Lichtbogen-artig Strahlungsenergie im optischen Bereich abgibt.
Somit erfolgt der Energieaustritt aus der Elektrode nicht mehr als Strom, sondern als elektromagnetisches Feld. Die Elektrode wird vom Stromfluss nicht mehr belastet. Erste Messungen haben gezeigt, dass kein Material austritt. Die Lampe kann somit über eine längere Lebensdauer eingesetzt werden.
Hochintegrierte und preisgünstigste Hochfrequenzleistungsverstärker für GSM-Mobilfunk-Anwendungen und Handsets weisen Wirkungsgrade von über 60% auf. 80% ist im so genannten Klasse-E-Betrieb erzielbar.
Kurze Leitungen lassen sich im unteren GHz-Bereich nahezu verlustfrei realisieren. Somit ist für die HF-Vorschalteinheit (Lampenfuß) ebenfalls das Potential für einen sehr guten Wirkungsgrad und somit eine hoch integrierte Realisierbarkeit gegeben.
Die Materialwahl für den Elektrodenaufbau erlaubt neben Metall auch den Einsatz eines dielektrischen Werkstoffes. Beispielsweise kann die Elektrode aus einem keramischen Material mit einer hohen dielektrischen Konstanten und sehr hohem Schmelzpunkt bestehen. Diese Ausgestaltung ist ein sehr entscheidender Punkt bzgl. der Farbtemperatur und dem oftmals angestrebten Spektrum, das dem Tageslicht entspricht.
Dadurch lässt sich auch ein deutlich verbesserter Wirkungsgrad erzielen.
Ein zusätzlicher Vorteil dieser Lampe gegenüber allen Energiesparlampen ist der, dass diese HF-Lampe nunmehr dimmbar ist.
Ein weiterer Vorteil bei der Umsetzung als kontaktlose Lampe ist der, dass diese Lampe aufgrund der Schwefelfüllung quecksilberfrei sein kann.
Weitere Ausgestaltung der Erfindung
Der Einsatz von Magneten erlaubt eine weitere einfache Manipulation der Gestaltung der Ionisationsstrecke.
Da die Elektrodengestaltung beliebig ist, kann die HF-Lampe auch als Leuchtmittel für effektvolle Werbelampen eingesetzt werden.
Über die Frequenzwahl können sehr schnell unterschiedliche Ionisationswege angesteuert werden, was einer Lampengestaltung neue Wege erlaubt.
Unter anderem lassen sich Bereiche mit unterschiedlichen Leuchtstoffen (Phosphoren) und somit auch unterschiedliche Farben ionisieren. Dieses erlaubt eine Variante des Plasmafernsehers.
Auch das klassische Plasmafernseherkonzept kann durch die HF-Anregung abgelöst werden. Statt der NF-Steuersignale lassen sich zwei im Gegentakt betriebene HF-Steuersignale verwenden. Eine Impedanztransformation erlaubt auch hier große Spannungen bei sehr geringen Leistungen zu erzielen.
Werden zur Zeit noch die drei Farben eines Pixels über 2·3 Datenleitungen angesteuert, so kann mit einem Frequenzmultiplexverfahren ein Pixel über nur 2 Leitungen angesteuert werden. Diese Gestaltung würde unter anderem die Bildauflösung verbessern.
Die Reaktionszeit aller genannten Plasmafernsehervarianten würde man dadurch neben dem Wirkungsgrad verbessern können.
Beschreibung der Erfindung
Grundlagen der Hochfrequenzionisierung
Physikalische Grundlagenbücher lehren, dass die Ionisation eines Gases nur durch die Elektronenstoßionisierung, angeregt durch einen Elektronenstrahleinschuss, der thermischen Ionisierung bei extrem hohen Temperaturen (10^6K) oder der Fotoionisierung mittels ultraviolettem Licht erfolgt.
Darüber hinaus hat der Erfinder im GHz-Bereich experimentalphysikalisch Aufbauten realisiert, mittels denen ionisierte Bereiche über die Einspeisung von relativ wenig hochfrequenter Energie entstanden. Diese Ergebnisse decken sich mit anderen publizierten Resultaten, die jedoch im MHz-Bereich durchgeführt wurden, ([3]: „Experimente mit Hochfrequenz" von H. Chmela, Franzis-Verlag, ISBN 3-7723-5846-2). Dieses soll im Weiteren als Hochfrequenzionisierung bezeichnet werden.
In [3] sind Bilder zu sehen, deren Funkenbildung über Hochfrequenzionisierung einer Anwendung als Zündung ähneln.
Auch in [4] ([4]: „A Novel Spark-Plug for Improved Ignition in Engines with Gasoline Direct Injection (GDI)" von K. Linkenheil und anderen, IEEE Transactions an Plasma Science, Vol 33, No. 5, Oct. 2005) wird diese Hochfrequenzionisation nachgewiesen und herausgehoben, dass eine zusätzliche UV-Strahlung diese Ionisation bei kleineren elektrischen Feldstärken erlaubt.
Weist ein ionisiertes Gas die gleiche Anzahl von Elektronen und Ionen auf, so handelt es sich um ein im Mittel raumladungsfreies Gas und wird Plasma genannt.
Weiterhin lässt sich über die Maxwellschen Gleichungen zeigen, dass für ein ionisiertes Gas die folgenden mathematischen Zusammenhänge gelten: Relative Dielektrizitätszahl: er = 1 – (N e^2)/e0/m/(u^2 + w^2) (1)
Relative Leitfähigkeit: k = (N e^2 u)/m/(u^2 + w^2) (2)
Plasmafrequenz: wp = e(N e^2/m/e0) (3)mit den Größen:

N:: Zahl der Elektronen pro Volumen,
e:: Ladung eines Elektrons,
m:: Masse eines Elektrons,
e₀:: elektrische Feldkonstante,
u:: Frequenz der Zusammenstöße der Elektronen mit den Gasmolekülen,
w:: Frequenz des Hochfrequenzsignals.

Detaillierte Untersuchungen zeigen, dass unterhalb der Plasmafrequenz keine elektromagnetische Energie ausbreitungsfähig ist und keine Verluste im Plasma stattfinden. Hingegen weist der Raum einen reellen Feldwellenwiderstand Zf oberhalb der Plasmafrequenz auf. Zf fällt zu höheren Frequenzen ab und nähert sich exponentiell dem Freiraumwiderstand Z₀ von rund 377W.
D. h., bei höheren Frequenzen benötigt man geringere Spannungen, um die gleichen Leistungen umzusetzen als bei tieferen Frequenzen.
Gleichung (2) zeigt, dass der (kleine) Widerstand und somit die Verluste mit zunehmender Frequenz steigen. Folglich lassen sich bei höheren Frequenzen die Gase besser erhitzen.
Bei einer Analyse der Atmosphäre für die Transmissionseigenschaften der HF-Signale erkennt man, 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 100 W-Generatoren mit 5 kV Ausgangsspannung zu fertigen und damit 10 cm lange Funkenstrecken in Luft zu erzeugen, [3].
Der Erfinder hat bei 2,5 GHz mittels eines 10 W-Senders und einer Spannung von 2 kV bereits 1 cm lange Funkenstrecken erzeugt.
Die Erfindung beschreibt im Weiteren, wie man mittels Komponenten und Bauelementen aus dem Massenmarkt der Hochfrequenzelektronik eine Schaltung realisiert, die einer notwendigen HF-Signalerzeugung genügt und wie eine zugehörige HF-Lampe gestaltet sein muss.
Grundsätzlicher Aufbau
Gegenstand der Erfindung ist der Aufbau einer HF-Lampe basierend auf einem relativ schmalbandigen Hochfrequenzsignal (im dreistelligen MHz- und gesamten GHz-Bereich) und einem breiten fast beliebig gestaltbaren Lichtbogenbereich, der nicht bis zur Masse reicht.
Die HF-Lampe lässt sich in die Signalerzeugung (oder auch Lampenfuß) und die Ionisationskammer (Glaskolben mit Durchführungselektrode) unterteilen.
Die Ionisationskammer weist eine fast beliebig gestaltbare Elektrode auf. Die äußere Schirmung der Signalerzeugungsschaltung bildet die Masse.
Die in der Signalerzeugungsschaltung am Ende befindliche Impedanztransformation kann man einerseits als sehr preisgünstige Elektronikschaltung mittels SMD-Bauelementen oder Streifenleitern auf der Elektronikplatine implementieren oder andererseits als verteilte Schaltung im geschirmten Leiter verlustarm herstellen.
Im letzteren Fall unterteilt man die HF-Lampe in die beiden Baugruppen Signalerzeugungsschaltung (mit oder ohne Impedanztransformation) oder auch Lampenfuß und Lampenkopf. Dieser Lampenkopf enthält nunmehr mindestens eine Impedanztransformationstufe und die Ionisationskammer.
Gestaltung der Signalerzeugung
Egal welches der Impedanztransformationskonzepte verfolgt wird, zu Beginn der Zündung gibt es noch kein ionisiertes Gas.
Im Anfangszustand (Zündbetrieb) wirkt die Ionisationskammer wie eine kleine Kapazität mit hochohmigem Parallelwiderstand. Nach unmittelbar erfolgter Ionisierung (Leuchtbetrieb) vergrößert sich die Kapazität und verringert sich der Parallelwiderstand.
Folglich verändert sich nach erfolgter Zündung die Resonanzfrequenz f_r.
Aus diesem Grund muss die Signalerzeugung nach erfolgter Zündung der Lampe in der Lage sein, einen schnellen einmaligen Frequenzsprung von f_r1 nach f_r2 durchzuführen. Wichtig ist, dass der Ausgangswiderstand Z_aus der Signalerzeugung dem Eingangswiderstand Z_ein der Ionisationskammer nach erfolgter Zündung entspricht bzw. konjugiert komplex angepasst ist.
Diesen Frequenzsprung kann man entweder mit einem über einer Spannung veränderbaren Oszillator (VCO: voltage controlled oscillator) oder über eine schnelle elektronische Umschaltung zwischen zwei Festoszillatoren realisieren.
Da VCO's im unteren GHz-Bereich äußerst preisgünstig als Module erhältlich sind, wird man diese ggf. bevorzugen.
Allgemein wurde für diese notwendige Komponente in 1 der schaltbare Oszillator 10 angegeben. Dieser wird von einem Steuersignal kontrolliert.
Das Ausgangssignal des Oszillators, das typisch im mW-Bereich liegt, wird mittels eines Leistungsverstärkers 11 in den ein- bis zweistelligen W-Bereich angehoben. Hochintegrierte elektronische Leistungsverstärker im unteren einstelligen GHz-Bereich weisen Wirkungsgrade von weit über 60% auf und sind äußerst preisgünstig und somit prädestiniert.
Damit in der Ionisationskammer eine möglichst große Spannung anliegt, wird eine Impedanztransformation 13 durchgeführt. Hier gibt es im HF-Fall ein sehr großes Spektrum an Schaltungen. Die preisgünstigste Schaltung besteht aus Kondensatoren und Spulen (mehrstufiger Gamma-Transformator) und kann in „Hochfrequenztechnik" von H. Heuermann, Vieweg-Verlag, ISBN 3-528-03980-9, ([5]) nachgelesen werden. Diese Transformation kann ein- oder mehrstufig sein. Neben der Hochtransformation des Impedanzniveaus und somit auch der Spannung sollte das Transformationsnetzwerk 13 auch eine Anpassung der Elektrode 15 der Ionisationskammer beinhalten.
Die Ausgangsimpedanz Z_aus sollte möglichst im zweistelligen Ohm oder im einstelligen kOhm-Bereich oder höher liegen.
Die Ionisationskammer besteht aus einem Glaskolben 17, der mit Gasen und ggf. Metalldämpfen und/oder Halogenen im Innern 14 gefüllt ist. Die Durchführungselektrode 15 führt das HF-Signal ins Innere und ist kapazitiv mit der Masse 16 verkoppelt.
Die Spannung an der Elektrode 15 in der Ionisationskammer berechnet sich unmittelbar aus der Ausgangsleistung des Verstärkers P_out und Z_aus: U = e(PoutZaus) (4)
Folglich sollte ein Arbeitspunkt so gewählt werden, dass dieser deutlich über der Plasmafrequenz wp liegt.
Gestaltung der Signalerzeugung im Regelbetrieb
Zur Erlangung einer höchsten Effizienz sollte die Ionisationskammer insbesondere für den Leuchtbetrieb bestens angepasst sein. D. h., möglichst wenig Hochfrequenzleistung sollte reflektiert werden.
Dafür eignet sich besonders die Schaltung nach 2, die das Blockschaltbild der gesamten HF-Lampe für den Regelbetrieb darstellt.
Durch ein Steuersignal wird die gesamte Schaltung aktiviert. Zunächst stellt ein Mikroprozessor 29 den Oszillator 20 auf Frequenz f_r1 für den Zündbetrieb ein. Das Signal wird über den Verstärker 21 in der Leistung hoch gesetzt, durchläuft den verlustarmen Koppler und gelangt über der Impedanztransformation 23 zur Elektrode 25 der Ionisationskammer, die ein Gasgemisch 24 durch den Quarzglasmantel 27 eingeschlossen hält.
Sofern die Lampe zündet, wird eine deutlich größere HF-Leistung an der Elektrode 25 reflektiert. Diese gelangt zum Koppler 23 und wird über diesen abgeschwächt dem Detektor 28 zugeführt. Das veränderte Ausgangssignal des Detektors wird vom Prozessor aufgenommen und dieser führt den Frequenzsprung auf f_r2 für den Leuchtbetrieb durch.
Für diesen Leuchtbetrieb gibt es nun folgende Optimierung: Der Prozessor variiert um die Frequenz f_r2 um einen kleinen positiven und einen kleinen negativen Wert. Die reflektierten Leistungen werden für diese drei Frequenzpunkte gemessen. Der Wert mit der geringsten reflektierten Leistung ist dann der neue Ausgangswert. Diese Regelung wird durchgehend wiederholt. So ist sicher gestellt, dass immer möglichst viel HF-Leistung in der Ionisationskammer eingespeist und möglichst wenig in Wärmeverlusten umgewandelt wird.
Symmetrischer Aufbau der HF-Lampe
Alternativ und nur mit wenig Mehraufwand behaftet kann man die gesamte Schaltung in differentieller Leitertechnik [5] ausgelegen.
Insbesondere für die Ansteuerung der in 3 angegebenen HF-Lampe ist diese symmetrische Technik vorteilhaft. Das Signal hinter dem Oszillator 30 wird nunmehr durch einen verlustarmen Signalteiler 32 in zwei gleichgroße Anteile aufgeteilt. Der obere Pfad über Verstärker 32, Transformator 33 bis hin zur ersten Elektrode 35 (links) ist unverändert. Im unteren Pfad befindet sich zunächst ein Phasenschieber 36 mit 180° Phasendrehung, der z. B. in Form einer 180° langen Leitung realisiert sein kann. Danach wird das gegenphasige Signal vom Verstärker 39 in der Leistung angehoben und vom Transformationsnetzwerk 38 in der Spannung angehoben, um schließlich der Elektrode 35 (rechts) zugeführt zu werden.
Diese Konstruktion hat die Vorteile, dass sich die Verstärkung beider Verstärker ohne zusätzliche Beschaltung einfach addiert, dass das Plasma in der Kammer punktförmig in der Mitte sitzt und dass keine Masse an den Glaskolben 37 herangeführt werden muss.
Diese Lampe mit dem dargestellten Stellbetrieb lässt sich selbstredend auch im Regelbetrieb verwenden.
Lampenkopf mit einstufiger Impedanztransformation
Unabhängig von der Anzahl der Impedanztransformationen in der Signalerzeugung ist eine Transformation, wie sie 4 zeigt, vorteilhaft.
4 illustriert einen Glaskolben einer Hochdruckgasentladungslampe bestehend aus der Ionisationskammer 47 und dem Druckisolationsbereich 46 (Glasdurchführung) deutlich realistischer.
Bei der kurzen Zuführungsleitung 41 kann es sich um eine reine Koaxialleitung mit dem Wellenwiderstand von 50 Ohm handeln. Diese wie auch der Rest dieser verteilten Schaltung befindet sich im kreisrunden Rohr 40, das am Ende eine Kappe mit Bohrung aufweist, die einer Unterlegscheibe ähnelt. Dieses Rohr bildet die Masse für diese unsymmetrische verteilte Schaltung und die Kappe bildet die Masse für die Elektrode 45.
Die Zuführungsleitung 41 ist mit dem Leitungsbogen (42 und 43) verbunden. Das Teilstück 42 ist mit dem Innenleiter 48 der Glasdurchführung, der in der Regel aus Molybdän gefertigt ist, verbunden. Dieser wiederum leitet das Hochfrequenzsignal an die Elektrode 45, die vom Gasmetalldampfgemisch umgeben ist, weiter.
Schaltungstechnisch handelt es sich beim Teilstück 43 um eine kleine gegen Masse geschaltete Induktivität. Die Teilstücke 42 und 48 bilden eine deutlich größere Induktivität. Der Kopfteil aus Elektrode und zugehöriger Masse kann durch einen kleinen Kondensator und einem parallel geschalteten hochohmigen Lastwiderstand beschrieben werden.
Folglich bildet die Schaltung einen Parallelschwingkreis mit angekoppelter Induktivität. Die Induktivität muss mit der Kapazität in Resonanz sein.
Die Spannung am Ankoppelpunkt wird merklich zur Elektrode hoch transformiert.
Diese einstufige Impedanztransformation ist sehr kompakt, einfach und robust. Der direkte Anschluss der Innenelektrode über 42 und 43 gegen Masse senkt die Temperatur der Durchführungselektrode. 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. Transformationen mit konzentrierten Bauelementen, die bekannt sind, [5], weisen relativ schlechte Güten und somit relativ große Verluste auf. Eine bessere Alternative kann die folgende Schaltung darstellen.
Lampenkopf mit dreistufiger Impedanztransformation
Diese Schaltung nach 5 unterscheidet sich von der zuvor dargestellten Schaltung durch die hochohmige Auslegung des verlängerten Leitungsstücks 51 zur Realisierung einer Serieninduktivität und durch die rein kapazitive Ankopplung der Leitung 51 an die Masse 50 und der geteilten Induktivität 52/53 über die beiden kleinen Kondensatoren 59 und 60.
Hierbei handelt es sich um zwei in Serie geschaltete Gamma-Transformatoren, [5].
Der erste Transformator besteht aus der Serieninduktivität (von 51) und der Kapazität 59, die gegen Masse geschaltet ist. Der zweite besteht aus der Serienkapazität 60 und einer gegen Masse geschaltete Induktivität, die Teil der Induktivität 53 ist. Die dritte Stufe der Impedanztransformation ist wie gehabt.
Die Vorteile dieser etwas aufwendigeren Schaltung sind höheres Transformationsverhältnis und größere Bandbreite.
Lampenkopf mit Hohlleitererregung
Hohlraummoden sind bestens wissenschaftlich und technisch untersucht und in vielen Komponenten wie HF-Filtern implementiert.
Ab einer gewissen unteren Cutoff-Frequenz können diese Moden existieren. Sie werden in der Technik sehr gerne genutzt, da die Verluste im Metall sehr gering sind. 6 stellt einen möglichen Hohlraummode (E₀₁) vor. Dieser ist für eine Implementierung in einer HF-Lampe für Anwendungen wie der Raumausleuchtung sehr interessant, da das elektrische Feld (und somit auch das Plasma) die optimale Form einer großen Kugel hat. In der relativ großen Ionisationskammer 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 Hohlraumresonator-Lampe (kurz: HR-Lampe) zur Anregung des E₀₁-Modes ist in 7 dargestellt. 7 zeigt die Anordnung für den Fall, dass die Lampe in unsymmetrischer Schaltungstechnik ausgelegt wurde. Für beide möglichen Schaltungstechniken wird das magnetische Feld durch die Schleife 75 angeregt. Hierbei verhindert eine symmetrische Lösung noch viel besser als die unsymmetrische Lösung das Auftreten anderer unerwünschter Hohlraummoden.
Die Elektrode 75 der HR-Lampe ist somit nur noch ein Koppelelement für den Resonator, der lediglich aus der Begrenzung der ggf. leicht metallisierten Glaskolbenflächen gebildet wird. Mittels der einstellbaren Kopplung k kann wiederum eine Spannungstransformation vollzogen werden. Dargestellt wird diese Transformation in [5] als Gammatransformation, die die Resonanzfrequenz leicht verstimmt. Mit zunehmendem Transformationswert nimmt die Bandbreite ab.
Bei dem vorgestellten Fall des E₀₁-Modes befindet sich die Plasmakugel (Bereich der größten Ströme im Plasma) nur im Hohlraum und kontaktiert weder die Koppelschleifen noch die Masse. Selbstredend ist auch hier die gesamte Kammer ionisiert.
Die Ionisationsstrecken sind in erster Näherung als ohmscher 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 Z_ein der HR-Lampe.
Mittels 3D-HF-Feldsimulatoren lassen sich die elektromagnetischen Felder im Kugelinneren 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 den Elektroden entkoppelt.
Die dielektrische Elektrode
Die bisherigen Elektrodenauslegungen bezogen sich nur auf die Verwendung einer metallischen Elektrode. Eine sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist es, wenn man anstatt der metallischen Elektrode eine rein dielektrische Elektrode oder einen gemischten Aufbau aus einem Metallkern und einer dielektrischen Ummantelung verwendet.
Verwendet man nur ein Dielektrikum (mit relativ großer dielektrischer Konstante) als Elektrode, so stricht man in der HF-Technik vom dielektrischen Draht bzw. Resonator. Beim Draht wird bevorzugt die Hybridgrundwelle HE₁₁ als Leitungsmode gewählt. Der Resonator nutzt je nach Ankopplung auch weitere verlustärmere Moden.
Verwendet man einen gemischten Aufbau aus einem Metallkern und einer dielektrischen Ummantelung so entsteht ein Goubauscher Oberflächenleiter (auch Goubau-Harmsscher Leiter) der eine sehr verlustarme Übertragung im Bereich vom zweistelligen MHz-Bereich bis in den GHz-Bereich erlaubt.
Diese beiden Aufbauten (allg. dielektrische Elektrode) können anstatt der metallischen Elektroden bzw. der Koppelelemente eingesetzt werden. Hierbei ändert sich die Ankopplungsstruktur der Elemente 45, 46 und 48.
Abhängig vom gewünschten Hochfrequenzmode ist ein großes Spektrum an mechanischen Konstruktionen anwendbar.
Ein Beispiel für die Anregung des Grundmodes (der ab 0 Hz ausbreitungsfähig ist) zeigt 8.
Ein weiteres Beispiel zeigt 9 für die Anregung des E₀₁-Modes, dessen Implementierbarkeit sehr vorteilhaft ist.
Wie erwähnt kann die dielektrische Elektrode als Ersatz in der HF- und der HR-Lampe eingesetzt werden. Bei der HR-Lampe hat 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 HF-Lampe aus. Hier ändert sich optisch weniger.
Beispielsweise zeigt 10 eine Anordnung, 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 10 gezeigte Realisierungsform erzeugt in beiden Fällen ein Leuchten einer Punktquelle, die zwischen den beiden Elektroden sitzt. Diese Anordnung ist eine vorteilhafte Ausgestaltung der HF-Lampe für Hochdruckanwendungen.
Die Außenelektrodenkontaktierung
11 zeigt eine Lampenkonstruktion wie diese im Anspruch 9 beschrieben wird mit integrierter zweistufiger Impedanztransformation.
11 illustriert einen Glaskolben einer Niederdruckgasentladungslampe bestehend aus der Ionisationskammer 87, die nunmehr von der metallischen Elektrode 86 nur noch von außen kontaktiert wird und über den umfassten Glaszapfen 88 gehalten wird.
Bei der kurzen Zuführungsleitung 81 kann es sich um eine reine Koaxialleitung mit dem Wellenwiderstand von 50 Ohm handeln. Diese wie auch der Rest dieser verteilten Schaltung zur Impedanztransformation befindet sich im kreisrunden Rohr 80, das am Ende an der Ionisationskammer der Lampe endet.
Die Zuführungsleitung 81 ist über eine sehr kurze kapazitive Strecke 85 mit dem Leitungsbogen (82 und 83) verbunden. Dieser Luftkondensator 85 ermöglicht die einfachste Form einer zweistufigen Impedanztransformation. Das Teilstück 82 wird über die Länge (86) aufgeweitet und umschließt den Glasstift 88, der mit dem Glaskörper 87 der Lampe verbunden ist. Die Außenelektrode 86 leitet das Hochfrequenzsignal an die ggf. kugelförmig geformte Ionisationskammer 87, die vom Gasmetalldampfgemisch oder Schwefel gefüllt ist, durch eine kapazitive Einkopplung weiter.
Schaltungstechnisch handelt es sich beim Teilstück 83 um eine kleine gegen Masse geschaltete Induktivität. Die Teilstücke 82 und 86 bilden eine deutlich größere Induktivität. Der Kopfteil aus Elektrode und zugehöriger Masse kann durch einen kleinen Kondensator und einem parallel geschalteten hochohmigen Lastwiderstand beschrieben werden.
Folglich bildet die Schaltung einen Parallelschwingkreis mit angekoppelter Induktivität. Die Induktivität muss mit der Kapazität in Resonanz sein.
Die Spannung am Ankoppelpunkt wird merklich zur Elektrode hoch transformiert.
12 zeigt eine zweite Variante der kontaktlosen Lampe. Bei dieser Variante wurde Umsetzung der zusätzlichen Impedanztransformation ein dielektrischer Stift 95 anstatt der Luftkopplung 85 eingesetzt. Dieser Stift 95 hat den Vorteil, dass der Abstand zwischen 91 und 93 bzw. 96 präzise und stabil eingehalten werden kann.
Weiterhin wurde dieses Transformationsnetzwerk nunmehr von zwei Seiten kontaktiert. Dieses hat den Vorteil, dass sich die stärkste Feldstärke in der Ionisationskammer nunmehr genau in der Mitte der relativ großen Ionisationskammer einstellt und folglich dort auch die stärkste Plasmaanregung stattfindet. Somit befindet sich auch bei großen Glaskörpern das Leuchtzentrum in der Mitte der Ionisationskammer.
Ein weiterer Vorteil dieser symmetrischen Ansteuerung ist die Verdopplung der zugeführten Leistung, die jedoch zu Lasten des deutlich höheren Schaltungsaufwandes geht.
Bestimmung des Eingangswiderstandes Z_ein
Mittels 3D-HF-Simulatoren lassen sich die elektromagnetischen Felder und der Eingangswiderstand Z'_ein vor dem Zeitpunkt der Zündung der Lampe berechnen. Simulatoren berücksichtigen die Hochfrequenzionisation und Zündung natürlich nicht.
Möchte man den sich verändernden Eingangswiderstand Z_ein nach der Zündung bestimmen, so ist dieses über eine so genannte heiße Streuparametermessung möglich. Diese ist bekannt aus der Vermessung der elektrischen Eigenschaften von Leistungstransistoren.
Nutzung eines Dual-Mode-Resonators
Neben den hier vorgeschlagenen Maßnahmen zur Erhöhung des elektrischen Feldes ist noch ein weiteres Verfahren publiziert wurden, ([6]: „Resonatorsystem und Verfahren zur Erhöhung der belasteten Güte eines Schwingkreises" von Heuermann, H., Sadeghfam, A., Lünebach, M., Patent D102004054443.3 , 16.11.2004).
Will man die Resonatorspannung noch weiter anheben, so gelingt dieses, wenn die belastete Güte verbessert wird. In [6] ist eine große Anzahl von schaltungstechnischen Lösungen enthalten, die auch hier genutzt werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- D 102004054443 [0147]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Emission Properties of Compact Antenna-Excited Super-High Pressure Mercury Microwave Discharge Lamps, T. MIZOJIRI, Y. MORIMOTO, and M. KANDO; Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 46, No. 6A, 2007 [0022]
- Numerical analysis of antenna-excited microwave discharge lamp by finite element method; M. Kando, T. Fukaya and T. Mizojiri; 28th ICPIG, July 15–20, 2007, Prague, Czech Republi [0022]
- „Experimente mit Hochfrequenz” von H. Chmela, Franzis-Verlag, ISBN 3-7723-5846-2 [0062]
- „A Novel Spark-Plug for Improved Ignition in Engines with Gasoline Direct Injection (GDI)” von K. Linkenheil und anderen, IEEE Transactions an Plasma Science, Vol 33, No. 5, Oct. 2005 [0064]
- „Hochfrequenztechnik” von H. Heuermann, Vieweg-Verlag, ISBN 3-528-03980-9 [0089]
- „Resonatorsystem und Verfahren zur Erhöhung der belasteten Güte eines Schwingkreises” von Heuermann, H., Sadeghfam, A., Lünebach, M. [0147]

Claims

Hochfrequenzlampe unter Nutzung eines monofrequenten oder beliebig modulierten und ggf. gepulten Hochfrequenzsignals im MHz- oder GHz-Bereich, mit einem Oszillator zur Erzeugung des Hochfrequenzsignals, mit einem Leistungsverstärker zur Anhebung der Leistung des Hochfrequenzsignals, enthaltend Mittel, derart, dass – das Hochfrequenzsignal über eine geschirmte HF-Leitungsschaltung in den Glaskolben (Ionisationskammer) gekoppelt wird und – das Hochfrequenzsignal mittels eines oder mehrerer Impedanztransformatoren in der Spannung hoch gesetzt und das HF-Signal möglichst angepasst wird und – der/die Impedanztransformator/en in konzentrierter und/oder verteilter HF-Schaltungstechnik realisiert sind und – ggf. eine oder zwei Elektroden in eine mit Quarzglas umgebenen und mit Gasen und ggf. Metalldämpfen und/oder Halogenen gefüllte Ionisationskammer ragen oder ggf. eine oder zwei Elektroden eine mit Quarzglas umgebenen und mit Gasen und ggf. Metalldämpfen und/oder Halogenen und/oder Schwefel gefüllte Ionisationskammer von außen kontaktiert und – mittels einer oder mehreren Elektroden beliebiger Geometrie ionisiert wird und – die Schaltungstechnik in unsymmetrischer oder symmetrischer Ausführung umgesetzt ist und – das Hochfrequenzsignal in der Ionisationskammer sich in einem oder mehreren Hochfrequenzmode ausbreitet.
Gestaltung einer Hochfrequenzlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, a. dass es sich beim Hochfrequenzsignal in der Ionisationskammer um einen TEM-Mode handelt. b. dass es sich beim Schaltungsaufbau um eine unsymmetrische Schaltung handelt und nur eine Elektrode eingesetzt wird. c. dass die Elektrode durch eine Gasstrecke innerhalb der Ionisationskammer und durch das Quarzglas gegen Masse geschaltet ist.
Gestaltung einer Hochfrequenzlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, a. dass es sich beim Hochfrequenzsignal in der Zündkammer um einen TEM-Mode handelt. b. dass es sich beim Schaltungsaufbau um eine symmetrische Schaltung handelt und zwei Elektroden eingesetzt werden. c. dass die Elektroden durch eine Gasstrecke innerhalb der Ionisationskammer gegenpolig geschaltet sind.
Gestaltung einer Hochfrequenzlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, a. dass es sich beim Hochfrequenzsignal in der Ionisationskammer um einen TEM-Mode handelt. b. dass es sich beim Schaltungsaufbau um zwei unsymmetrische Schaltungen handelt, die jedoch differentiell angesteuert werden, und diese beiden Lampenfüße mit jeweils einer Elektrode in die Ionisationskammer hineinragen. c. dass die Elektroden durch eine Gasstrecke innerhalb der Ionisationskammer gegenpolig geschaltet sind.
Gestaltung einer Hochfrequenzlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, a. dass es sich beim Hochfrequenzsignal in der Ionisationskammer um einen Rundhohlleitermode handelt und die zugehörige Frequenz so groß gewählt wurde, dass der Mode existieren kann. b. dass es sich beim Schaltungsaufbau um eine unsymmetrische Schaltung handelt und nur ein Lampenfuß eingesetzt wird. c. dass die (metallische und/oder dielektrische) Elektrode im Innern der Ionisationskammer die Funktionalität eines elektrischen oder magnetischen Koppelelementes besitzt.
Gestaltung einer Hochfrequenzlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, a. dass es sich beim Hochfrequenzsignal in der Ionisationskammer um einen Rundhohlleitermode handelt und die zugehörige Frequenz so groß gewählt wurde, dass der Mode existieren kann. b. dass es sich beim Schaltungsaufbau um eine symmetrische Schaltung handelt. c. dass die (metallischen und/oder dielektrischen) Elektroden im Innern der Ionisationskammer die Funktionalität eines elektrischen oder magnetischen Koppelelementes besitzen.
Gestaltung einer Hochfrequenzlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, a. dass es sich beim Hochfrequenzsignal in der Ionisationskammer um einen Rundhohlleitermode handelt und die zugehörige Frequenz so groß gewählt wurde, dass der Mode existieren kann. b. dass es sich beim Schaltungsaufbau um eine unsymmetrische Schaltung handelt und nur ein Lampenfuß eingesetzt wird und dieser am Ende als Rundhohlleiter ausgeführt ist. c. dass es keine Elektrode mehr gibt, die im Innern der Ionisationskammer hineinragt.
Gestaltung einer Hochfrequenzlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, a. dass es sich beim Hochfrequenzsignal in der Ionisationskammer um einen TEM-Mode oder einem Hohlleitermode handelt. b. dass es sich beim Schaltungsaufbau um eine unsymmetrische Schaltung handelt und nur eine Elektrode eingesetzt wird. c. dass die Elektrode auf der Oberfläche der Ionisationskammer von außen geschaltet ist.
Gestaltung einer Hochfrequenzlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, a. dass es sich beim Hochfrequenzsignal in der Ionisationskammer um einen TEM-Mode oder einem Hohlleitermode handelt. b. dass es sich beim Schaltungsaufbau um eine symmetrische Schaltung handelt und zwei Elektroden eingesetzt werden. c. dass die Elektroden auf der Oberfläche der Ionisationskammer von außen geschaltet sind.
Elektrodenlose Hochfrequenz-Hochdrucklampe (10) mit einem Signalerzeugungsbereich (12) mit einem schaltbaren Hochfrequenzoszillator (18) mit einem ausgangseitigen Leistungsverstärker (20) und mit nachgeschaltetem Impedanztransformator (26) zur Generierung eines Hochfrequenzsignals (14), dadurch gekennzeichnet, dass • mit nur einer dielektrischen Elektrode • das Hochfrequenzsignal in einen kugelförmigen Quarzglashohlkörper eingekoppelt wird und • der kugelförmige Quarzglashohlkörper zumindest mit Schwefel und/oder Argon gefüllt ist und • das Hochfrequenzsignal ein Plasma im Quarzglashohlkörper bewirkt und • die Halterung des Quarzglashohlkörpers von Außen eine auf Masse gelegtes elektrisch leitfähiges Element aufweist und zentrisch im Inneren die dielektrische Elektrode mit einem Koppelement.
Elektrodenlose Hochfrequenz-Hochdrucklampe (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochfrequenzsignal im Bereich 2,45 GHz gewählt wird.
Elektrodenlose Hochfrequenz-Hochdrucklampe (10) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Quarzglashohlkörper einen Appendix aus Quarzglas zwecks dielektrischer Ankoppelung und mechanischer Befestigung aufweist.
Elektrodenlose Hochfrequenz-Hochdrucklampe (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Signalerzeugungsbereich (12) mit einem schaltbaren Hochfrequenzoszillator (18) mit einem ausgangseitigen Leistungsverstärker (20) und mit nachgeschaltetem Impedanztransformator (26) zur Generierung eines Hochfrequenzsignals (14) in den Lampensockel integriert ist.
Elektrodenlose Hochfrequenz-Niederdrucklampe (10) mit einem Signalerzeugungsbereich (12) mit einem schaltbaren Hochfrequenzoszillator (18) mit einem ausgangseitigen Leistungsverstärker (20) und mit nachgeschaltetem Impedanztransformator (26) zur Generierung eines Hochfrequenzsignals (14), dadurch gekennzeichnet, dass • mit nur einer dielektrischen Elektrode • das Hochfrequenzsignal in einen U-förmigen und/oder kugelförmigen Glashohlkörper im U-Bereich eingekoppelt wird und • der U-förmige Glashohlkörper zumindest mit Schwefel und/oder Argon gefüllt ist und • das Hochfrequenzsignal ein Plasma im Glashohlkörper bewirkt und • die Halterung des Glashohlkörpers von Außen eine auf Masse gelegtes elektrisch leitfähiges Element aufweist und zentrisch im Inneren die dielektrische Elektrode mit einem Koppelement angeordnet ist.