高频灯及其操作方法

专利名称：高频灯及其操作方法
技术领域：
本发明涉及根据权利要求1前序部分的高频灯，在以下有时也被简称为HF灯。本 发明还涉及到根据权利要求9前序部分的这种高频灯的操作方法。
背景技术：
这样的高频灯广为人知。每一个灯的任务是发出尽可能有效的光，因此高频灯的任务也是发出尽可能有效 的光。每个灯以或多或少良好的效率转换光能。通常，在转换时存在非常多的损耗热量。灯的其他任务是很多的。通常，所发出的光谱对于使用目的是非常具有决定性的。 因此，一些应用、如汽车前灯和投影器需要具有尽可能点状的光源的灯。对现有技术的描述应当主要限于电灯。其大致可分为发光二极管和具有玻璃体的 灯。在这里，应当主要涉及后者。其被划分为白炽灯和气体放电灯。白炽灯在玻璃体内具有灯丝(例如由钨制成的灯丝)和保护气体。熔点高于 3000°C的灯丝通常被加热到2500°C。根据普朗克辐射定律，对于白炽灯，由此还没有产生对 应于日光的光谱，而是其发出明显的桔红色。白炽灯以频率直至kHz范围中的直流或交流 电压驱动。其不需要镇流器。与本发明有关的气体放电灯是使用气体放电的光源，其中该光源利用通过原子或 分子的电子跃迁产生的自发辐射以及通过电子放电所产生的等离子的复合辐射。包含在石 英玻壳(电离室)中的气体通常是由金属蒸气(例如汞)和惰性气体(例如氩气)、并且在 可能的情况下好包括其他气体、如还包括卤素所构成的混合物。气体放电灯被划分为两类， 低压放电灯和高压放电灯。前者使用辉光放电，而后者使用电弧放电。这些灯都需要镇流 器。镇流器包括借助于kV范围中的电压脉冲对气体进行电离的启动器。此外，对于持续运 行，在可能的情况下，频率被转换到kHz的范围内。因此，这些灯不涉及借助于高频信号在 MHz或GHz范围内中运行的灯。气体放电灯的一种特殊形式是硫灯。它由作为电离室的填充以硫和氩的石英玻璃 球构成。在玻璃球中，通过高频辐射产生等离子。与传统的气体放电灯不同，硫灯由于使用 波导管而不需要电极。由于在球的石英玻璃处非常高的温度，硫灯保持旋转，并由此被冷 却。这由具有涡轮叶片形的扇形化的下部柱实现。下部柱在由在通风机在磁控管(具有约 1500W的HF电源)中产生的气流中旋转。在该冷却发生故障的情况下，玻璃球会在20秒后 被熔化。硫灯具有与节能灯(荧光灯)类似的高的光效率。其具有色温大约为5700K到 6000K的均衡的光谱，并且因此是非常高效的白光源。通过控制磁控管的功率，硫灯能良好 地变暗，其中其色谱保持稳定。由于高光通量，灯大多不直接设置在使用位置处。相反，光 借助于光导体被馈送到空间中。这使得这种类型的灯易于维护。由于相对较高的设备费用(磁控管的电源，微波、温度的屏蔽)，这个灯远远不能 商业应用。自2006年以来，LG电子公司生产了名为“电力照明系统”的硫灯(PLS灯，也作为硫等离子灯提供)。其经常被用作电视演播室中的照明或作为用于植物的人工照明。Japanese Journal of Applied Physics (日本应用物理杂志)2007 年第 46 卷 第 6A 中 T. Mizojiri、Y. Morimoto 禾口 M. Kando 的"EimissionProperties of Compact Antenna-Excited Super-High PressureMercury Microwave Discharge Lamps (小型天线 激励的超高压水银微波放电灯的发射特性)”以及2007年7月15日至20日在捷克共和国 布拉格举行的第 28 届 IC-PIGiM. Kando,T. Fukaya和 T. Mizojiri 的“Numerical analysis of antenna-excited microwave discharge lampby finite element method ( ffl过有P艮 元法的对天线激励的微波放电灯的数值分析)”中公开了这样的高频灯，其以小的高频功率 (30W-100W)工作，并且代替波导管耦接而是使用经由具有内导体电极的TEM线(同轴线) 实现的耦接。因为这些灯使用气体放电灯的长导线作为天线，所以这些灯应当被认为基本 上适合作为HF天线灯。但是，这些灯以及还有硫灯不具有阻抗变换器。因此，对于这些灯，对高频发生器 的频率稳定性的要求很低。但是，这些已知的气体放电灯的缺点在于用于这些灯的技术非常复杂，并因此昂 贵。此外，其只能作为具有大约1500W的功率灯提供。此外，所有已知的气体放电灯都需要 单独的电路用于触发等离子。这里需要kV反问中的电压。对于已经已知的没有触发电路 的高频灯，缺陷首先在于，其需要非常大的功率(超过30W微波功率)。此外，气体放电灯用 作为天线。这具有在实践中严重的缺点，高频辐射以更高的大小发射。这种灯由于该辐射 而不被允许。用作为节能灯的气体放电灯不能调暗，这在实际应用中是一个非常大的缺点。由于以前的高频灯在高欧姆范围中没有抗阻变压器，所以非常大的电流流过电 极。因为这些电极由表面光洁度差的材料、如钨制成，所以欧姆损失非常大。

发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种高频灯，其避免上述缺点或者至少减少上述 缺点的影响，尤其是提供一种既能用作高压气体放电灯、也能用作低压气体放电灯、并且特 别适于改善效率、发射谱、成本和寿命的高频灯的结构。本发明的另一任务是提供一种用于 操作这样的高频灯的方法。该任务按照本发明一方面通过具有权利要求1的特征的高频灯来实现。为此，对 于具有用于生成高频信号的信号发生区以及连接在该信号发生区后面的电离室的高频灯， 其中在该高频灯中，信号发生区具有可开关的高频振荡器、并且在其输出端具有功率放大 器用于提高高频信号的功率，并且在该高频灯中，为具有至少一个填充以气体的玻壳的电 离室分配至少一个电极，在该功率放大器后面连接有阻抗变换器，该阻抗变换器在其输出 端与该电极或每个电极连接。对于方法，该目的根据本发明是通过权利要求9的特点来实现的。其中，为了操作 开头所提到的且在后面进一步描述的类型的高频灯，由高频振荡器生成高频信号，其中高 频信号的功率被后面连接的功率放大器提高，使得高频信号被连接在功率放大器后面的阻 抗变换器转换到高电压范围中，并且转换后的高频信号被馈送给电极。本发明的优点首先在于在高频灯的信号发生区中能使用能被针对电压改变、并且能作为低成本模块而获得的高频振荡器。此外，高频振荡器的通常位于mW范围中的输出 信号可以被不但具有高效率、而且也是低成本的功率放大器提高到一位数至两位数的瓦特 范围中。最后，用于将尽可能高的电压施加到电离室的阻抗变换器的使用使得即使在高频 功率非常小的情况下也不需要使用触发单元。此外，通过大的持续存在的场强，实现了明显 更高的电离速率，并因此实现了更高的效率。因为高频功率通过阻抗变换器被持续地被耦 入以高电压，所以由导电差的材料制造的电极尖端上的欧姆损耗更小，由此提高效率。而 且，由于在高频范围中的操作，大量电路可能性可以作为阻抗变换器使用，使得其也能以低 成本的元件、如电容器和线圈实现。此外，具有这样的信号产生区的高频灯的结构在以下方面是有利的，即在高频灯 之外不发生高频辐射，并且其因此是能允许的。对于为电离室分配的电极，可以使用不同材料，并且可以使用多种形状，由此可以 同样地改善效率和应用范围。本发明的有利实施方式是从属权利要求的主题。其中所使用的回引是指用相应从 属权利要求的特征对主权利要求的扩展；其并不应当被理解为放弃对于被回引的从属权利 要求的特征组合的独立、具体的保护。此外，在后面的权利要求中进一步具体化特征的情况 下对于权利要求的解释应当在于，这样的限制在相应的前面的权利要求中不存在。根据高频灯的一个优选实施方式中，附加地，信号发生区具有高频检测器、处理单 元和连接在功率放大器后面、尤其是设置在功率放大器和阻抗变换器之间的耦接器，其中 在高频灯工作时在电极上反射的高频信号经由该耦接器能馈送给高频检测器，并且由于高 频检测器的输出信号能由处理单元生成的控制信号或调节信号能被馈送给高频振荡器，以 基于反射的信号优化高频信号。通过采集反射的高频信号，其优化是可能的，例如在触发高 频灯以然后可能减小高频信号的频率以后。作为附加或替代，基于反射的高频信号也可以 控制高频振荡器。如果高频灯被构造为使得具有第一和第二信号分配器输出端的信号分配器连接 在高频振荡器后面，并且功率放大器连接到第一信号分配器输出端，其中在第二信号分配 器输出端，相移装置(在后面也被成为“移相器”并且例如以180°长导线的形式实现)、第 二功率放大器、第二阻抗变换器和第二电极一个接一个地被连接，则利用高频振荡器可以 为电离室施加反相信号。该实施方式在以下被称为对称结构，以区别于开头所述的只具有 一个功率放大器、一个阻抗变换器和一个电极的实施方式。进一步有利地，阻抗变换器，或者在具有对称结构的高频灯的情况下是阻抗变换 器和/或第二阻抗变换器具有单级或多级变压作用的段，其中单级变压的优点首先在于其 紧凑性及稳健性，而以多级变压可以实现阻抗变换器的效率改善。如果该电极或每个电极是介电的，即由介电材料制造，尤其是由被介电的包层包 围的金属芯构成，则可以实现出色的效率和最高的色温。如果该电极或每个电极环路形构造，则可以避免不期望的空腔模式的出现，其中 这再一次增强地适合于具有对成结构的高频灯。如果玻壳被填充以具有不同发射谱的至少两个气体、尤其是正好三种气体的混合 物，则通过适当地改变高频信号的频率可以电离不同的颜色。如果高频信号具有的频谱适 于电离多于一种气体，则相应地对于感知的被发射光产生颜色混合。以该方式，可以通过窄带的高频信号可以直接电离两个、三个或更多个颜色，而以相应选择的宽带高频信号可以 实现多个颜色的电离，并且通过其重叠可以产生混合颜色。高频灯的该实施方式适合于光 效应，例如在自发光的广告媒介中，或者还适合于指示仪表。根据作为对前述实施方式的一个替代的仍然优选的实施方式，电离室具有至少两 个玻壳，尤其是三个玻壳，这些玻壳分别被填充以具有不同发射谱的气体，并且其中为每个 玻壳分配一个用于馈送高频信号的电极。在该实施方式中，每个玻壳在包含在其中的气体 电离时发出各自的特征性的发射谱。简言之，每个玻壳发出正好一个颜色。通过控制分配 给各个玻壳的电极，因此对于高频灯整体而言可以实现第一或第二(或第三并且可能进一 步的)颜色的发射或者在同时发射多个颜色时可能的颜色混合。高频灯的这个实施方式也 考虑用于生成光效应。此外，当然也至少原理上适于作为监视器类型的显示装置的成像元 件。对于后一种情况，通常设置三个玻壳，这些玻壳对应于已知的RGB模型被确定用于发射 红光、绿光和蓝光。与本发明的该方面相结合，可以将多个按行和列排列的这样的高频灯组 合为显示装置，即监视器、电视机等。在这方面，本发明还涉及适于操作这样的显示装置的 方法，其中其所包括的每个高频灯被操作为使得或者由高频振荡器产生至少两个高频信号 并将其馈送给该至少一个电极，或者由高频振荡器产生至少两个高频信号并且每个高频信 号正好被馈送给该至少两个电极之一。以这样的方式，可以分别控制在能由显示装置产生 的可视图像中正好对应于一个像点(像素)的每个高频灯，并且可以对于各个像点/各个 像素实现期望的颜色混合、期望的色调。关于根据本发明的方法，如上所述，根据本发明还提供用于操作高频灯的各个物 理改进的方法的设计。为了操作高频灯的优选实施方式之一，相应地，高频检测器检测在高频灯触发时 在电极上被反射、并且经由耦接器进一步传导的高频信号，并且处理单元基于高频检测器 的输出信号调整控制信号、尤其是将控制信号改变一预给定的正或负的值，以优化高频信 号。关于高频信号的调整的方面，优点首先在于，在高频灯触发之前或在高频灯触发时，电 离室如具有高欧姆并联电阻的小电容那样工作，而紧接着成功电离之后(照明运行)，电容 变大，并且并联电阻变小，从而因此在成功触发之后，谐振频率、用于高频信号的频率改变。 由于这个原因，信号发生在成功触发灯之后必须能够执行快速的一次跳频，高频信号于是 被适配于照明运行的情形。对于部件“耦接器”和“高频检测器”，这意味着只要高频灯触发， 明显更大的HF功率就在电极处被反射。其到达耦接器，并且经由其衰减地被馈送到高频检 测器。高频检测器的改变后的输出信号被处理单元接收，并且其执行用于照明运行的跳频。关于高频信号的变化的方面，优点首先在于，在将高频信号改变一个小的正值和 一个小的负值的情况下，对于多个频率点，例如对于平均平率、减小的频率和提高的频率测 量功率，并且使用具有最小反射功率的值作为用于高频信号的新的输出值。该调节可以连 续地、或者在预给定的时刻、或在能预给定的时刻被重复。从而保证了，总是将尽可能多个 HF功率馈入电离室中，并且尽可能少的HF功率被转换为热损耗。为了操作具有对称结构的高频灯，相应地，信号分配器从高频信号中划分出第二 高频信号，尤其是使得作为高频信号保留的高频信号和第二高频信号至少基本上是相同 的，相移装置对第二高频信号进行移相，后面连接的第二功率放大器提高相移后的第二高 频信号的功率，并且后面连接的第二阻抗变换器单级或多级地变换所得到的第二高频信号，并将其进一步传导到第二电极。对于高频灯的其他实施方式，由高频振荡器生成至少两个高频信号，并且将其馈 送到至少一个电极，或者由高频振荡器生成至少两个高频信号，并且每个高频信号被馈送 到该至少两个电极中的正好一个。


以下借助于附图详细描述本发明的实施例。相互对应的对象或元件在所有附图中 以相同的附图标记表示。这个或每个实施例不应当被解释为对本发明的限制。相反，在本公开的范围中，可 以实现多种改变和修改，尤其是这样的变体、元件和组合和/或材料，即其对于本领域技术 人员而言在考虑到任务的解决的情况下例如通过组合或改变各个结合一般性或具体的描 述部分所描述、以及包含在权利要求和/或附图中的特征或元素或方法步骤能得到，并且 通过能组合的特征得到新的对象或得到新的方法步骤或方法步骤序列，即只要其涉及制造 或工作方法。在附图中图1示出了用于所谓致动运行的高频灯的简化示意框图，图2示出了用于调节运行的高频灯的简化示意框图，图3示出了用于具有不同控制(“对称结构”)的高频灯的简化示意框图，图4示出了具有单级阻抗变换、即具有单级变换作用的段的灯头，图5示出了具有三级阻抗变换、即具有多级变压作用的段的灯头，图6示出了圆波导管中的Etll模式(虚线表示电场，实线表示磁场)，图7示出了在非对称激励的情况下用于激励Etll模式的具有单级阻抗变换的空腔 谐振器灯，图8示出了用于激励HE11基本模式的介电电极的耦接，图9示出了用于激励Etll模式的介电电极的耦接，并且图10从一侧示出了在对称控制的情况下用于生成点状光的接地板上高频灯的简 化示意图。
具体实施例方式图1示意性地简化地示出了根据本发明的总体以10表示的高频灯的一个实施方 式的结构。其包括用于生成高频信号14的信号发生区12和连接在该信号发生区后面的电 离室16。信号发生区12在其一侧具有高频振荡器18，并且在其输出端具有用于提高高频 信号14的功率的功率放大器20。电离室16又包括至少一个填充有气体的玻壳22 (气体 24，在可能的情况下被补充以金属蒸汽和/或卤化物)，其中为玻壳分配至少一个几乎能任 意构造的电极28。对于信号发生区12，在功率放大器20后面连接阻抗变换器26，该阻抗变 换器在其输出端连接到该电极或每个电极28。信号发生电路的外屏蔽形成地电势30，其中 作为高频信号14的引线电极引入电离室16内部中的电极28电容地与该地电势14耦接。这样，基于相对窄带的高频信号14 (在三位数MHz范围以及在整个GHz范围内) 以及几乎能任意构造的宽的电弧区域的高频灯10(HF灯)的结构变得可能，其中该高频信号14借助于阻抗变换器26被转换到高电压范围中，该电弧区域不足以达到地电势30，因为 其在玻壳22的内表面、即例如被用于其制造的石英玻璃处结束。所提出的阻抗变换器26即使在非常小的HF功率的情况下也不需要使用目前对于 高频灯10必需的触发单元。此外，通过大的持续施加的电场强实现了明显更高的电离速 率，并因此实现了更大的效率。因为高频功率持续地被耦入以高电压，所以只具有导电差的 材料的电极或每个电极28的尖端处的欧姆损耗更小，这又提高了效率。阻抗变换器26的一 个简单的实施方式具有线圈和电容器。在使用0402-SMD-部件的情况下，空间需求在2mm2 以下，并且成本低于4美分。高频信号14的频率被选择得越高，电极28处的电压就可以越小。在低GHz范围 内已经可以按照所期望的电弧长度将电压降低到低区域中单级kV值，其中对于低GHz范围 存在很多廉价的电子元件。最大电压的这种降低允许以明显的材料和部件进行转换。由于以窄带高频信号14工作，所以HF合适的结构可以非常简单。例如，现在，λ Λ 导线可以以其所有优点被使用。即，导线不必具有期望的波阻。这例如简化了高频灯10的 高频合理的设计。电极28现在在多个路径上或在大的面积上辐射能量。该电磁能量在环绕电极28 的被电离区域中产生HF流，该HF流由于加热而在光范围中发出电弧形式的辐射能。因此， 来自电极28的能量释放不再作为流而实现，而是作为电磁场而实现。电极28不再被电流 加载。第一测量已经显示没有释放任何物质。高频灯10因此可以被使用更长的寿命。可以使用效率大于60%的用于GSM移动电话应用和手持机的高集成且最经济的 高频功率放大器作为功率放大器20。在所谓的E级运行中能够实现80%的效率。短的导线可以在低GHz范围内几乎无损耗地实现。因此，对于用作为HF镇流单元 的优选能集成在高频灯的基座(灯基座)中的高频信号发生区12，同样给出了用于非常好 的效率的潜力，并因此给出了高集成的实现可能性。用于电极结构的材料选择除了金属之外也允许使用介电材料。例如，电极28可以 由介电常数高、并且熔点非常高的陶瓷材料构成。该构造对于色温以及经常追求的对应于 日光的谱而言是非常关键的点。由此，也可以实现显著改善的效率。该灯相对于所有节能灯的一个额外的优势在于，在此提出的高频灯能调暗。物理教科书教导了，气体的电离仅通过在特别高的温度(IO6K)下的热电离或借 助于紫外光的光电离的由电子束注入激发的电子碰撞电离而实现。此外，本发明人已经 在GHz范围中实验物理地实现了用于通过相对少的高频能量的供应产生电离区域的结构。 这些结果与其他公开的结果一致，例如，H. Chmela, Franzis-Verlag的“Experimentemit Hochfrequenz (高频实验)”，但是这些其他公开的结果是在MHz范围中执行。这应当被称 为高频电离。在 2005 年 10 月的 IEEETransactions on Plasma Science 的 K. Linkenheil 等 人 的"A NovelSpark-Plug for Improved Ignition in Engines with Gasoline DirectInjection(⑶I)( 一种用于直喷式汽油机中改进的点火的新型火花塞)，，中也介绍 了该高频电离，并强调，附加的UV辐射允许在电场强更小的情况下实现该电离。如果电离的气体具有相同数量的电子和离子，则它是平均而言无空间电荷的气 体，并且被称为等离子。借助于麦克斯韦尔方程可以证明，对于一个电离气体，下面的数学关系式成立
相对介电常数er = l-(Ne2)/e0/m/(u2+w2) (1)相对电导率k = (Ne2U) /m/ (u2+w2)(2)等离子体频率wp = e (Ne2/m/e0)(3)其中参数为N:单位体积的电子数，e:电子的电荷，m 电子质量eQ:电场常数，u 电子与气体分子的碰撞频率，W:高频信号的频率。详细研究表明，低于等离子体频率就没有电磁能量能传播，并且不发生等离子体 的损失。相反，空间在等离子体频率之上具有真正的场波阻Zf。Zf朝着更高的频率而降低， 并且指数地近似约377W的自由空间阻抗4。即，在更高的频率的情况下，与更低的频率相 比，需要更小的电压，以便转换相同的功率。等式(2)表明，(小的)电阻随着频率增大而 提高，并且因此损耗随着频率增大而提高。结果，在更高的频率的情况下，气体被更好地加 热。根据对于HF信号的传输特性对大气的分析得到，在两位数至三位数的MHz范围 内，辐射几乎完全不被吸收，而在50GHz的情况下，总辐射由于氢或氧的分子吸收而被抑 制。在低的MHz范围内，可以使用所谓的特斯拉变压器，以便由此制造具有5kV输出电 压的100W发电机，并且因此在空气中产生10厘米长的火花隙，也参见已经提到的文献 "Experiment emit Hochfrequenz”，出处同上。本发明人已经在2. 5GHz的情况下借助于 IOff发射器和2kV的电压已经生成了 1厘米长的火花隙。以下描述在高频灯10中的信号发生在初始状态(触发运行)中，电离室16如具 有高欧姆的并联电阻的小电容那样工作。紧接着成功电离后(照射运行)，电容增大，并联 电阻减小。因此，在成功触发之后，谐振频率f；改变。由于这个原因，有利的是，信号发生， 即信号发生区12的功能性在成功触发高频灯10之后能够执行从向的快速的一次的 跳频。重要的是，信号发生12的输出电阻Zaus在成功触发之后对应于或者复共轭地匹配于 电离室16的输入电阻Zein。借助于所谓的3D-HF-模拟器可以在灯触发时刻之前计算电磁场和输入电阻Zein。 模拟器当然不考虑高频电离和触发。如果改变的输入电阻Zein在触发之后应当被确定，则 这可以通过所谓的热散射参数测量实现。这由功率晶体管的电特性测量获知。上面提到的跳频可以以能通过电压改变的振荡器18 (例如在一个实施例中作为 所谓的vco(电压控制的振荡器)而实现，或者可以通过在两个固体振荡器之间快速的电子 切换而实现。因为VCO在低GHz范围内可以作为成本特别低的模块获得，所以在可能的情 况下这是优选的。在图1中，高频振荡器18被显示为可切换的高频振荡器18。其被加载以 控制信号32。通常位于mW范围中的高频信号14，即振荡器18的输出信号借助于功率放大器20被提高到一位数至两位数W范围中。在低的一位数GHz范围中的高度集成的电子的 功率放大器20具有远高于60%的效率，并且是特别成本低廉的，并因此是预定的。为了在电离室16中产生尽可能大的电压，借助于阻抗变换器26执行阻抗变 换。为此，在HF的情况下在电路上存在非常大的谱。一种成本低廉的电路由电容器和 线圈(多级伽玛(Gamma)变压器)构成，并且可以参阅H. Heuermann，Vieweg-Verlag的 “Hochfrequenztechnik(高频技术)”。阻抗变换器26可以单级或多级地构造。除了阻抗 水平的、并因此还有电压的提高变换之外，阻抗变换器26所包括的电路应当还包括电离室 16的电极28的匹配。输出阻抗Zaus应当尽可能到达两位数Ω范围中，或者一位数的kQ 范围中，或者更高。电离室16中电极28处的电压直接根据放大器20的输出功率P。ut和Zaus计算U = e(P0Ut Zaus) (4)因此，工作点被选择为使得其明显高于等离子体频率wp。为了实现尽可能好的效率，根据本发明的一优选实施方式，尽可能少饿高频功率 被反射。如图2中示意性简化示出的那样的电路尤其适于此。信号发生区12所包括的电 路通过控制信号32 (也参见图1)被激活。按照微处理器形式的处理单元34将高频振荡器 18调整到用于触发运行的频率fri。为了区别于控制信号32，由处理单元34为此生成的或 能由处理单元34生成的控制信号也被称为调节信号35。所生成的高频信号14通过放大器 20就功率而言被提高，经过损耗低的耦接器36，并经由阻抗变换器26到达电离室16的电 极28，其中电离室16通过玻壳22的石英玻璃外壳22包围地保持气体混合物24。只要高 频灯10触发，明显更大的HF功率就在电极28处被反射。这到达耦接器36，并且经由其衰 减地馈送给高频检测器38。高频检测器38的在此改变的输出信号被处理单元34接收，处 理单元34通过将高频振荡器调节到频率而导致用于照明运行的跳频。对于该照明运行，存在以下优化处理单元34将频率f,2附近的高频信号14的频 率改变一小的正值和一小的负值 ;Δ，并且输出相应的调节信号35。为三个频率点 ;2_ ;Δ、 ;2、+ ;Δ测量反射的功率。具有最小反射功率的值然后是新的输出值。该调节被连续地重 复。因此正了，总是尽可能多的HF功率被供给到电离室16中，并且热损耗尽可能少地被转 换。在图3中示出了高频灯10的一个优选实施方式，该高频灯的特征在于对称结构。 中，在高频振荡器18后面连接具有第一和第二信号分配器输出端42、44的低损耗的信号分 配器40。功率放大器20 (参见图1或图2)连接到第一信号分配器输出端42，然后是已经 在图1或图2中描述的电路部件。相移装置46连接到第二信号分配器输出端44，然后一 个接一个地连接第二功率放大器48、第二阻抗变换器50和第二电极52。由高频振荡器18 生成的高频信号14被信号分配器40划分，尤其是划分为两个相同大小的成分，即高频信号 14和第二高频信号14'。经由放大器20、变换器26直到第一电极28 (左)的“上”信号路径相对于借助于 图1或图2所描述的情形没有改变。首先，作为相移装置46，例如可以以180°长导线形 式实现的具有180°相移的移相器位于“下”信号路径中。然后，反相信号被第二放大器48 在功率方面提高，并且被第二阻抗变换器50在电压方面提高，以便最后被馈送到第二电极 52(右)。
该接具有优点，即这两个放大器20、48的放大在没有附加布线的情况下简单相 加，电离室16中的等离子体点状地位于中间，并且地电势(参见图1图2 ；附图标记30)不 必延伸到玻壳22。这个具有所示调节运行的高频灯10当然也可以在调节运行中使用，即在如图2中 所示并且在上面与其结合地进一步描述的设计。与信号发生中的阻抗变换器(图1，图2 只有一个阻抗变换器26 ；图3 两个阻抗 变换器，即阻抗变换器26和第二阻抗变换器50)的数量无关地，如图4所示的用于阻抗变 换的装置是有利的。图4示出了具有玻壳22和压力隔离区54(玻璃套管)的高压气体放 电灯10(参见图1)的电离室16作为灯头。几乎形成阻抗变换器26、50的输入端的短的输 送导线56可以是波阻为50欧姆的纯同轴电缆。该输送导线以及该分布式电路的剩余部分 位于圆形管58中，管58在末端具有类似于垫圈的带有孔62的盖60。该管58构成用于该 非对称的分布式电路的地电势，并且盖60构成电极28的地电势。输送导线56与第一和第 二导线弧64、66相连。第一导线弧64与设置在玻璃套管54中的例如由钼制造的内导体64 相连。其又将高频信号14(参见图1)引导到被气体或气体金属蒸汽混合物包围的电极28。电路技术地，第二导线弧66涉及相对于地电势连接的小的电感。第一导线弧64 和内导体68构成明显更大的电感。由电极28和相应地电势构成的头部分可以通过小的电 容器和并联连接的欧姆负载电阻来描述。因此，电路构成耦接有电感的并联振荡回路。电 感必须与电容谐振。输送电路56的开始区域中耦接点处的电压明显朝着电极28被提高。该单级的阻抗变换非常紧凑、简单和健壮。与其对应的单级变换作用的段至少包 括输送导线56以及第一和第二导线弧64、66。经由第一和第二导线弧64、66将内导体68 直接连接到地电势降低电极28的温度。机械结构是稳定的和紧凑的。但是，对于非常高的 压力和/或非常小的功率或者还对于效率的改善，多级变换提供了优点。具有已知的集中 的部件(参见H. Heuermann :“Hochfrequenztechnik”，出处如上)的转换具有相对差的品 质，并因此具有相对大的损耗。在图5中示出了在这个方面再次改善的实施形式。图5中的电路与图4中所示的电路的区别在于延长的导线片70的高欧姆设计，代 替先前设置在其位置处的短的输送导线56用于实现串联电感，区别还在于纯电容地将延 长的导线片70耦接到由管58构成的地电势。此外，以第一和第二导线弧64、66由于导线几 何结构产生两个小的电容器72、74。后者涉及两个串联的伽玛变压器(参见H. Heuermarm: "Hochfrequenztechnik",出处如上)。图5中所示的具有多级变换作用段的电路具有延长 的导线片70、两个电容器72、74以及第一和第二导线弧64、66。第一变换器由延长的导线 片70的串联电感和通过导线几何结构产生的电容器72的连接到地电势的电容构成。第二 变换器由通过导线几何结构构成的第二电容器74的串联电容60以及第二导线弧的连接到 地电势的电感64构成。阻抗变换器的第三级如通常那样。这个略微复杂的电路的优点在 于更高的变换比和更大的带宽。对于两个实施方式(图4和图5)，高频信号经由屏蔽的波 导结构(在具体例子中是管58)被馈送到玻壳22，其中屏蔽的波导结构通过内导体56、64、 66,68 ；70、64、66、68的配置形成为使得包含阻抗变换。该结构相对于HF天线灯具有以下 优点不发生HF辐射，灯因此是可允许的。此外，效率提高了。HF负载(具有短的套管电 极28的填充后的玻壳22)是非常高欧姆的，由此在匹配时在小功率的情况下提供非常大的 电场强。
空腔模式非常好地在科学和技术方面被研究，并且在很多部件、如HF滤波器中被 实现。从某个低的所谓截止频率开始，该模式可以存在。其在技术中经常被使用，因为金属 损耗非常低。图6示出了一种可能的空腔模式(Etll)。该空腔模式对于高频灯10(图1、图 2、图3)执行空间照明或者对于其他应用非常有吸引力，因为电场(并因此还有等离子)具 有大球的优选形状。在相对大的电离室16中只存在只平行于地电势面传播的场力线。此 外，该最强的电场形成确保最大发光球的环。在图7中示出了作为用于激励Etll模式的空腔谐振器灯76 (简称为HR灯)的高 频灯10(图1、图2、图3)的一种可能的实施方式。图7示出了用于以下情形的结构，即 HR灯76以非对称的电路技术(对比图1或图2)被设计。对于两个可能的电路技术，通过 环路形电极78激励磁场。其中，对称的方案(图3)比非对称的方案更好地阻止了其他不 期望的空腔模式的出现。HR灯76的环路形电极78因此仅仅还是用于只由玻壳22的在 可能的情况下略微金属化的表面的界限所构成的谐振器的耦接元件。借助于可调节的耦 接k (参见H. Heuermann “Hochfreq uenztechnik”，出处如上)，又可以进行电压变换。在 H. Heuermann :“Hochfrequenztechnik”(出处如上)中，该变换(借助于弱的耦接可以产生 大的变换)被显示略微与谐振频率失谐的伽玛变换。随着变换值的增加，带宽降低。在所述Etll模式的情况下，形成在电离室16中的等离子球(等离子最大流的区域) 仅位于空腔中，并且既不与环路形电极78(电极78，为示出，在根据图3的对称方案中)接 触，也不与地电势接触。当然，电离室16的整个内容在这里也被电离。电离路段在第一近 似中可以被看作欧姆电阻(负载)。其使反应谐振器区域“变小”，使得这里在可能的情况 下跳频也是有用的。模式的选择以及电极的几何设计对HF灯76的最大等离子区域和所得到的输入电 阻Zein有影响。借助于3D-HF场模拟器，可以在玻壳22的内部中以定向和绝对大小表现电 磁场。具有最大电场强的区域是其中最大等离子流流动的区域。该因此最热的区域因此与 该电极或每个电极78去耦接。目前的电极配置只涉及使用金属电极28、52、78。本发明的一个非常有利的实施方 式是，代替金属电极28、52、78，使用纯介电的电极或者由金属芯和介电包层构成的混合结 构。如果只使用电介质(具有相对较大的介电常数)作为电极，则在HF技术中将其称为介 电线路或介电谐振器。对于介电线路，优选选择混合基波HE1Jt为路线模式。对于介质谐 振器，根据耦接也能使用其他更低损耗的模式。相反，如果使用由金属芯和介电包层构成的 混合结构，则产生Goubau表面线(也被称为Goubou-Harms线)，它允许在两位数MHz范围 中直到GHz范围中非常低损耗的传输。可以使用这两个结构(一般地，介电电极)，代替金属电极28 ；52或者用作为耦接 元件的环路形电极78。在这种情况下，例如在根据图4的实施方式中为其描述的元件，即 电极28、压力隔离区/玻璃套管54和内倒替68的耦接结构改变了。根据所期望的高频模 式，能对机械结构应用更大的谱。图8示出了用于激励基本模式的一个例子(其能从OHz开 始传播)。图9示出了另一个例子用于激励Etll模式，该模式的可执行性是非常有利的。图 8所包括的文字是"HE11波”和“ λ /2”。图9所包含的文字是"Etll波”、“ ε1 = 81ε 0”、“ ε 2 =ε 0”、“ 入/2” 禾口 “ λ = 14·4α < λ c = 23. 6 α ”。如前所述，可以使用介电电极，代替HF灯10、76(图1、2、3或图7)中的其他电极28、52、78。在HR灯76的情况下，对于波导模式，没有任何东西改变。只是介电线路的几何 形状必须根据耦入条件被优化。因此，从同轴模式到达介电导线模式，最后到达球波导模 式。这在高频灯10的情况下略有不同。这里，在光学方面改变更少。例如，图10在其中借 助于纯金属的混合或者纯介电的电极材料可以转换的一个实施方式中示出了从一侧在对 称控制、即具有两个电极82、84的情况下用于点状光发生的地电势板80 (未示出玻壳22) 之上的高频灯10，其在使用介电电极时也被称为介电灯。然而，金属电极涉及LC振荡电路， 并且介电电极涉及介电谐振器的模式。图10中所示的实现形式在这两种情况下产生位于 这两个电极82、84之间的点光源的照明。该设置是用于高压应用的高频灯10的一有利构 造。如果作为对这里提到的用于提高电场的措施的附加或替代，谐振器电压还进一步 被提高，则其在“加载的质量”被改善的情况下实现。在DE102004054443(Heuermann，H.， Sadeghfam, A. , Luenebach, M. "Resonatorsystem und Verfahren zur Erhoehung der belastetenGuete eines Schwingkreises”)中包含大量也可以在这里使用的电路技术方 案。相应地，上述DE102004054443的与此相关的公开内容在此完整地引入到这里的本发 明。以下至少粗略地给出本发明的其他设计或可能的实施方式磁体的使用允许简单 地操纵电离路段的设计。因为电极设计、即其关于形状和尺寸的设计基本上是任意的，所以 高频灯10也可以被用作为用于效果显著的广告灯的照明装置。通过合适的频率选择，可以 非常快地控制不同的电离路径，这允许灯涉及的新方式。此外，具有不同发光器(荧光体)的 区域、并且因此还有不同颜色可以被电离。这允许对等离子电视机形式的显示设备的变体。传统等离子电视机设计也可以被HF激励替代。代替NF控制信号，可以使用两个 推挽运行的HF控制信号。阻抗变换在这里还允许在非常小的功率的情况下实现大的电压。 此外，目前，还可以通过3*2数据线控制一个像素的三个颜色。相反，可以以频率复合方法 通过仅仅两个导线控制一个像素。该涉及会改善图像分辨率。除了效率之外，由此可以改 善所有所述等离子电视机变体的反应时间。总之，本发明可以简述如下提供了用于低压或高压应用的高频灯10的结构的一 种新的构造及其操作方法，其例如尤其适合于针对效率、发射谱、成本和寿命对特性进行改 善，其中基于连接在功率放大器20后面的阻抗变换器26，即使在高频功率非常小的情况下 也不再需要使用触发单元，因为通过阻抗变换器实现将尽可能高的电压施加到电离室16。 该高频灯10既能被用作高压气体放电灯，也能被用作低压气体放电灯。传统的启动器不是 必需的。高频灯10根据设计具有带有大的电流并因此带有覆盖直到几个dm2的色温的小 的点状的或大的球形的电离区，并且允许任意调节功率。这个能调暗的能力以及更好的光 谱灯10能用于内部照明。长的寿命、日光谱、低价格和大的功率兼容性使得具有点状高流 区的高频灯10能够用于如所谓的成束器和投影器这样的设备中以及用作为汽车前灯。出 色的效率和最高的色温可以以该高频灯10通过使用介电电极而实现。高频灯10可以借助 于在电信市场上能非常廉价地获得的高频电极部件以及通常的气体放电灯技术而成本非 常低廉地制造，特别是高电压要求与传统的启动器低那路相比明显低很多。附图标记列表10 高频灯
12信号发生区
14高频信号
14'高频信号
16电离室
18高频振荡器
20功率放大器
22玻璃套管
24气体
26阻抗变换器
28电极
30地电势
32控制信号
34处理单元
35调节信号
36耦接器
38高频检测器
40信号分配器
42信号分配器输出端
44信号分配器输出端
46相移
48功率放大器
50阻抗变换器
52第二电极
54压力隔离区
56输送导线
58管
60至 ΠΠ.
62孔
64第一导线弧
66第二导线弧
68内导体
70导线片
72电容器
74电容器
76空腔谐振器灯，HR灯
78环路形电极
80地电势板
82电极
84电极
权利要求
高频灯(10)，具有用于生成高频信号(14)的信号发生区(12)以及连接在所述信号发生区后面的电离室(16)，其中，所述信号产生区(12)具有能开关的高频振荡器(18)，并且在所述高频振荡器的输出端具有用于提高高频信号(14)的功率的功率放大器(20)，其中为具有至少一个填充有气体的玻壳(22)的所述电离室(16)分配至少一个电极(28)，并且其中在所述功率放大器(20)后面连接阻抗变换器(26)，所述阻抗变换器(26)在输出端与所述或每个电极(28)连接。
2.根据权利要求1所述的高频灯(10)，其中，所述信号发生区(12)还具有高频检测器(38)、处理单元(34)和连接在所述功 率放大器(20)后面、尤其是设置在所述功率放大器(20)和阻抗变换器(26)之间的耦接器 (36)，其中在高频灯(10)工作时在电极(28)处被反射的高频信号经由所述耦接器(36)能 馈送给所述高频检测器(38)，并且其中基于所述高频检测器(38)的输出信号能由所述处理单元(34)作为调节信号 (35)生成的控制信号能馈送给所述高频振荡器(18)，以基于反射的信号优化所述高频信 号(14)。
3.根据权利要求1所述的高频灯(10)，其中在所述高频振荡器(18)后面连接具有第 一分频器输出端(42)和第二信号分频器输出端(44)的信号分配器(40)，并且所述功率放 大器(20)连接到所述第一信号分配器输出端(42)，其中相移装置(46)、第二功率放大器 (48)、第二阻抗变换器(50)和第二电极(52) —个接一个地连接到所述第二信号分配器输 出端(44)。
4.根据权利要求1或2或者根据权利要求3所述的高频灯(10)，其中所述阻抗变换器 (26)或所述阻抗变换器(50)以及/或者所述第二阻抗变换器(50)具有单级的或多级的变 换作用段(56,66,64 ；70, 74,66,64) ο
5.根据前述权利要求中任一项所述的高频灯(10)，其中所述或每个电极(28)是介电 的，尤其是由被介电包层包围的金属芯构成。
6.根据前述权利要求中任一项所述的高频灯(10)，具有环路形电极(78)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的高频灯(10)，其中所述玻壳(22)被填充以至少 两种气体的混合物，尤其被填充以具有不同发射谱的正好三种气体。
8.根据前述权利要求中任一项所述的高频灯(10)，其中所述电离室(16)具有至少两 个玻壳(22)，尤其是三个玻壳(22)，所述玻壳分别被填充以具有不同的发射谱的气体，并 且其中为每个玻壳(22)分配用于馈送高频信号(14)的电极(28)。
9.一种用于操作按照权利要求1所述的高频灯(10)的方法，其中所述高频信号(14)由所述高频振荡器(18)生成，其中所述高频信号(14)的功率 被后面连接的功率放大器(20)提高，其中所述高频信号(14)被连接在所述功率放大器(20)后面的阻抗变换器(50)转换 到高电压范围中，并且其中转换后的高频信号(14)被馈送到所述电极(28)。
10.根据权利要求9所述的方法，用于操作根据权利要求2所述的高频灯(10)， 其中所述高频检测器(38)检测在所述高频灯(10)点亮时在所述电极(28)处被反射、并且经由所述耦接器(36)进一步传输的高频信号，并且其中所述处理单元(34)为了优化所述高频信号(14)，基于所述高频检测器(38)的 输出信号适配所述控制信号(32)，尤其是使所述控制信号改变一预给定的正的或负的值， 并且借助于所述控制信号(32)和所述高频检测器(38)的输出信号生成相应的调节信号 (35)。
11.根据权利要求9或10所述的方法，用于操作根据权利要求3所述的高频灯(10)， 其中所述信号分配器(40)从所述高频信号(14)划分第二高频信号(14')，特别是以以下方式进行划分，即作为高频信号(14)保留的高频信号和所述第二高频信号(14')至 少基本上是相同的，其中所述相移装置(46)对所述第二高频信号(14')进行移相，连接在后面的第二功 率放大器(48)提高移相后的第二高频信号(14')的功率，并且其中后面连接的第二阻抗变换器(50)单级或多级地对所得到的第二高频信号(14') 进行变换，并且将其进一步传递到所述第二电极(52)。
12.根据权利要求9，10或11的方法，其中所述阻抗变换器(26，50)单级或多级地对所 述高频信号进行变换。
13.根据要求9至12中任一项所述的方法，用于操作根据权利要求7所述的高频灯 (10)，其中至少两个高频信号(14)由所述高频振荡器(18)生成，并且被馈送到至少一个电 极(28)。
14.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，用于操作根据权利要求8所述的高频 灯(10)，其中由所述高频振荡器(18)生成至少两个高频信号(14)，并且每个高频信号(14) 被馈送给至少两个电极(28)中的正好一个。
15.一种显示设备，具有多个按行和列排列的按照权利要求7或8所述的高频灯(10)。
16.用于操作根据权利要求15所述的显示设备的方法，其中每个高频灯(10)按照根据 权利要求13或14所述的方法操作。
全文摘要
本发明提供了用于低压或高压应用的高频灯(10)的结构的一种新的构造及其操作方法，其尤其适合于针对效率、发射谱、成本和寿命对特性进行改善，其中基于连接在功率放大器(20)后面的阻抗变换器(26)，即使在高频功率非常小的情况下也不再需要使用触发单元，因为通过阻抗变换器实现将尽可能高的电压施加到电离室(16)。
文档编号H05B41/24GK101884250SQ200880117747
公开日2010年11月10日 申请日期2008年11月27日 优先权日2007年11月28日
发明者H·霍伊尔曼 申请人:第三专利投资有限两合公司