БЕЗЭЛЕКТРОДНАЯ ПЛАЗМЕННАЯ ЛАМПА (ВАРИАНТЫ)
ELECTRODELESS PLASMA LAMP (VERSIONS)

Область применения изобретения
Настоящее изобретение в общем имеет отношение к созданию систем и способов генерирования света, а более конкретно имеет отношение к созданию безэлектродных плазменных ламп.
Предпосылки к созданию изобретения
Безэлектродные плазменные лампы представляют собой источники точечного, яркого, белого света. Так как в плазменных лампах этого типа не используются электроды, то безэлектродные плазменные лампы часто имеют больший полезный срок службы, чем другие лампы. В безэлектродной плазменной лампе, ВЧ мощность может быть введена в заполнение в колбе, чтобы создать излучающую свет плазму.
Краткое описание чертежей
На фиг.1А схематично показано поперечное сечение плазменной лампы в соответствии с примерным вариантом.
На фиг.1В показано перспективное изображение корпуса лампы с цилиндрической внешней поверхностью в соответствии с примерным вариантом.
На фиг.1C показано перспективное изображение корпуса лампы с встроенным электромагнитным экраном в соответствии с примерным вариантом.
На фиг.1D показано перспективное изображение корпуса лампы в ограждении (в кожухе), с встроенным электромагнитным экраном в соответствии с примерным вариантом.
На фиг.1Е показано поперечное сечение корпуса лампы в ограждении и встроенного электромагнитного экрана в соответствии с другим примерным вариантом.
На фиг.1F показано поперечное сечение корпуса лампы в ограждении, с встроенным электромагнитным экраном, где показана область высоких электромагнитных помех, в соответствии с другим примерным вариантом.
На фиг.1G показана вертикальная проекция электромагнитного экрана в виде купола, в соответствии с примерным вариантом.
На фиг.1Н показана горизонтальная проекция другого электромагнитного экрана в виде купола в соответствии с примерным вариантом.
На фиг.1I показан вид в перспективе имеющего цилиндрическую форму электромагнитного экрана в соответствии с примерным вариантом.
На фиг.2А показан вид сбоку в разрезе колбы в соответствии с примерным вариантом.
На фиг.2В показан вид сбоку в разрезе колбы с хвостовиком в соответствии с примерным вариантом.
На фиг.2С показан спектр, полученный за счет заполнения в соответствии с примерным вариантом.
На фиг.3А показана блок-схема возбуждения для безэлектродной плазменной лампы в соответствии с примерным вариантом.
На фиг.3В показана блок-схема детектора ВЧ мощности в соответствии с примерным вариантом.
На фиг.3С показана блок-схема детектора ВЧ мощности лампы в соответствии с альтернативным примерным вариантом.
На фиг.4А-4Е показаны схемы последовательности операций способа запуска безэлектродной плазменной лампы в соответствии с примерным вариантом.
На фиг.5 показана схема последовательности операций способа, использованного для операции режима прогона (рабочего режима) безэлектродной плазменной лампы, в соответствии с примерным вариантом.
На фиг.6A-6D показаны примерные варианты использования регулировочного (настроечного) отверстия в корпусе лампы для согласования импедансов (полных сопротивлений) и/или для подстройки частоты.
Сущность изобретения
В примерном варианте осуществления настоящего изобретения раскрыта безэлектродная плазменная лампа. Безэлектродная плазменная лампа содержит резонансную конструкцию, имеющую четвертьволновый резонансный режим. Резонансная конструкция имеет внутренний проводник, внешний проводник и твердый диэлектрический материал между внутренним проводником и внешним проводником. Безэлектродная плазменная лампа дополнительно содержит источник ВЧ мощности, предназначенный для подачи ВЧ мощности в резонансную конструкцию, ориентировочно на резонансной частоте для четвертьволнового резонансного режима. Колба содержит заполнение, образующее плазму, когда ВЧ мощность подводят к заполнению. Колба расположена поблизости от непроводящей поверхности твердого диэлектрического материала. Электропроводящий выпуклый экран расположен поблизости от колбы, с выпуклой поверхностью экрана, наиболее удаленной от колбы.
В другом примерном варианте осуществления настоящего изобретения раскрыта безэлектродная плазменная лампа. Безэлектродная плазменная лампа содержит резонансную конструкцию, содержащую твердый диэлектрический материал, имеющий относительную диэлектрическую проницаемость больше чем 2, и по меньшей мере один проводящий материал поблизости от твердого диэлектрического материала. Источник ВЧ мощности служит для подачи ВЧ мощности в резонансную конструкцию на частоте, соответствующей длине волны в свободном пространстве при относительной диэлектрической проницаемости диэлектрического материала (λ). Колба содержит заполнение, образующее плазму, когда ВЧ мощность подводят к заполнению. Электропроводящий выпуклый экран расположен поблизости от колбы. Экран имеет выпуклую поверхность экрана, наиболее удаленную от колбы. Каждый из размеров резонансной конструкции (в том числе высота и ширина) составляет меньше чем λ/2. ВЧ мощность создают ориентировочно на резонансной частоте для резонансной конструкции.
В еще одном примерном варианте осуществления настоящего изобретения раскрыта безэлектродная плазменная лампа. Безэлектродная плазменная лампа содержит колбу, связанную с источником ВЧ мощности. Колба содержит заполнение, образующее плазму, когда ВЧ мощность подводят к заполнению. Электропроводящий выпуклый экран расположен поблизости от колбы, с выпуклой поверхностью экрана, наиболее удаленной от колбы. Безэлектродная плазменная лампа дополнительно содержит резонансную конструкцию, имеющую четвертьволновый резонансный режим. Резонансная конструкция содержит корпус лампы из диэлектрического материала, имеющего относительную диэлектрическую проницаемость больше чем 2, а также внутренний проводник и внешний проводник. Источник ВЧ мощности служит для подачи ВЧ мощности в корпус лампы на резонансной частоте для резонансной конструкции.
g
g
В еще одном примерном варианте осуществления настоящего изобретения раскрыта безэлектродная плазменная лампа. Безэлектродная плазменная лампа содержит резонансную конструкцию, содержащую твердый диэлектрический материал и по меньшей мере один проводящий материал поблизости от твердого диэлектрического материала. Источник ВЧ мощности подает ВЧ мощность в резонансную конструкцию на частоте, соответствующей длине волны в резонансной конструкции (λ). Безэлектродная плазменная лампа дополнительно содержит колбу, имеющую заполнение, которое образует плазму, когда ВЧ мощность подводят к заполнению. Электропроводящий выпуклый экран расположен поблизости от колбы, с выпуклой поверхностью экрана, наиболее удаленной от колбы. Каждый из размеров резонансной конструкции (в том числе высота и ширина) составляет меньше чем λ/2, a ВЧ мощность создают ориентировочно на резонансной частоте для резонансной конструкции.
g
g
В еще одном примерном варианте осуществления настоящего изобретения раскрыта безэлектродная плазменная лампа. Безэлектродная плазменная лампа содержит резонансную конструкцию, содержащую твердый диэлектрический материал и по меньшей мере один проводящий материал поблизости от твердого диэлектрического материала. Источник ВЧ мощности подает ВЧ мощность в резонансную конструкцию на частоте, соответствующей длине волны в резонансной конструкции (λ). Безэлектродная плазменная лампа дополнительно содержит колбу, имеющую заполнение, которое образует плазму, когда ВЧ мощность подводят к заполнению. Электропроводящий выпуклый экран расположен поблизости от колбы, с выпуклой поверхностью экрана, наиболее удаленной от колбы. Каждый из размеров резонансной конструкции (в том числе высота и ширина) составляет меньше чем λ/3, a ВЧ мощность создают ориентировочно на резонансной частоте для резонансной конструкции.
В еще одном примерном варианте осуществления настоящего изобретения раскрыта безэлектродная плазменная лампа. Безэлектродная плазменная лампа содержит резонансную конструкцию из диэлектрического материала и по меньшей мере одного проводящего материала поблизости от твердого диэлектрического материала. Резонансная конструкция подключена к источнику ВЧ мощности на частоте, соответствующей длине волны в свободном пространстве ориентировочно при относительной диэлектрической проницаемости диэлектрического материала. Средства для программирования ВЧ мощности позволяют иметь уровень мощности холостого режима, обеспечивающий ориентировочно нулевое время горячего повторного зажигания. Уровень мощности холостого режима и длительность могут быть сконфигурированы для того, чтобы позволить устойчивую ионизацию и быстрый прогрев лампы между сигналом выключения лампы и полным охлаждением источника разряда.
Подробное описание изобретения
Несмотря на то, что примерные варианты настоящего изобретения открыты для различных модификаций и использования альтернативных конструкций, далее будут подробно описаны варианты, показанные на чертежах. Однако следует иметь в виду, что эти варианты не предназначены для ограничения предмета изобретения специфическими описанными формами. Напротив, подразумевается, что предмет изобретения перекрывает все модификации, эквиваленты и альтернативные конструкции, которые соответствуют сущности изобретения и подпадают под объем патентных притязаний в соответствии с формулой изобретения.
На фиг.1А схематично показано поперечное сечение плазменной лампы 100 в соответствии с примерным вариантом. Это только пример, и другие плазменные лампы могут быть использованы в других вариантах осуществления изобретения, в том числе микроволновые или индуктивные плазменные лампы. В примере на фиг.1А, плазменная лампа 100 может иметь корпус 102 лампы, образованный из одного или нескольких твердых диэлектрических материалов, и колбу 104, расположенную рядом с корпусом 102 лампы. В одном примерном конструктивном варианте корпус 102 лампы изготовлен из твердого оксида алюминия, имеющего относительную диэлектрическую проницаемость около 9.2. Колба содержит заполнение, которое способно образовывать излучающую свет плазму. Схема 106 управления лампой подает ВЧ мощность в корпус 102 лампы, который, в свою очередь, связан с заполнением (которое четко не показано) в колбе 104, чтобы образовывать излучающую свет плазму. В соответствии с примерными конструктивными вариантами корпус 102 лампы образует резонансную конструкцию, которая удерживает ВЧ мощность и подает ее в заполнение в колбе 104.
В соответствии с примерными конструктивными вариантами корпус 102 лампы является относительно высоким и покрыт электропроводящим материалом. Выемка 118 образована внутри корпуса 102 лампы. Внешнее покрытие 108о на внешней стороне корпуса 102 лампы образует внешний проводник. Внутреннее покрытие 108i внутри выемки 118 образует внутренний проводник. Внешний проводник и внутренний проводник заземлены вместе при помощи проводящего покрытия на нижней части корпуса 102 лампы. Внешний проводник продолжается на верхней части корпуса 102 лампы и окружает колбу 104 поблизости от верхней части колбы 104 (несмотря на то, что участок колбы 104 выходит за внешний проводник). Внутренний проводник также вытянут в направлении колбы 104 и окружает колбу 104 поблизости от ее нижней части (несмотря на то, что участок колбы 104 выходит за внутренний проводник в выемку 118). Непокрытая поверхность 114 (или поверхности) корпуса 102 лампы не имеет покрытия из проводящего материала (так что внешний проводник и внутренний проводник образуют разомкнутый контур поблизости от колбы 104). Когда длина внутреннего проводника Н3 составляет около четверти длины волны ВЧ мощности в этой конструкции волновода (kg), тогда эта конструкция аппроксимирует четвертьволновый коаксиальный резонатор. Конец короткого замыкания четвертьволнового резонатора расположен вдоль нижней части корпуса 102 лампы, где внешнее покрытие 108о и внутреннее покрытие 108i заземлены вместе при помощи проводящего покрытия. Разомкнутый конец четвертьволнового резонатора расположен у непокрытой поверхности 114. Это контрастирует с более широкой и более короткой конфигурацией, которая аппроксимирует резонансную полость с половиной длины волны, а не четвертьволновый коаксиальный резонатор.
В примерном конструктивном варианте, показанном на фиг.1А, отверстие 110 проходит через тонкую область 112 корпуса 102 лампы. Поверхность 114 корпуса 102 лампы в отверстии 110 не имеет покрытия и по меньшей мере участок колбы 104 может быть расположен в отверстии 110, чтобы принимать мощность от корпуса 102 лампы. В соответствии с примерными конструктивными вариантами толщина Н2 тонкой области 112 может лежать в диапазоне от 1 мм до 15 мм или в любом другом указанном здесь диапазоне и может быть меньше чем внешняя длина и/или внутренняя длина колбы 104. Один или оба конца колбы 104 могут выступать из отверстия 110 и выходить за электропроводящее покрытие на внешней поверхности корпуса 102 лампы. Это помогает избежать повреждения концов колбы 104 (или колб, не показаны) плазмой высокой интенсивности, образованной поблизости от области, в которой мощность выходит из корпуса 102 лампы.
Внутренний и внешний проводники образуют емкостную область электрического поля высокой интенсивности в тонкой области 112 корпуса 102 лампы, поблизости от колбы 104. Это создает электрическое поле в колбе 104, которое в основном направлено вдоль центральной оси колбы 104, в основном параллельно цилиндрическим стенкам колбы 104. Однако так как концы колбы 104 выходят за внутренний и внешний проводники, электрическое поле и плазма будут заключены в первую очередь в средней области колбы 104 и не будут воздействовать на концы колбы 104 (что потенциально может повредить колбу). Тонкая область 112 диэлектрического материала, которая ограничена конфигурациями внутреннего и внешнего проводников, контролирует электрическое поле, приложенное к колбе 104.
g
g
g
В некоторых конструктивных вариантах высота HI составляет меньше чем λ/4 за счет емкости тонкой области 112. Частота, которая требуется для возбуждения специфического резонансного режима в корпусе 102 лампы, также обычно является обратно пропорциональной квадратному корню относительной диэлектрической проницаемости корпуса 102 лампы. В результате более высокая относительная диэлектрическая проницаемость позволяет использовать корпус лампы меньших размеров для специфического резонансного режима заданной частоты мощности (или позволяет использовать более низкую частоту для корпуса лампы данного размера). Кроме того, корпус 102 лампы может иметь размеры меньше чем половина длины волны ВЧ мощности в волноводе (меньше чем λ/2), в отличие от резонансной полости лампы. В соответствии с примерными конструктивными вариантами как высота, так и диаметр (или ширина) лампы составляют меньше чем λ/2 для резонансной конструкции. В соответствии с примерными конструктивными вариантами как высота H1, так и диаметр D1 (или ширина для прямоугольной и других конфигураций) лампы может быть меньше чем Ш в свободном пространстве для относительной диэлектрической проницаемости диэлектрического материала, использованного для изготовления корпуса 102 лампы. В некоторых конструктивных вариантах внутренний проводник и внешний проводник могут быть не параллельными и могут иметь наклон друг относительно друга или могут иметь сложную конфигурацию. В других конструктивных вариантах внешний проводник и/или внутренний проводник может быть прямоугольным или может иметь другую форму.
Программа для высокочастотного моделирования может быть использована для помощи при выборе материалов и формы корпуса 102 лампы и электропроводящего покрытия, чтобы получить желательные резонансные частоты и желательное распределение напряженности поля в корпусе 102 лампы. Желательные характеристики затем могут быть точно подстроены эмпирически.
Плазменная лампа 100 имеет штырь 120 возбуждения, вставленный в корпус 102 лампы, для подачи ВЧ мощности на корпус 102 лампы. Схема 106 возбуждения лампы, которая содержит источник энергии, такой как усилитель 124, может быть подключена к штырю 120 возбуждения, для подвода к нему ВЧ мощности. Усилитель 124 может быть подключен к штырю 120 возбуждения через согласующую цепь, такую как фильтр 126 нижних частот, для согласования импедансов (полных сопротивлений). В примерном конструктивном варианте схема 106 возбуждения лампы согласована с нагрузкой (образованной за счет корпуса 102 лампы, колбы 104 и плазмы), чтобы обеспечивать устойчивые рабочие состояния лампы. Схема 106 возбуждения лампы согласована с нагрузкой у штыря 120 возбуждения с использованием фильтра 126 нижних частот.
В соответствии с примерными конструктивными вариантами ВЧ мощность может быть создана на частоте (или поблизости от нее), которая резонирует внутри резонансной конструкции, образованной при помощи корпуса 102 лампы и внутреннего и внешнего проводников. В соответствии с примерными конструктивными вариантами ВЧ мощность может быть создана на частоте в диапазоне ориентировочно от 50 МГц до 10 ГГц или в любом другом указанном здесь диапазоне. ВЧ мощность может быть подана на штырь 120 возбуждения на резонансной частоте (или поблизости от нее) для корпуса 102 лампы. Эта частота может быть выбрана на основании размеров, формы и относительной диэлектрической проницаемости корпуса 102 лампы и длины внутреннего и внешнего проводников, чтобы создать резонанс. В соответствии с примерными конструктивными вариантами частота выбрана для четвертьволнового резонансного режима для резонансной конструкции. В соответствии с примерными конструктивными вариантами ВЧ мощность может быть приложена на резонансной частоте или в диапазоне от 0% до 10% выше или ниже резонансной частоты, или в любом другом указанном здесь диапазоне. В некоторых конструктивных вариантах ВЧ мощность может быть приложена в диапазоне от 0% до 5% выше или ниже резонансной частоты. В некоторых конструктивных вариантах ВЧ мощность может быть приложена на одной или нескольких частотах в диапазоне ориентировочно от 0 до 50 МГц выше или ниже резонансной частоты, или в любом другом указанном здесь диапазоне. В соответствии с другим примером ВЧ мощность может быть приложена на одной или нескольких частотах внутри резонансной полосы частот по меньшей мере для одного резонансного режима. Ширина резонансной полосы частот представляет собой полную ширину частот на половине максимальной амплитуды мощности на каждой стороне полосы резонансной частоты (на графике частоты в функции мощности для резонансной полости).
В соответствии с примерными конструктивными вариантами ВЧ мощность создает разряд излучающей свет плазмы в колбе 104. В соответствии с примерными конструктивными вариантами мощность подают за счет ВЧ волнового соединения. В соответствии с примерными конструктивными вариантами ВЧ мощность подают на частоте, которая ориентировочно образует стоячую четвертьволновую форму (четверть волны) в корпусе 102 лампы для специфической резонансной конструкции.
В примерном конструктивном варианте на фиг.1C показано перспективное изображение корпуса лампы с встроенным электромагнитным экраном, причем плазменная лампа объединена с электромагнитным экраном для снижения или устранения излучаемых электромагнитных помех. Экран содержит конус 101 и сетку 102, однако в других вариантах может быть использован только конус 101 или использована только сетка 102. Лампа получает некоторую степень экранирования от того и другого указанного элемента, поэтому в некоторых вариантах оба элемента могут не потребоваться.
Во многих применениях высокая степень экранирования может быть обеспечена за счет сетки 102 из проводящей проволоки. Так как сетка 102 стоит на пути света, это учитывают при обеспечении требуемой степени экранирования. Плотная сетка с небольшими промежутками между проволоками обеспечивает лучшее экранирование, но за счет ослабления силы света, который может проходить через сетку 102. Редкая сетка с большими промежутками между проволоками обеспечивает лучшее прохождение света, но не позволяет обеспечивать хорошее экранирование. Проволоки могут образовывать прямоугольную, шестиугольную или радиальную сетку, или сетку с любым геометрическим или негеометрическим рисунком, с однородными или неоднородными промежутками. Если использовать радиальную сетку или сетку с неоднородными промежутками, то плотность сетки и, следовательно, экранирование может быть повышено только в зонах с относительно сильными электрическими полями, без ухудшения прохождения света в зонах с относительно слабыми электрическими полями.
Конус 101 типично выполняет две функции и работает как отражатель света и экран электромагнитных помех. Конус 101 представляет собой, например, металлическое ограждение для электрических и магнитных полей, которое имеет выходной диаметр существенно меньше чем длина волны. Коэффициент формы конуса 101 выбирают из условий высокой эффективности экранирования, причем в соответствии с примерным вариантом, коэффициент формы 3:1 (отношение диаметра выходной апертуры к высоте) типично достаточен для достижения регулирующего согласования с сеткой 102 для лампы с мощностью меньше чем 400 Вт. Во многих практических конструкциях отражателей могут быть использованы меньшие коэффициенты формы, близкие к 1:1, так как в них часто используют сетку для обеспечения дополнительного экранирования. В этом конструктивном варианте конус 101 представляет собой истинный геометрический конус, в то время как в других вариантах он может быть цилиндрическим, расширяющимся конусом, может быть параболическим, эллиптическим, или может иметь любую другую форму, которая требуется для оптического проектирования отражателя. Лампа, сетка 102 и конус 101 могут быть герметизированы на любой границе раздела между компонентами при помощи проводящего уплотнения 103, 104 для снижения электромагнитных помех или при помощи прокладки. Проводящее уплотнение 103, 104 для снижения электромагнитных помех типично может быть изготовлено из небольших металлических пружин или же из губчатого эластомера с металлическим заполнением, такого как силиконовый каучук с заполнением из никеля и графита. Одной из задач проводящего уплотнения 103, 104 для снижения электромагнитных помех является создание низкого контактного сопротивления между смежными компонентами и дополнительное ослабление их долговременного разрушения, такого как за счет электрохимической коррозии металлических поверхностей.
В соответствии с примерными конструктивными вариантами сетка 102 может быть встроена в стеклянное окно, чтобы обеспечивать конструктивную поддержку для сетки 102. В таких конструктивных вариантах сетка 102 может быть запрессована в стекло или иным образом закреплена внутри стекла. В некоторых таких конструктивных вариантах сетка 102 может быть ламинирована, напечатана или иным образом нанесена на одну или обе поверхности стекла. В некоторых конструктивных вариантах сетка 102 может быть механически прижата к стеклу при помощи внешнего зажима или химически прикреплена, например, при помощи адгезива.
В примерном конструктивном варианте на фиг.1D показано перспективное изображение корпуса лампы в ограждении с встроенным электромагнитным экраном, причем лампа заключена в электропроводящем ограждении 201 или в кожухе. Конус 202 и сетка 203 выполняют одинаковые или аналогичные функции, однако уплотнение 204, 205, 206 для ослабления электромагнитных помех расположено иным образом по сравнению с вариантом, показанным на фиг.1C. Уплотнение 205 для ослабления электромагнитных помех образовано между электропроводящим ограждением 201 и конусом 202, в то время как уплотнение 204 для ослабления электромагнитных помех образовано между электропроводящим ограждением 201 и дисковым амортизатором. Дополнительное уплотнение 206 для ослабления электромагнитных помех образовано у сетки 203.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.1Е, на которой показано поперечное сечение корпуса лампы в ограждении и встроенного электромагнитного экрана. Лампа 140 содержит электропроводящее ограждение, корпус или теплоотвод 149. В этом конструктивном варианте встроенный электромагнитный экран содержит сетку 141 в виде купола и кольцевой фланец 143А. Несмотря на то, что для упрощения чертежа это и не показано, следует иметь в виду, что сетка 141 в виде купола содержит множество проволок (аналогично сеткам 102, 203), позволяющих эффективно снижать любое излучение электромагнитных помех. Различные примерные схемы расположения проволок описаны далее более подробно.
Кольцевой фланец 143А позволяет повысить прочность сетки 141 в виде купола, исключая или снижая ее деформацию во время установки встроенного электромагнитного экрана. Самый нижний участок кольцевого фланца 143А может работать как прокладка, которая снижает излучение электромагнитных помех от лампы 140.
Сетка 141 в виде купола может быть прижата или установлена иным образом, чтобы действовать как экран для ослабления электромагнитных помех. В примерном конструктивном варианте сетка 141 в виде купола может быть соединена с кольцевым фланцем 143А при помощи зажима, скоб, при помощи пайки, сварки, или при помощи других подходящих средств крепления. В дополнение к этому или вместо этого, кольцевой фланец 143А может быть прикреплен к сетке 141 в виде купола при помощи химических средств, таких как теплопроводящий адгезив, или при помощи механических средств, таких как механическая прессовая посадка.
Колба 147 установлена на дисковом амортизаторе 145. Колба 147 и дисковый амортизатор 145 могут быть аналогичны соответствующим компонентам, использованным в других описанных здесь конструктивных вариантах. Дисковый амортизатор 145 установлен внутри теплоотвода 149. Теплоотвод 149 служит для рассеивания любой теплоты, вырабатываемой дисковым амортизатором 145 и колбой 147. Кроме того, в этом конструктивном варианте кольцевая канавка 143В образована на самом верхнем участке теплоотвода 149. Кольцевая канавка 143В обеспечивает сопряжение с самым нижним участком кольцевого фланца 143А. В специфическом конструктивном варианте кольцевой фланец 143А может быть введен с прессовой посадкой в кольцевую канавку, что позволяет облегчить последующее удаление встроенного электромагнитного экрана, чтобы обеспечить доступ к колбе 147.
Несмотря на то, что самая верхняя поверхность дискового амортизатора 145 на фиг.1Е является главным образом копланарной с самой верхней поверхностью теплоотвода 149, такая ситуация легко может быть изменена. Например, верхняя поверхность дискового амортизатора 145 может быть расположена так, что образуется угол 150 (в кружке на фиг.1Е) от внешнего диаметра верхней поверхности дискового амортизатора 145 до внутреннего диаметра верхней поверхности теплоотвода 149, составляющий плюс или минус 15°. Если желательно дополнительное экранирование электромагнитных помех, которое зависит, например, от местного правового регулирования, касающегося характеристик излучения плазменных ламп, то верхняя поверхность дискового амортизатора 145 может быть опущена ниже верхней поверхности теплоотвода 149. Такая схема расположения позволяет обеспечивать дополнительное экранирование электромагнитных помех при ограничении потерь полезного света в видимой области от колбы 147.
Вновь обратимся к рассмотрению сетки 141 в виде купола. Как уже было указано здесь выше в качестве примера, редкая сетка с большими промежутками между проволоками обеспечивает лучшее прохождение света, но не позволяет обеспечивать хорошее экранирование. Проволоки могут образовывать прямоугольную, шестиугольную или радиальную сетку, или сетку с любым геометрическим или не геометрическим рисунком, с однородными или неоднородными промежутками. Если использовать радиальную сетку или сетку с неоднородными промежутками, то плотность сетки и, следовательно, экранирование может быть повышено только в зонах с относительно сильными электрическими полями, без ухудшения прохождения света в зонах с относительно слабыми электрическими полями. В специфических примерных вариантах открытая область сетки может составлять до 90%. Как правило, сетка с открытой областью в диапазоне от 70% до 90% имеет приемлемые потери излучения в видимой области спектра и все еще эффективно снижает излучения электромагнитных помех.
Сами по себе проволоки могут быть изготовлены из любого неокисляющегося металла или из другого электропроводящего материала при условии, что использованный для изготовления материал может выдерживать температуры, создаваемые колбой 147. Например, колба 147 может работать при температуре 850°С и может создавать температуры ориентировочно от 100°С до 150°С на расстоянии 25 мм от колбы 147. Таким образом, материалы, выбранные для изготовления проволок, должны выдерживать эти температуры. Могут быть использованы такие материалы, как термообработанные стали, например различные марки нержавеющей стали. Кроме того, могут быть использованы проволоки с покрытием, например, CuSil, или другие типы известных материалов с покрытием.
Сами по себе проволоки могут быть изготовлены в диапазоне размеров и промежутков между ними. Например, толщина проволоки (ее диаметр) может лежать в диапазоне от 1 до 20 мм, с промежутками между центрами соседних проволок ориентировочно от 1 мм до 5 мм. Кроме того, в дополнение к круглым проволокам также могут быть использованы проволоки с другим поперечным сечением, например с плоским, прямоугольным или трубчатым поперечным сечением. Кроме того, так как излучение электромагнитных помех рассеивается с расстоянием, сетка 141 в виде купола или сетка любой другой описанной здесь конструкции может иметь увеличенную открытую зону при увеличении расстояния от колбы 147. Такая схема расположения позволяет обеспечивать лучшее пропускание излучения в видимой области спектра в осевом направлении колбы 147, но одновременно все еще эффективно снижает излучение электромагнитных помех. Различные схемы расположения, в которых использована эта техника, описаны далее более подробно в качестве примера.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.1F, на которое показано поперечное сечение корпуса лампы в ограждении, с встроенным электромагнитным экраном, где показана область высоких электромагнитных помех. Сетка 141 в виде купола (см. фиг.1Е) прикреплена к теплоотводу 149. Показано несколько силовых линий 151 в дополнение к области 153 высоких электромагнитных помех. (Специалисты в данной области легко поймут, что область 153 высоких электромагнитных помех в действительности расположена в тороидальной области около колбы 147, а не просто в двух показанных местах.) Как уже было указано здесь выше, сетка 141 в виде купола и кольцевой фланец 143А могут по меньшей мере частично удерживать энергию электрического поля внутри сетки 141 в виде купола, поблизости от колбы 147, и препятствовать излучению энергии электрического поля наружу в направлении удаления от колбы 147 и дискового амортизатора 145. Даже за счет использования простой прессовой посадки между комбинацией сетки 141 в виде купола и кольцевого фланца 143А при сборке на теплоотводе 149 может быть получено относительно низкое контактное сопротивление, так что узел сетки и теплоотвод будут иметь непрерывное электрическое заземление. Таким образом, сетка 141 в виде купола может в основном удерживать электромагнитные помехи, излучаемые из колбы 147, но при этом излучение в видимой области спектра из колбы может проходить через сетку 141 в виде купола. Таким образом, описанная здесь выше комбинация толщины проволоки и промежутков между проволоками внутри сетки 141 в виде купола, позволяет управлять компромиссом между удержанием электромагнитных помех и пропусканием излучения в видимой области спектра. Кроме того, как уже было указано здесь выше, большая открытая зона увеличивает пропускание излучения в видимой области спектра, в то время как удержание электромагнитных помех ухудшается. Таким образом, различные конфигурации сетки для снижения электромагнитных помех могут быть использованы в различных применениях.
Например, как это показано в вертикальной проекции на фиг.1G, электромагнитный экран в виде купола содержит сетку 171 в виде купола, имеющую по существу эквидистантную сетку проволок. Однако, как уже было указано здесь выше со ссылкой на фиг.IF, область 153 высоких электромагнитных помех расположена ближе к колбе (не показанной на фиг.1G). Поэтому в горизонтальной проекции на фиг.1Н показан другой электромагнитный экран в виде купола, который содержит модифицированную сетку 173 в виде купола, в центральной области которой вообще нет проволок. Эта модифицированная сетка 173 в виде купола позволяет эффективно удерживать излучаемые из колбы электромагнитные помехи в области 153 высоких электромагнитных помех (см. фиг.1F), и одновременно не создает никакого ослабления излучения в видимой области спектра, направленного вдоль оси колбы. Следует иметь в виду, что кроме описанного здесь выше экрана в виде купола для снижения электромагнитных помех, могут быть использованы экраны и другой формы. Например, на фиг.1I показан вид в перспективе электромагнитного экрана цилиндрической формы. Примерный вариант содержит цилиндрический экран 175 для снижения электромагнитных помех. На основании проведенного здесь выше обсуждения, специалисты в данной области легко поймут, что могут быть использованы различные другие формы, такие как кубическая сетка, полупараболическая сетка и прямоугольная сетка (которые не показаны, но которые легко представить на основании проведенного здесь выше обсуждения) или различные другие конструкции. Такими другими конструкциями могут быть выпуклые электромагнитные экраны, причем выпуклой поверхностью считают внешнюю поверхность экрана. Кроме того, каждая из описанных здесь конструкций может быть изготовлена из проволок различного диаметра, с различными промежутками между проволоками, с использованием проволок с различным поперечным сечением, а также с использованием проволок, расположенных равномерно или не равномерно в радиальном направлении, а также может быть изготовлена с использованием матриц или других геометрических конструкций. Кроме того, различные комбинации этих конструкций сеток для снижения электромагнитных помех могут быть объединены с другими конструкциями в виде конусов, окон из стекла и т.п., как уже было указано здесь выше.
В соответствии с примерными конструктивными вариантами безэлектродная плазменная лампа может быть использована для уличного освещения и освещения площадей, для освещения при проведении развлекательных мероприятий, для архитектурного освещения или для других видов освещения. В соответствии со специфическими примерами лампу используют в уличных светильниках, в подвижных светильниках для развлекательных мероприятий, в фиксированных точечных светильниках, в светильниках для создания архитектурного освещения или в репортажных (event) светильниках.
3
3
2
2
2
2
На фиг.2А показан вид сбоку в разрезе колбы. В соответствии с некоторыми примерами колба может быть кварцевой, сапфировой, керамической или может быть изготовлена из другого подходящего материала, и может быть цилиндрической, может иметь форму в виде таблетки, может быть сферической, или может иметь другую желательную форму. В примерном конструктивном варианте колба является цилиндрической в центре и образует полусферы на каждом конце. В одном из примеров внешняя длина F (от одного конца до другого) составляет около 15 мм, а внешний диаметр (в центре) составляет около 5 мм. В этом примере внутренняя часть колбы (которая содержит заполнение) имеет внутреннюю длину Е около 9 мм и внутренний диаметр С (в центре) около 2.2 мм. Толщина В стенки вдоль боковых сторон цилиндрического участка составляет около 1.4 мм. Толщина D стенки у переднего конца составляет около 2.25 мм. Толщина стенки у другого конца составляет около 3.75 мм. В этом примере внутренний объем колбы составляет около 31.42 мм. В примерных вариантах, в которых мощность при работе в установившемся состоянии лежит в диапазоне ориентировочно от 150 до 200 Вт, получают удельную мощность в диапазоне ориентировочно от 4.77 Вт на мм до 6.37 Вт на мм (от 4770 до 6370 Вт на см); при другой мощности получают соответственно другую удельную мощность. В этом примерном конструктивном варианте площадь внутренней поверхности колбы составляет около 62.2 мм (0.622 см) и нагрузка на стенку (мощность на единицу площади внутренней поверхности) лежит в диапазоне ориентировочно от 2.41 Вт на мм до 3.22 Вт на мм (от 241 до 322 Вт на см).
3
3
3
2
2
2
2
В другом примерном варианте внутренняя часть колбы (которая содержит заполнение) имеет внутреннюю длину Е около 9 мм и внутренний диаметр С (в центре) около 2 мм. Толщина В стенки вдоль боковых сторон цилиндрического участка составляет около 1.5 мм. Толщина D стенки у переднего конца (через который свет выходит из лампы) составляет около 2.25 мм. В этом примерном конструктивном варианте внутренний объем колбы составляет около 26.18 мм. Толщина стенки у другого конца составляет около 3.75 мм. В примерных вариантах, в которых мощность при работе в установившемся состоянии лежит в диапазоне ориентировочно от 150 до 200 Вт, получают удельную мощность в диапазоне ориентировочно от 5.73 Вт на мм до 7.64 Вт на мм (от 5730 до 7640 Вт на см); при другой мощности получают соответственно другую удельную мощность. В этом примерном конструктивном варианте площадь внутренней поверхности колбы составляет около 56.5 мм (0.565 см) и нагрузка на стенку (мощность на единицу площади внутренней поверхности) лежит в диапазоне ориентировочно от 2.65 Вт на мм до 3.54 Вт на мм (от 265 до 354 Вт на см).
3
В другом примерном конструктивном варианте показанном на фиг.2 В, колба может иметь хвостовик, идущий от одного конца колбы. В некоторых конструктивных вариантах длина хвостовика (показанная как Н на фиг.2G) может быть ориентировочно от 2 мм до 25 мм. В некоторых примерных конструктивных вариантах могут быть использованы более длинные или более короткие хвостовики. В одном примерном конструктивном варианте длина хвостовика Н составляет около 9.5 мм. В этом примерном конструктивном варианте внешняя длина колбы (без хвостовика) составляет около 15 мм, а внешний диаметр (в центре) составляет около 5 мм. В этом примерном конструктивном варианте внутренняя часть колбы (которая содержит заполнение) имеет внутреннюю длину Е около 9 мм и внутренний диаметр С (в центре) около 2.2 мм. Толщина В стенки вдоль боковых сторон цилиндрического участка составляет около 1.4 мм. Толщина D стенки у переднего конца составляет около 2.25 мм. Радиус R составляет около 1.1 мм. В этом примерном конструктивном варианте внутренний объем колбы составляет около 31.42 мм. Хвостовик может быть образован с использованием кварцевой трубки, из которой изготавливают колбу. Трубку герметизируют у одного конца, образующего передний конец колбы. Колбу заполняют через открытый конец трубки и герметизируют. Герметизированную трубку затем опускают в ванну жидкого азота и используют горелку для сплющивания трубки у другого конца лампы, за счет чего герметизируют колбу и образуют хвостовик. Сплющенную трубку затем обрезают для получения желательной длины хвостовика.
В другом примерном конструктивном варианте, показанном на фиг.2 В, внутренней формой колбы может быть номинальный цилиндр с двумя полусферами на концах, имеющими ориентировочно такой же радиус, что и цилиндрическая часть. В этом примере внутренняя длина Е составляет около 14 мм, внутренний диаметр С составляет около 4 мм (с внутренним радиусом около 2 мм), внешний диаметр А составляет около 8 мм (с внешним радиусом около 4 мм), а длина колбы (без хвостовика) составляет около 20 мм. В этом примере длина хвостовика Н составляет около 10 мм.
В некоторых примерных конструктивных вариантах хвостовик может быть использован как световод для определения уровня света в колбе. Это может быть использовано для определения зажигания, пиковой яркости или другой информации относительно состояния лампы. Свет, проходящий через хвостовик, также может быть использован в схеме 106 возбуждения лампы (см. фиг.1А) для снижения яркости (в темнителях) и для других функций управления. Фотодиод (не показан) может быть использован для измерения света, проходящего из колбы через хвостовик. Сигнал с фотодиода затем может быть использован в схеме 106 возбуждения лампы для управления лампой. Задняя часть лампы может быть закрыта крышкой, чтобы исключить взаимодействие с внешним светом из окружающей среды. Это позволяет изолировать область, в которой фотодиод измеряет излучение лампы, и помогает исключить взаимодействие с излучением от передней стороны лампы.
В некоторых примерных конструктивных вариантах хвостовик может быть использован для выравнивания колбы и ее установки в заданное положение. Например, выемка 118 (см. фиг.1А) может быть заполнена порошком из оксида алюминия. Пластинка или цемент или другой материал могут быть использованы для того, чтобы закрыть заднюю сторону выемки 118 и удерживать порошок на месте. Этот слой образует жесткую конструкцию, в которой хвостовик колбы может быть установлен и закреплен в заданном положении относительно корпуса лампы. Например, слой цемента может быть нанесен на заднюю поверхность порошка, причем хвостовик колбы может быть введен в цемент ранее его схватывания. Затвердевший цемент удерживает колбу на месте и образует жесткий слой, закрепленный в заданном положении относительно корпуса лампы. В некоторых примерных конструктивных вариантах хвостовик также может обеспечивать дополнительный отвод теплоты от заднего конца колбы. В той степени, в которой дозовые количества приводят к образованию конденсированной ванны галоида металла в ходе работы лампы, хвостовик помогает образовать ванну в более холодной области у задней стороны колбы, а не у передней стороны колбы, через которую свет выходит из лампы.
3
3
3
3
2
2
2
2
2
2
2
В других примерных конструктивных вариантах колба может иметь внутреннюю ширину или диаметр в диапазоне ориентировочно от 2 до 30 мм (или в любом другом указанном здесь диапазоне), толщину стенки в диапазоне ориентировочно от 0.5 до 4 мм (или в любом другом указанном здесь диапазоне), и внутреннюю длину ориентировочно от 2 до 30 мм (или в любом другом указанном здесь диапазоне). В соответствии с примерными конструктивными вариантами внутренний объем колбы может лежать в диапазоне от 10 мм до 750 мм (или в любом другом указанном здесь диапазоне). В некоторых конструктивных вариантах внутренний объем колбы составляет ориентировочно меньше чем 100 мм. В примерных вариантах, в которых мощность при работе в установившемся состоянии лежит в диапазоне ориентировочно от 150 до 200 Вт, получают удельную мощность в диапазоне ориентировочно от 1.5 Вт на мм до 2 Вт на мм (от 1500 до 2000 Вт на см) (или в любом другом указанном здесь диапазоне). В этом примерном конструктивном варианте площадь внутренней поверхности колбы составляет около 55.3 мм (0.553 см) и нагрузка на стенку (мощность на единицу площади внутренней поверхности) лежит в диапазоне ориентировочно от 2.71 Вт на мм до 3.62 Вт на мм (от 271 до 362 Вт на см) (или в любом другом указанном здесь диапазоне). В некоторых конструктивных вариантах нагрузка на стенку (мощность на единицу площади внутренней поверхности) составляет 1 Вт на мм (100 Вт на см) или больше. Эти размеры колбы являются только примерными и в других вариантах могут быть использованы колбы, имеющие другие размеры. Например, в некоторых вариантах могут быть использованы уровни мощности при работе в установившемся состоянии, составляющие 400-500 Вт или больше, в зависимости от заданного применения.
85
85
85
3
3
В соответствии с примерными конструктивными вариантами колба 104 (см. фиг.1А) содержит заполнение, которое образует излучающую свет плазму, когда ВЧ мощность вводят в заполнение из корпуса 102 лампы. Заполнение может содержать благородный газ и галоид металла. Также могут быть использованы добавки, такие как ртуть. Также могут быть использованы ускорители зажигания. Для этого может быть использовано небольшое количество инертного радиоактивного излучателя, такого как Kr. В некоторых примерных конструктивных вариантах может быть использована комбинация галоидов металлов, чтобы получить желательный спектр и срок службы. В некоторых примерных конструктивных вариантах первый галоид металла используют в комбинации со вторым галоидом металла. В некоторых примерных конструктивных вариантах первый галоид металла представляет собой галоид алюминия, галоид галлия, галоид индия, галоид таллия и галоид цезия, а второй галоид металла представляет собой галоид металла из группы лантанидов. В соответствии с примерными конструктивными вариантами дозовое количество первого галоида металла лежит в диапазоне ориентировочно от 1 до 50 мкг на мм объема колбы (или в любом другом указанном здесь диапазоне), а дозовое количество второго галоида металла лежит в диапазоне ориентировочно от 1 до 50 мкг на мм объема колбы (или в любом другом указанном здесь диапазоне). В некоторых конструктивных вариантах как доза первого галоида металла, так и доза второго галоида металла лежит в диапазоне ориентировочно от 10 до 10,000 мкг (или в любом другом указанном здесь диапазоне). В соответствии с примерными конструктивными вариантами эти дозовые количества приводят к образованию конденсированной ванны галоида металла при работе лампы. Также могут быть использованы благородный газ и добавки, такие как ртуть. В соответствии с примерными конструктивными вариантами дозовое количество ртути лежит в диапазоне от 10 до 100 мкг ртути на мм объема колбы (или в любом другом указанном здесь диапазоне). В некоторых конструктивных вариантах доза ртути лежит в диапазоне ориентировочно от 0.5 до 5 мг (или в любом другом указанном здесь диапазоне). Также может быть использован ускоритель зажигания. Для этого может быть использовано небольшое количество инертного радиоактивного излучателя, такого как Kr. В некоторых примерных конструктивных вариантах Kr может быть использован в диапазоне ориентировочно от 5 нкюри до 1 мккюри (или в любом другом указанном здесь диапазоне).
В соответствии со специфическим примерным вариантом, заполнение содержит первый галоид металла, такой как иодид или бромид, в диапазоне ориентировочно от 0.05 мг до 0.3 мг (или в любом другом указанном здесь диапазоне), и второй галоид металла, такой как иодид или бромид, в диапазоне ориентировочно от 0.05 до 0.3 мг (или в любом другом указанном здесь диапазоне). В некоторых вариантах также могут быть использованы хлориды. В некоторых примерных конструктивных вариантах первый галоид металла и второй галоид металла используют в одинаковых количествах. В других конструктивных вариантах отношение первого галоида металла ко второму галоиду металла может быть 10:90, 20:80, 30:70,40:60, 60:40, 70:30, 80:20 или 90:10.
3
3
3
3
3
3
3
3
2
2
2
85
В некоторых примерных конструктивных вариантах первый галоид металла представляет собой галоид алюминия, галоид галлия, галоид индия или галоид таллия (или комбинации галоида алюминия, галоида галлия, галоида индия и/или галоида таллия). В некоторых примерных конструктивных вариантах первый галоид металла представляет собой галоид цезия (или галоид цезия в комбинации с галоидом алюминия, галоидом галлия, галоидом индия и/или галоидом таллия). В других примерных конструктивных вариантах доза не содержит никаких щелочных металлов. В некоторых примерных конструктивных вариантах второй галоид металла представляет собой галоид гольмия, галоид эрбия или галоид тулия (или комбинацию одного или нескольких этих галоидов металлов). В этих примерных конструктивных вариантах первый галоид металла может иметь дозовое количество в диапазоне ориентировочно от 0.3 мг/см до 3 мг/см (или в любом другом указанном здесь диапазоне), а второй галоид металла может иметь дозовое количество в диапазоне ориентировочно от 0.15 мг/см до 1.5 мг/см (или в любом другом указанном здесь диапазоне). В некоторых примерных конструктивных вариантах первый галоид металла может иметь дозовое количество в диапазоне ориентировочно от 0.9 мг/см до 1.5 мг/см(или в любом другом указанном здесь диапазоне), а второй галоид металла может иметь дозовое количество в диапазоне ориентировочно от 0.3 мг/см до 1 мг/см (или в любом другом указанном здесь диапазоне). В некоторых примерных конструктивных вариантах первый галоид металла имеет большее дозовое количество чем второй галоид металла. В некоторых примерах первый галоид металла представляет собой бромид алюминия или бромид индия, а второй галоид металла представляет собой бромид гольмия. В некоторых примерных конструктивных вариантах заполнение также содержит аргон или другой благородный газ под давлением в диапазоне ориентировочно от 50 до 760 торр (или в любом другом указанном здесь диапазоне). В некоторых примерных конструктивных вариантах давление составляет 100 торр или больше или 150 торр или больше, или может быть еще более высоким, как это описано далее более подробно. В одном примере может быть использован аргон под давлением 150 торр. Заполнение также может содержать ртуть и инертный радиоактивный излучатель, такой как Kr. В некоторых примерных конструктивных вариантах мощность 100 Вт или больше может быть приложена к лампе. В некоторых примерных конструктивных вариантах мощность в диапазоне ориентировочно от 150 до 200 Вт, например, 170 Вт, может быть приложена к лампе. Нагрузка на стенку может составлять 1 Вт на мм (100 Вт на см) или больше. Теплопроводящий материал, такой как порошок оксид алюминия, может быть введен в контакт с колбой, чтобы позволить использовать высокую нагрузку на стенку, как это описано далее более подробно. В некоторых примерных конструктивных вариантах как это описано далее более подробно, эти заполнения могут быть использованы для создания освещенностей в диапазоне от 15,000 до 20,000 лм (или в любом другом указанном здесь диапазоне), при работе с мощностью в диапазоне от 150 до 200 Вт (или в любом другом указанном здесь диапазоне). Это позволяет обеспечивать световую эффективность 100 лм на Вт или больше в некоторых вариантах. В примерных конструктивных вариантах также может быть обеспечена коррелированная цветовая температура в диапазоне от 4000°К до 10000°К (или в любом другом указанном здесь диапазоне), причем геометрия колбы позволяет создавать освещенность в диапазоне от 4500 до 5500 лм (или в любом другом указанном здесь диапазоне) в 27 мм стерадиане, при работе с мощностью в диапазоне от 150 до 200 Вт (или в любом другом указанном здесь диапазоне). В некоторых примерных конструктивных вариантах заполнение может быть выбрано для создания коррелированной цветовой температуры в диапазоне от 6000°К до 9000°К.
В других примерных конструктивных вариантах также могут быть использованы другие галоиды металлов, в том числе бромиды, иодиды и хлориды индия, алюминия, галлия, таллия, гольмия, диспрозия, церия, цезия, эрбия, тулия, лютеция и гадолиния. В других конструктивных вариантах также могут быть использованы другие галоиды металлов, в том числе бромиды, иодиды и хлориды натрия, кальция, стронция, иттрия, олова, сурьмы, тория, а также любые элементы из группы лантанидов.
В некоторых примерных конструктивных вариантах может быть использована комбинация галоидов металлов, чтобы получить желательный спектр. В некоторых примерах один или несколько галоидов металлов с сильным излучением в диапазоне синего цвета (такие как галоиды алюминия, цезия, галлия, индия и/или скандия) могут быть объединены с одним или несколькими галоидами металлов, чтобы усилить излучение в диапазоне красного цвета (с такими как галоиды натрия, кальция, стронция, гадолиния, диспрозия, гольмия, эрбия и/или тулия). В специфических примерных конструктивных вариантах заполнение может содержать (1) галоид алюминия и галоид гольмия; (2) галоид алюминия и галоид эрбия; (3) галоид галлия и галоид гольмия; (4) галоид галлия и галоид эрбия; (5) причем любое из этих заполнений дополнительно содержит галоид индия; (6) при этом любое из этих заполнений дополнительно содержит галоид щелочного металла, такой как галоид натрия или галоид цезия (однако в других примерах могут быть специфически исключены все щелочные металлы); и (7) причем любое из этих заполнений дополнительно содержит галоид церия.
3
3
3
В примерном конструктивном варианте галоид металла (галоиды металлов) может быть использован в диапазоне ориентировочно от 0.01 мг до 10 мг (или в любом другом указанном здесь диапазоне), а ртуть может быть использована в диапазоне ориентировочно от 0.01 до 10 мг (или в любом другом указанном здесь диапазоне). В соответствии с примерными конструктивными вариантами заполнение содержит от 1 до 100 мкг галоида металла на мм объема колбы, (или в любом другом указанном здесь диапазоне), от 1 до 100 мкг ртути на мм объема колбы (или в любом другом указанном здесь диапазоне), и от 5 нкюри до 1 мккюри радиоактивного ускорителя зажигания (или в любом другом указанном здесь диапазоне). В других примерах заполнение может содержать дозу одного или нескольких галоидов металлов в диапазоне ориентировочно от 1 до 100 мкг галоида металла на мм объема колбы, без ртути. В некоторых конструктивных вариантах в которых используют несколько галоидов металлов, полная доза может лежать в любом из указанных здесь выше диапазонов, а процентное содержание каждого галоида металла может лежать в диапазоне от 5% до 95% полной дозы (или в любом другом указанном здесь диапазоне).
Эти дозы приведены только для примера, и в других вариантах могут быть использованы другие дозы и/или иные материалы заполнения. В других конструктивных вариантах также могут быть использованы другие заполнения, такие как сера, селен или теллур. В некоторых примерах галоид металла, такой как бромид цезия, может быть добавлен для стабилизации разряда серы, селена или теллура. Галоид металла также может быть добавлен в содержащее серу, селен или теллур заполнение, чтобы изменить спектр разряда.
В некоторых примерных конструктивных вариантах используют имеющее высокое давление заполнение, чтобы повысить сопротивление газа. Это может быть использовано для снижения полного времени запуска, которое требуется для того, чтобы получить полную яркость при работе в установившемся состоянии. В одном примере благородный газ, такой как гелий, неон, аргон, криптон или ксенон, или другой главным образом не химически активный газ, такой как азот, или комбинацию этих газов используют при высоких давлениях в диапазоне от 200 торр до 3000 торр (или в любом другом указанном здесь диапазоне). Давления меньше чем или равные 760 торр могут быть желательны в некоторых вариантах для облегчения заполнения колбы при атмосферном давлении или ниже него. В специфических вариантах давления в диапазоне от 400 торр до 600 торр используют для улучшения запуска. В примере с заполнениями с высоким давлением также может быть использован галоид металла (или комбинация галоидов металлов, как уже было указано здесь выше) и ртуть, которая имеет относительно низкое давление насыщенного пара при комнатной температуре. Примерными заполнениями с использованием галоида металла и ртути являются (но без ограничения) заполнения, приведенные ниже в Таблице 1. Колба, описанная со ссылкой на фиг.2А или на фиг.2В, может быть использована с этими заполнениями в примерных вариантах. В одном примере колба имеет объем около 31.42 мм, как уже было указано здесь выше.
ТАБЛИЦА 1
Заполнение
InBr
DyI<sub>3</sub>
CeI<sub>3</sub>
HoBr<sub>3</sub>
AlBr<sub>3</sub>
ErBr<sub>3</sub>
GdI<sub>3</sub>
HoI<sub>3</sub>
Hg
#1
0.1 мг
0.1 мг
0
0
0
0
0
0
2.7 мг
#2
0.1 мг
0
0.1 мг
0
0
0
0
0
2.7 мг
#3
0
0
0
0.05 мг
0.05 мг
0
0
0
1.35 мг
#4
0.1 мг
0
0
0
0.1 мг
0
0
0
2.7 мг
#5
0.1 мг
0
0
0
0
0
0.1 мг
0
2.7 мг
#6
0.1 мг
0
0
0
0
0
0
0.1 мг
2.7 мг
#7
0.1 мг
0
0
0
0
0
0
0
1.6 мг
#8
0
0
0
0
0.05 мг
0.05 мг
0
0
1.35 мг
#9
0.03 мг
0
0
0.01 мг
0
0
0
0
1.4 мг
#10
0.03 мг
0
0
0.03 мг
0
0
0
0
1.4 мг
#11
0.05 мг
0
0
0.01 мг
0
0
0
0
1.4 мг
#12
0.05 мг
0
0
0.03 мг
0
0
0
0
1.4 мг
85
В соответствии с примерными конструктивными вариантами эти дозовые количества приводят к образованию конденсированной ванны галоида металла при работе лампы. Эти заполнения также могут быть использованы без ртути в некоторых конструктивных вариантах. В этих примерах используют аргон или криптон под давлением в диапазоне ориентировочно от 50 торр до 760 торр в зависимости от желательной характеристики запуска. В некоторых конструктивных вариантах могут быть использованы более высокие давления. Начальный пробой благородного газа является более трудным при более высоком давлении, однако при этом снижается полное время прогрева, которое требуется для значительного испарения заполнения и достижения пикой яркости. Указанные здесь выше заполнения могут быть использованы совместно с усилителем зажигания или без него. В некоторых конструктивных вариантах эти заполнения содержат Kr в диапазоне ориентировочно от 5 нкюри до 1 мккюри (или в любом другом указанном здесь диапазоне). Более высокие уровни усилителя зажигания могут быть использованы для создания почти мгновенного зажигания. Указанные здесь выше давления измеряют при 22°С (например, ориентировочно при комнатной температуре). Следует иметь в виду, что намного более высокие давления достигаются при рабочих температурах после образования плазмы. Например, лампа может иметь разряд высокой интенсивности при высоком давлении во время работы (например, больше чем 2 атмосферы и от 10 до 100 атмосфер в примерных вариантах (или в любом другом указанном здесь диапазоне)). Эти давления и заполнения являются только примерными и в других примерных конструктивных вариантах могут быть использованы другие давления и заполнения.
3
В специфическом примерном конструктивном варианте заполнение содержит около 0.5 мкл Hg, около 0.1 мг InBr и около 0.01 мг HoBr. В этом примере, как это показано на фиг.2В, внутренней формой колбы может быть номинальный цилиндр с двумя полусферами на концах, имеющими ориентировочно такой же радиус, что и цилиндрическая часть, с внутренней длиной Е около 14 мм, с внутренним диаметром С около 4 мм (с внутренним радиусом около 2 мм), с внешним диаметром А около 8 мм (с внешним радиусом около 4 мм), и с длиной колбы (без хвостовика) около 20 мм. В этом примере длина хвостовика Н составляет около 10 мм.
3
3
3
3
85
В другом примере колба имеет объем около 31.42 мм и заполнение содержит 0.01 мг InBr и 0.005 мг HoBr. В другом примерном конструктивном варианте колба имеет объем около 31.42 мм и заполнение содержит 0.01 мг InBr и 0.005 мг ErBr. Эти заполнения также могут иметь 1.4 мг ртути или могут не иметь ртути в некоторых примерных конструктивных вариантах. Заполнение также может содержать Kr в качестве ускорителя зажигания, в указанных здесь выше дозовых диапазонах. В этом примерном конструктивном варианте аргон или криптон используют под давлением в диапазоне ориентировочно от 100 торр до 200 торр, в зависимости от желательной характеристики зажигания. В некоторых вариантах могут быть использованы более высокие или более низкие давления. Начальный пробой благородного газа является более трудным при более высоком давлении, однако при этом снижается полное время прогрева, которое требуется для значительного испарения заполнения и достижения пикой яркости
3
2
2
На фиг.2С показан примерный вариант спектра, полученного за счет заполнения, имеющего спектральное распределение мощности 202, для лампы типа показанной на фиг.1А, содержащей примерное InBr/HoBr заполнение, мкВт/нм, для света, собранного в 27 мм стерадиан, при рабочей мощности около 140 Вт, приложенной к лампе. Спектральное распределение мощности 204 для содержащего бромид индия заполнения показано для сравнения. Как это показано на фиг.2С, содержащее бромид индия и бромид гольмия заполнение обеспечивает более яркий и лучше сбалансированный спектр. Например, полная мощность излучения в диапазоне ориентировочно от 300 нм до 1000 нм, собранная в 27 ммстерадиан, при рабочей мощности около 140 Вт, приложенной к лампе, составляет около 20.2 Вт по сравнению с 17.2 Вт для заполнения, содержащего только бромид индия. В диапазоне от 320 нм до 400 нм (часть ближнего УФ спектра, которая может быть полезна для возбуждения флуоресценции), собранная мощность излучения составляет около 1.8 Вт для In/Ho заполнения и 1.02 Вт только для In заполнения. В диапазоне от 400 нм до 700 нм (излучение в видимой области спектра), собранная мощность излучения составляет около 15.9 Вт для In/Ho заполнения и 12.7 Вт только для In заполнения. Каждая указанная выше мощность может быть выражена в процентах полной собранной мощности излучения в диапазоне от 300 до 1000 нм в 27 мм стерадиан, а также в процентах входной мощности лампы (в данном случае составляющей около 140 Вт). Кроме того, цветопередача для содержащего индий и гольмий заполнения составляет больше чем 95% (около 97% в некоторых вариантах), по сравнению с цветопередачей в диапазоне от 85% до 89% для содержащих только индий заполнений. В соответствии с примерными конструктивными вариантами указанные характеристики получены для собранного света в 30 мм стерадиан или меньше.
Плазменная дуга, полученная в примерных вариантах устройства, является стабильной, с малыми шумами. Мощность подают из корпуса лампы симметрично в центральную область колбы, так что отсутствует ее возмущение за счет электродов в колбе (или за счет деградации этих электродов).
Далее будет описана схема возбуждения и работа примерной лампы с совместной ссылкой на фиг.1А и на фиг.3А. Схема 106 возбуждения содержит генератор 130, управляемый напряжением (ГУН), ВЧ модулятор 135, аттенюатор 137, усилитель 124, фильтр 126 нижних частот, датчик 136 тока, микропроцессор 132 или другой контроллер, и детектор 134 ВЧ мощности. ГУН 130 используют для подвода к лампе ВЧ мощности на желательной частоте под управлением микропроцессора 132. ВЧ мощность усиливается усилителем 124 и поступает в корпус 102 лампы через фильтр 126 нижних частот. Датчик 136 тока и детектор 134 ВЧ мощности могут быть использованы для измерения уровня тока и отраженной мощности, чтобы определить режим работы лампы. Микропроцессор 132 использует информацию от датчика 136 тока и от детектора 134 ВЧ мощности для управления ГУН 130, ВЧ модулятором 135 и аттенюатором 137 во время запуска и работы лампы, в том числе при запуске, при работе в установившемся состоянии и при регулировке яркости (dimming), а также выполняет другие функции управления. В некоторых конструктивных вариантах микропроцессор 132 может также управлять коэффициентом усиления усилителя 124.
Подводимой к корпусу 102 лампы мощностью может управлять схема 106 возбуждения лампы, которая создает заданную последовательность запуска для зажигания плазмы. После зажигания плазмы и разогрева в ходе процесса запуска, импеданс и рабочие характеристики лампы изменяются. Для эффективной передачи мощности при работе лампы в установившемся состоянии, импеданс схемы 106 возбуждения лампы должен быть согласован с нагрузкой в установившемся состоянии, образованной корпусом 102 лампы, колбой 104 и плазмой после ее зажигания и достижения рабочих характеристик установившегося состояния. Это позволяет эффективно (при критической связи) передавать мощность от схемы 106 возбуждения лампы на корпус 102 лампы и в плазму при работе в установившемся состоянии. Однако в примером конструктивном варианте мощность от схемы 106 возбуждения лампы подается на корпус 102 лампы с избыточной связью при зажигании и во время разогрева плазмы.
Как уже было описано здесь выше со ссылкой на фиг.3А, ГУН 130 подает ВЧ мощность на желательной частоте в усилитель 124 (например, в многокаскадный усилитель). В этом примере усилитель 124 содержит предварительный формирователь 124а, формирователь 124b и каскад 124 с усиления (собственно усилитель), управляемые микропроцессором 132. В некоторых конструктивных вариантах каскад 124 с усиления может содержать два параллельных каскада усиления (при этом входной сигнал расщепляется и поступает параллельно на оба каскада усиления, а их выходные сигналы объединяются на выходе усилителя). Усиленная ВЧ мощность подводится через фильтр 126 нижних частот к штырю 120 возбуждения, вставленному в корпус 102 лампы. Датчик 136 тока измеряет ток в схеме 106 возбуждения лампы и подает информацию о токе в микропроцессор 132. Детектор 134 ВЧ мощности (который содержит ответвитель 134а и ВЧ детекторы 134b) измеряет отраженную или обратную мощность от корпуса 102 лампы и подает эту информацию в микропроцессор 132. Микропроцессор 132 использует указанную входную информацию для управления ВЧ модулятором 135 и аттенюатором 137. Микропроцессор также использует эту информацию для управления частотой ГУН 130. Цепь 331 расширения спектра между микропроцессором 132 и ГУН 130 может быть использован для регулировки сигнала, поступающего на ГУН 130, чтобы распределять частоты по диапазону, для снижения электромагнитных помех, как это описано далее более подробно.
m
m
m
m
m
На фиг.3В показана блок-схема детектора 134 ВЧ мощности, который может быть использован в некоторых конструктивных вариантах. Блок-схема содержит ВЧ входной порт 301, связанный с выходом усилителя, ВЧ выходной порт 302, связанный с корпусом 102 лампы, выходной порт 303 постоянного тока для детектирования мощности в прямом направлении, и выходной порт 304 постоянного тока для детектирования отраженной мощности. Примерный контур также содержит отрезок 50-омной микрополосковой линии 305 для переноса мощности в прямом направлении и отраженной мощности. Далее используют символ λ для обозначения длины волны сигнала в 50-омной микрополосковой линии 305. В соответствии с примерными конструктивными вариантами эта длина не должна быть внутри около λ/20 любых кратных λ/2 для надлежащей работы примерной схемы. В соответствии с примерными конструктивными вариантами длина представляет собой нечетное кратное λ/4, однако возможны и промежуточные длины, что позволяет уменьшить размер схемы. Схема также содержит соответствующую длину 50-омной микрополосковой линии 306 для прохода небольшого образца мощности в прямом направлении и отраженной мощности. В соответствии с примерными конструктивными вариантами полная электрическая длина 50-омной микрополосковой линии 306 должна быть около ∠306=∠305+λ/2 50-омной микрополосковой линии 306. В этом примерном конструктивном варианте 50-омные микрополосковые линии 305, 306 изолированы друг от друга, типично с развязкой лучше чем 40 дБ на ВЧ частоте.
Примерная схема также содержит заземленную медную шину 307 между 50-омными микрополосковыми линиями 305, 306, предназначенную для создания требуемой изоляции при компактной компоновке. Альтернативно, 50-омные микрополосковые линии 305, 306 могут быть смещены друг от друга, типично на расстояние по меньшей мере в 5 раз больше ширины 50-омной микрополосковой линии, измеренное от кромки 50-омной микрополосковой линии 305 до ближайшей кромки 50-омной микрополосковой линии 306. Схема также содержит конденсаторы 308, 309 для отбора проб ВЧ мощности от 50-омной микрополосковой линии 305 и передачи небольшой величины этой мощности на 50-омную микрополосковую линию 306. Типичные номиналы конденсаторов 308, 309 для отбора лежат в диапазоне от 0.1 пФ до 1.0 пФ. В некоторых конструктивных вариантах каждый из конденсаторов 308, 309 для отбора может иметь два или несколько индивидуальных конденсаторов, включенных последовательно, чтобы не превышать напряжение пробоя компонентов. Схема также содержит аттенюаторы 310, 311 с 50-омным входным и выходным импедансами, которые имеют типичное ослабление 10 дБ. Это могут быть стандартные п- или т-образные резисторные аттенюаторы. На фиг.3В показана п-образная конфигурация. Детекторные схемы 312, 313 преобразуют ВЧ мощность в напряжение постоянного тока. Это могут быть стандартные детекторы с одним диодом, как это показано в примерной схеме на фиг.3В, с входным дросселем для заземления видеосигналов, с последовательным диодом, выходным конденсатором для ВЧ заземления и с выходным нагрузочным резистором.
m
m
На фиг.3С показана блок-схема альтернативного варианта детектора ВЧ мощности. В этом конструктивном варианте использованы компоненты, такие же как в схеме на фиг.3В или аналогичные им, за исключением того, что 50-омная микрополосковая линия 306 содержит первую микрополосковую линию 314, вторую микрополосковую линию 315 и LC цепь 316 нижних частот. Полная электрическая длина линии 306 все еще равна ∠306=∠305+λ/2. Однако LC цепь 316 нижних частот имеет намного большую фазовую длину по сравнению с микрополосковой линией, физическая длина которой равна физической длине LC цепи 316 нижних частот. Это позволяет сделать 50-омную микрополосковую линию 306 физически очень короткой, но при удовлетворении условия фазовой длины. Типично, 50-омные микрополосковые линии 305, 306 будут иметь ориентировочно одинаковую физическую длину, несмотря на дополнительную λ/2 электрическую длину 50-омной микрополосковой линии 306.
В этом примерном конструктивном варианте в LC цепи 316 нижних частот используют эффект "замедления волны" сосредоточенных цепей нижних частот, чтобы получить большой фазовый сдвиг в малом пространстве. Значения L и С выбирают так, чтобы удовлетворить фазовые требования 50-омной микрополосковой линии 306, а также для того, чтобы создать 50-омный входной и выходной импеданс на рабочей частоте.
m
m
Теперь будет описана работа примерной схемы детектора мощности. Примерная схема работает на основании усиливающей интерференции и ослабляющей интерференции сигналов, в зависимости от пути прохождения сигналов между портами 301-304. В этом примере используют оптимальное значение ∠305=λ/4. Предположим, что мощность в прямом направлении, поступающая от усилителя, входит в схему через ВЧ входной порт 301, и определим, что происходит у выходного порта 303 постоянного тока за счет этой мощности. Первая выборка мощности в прямом направлении поступает в выходной порт 303 постоянного тока через выборочный конденсатор 308 с фазовым сдвигом ∠308. Вторая выборка мощности в прямом направлении поступает в выходной порт 303 постоянного тока через 50-омную микрополосковую линию 305, выборочный конденсатор 309 и 50-омную микрополосковую линию 306, с фазовым сдвигом ∠305+∠309+∠306. Так как ∠308=∠309 (конденсаторы одинаковые), то отношение фаз двух выборок у выходного порта 303 постоянного тока соответствует отношению нуля к ∠305+∠306. За счет фазовых требований примерной схемы отношение фаз становится равным ∠0 к 3λ/4. Таким образом, будет некоторая усиливающая интерференция у выходного порта 303 постоянного тока за счет ввода у ВЧ входного порта 301.
Предположим теперь, что мощность в прямом направлении, поступающая от усилителя, входит в схему через ВЧ входной порт 301, и определим, что происходит у выходного порта 304 постоянного тока за счет этой мощности. Первая выборка мощности в прямом направлении поступает в выходной порт 304 постоянного тока через выборочный конденсатор 308 и 50-омную микрополосковую линию 306, с фазовым сдвигом ∠308+∠306.
g
Вторая выборка мощности в прямом направлении поступает в выходной порт 304 постоянного тока через 50-омную микрополосковую линию 305 и выборочный конденсатор 309, с фазовым сдвигом ∠305+∠309. Так как ∠308=∠309 (конденсаторы одинаковые), то отношение фаз двух выборок у выходного порта 304 постоянного тока будет равно отношению z 305 к z 306. За счет фазовых требований примерной схемы, отношение фаз становится равным ∠0 к λ/2. Таким образом, будет полная ослабляющая интерференция у выходного порта 304 постоянного тока за счет ввода у ВЧ входного порта 301.
Так как примерная схема является симметричной, то аналогичным образом может быть показано, что отраженная мощность от корпуса 102 лампы, которая поступает в схему у ВЧ выходного порта 302, имеет некоторую комбинацию по фазе у выходного порта 304 постоянного тока, и имеет полное несовпадение фазы у выходного порта 303 постоянного тока. Таким образом, выходной порт 303 постоянного тока обеспечивает выход мощности в прямом направлении, а выходной порт 304 постоянного тока обеспечивает выход отраженной мощности.
В этом примерном конструктивном варианте оптимальная электрическая длина 50-омной микрополосковой линии 305, так как нечетное кратное W образует входной импеданс схемы у ВЧ входного порта 301 или у ВЧ выходного порта 302, составляет 50 Ом на рабочей частоте. Любой другой выбор делает входной импеданс несколько отличающимся от 50 Ом, однако это различие является небольшим, если выборочные конденсаторы 308, 309 имеют небольшие номиналы. Их типичные значения при 450 МГц составляют, например, 0.5 пФ.
Схемы сопряжения, описанные со ссылкой на фиг.3А и 3В, являются предпочтительными по сравнению с другими схемами сопряжения. При обнаружении частоты резонансной нагрузки, импеданс нагрузки может существенно изменяться при изменении частоты, что ухудшает характеристики схемы сопряжения. В частности, такой известный параметр схемы сопряжения как направленность, ухудшается при попытке измерения отраженной мощности от резонансной нагрузки, которая возбуждена с не резонансной частотой. Плохая направленность означает, что мощность в прямом направлении имеет "утечку" в детектор отраженной мощности, что искажает измерения. В схемах сопряжения, описанных со ссылкой на фиг.3В и 3С, эта проблема исключена.
g
Кроме того, размеры схемы сопряжения, описанной со ссылкой на фиг.3В и 3С, могут быть сделаны очень небольшими, даже при низких частотах (при больших λ), за счет минимальных ограничений фазовой длины 50-омных микрополосковых линий 305, 306, а также за счет того, что 50-омная микрополосковая линия 306 может быть физически укорочена за счет использования LC цепи 316 нижних частот, при поддержании требуемой электрической длины. Несмотря на то, что примерные варианты этой схемы сопряжения могут не обеспечивать точность, которая требуется в некоторых применениях, эти варианты могут быть использованы для определения с достаточной точностью того, что нагрузка находится в резонансе или не в резонансе, например, для вариантов лампы, и при низкой стоимости.
Теперь будет описана работа примерной схемы возбуждения для лампы во время зажигания, прогрева и рабочих режимов. Во время зажигания микропроцессор 132 увеличивает частоту ГУН 130 в диапазоне частот, пока не будет обнаружено зажигание за счет резкого падения отраженной мощности от детектора 134 ВЧ мощности.
Микропроцессор 132 также регулирует ВЧ модулятор 135 и аттенюатор 137 на основании сигналов датчика 136 тока, чтобы поддерживать желательный уровень тока в схеме. После обнаружения заданного падения отраженного уровня мощности, что свидетельствует о зажигании, микропроцессор 132 переходит в состояние прогрева. Во время прогрева микропроцессор 132 увеличивает частоту ГУН 130 в заданном диапазоне и хранит отраженную мощность от детектора при каждой частоте. Микропроцессор 132 затем регулирует частоту так, чтобы получить самую низкую отраженную мощность. Когда детектор определяет, что отраженная мощность находится ниже порогового уровня, что свидетельствует об окончании прогрева, тогда микропроцессор 132 переходит в режим прогона. В режиме прогона микропроцессор 132 регулирует частоту вверх и вниз с небольшими приращениями и определяет, какая частота позволяет получить заданный уровень отраженной мощности с минимальным током.
В некоторых конструктивных вариантах пульсирующий ток может быть использован для обнаружения в схеме 106 возбуждения лампы вместо отраженной мощности или в дополнение к ней. Когда частота ГУН 130 изменяется (например, когда используют схему 331 расширения спектра) и схема смещена от резонансной частоты, пульсирующий ток возникает в некоторых примерных конструктивных вариантах. Изменения тока возрастают при удалении частоты от резонансной частоты. Это создает пульсации, когда спектр частот расширяется при помощи схемы 331 расширения спектра. Как и раньше, частота ГУН 130 может нарастать с малыми приращениями, чтобы обнаружить частоту наименьшего пульсирующего тока, причем сравнение пульсирующего тока с пороговыми значениями позволяет определить режимы зажигания, прогрева и прогона. В соответствии с примерными конструктивными вариантами пульсирующий ток может быть использован для нахождения и регулировки рабочих характеристик лампы, вместо уровней ВЧ мощности и/или вместо фотодетектора (или в дополнение к ним). В некоторых случаях пульсирующий ток может иметь лучшую корреляцию с некоторыми рабочими режимами лампы, которые обнаруживают при помощи схемы 106 возбуждения лампы, а обратная мощность может иметь лучшую корреляцию с другими рабочими режимами лампы, которые обнаруживают при помощи схемы 106 возбуждения лампы. В этом случае могут быть использованы как пульсирующий ток, так и отраженная мощность, когда это подходит, для определения рабочих режимов лампы и для регулировки лампы. Рабочими режимами лампы, которые могут быть обнаружены при помощи схемы 106 возбуждения лампы (с использованием микропроцессора 132, регулирующего работу схемы 106 возбуждения лампы), могут быть, например, зажигание, прогрев и режимы прогона, режимы отказа (например, когда лампа погасает после зажигания без ее выключения), а также режимы регулировки яркости.
В некоторых конструктивных вариантах обратная мощность и/или пульсирующий ток могут быть использованы для управления схемой 106 возбуждения лампы без фотодетектора, который измеряет свет от лампы. Этот подход позволяет облегчить использование лампы в конфигурациях, в которых корпус 102 лампы и схема 106 возбуждения лампы находятся на удалении друг от друга. Например, коаксиальный кабель или другая линия передачи могут быть использованы для передачи мощности от схемы 106 возбуждения лампы на штырь 120 возбуждения и корпус 102 лампы. В некоторых конфигурациях, например, для уличного освещения и освещения площадей, схема 106 возбуждения лампы и другая электроника могут быть расположены в корпусе, удаленном от корпуса 102 лампы и/или от арматуры, удерживающей корпус 102 лампы. Может быть использован кабель для подачи ВЧ мощности на штырь 120 возбуждения и на корпус 102 лампы. В некоторых из этих конструктивных вариантов, может быть трудно канализировать свет с выхода лампы назад на схему 106 возбуждения лампы. Использование пульсирующего тока и/или отраженной мощности для управления схемой 106 возбуждения позволяет решить эту задачу.
В некоторых конструктивных вариантах лампа может быть переключена на меньшие уровни яркости, которые составляют меньше чем 10%, 5% или 1% пиковой яркости или еще меньше в некоторых конструктивных вариантах. В некоторых конструктивных вариантах после получения команды на снижение яркости, микропроцессор 132 производит регулировку аттенюатора 137 (и/или производит регулировку коэффициента усиления усилителя в некоторых конструктивных вариантах), чтобы понизить яркость лампы. Микропроцессор 132 также продолжает производить небольшие подстройки частоты, чтобы оптимизировать частоту для нового заданного отраженного уровня мощности в желательных рабочих режимах.
В альтернативном конструктивном варианте яркость лампы может быть уменьшена с использованием широтно-импульсной модуляции. Мощность может пульсировать с высокой частотой при различных коэффициентах заполнения, чтобы получить снижение яркости. Например, в некоторых конструктивных вариантах широтно-импульсная модуляция может происходить на частоте в диапазоне от 1 кГц до 1000 кГц (или в любом другом указанном здесь диапазоне). В одном примере может быть использована работа в импульсном режиме при частоте около 10 кГц. Это дает период около 0.1 мс (100 мкс). В другом примере может быть использована работа в импульсном режиме при частоте около 500 кГц. Это дает период около 2 мкс. В других примерах период может лежать в диапазоне ориентировочно от 1 мс (при 1 кГц) до 1 мкс (при 1000 кГц) (или в любом другом указанном здесь диапазоне). Однако время отклика плазмы является большим, так что широтно-импульсная модуляция не выключает лампу. Скорее, средняя мощность, подводимая к лампе, может быть снижена за счет выключения мощности во время части периода в соответствии с коэффициентом заполнения. Например, микропроцессор 132 может выключать ГУН 130 во время части периода, чтобы понизить среднюю мощность, подводимую к лампе. Альтернативно, может быть использован аттенюатор между ГУН 130 и усилителем 124 для отключения мощности. В других конструктивных вариантах микропроцессор 132 может включать и выключать один из каскадов малой мощности усилителя 124, например, предварительный формирователь 124а. Например, если коэффициент заполнения составляет 50%, мощность будет отключена в течение половины времени и средняя мощность, подводимая к лампе, будет снижена наполовину (что приводит к снижению яркости лампы).
Этот тип снижения яркости может быть предпочтительным по сравнению со снижением яркости за счет регулировки коэффициента усиления усилителей в некоторых конструктивных вариантах так как усилитель 124 может оставаться в более эффективном рабочем диапазоне, когда на него подают мощность. Например, когда мощность подают в соответствии с коэффициентом заполнения, усилитель 124 остается в состоянии ближе к пиковой мощности и/или к насыщению, чем усилитель 124, работающий при более низких коэффициентах усиления и эффективности для снижения яркости. В соответствии с примерными конструктивными вариантами коэффициент заполнения может лежать в диапазоне от 1% до 99% (или в любом другом указанном здесь диапазоне). В некоторых конструктивных вариантах когда требуется полное снижение яркости (то есть полное отсутствие света на выходе), яркость лампы может быть снижена до низкого уровня (например, от 1% до 5% полной яркости или меньше в некоторых конструктивных вариантах) за счет работы в импульсном режиме, причем механический затвор (не показан) может быть использован для блокировки света. В этом примере лампа остается зажженной, так что она легко может быть вновь доведена до полной яркости (что может быть желательно в различных применениях, например, при освещении при развлекательных мероприятиях). В некоторых конструктивных вариантах мощность в установившемся состоянии (даже когда на используют снижение яркости лампы) также может поступать в импульсном режиме в соответствии с коэффициентом заполнения. Пиковая мощность усилителя 124 может быть выше чем желательные режимы работы в установившемся состоянии, причем работа в импульсном режиме может быть использована для снижения средней мощности до желательного уровня, но при поддержании эффективности усилителя.
В некоторых примерах уровень поступающей на усилитель мощности выбирают так, чтобы усилитель работал с эффективностью в диапазоне от 70% до 95% (или в любом другом указанном здесь диапазоне). В частности, в примерных конструктивных вариантах каскад (каскады) высокого усиления усилителя 124, такие как выходной каскад 124d, могут работать с эффективностью в диапазоне от 70 до 95% (или в любом другом указанном здесь диапазоне). В соответствии с примерными конструктивными вариантами эффективность усилителя 124 (или его каскада (каскадов) высокого усиления) может быть в диапазоне ориентировочно от 70% до 100% пиковой эффективности (или в любом другом указанном здесь диапазоне). В некоторых примерах уровень мощности может побуждать усилитель 124 (и/или один или несколько его каскадов высокого усиления) работать при насыщении или поблизости от него. В некоторых конструктивных вариантах уровень мощности может быть в диапазоне ориентировочно от 70% до 100% (или больше) уровня мощности, требующегося для насыщения (или в любом другом указанном здесь диапазоне). За счет генерирования импульсов мощности при этих уровнях могут быть обеспечены желательные эффективность и рабочие режимы усилителя 124 во время снижения яркости (или при работе в установившемся состоянии в некоторых конструктивных вариантах) даже тогда, когда эффективность и рабочие режимы не могут быть обеспечены, если уровень мощности упал до этой же средней мощности без генерирования импульсов. За счет удерживания усилителя 124 (или его каскада (каскадов) высокого усиления) в эффективном диапазоне и генерирования импульсов мощности, общий кпд лампы может быть улучшен в некоторых конструктивных вариантах.
Далее будет описана работа примерной лампы и схемы 106 возбуждения лампы во время запуска, со ссылкой на фиг.4А-4Е и при продолжении ссылки на фиг.1А и 3А. На фиг.4А-4Е приведены схемы последовательности операций способа запуска безэлектродной плазменной лампы в соответствии с примерным вариантом. Различные исходные и пороговые величины, которые используются в микропроцессоре 132 для управления лампой, могут быть определены эмпирически заранее, когда проводят проверку и отработку лампы. Эти величины могут быть запрограммированы заранее в микропроцессоре 132 и в памяти и использованы так, как это описано далее более подробно.
В описанных далее примерах, показанных на фиг.4А-4Е (а также на фиг.5, которая обсуждается ниже), используют отраженную или обратную мощность для определения рабочих режимов лампы. В альтернативных конструктивных вариантах могут быть использованы пульсирующий ток или световое излучение, измеренное при помощи фотодетектора, или же могут быть использованы другие измеренные параметры лампы или схемы 106 возбуждения лампой (например, мощность в прямом направлении или полезная мощность, или другие параметры). В некоторых конструктивных вариантах может быть использована комбинация детекторов (например, различные пороговые значения во время запуска или в режиме прогона могут быть определены с использованием различных параметров, таких как отраженная мощность, пульсирующий ток или уровень измеренного светового излучения).
В примере, показанном на фиг.4А-4Е, в режиме зажигания, микропроцессор 132 устанавливает внутренние флажки в памяти (не показана) для индикации того, что запуск лампы еще не произведен. Затем он подает управляющее напряжение на ГУН 130, чтобы получить желательный уровень для запуска, и включает ГУН. Как это показано на фиг.4А, микропроцессор 132 затем задает "токовое управление", чтобы схема 106 возбуждения лампы не превышала максимальный ток (измеренный при помощи датчика 136 тока). Микропроцессор 132 затем измеряет отраженную мощность и определяет, что ее значение упало ниже порогового уровня, что свидетельствует о зажигании лампы. После зажигания микропроцессор 132 устанавливает флажок зажигания в памяти, для индикации того, что произведено зажигание заполнения в колбе 104.
Как это описано со ссылкой на фиг.4 В, микропроцессор 132 затем задает приращения частоты для ГУН 130 в диапазоне частот. В одном примерном конструктивном варианте приращения частоты для ГУН 130 задают в диапазоне около 50 МГц ступеньками около 60 кГц (за счет регулировки управляющего напряжения ГУН 130 ступеньками около 3 мВ). В других конструктивных вариантах качание частоты может перекрывать диапазон ориентировочно от 10 МГц до 100 МГц (или может быть в любом другом указанном здесь диапазоне), ступеньками в диапазоне от 10 кГц до 1МГц или (или в любом другом указанном здесь диапазоне). Следует иметь в виду, что это только примеры, и в других конструктивных вариантах могут быть использованы другие диапазоны. Это продолжают до тех пор, пока ГУН 130 не пройдет через диапазон частот и ламп не зажжется (на что указывает флажок зажигания).
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.4С, на которой лампа входит в режим прогрева. Микропроцессор 132 при этом устанавливает ток в схеме 106 возбуждения лампы (измеренный при помощи датчика 136 тока) на заданном уровне, желательном для прогрева лампы. При этом в ГУН 130 задают его исходное значение (исходное значение частоты), которое хранят в памяти микропроцессора 132 как VCOlast. Микропроцессор 132 также получает обратную мощность и сохраняет ее значение как V_last.
Микропроцессор 132 затем подает приращения частоты на ГУН 130 в диапазоне частот (аналогично описанному здесь выше со ссылкой на фиг.4 В). Микропроцессор 132 считывает обратную мощность после каждого приращения. Если считанное значение меньше чем предыдущее значение (V_last), то микропроцессор 132 сохраняет это считанное при помощи детектора мощности значение как V_last и сохраняет уровень ГУН 130 как VCOlast. Это продолжают до тех пор, пока ГУН 130 с приращениями не пройдет через весь диапазон частот прогрева и не дойдет до конца диапазона.
Как это показано на фиг.4D, в ГУН 130 затем задают уровень VCOlast и считанную обратную мощность сохраняют как V_last. Микропроцессор 132 затем регулирует частоту ГУН с малыми приращениями, чтобы увидеть снижение отраженной мощности. Это продолжают до тех пор, пока обратная мощность не падает ниже порогового значения для режима прогона, как это показано со ссылкой на фиг.4Е. Микропроцессор 132 затем регулирует ток до уровня, желательного для режима прогона.
Теперь будет описана работа лампы в режиме прогона со ссылкой на фиг.5, при продолжении ссылки на фиг.1А и 3А. На фиг.5 показана схема последовательности операций способа, который используют в режиме прогона безэлектродной плазменной лампы в соответствии с примерным вариантом. Во время режима прогона микропроцессор 132 проверяет различные параметры, чтобы определить возможные изменения в режиме работы лампы. Например, микропроцессор 132 может определить, что отраженная мощность находится ниже порогового уровня, требуемого для режима прогона (что может свидетельствовать о неисправности). Микропроцессор 132 также может проверять команду для выключения лампы. Микропроцессор 132 может проверять команды для изменения яркости. Микропроцессор 132 также может проверять, что лампа может работать в режимах низкой яркости (например, меньше чем 20% яркости) и, в некоторых конструктивных вариантах может не производить дальнейшую регулировку ГУН 130 для оптимизации на основании обратной мощности в режимах малой яркости.
После предварительной проверки состояния микропроцессор 132 может изменять частоту ГУН 130 с малыми приращениями для оптимизации. Как это показано со ссылкой на фиг.5, уровень отраженной мощности является первой мерой оценки оптимизации. Если отраженная мощность возрастает за счет изменения частоты ГУН 130, тогда изменения частоты ГУН 130 прекращают и процесс повторяют (после предварительной проверки состояния могут последовать другие изменения в ГУН 130, для оценки оптимизации), за исключением того, что изменения в ГУН 130 затем проводят в противоположном направлении. Если отраженная мощность снижается за счет изменения частоты ГУН 130, тогда изменения частоты ГУН сохраняют и процесс повторяют (и следующие изменения частоты ГУН делают в этом же направлении, если они снижают отраженную мощность). Если отраженная мощность остается на прежнем значении, то тогда проверяют уровень тока. Если уровень тока ниже предыдущего уровня, тогда изменения частоты ГУН сохраняют и продолжают регулировку ГУН 130 в этом же направлении. Если уровень тока не ниже, тогда изменения частоты ГУН прекращают и ГУН 130 затем регулируют в противоположном направлении.
В некоторых конструктивных вариантах как это показано на фиг.1А и 3А, схема 106 возбуждения лампы может иметь режим расширения спектра, чтобы снизить электромагнитные помехи. Расширение спектра создают при помощи контроллера 333 расширения спектра. Когда включают режим расширения спектра, то тогда поступающий на ГУН 130 сигнал модулируют, для расширения мощности, созданной при помощи схемы 106 возбуждения лампы, по более широкой ширине спектра. Это позволяет снижать электромагнитные помехи на любой одной частоте, что облегчает согласование с требованиями, например, федеральной комиссии связи (США) или с требованиями других регулирующих ведомств относительно электромагнитных помех. В соответствии с примерными конструктивными вариантами степень спектрального расширения может быть в диапазоне от 5% до 30% (или в любом другом указанном здесь диапазоне). В соответствии с примерными конструктивными вариантами модуляция ГУН 130 может быть осуществлена на уровне, который эффективно снижает электромагнитные помехи без существенного ухудшения параметров плазмы в колбе 104.
В некоторых примерных конструктивных вариантах усилитель 124 также может работать с различными режимами смещения в различных режимах работы лампы. Режим смещения усилителя 124 оказывает большое влияние на эффективность при постоянном токе и на высокой частоте. Например, усилитель, смещенный для работы в режиме класса С является более эффективным чем усилитель, смещенный для работы в режиме класса В, который, в свою очередь, является более эффективным чем усилитель, смещенный для работы в режиме класса А/В. Однако следует иметь в виду, что усилитель, смещенный для работы в режиме класса А/В, имеет лучший динамический диапазон, чем усилитель, смещенный для работы в режиме класса В, который, в свою очередь, является более эффективным чем усилитель, смещенный для работы в режиме класса С.
В одном примере, когда лампу включают в первый раз, усилитель 124 смещен для работы в режиме класса А/В. Работа в режиме класса А/В обеспечивает лучший динамический диапазон и большее усиление, что позволяет усилителю 124 зажигать плазму и отслеживать резонансную частоту лампы при регулировке во время запуска. После достижения устойчивого состояния плазмы (режим прогона), смещение усилителя 124 снимают, что переводит усилитель 124 в режим класса С. Это обеспечивает повышенную эффективность. Однако динамический диапазон в режиме класса С может быть недостаточен, когда яркость лампы модулируют (снижают) ниже некоторого уровня (например, меньше чем 70% полной яркости). Когда яркость снижается ниже порога, усилитель 124 может быть переведен назад в режиме класса А/В. Альтернативно, режим класса В может быть использован в некоторых конструктивных вариантах.
В некоторых примерных конструктивных вариантах может быть использован холостой режим, который позволяет получить нулевое время горячего повторного запуска лампы (источника разряда). Когда микропроцессор 132 получает команду на выключение лампы, тогда микропроцессор 132 может регулировать усиление аттенюатора 137 и/или усилителя 124, чтобы обеспечить холостой режим низкой мощности заполнения из благородного газа в колбе (например, в колбе, описанной со ссылкой на фиг.2В). Этот холостой режим позволяет поддерживать ионизацию заполнения из благородного газа, так что последующая команда включения лампы может привести к возврату работы лампы в режиме полной яркости, без продолжительного времени охлаждения лампы. Такое время охлаждения обычно требуется для источников разряда с галоидом металла, которые имеют электроды. Так как критические температуры электродов не ограничивают рабочие уровни мощности, то описанные здесь безэлектродные плазменные лампы могут работать при сильно сниженных уровнях мощности, например, несколько процентов номинальной мощности. Лампы с электродами не могут работать при таких низких уровнях мощности без ускоренного распыления материала электродов и преждевременного выхода из строя колбы.
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения, как это описано со ссылкой на фиг.1А, колба расположена внутри резонансной полости ВЧ волновода, в которую введен ВЧ штырь возбуждения. Микроволновая энергия вызывает лавинный процесс ионизации в заполнении из благородного газа колбы 104, что приводит к поддержанию разряда плазмы. Дальнейшее омическое нагревание заполнения колбы повышает паровое давление добавок, за счет чего возникают атомные и молекулярные переходы энергии. Возникает спектральное излучение разряда, такое как описанное здесь выше со ссылкой на фиг.2С, которое зависит от компонентов добавок и молярных концентраций. Колба 104 переводится в режим полной мощности за счет управления микропроцессором 132 схемы 106 возбуждения лампы.
В некоторых примерах колба 104 начинает работать при давлении ниже атмосферного, а на фазе прогрева давление в ней доходит до многих атмосфер. Аналогично, после выключения колбы 104, давление насыщенного пара возвращается к существенно более низкому уровню. Степень снижения давления насыщенного пара зависит от внешней среды охлаждения, но типично требует несколько минут до повторного зажигания лампы. Особенно вредной является попытка повторного зажигания лампы, когда колба (например, дуговая трубка) все еще является теплой и происходит медленное снижение давления насыщенного пара галогена (брома, йода и т.п.) в металлогалоидных лампах, когда они еще охлаждаются
-
-
MI+е→(MI)*→M+I+ кинетическая энергия,
что приводит к образованию стабильного отрицательного иона с энергией связи 3.2 эВ (например, см. публикацию John Waymouth, Electric Discharge Lamps. MIT Press (1971), p.254). В приведенном здесь выше описании, Br (бром) может быть замещен I (йодом). Результирующим эффектом является меньшее число свободных электронов, участвующих в таунсендовском лавинном процессе, что требует более высоких напряжений пробоя, пока галоген конденсируется на стенках дуговой трубки. В соответствии с настоящим изобретением, когда оператор отключает подведенную к лампе мощность, источник питания переходит в холостой режим предзажигания, при нескольких процентах максимальной мощности. Так как разряд остается в полностью ионизированном состоянии даже при очень низкой мощности, повторная ионизация разряда не требуется, чтобы опять перевести лампу на уровни полной или промежуточной мощности. В случае имеющих электроды ламп, с другой стороны, лампа погасает при очень низкой мощности и должен быть приложен импульс зажигания высокого напряжения (от 20 кВ до 30 кВ), так как давление галогена (и результирующее давление между электродами) остается высоким. В любом случае, имеющая электроды лампа не может работать при мощности ориентировочно меньше чем 50% номинальной мощности без охлаждения кончиков электродов до температуры, при которой они не могут работать термоионно, и будут распылять вольфрам на стенки, что создает значительное потемнение стенок и приводит к разрушению электрода. По меньшей мере по одной из указанных здесь выше причин, проблема горячего повторного зажигания стандартных металлогалоидных ламп может быть смягчена за счет поддержания этого холостого режима малой мощности.
Холостой режим в соответствии с настоящим изобретением необходим на время, достаточное для того, чтобы температура колбы и затем давление насыщенного пара галогена снижались до уровней, при которых лампа может быть погашена и затем немедленно зажжена вновь. Уровень мощности в холостом режиме может быть подстроен и синхронизирован соответствующим образом, чтобы обеспечить охлаждение галогенного состава колбы, достаточное для получения нулевого времени горячего повторного зажигания.
На фиг.6A-6D показаны примерные конструктивные варианты, в которых предусмотрено регулировочное отверстие в корпусе лампы для согласования импедансов и/или для регулировки частоты. В некоторых примерных конструктивных вариантах одно или несколько регулировочных отверстий могут быть образованы в корпусе лампы, чтобы улучшить согласование импеданса штыря с корпусом лампы и плазмой во время режима прогона, и за счет этого уменьшить мощность, отраженную от корпуса лампы, и/или произвести подстройку или регулировку резонансной частоты корпуса лампы. В некоторых примерах отверстия могут быть металлизированы или покрыты проводящим материалом (или же проводящий материал может быть введен на желательную длину в регулировочное отверстие). В других конструктивных вариантах регулировочное отверстие не является металлизированным и не содержит проводящего покрытия. В примерах, показанных со ссылкой на фиг.6A-6D, предусмотрены регулировочные отверстия в корпусе лампы, глубина которых меньше чем высота корпуса 102 лампы на фиг.1А. В соответствии с примерными конструктивными вариантами эти лампы могут работать скорее в режиме с резонансной полостью, а не в режиме с четвертьволновым коаксиальным резонатором. Однако аналогичные регулировочные отверстия могут быть предусмотрены в варианте, описанном со ссылкой на фиг.1А, или в других примерных вариантах, которые работают в режиме с четвертьволновым коаксиальным резонатором.
Далее со ссылкой на фиг.6А-6С будет описано, как регулировочные отверстия могут быть использованы для согласования импедансов. В некоторых примерных конструктивных вариантах глубина штыря возбуждения определяет его емкостную связь с корпусом лампы, которая диктует передачу мощности к колбе во время режима прогона. Существует оптимальная глубина штырей возбуждения, которая обеспечивает максимальную связь по мощности с колбой. В некоторых конструктивных вариантах глубина штыря возбуждения может быть ограничена состояниями отказа, в которых образуется дуга от штыря к верхней металлизированной поверхности корпуса лампы. Для обеспечения связи без образования дуги в примерных конструктивных вариантах может быть использовано регулировочное отверстие для согласования импеданса штыря с корпусом лампы и плазмой во время режима прогона. Размеры S (расстояние от верхней металлизированной поверхности корпуса лампы), D (расстояние между штырем возбуждения и регулировочным отверстием), и Н (высота/глубина регулировочного отверстия) на фиг.6В могут быть выбраны так, что отраженная от корпуса лампы мощность снижается по сравнению с величиной отраженной мощности без регулировочного отверстия, и отсутствует дуга от штыря к верхней металлизированной поверхности. В этом примере регулировочное отверстие может быть металлизировано. Регулировочное отверстие создает дополнительный канал для емкостной связи штыря с верхней поверхностью дискового амортизатора (puck). В некоторых конструктивных вариантах это позволяет использовать более широкий диапазон глубин штыря для улучшения эффективности связи люмен на ватт (LPW), без ухудшения согласования импедансов. В соответствии с примерными конструктивными вариантами регулировочное отверстие позволяет избежать образования дуги, идущей от штыря.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.6С, на которой приведены результаты моделирования, которые показывают наличие сильных электрических полей между штырем и регулировочным отверстием. В соответствии с одним примером лампа имеет частоту запуска 937 МГц, полезную мощность 180 Вт, и регулировочное отверстие с размерами S - 3 мм, Н - 10 мм, и D - 3 мм. В этом примере отраженная мощность составляет около 15 Вт. В другом примере Н равно 13 мм и отраженная мощность падает до величины около 0.3 Вт (а частота запуска составляет около 925 МГц).
Далее со ссылкой на фиг.6D будет описано, как регулировочные отверстия могут быть использованы для регулировки частоты. Так как тонкая область корпуса лампы поблизости от колбы (показанная на фиг.1А как тонкая область 112) является областью сильного поля или, эквивалентно, областью с большой емкостью, то модификации или добавка металлических стоек (штырей) поблизости от этой области могут изменять поля и, следовательно, частоту дискового амортизатора в примерных конструктивных вариантах. В некоторых конструктивных вариантах это может быть использовано для регулировки частоты дискового амортизатора в представляющем интерес диапазоне частот. В некоторых примерных конструктивных вариантах металлизированная регулировочная стойка снижает частоту, а не металлизированная стойка при ее приближении к тонкой области 112 или при введении в нее повышает частоту. В одном примере лампа без регулировочного отверстия имеет частоту запуска около 944 МГц. При наличии металлизированного регулировочного отверстия с размером Н около 5 мм (как это показано на фиг.6D) частота запуска составляет около 924 МГц.
Теперь будут описаны дополнительные аспекты безэлектродных плазменных ламп в соответствии с примерными конструктивными вариантами вновь со ссылкой на фиг.1А и 1В. В соответствии с примерными конструктивными вариантами корпус 102 лампы имеет относительную диэлектрическую проницаемость больше чем относительная диэлектрическая проницаемость воздуха. Частота резонанса обычно обратно пропорциональна квадратному корню относительной диэлектрической проницаемости корпуса 102 лампы. Форма и размеры корпуса 102 лампы также влияют на резонансную частоту. В примерном конструктивном варианте корпус 102 лампы изготовлен из твердого оксида алюминия, имеющего относительную диэлектрическую проницаемость около 9.2. В некоторых конструктивных вариантах диэлектрический материал может иметь относительную диэлектрическую проницаемость в диапазоне от 2 до 100 (или в любом другом указанном здесь диапазоне), или еще более высокую относительную диэлектрическую проницаемость. В некоторых конструктивных вариантах корпус 102 лампы может содержать несколько таких диэлектрических материалов, что позволяет получить эффективную относительную диэлектрическую проницаемость корпуса 102 лампы в любом из описанных здесь выше диапазонов. Корпус 102 лампы может быть прямоугольным, цилиндрическим или может иметь другую описанную здесь форму.
В соответствии с примерными конструктивными вариантами внешние поверхности корпуса 102 лампы могут иметь электропроводящее покрытие, такое как гальваническое покрытие, или же серебряная краска, или другая металлическая краска может быть нанесена за счет вжигания на внешнюю поверхность корпуса лампы. Электропроводящий материал может быть заземлен и может образовывать как внешний проводник, так и внутренний проводник для описанной здесь коаксиальной резонансной конструкции. Электропроводящее покрытие также позволяет удерживать ВЧ мощность в корпусе 102 лампы. Области корпуса 102 лампы могут оставаться без покрытия, чтобы можно было передавать мощность к корпусу 102 лампы или от него. Например, колба 104 может быть расположена рядом с непокрытым участком корпуса 102 лампы, чтобы получать ВЧ мощность от корпуса 102 лампы. Кроме того, предусмотрен небольшой зазор в покрытии, где штырь 120 возбуждения введен в корпус 102 лампы. Материал с высоким напряжением пробоя, например слой стеклообразной фритты, может быть нанесен снаружи на электропроводящее покрытие, чтобы исключить образование дуги (искрение), в том числе может быть нанесен и на кромки проводящего материала, которые смещены на несколько миллиметров друг от друга за счет непроводящей поверхности 114 корпуса 102 лампы.
В примерном конструктивном варианте, описанном со ссылкой на фиг.1А, отверстие 110 проходит через тонкую область 112 корпуса 102 лампы. Поверхность 114 корпуса 102 лампы в отверстии 110 не имеет покрытия, причем по меньшей мере участок колбы 104 может быть расположен в отверстии 110, чтобы получать мощность от корпуса 102 лампы. В соответствии с примерными конструктивными вариантами толщина Н2 тонкой области 112 может лежать в диапазоне от 1 мм до 15 мм (или в любом другом указанном здесь диапазоне) и может быть меньше чем внешняя длина и/или внутренняя длина колбы 104. Один или оба конца колбы 104 могут выступать из отверстия 110 и выходить за электропроводящее покрытие на внешней поверхности корпуса 102 лампы. Это помогает избежать повреждения концов колбы 104 за счет имеющей высокую интенсивность плазмы, образованной рядом с областью, в которой мощность выводят из корпуса 102 лампы. В других конструктивных вариантах вся колба 104 или участок колбы 104 могут быть расположены в полости, которая идет от отверстия на внешней поверхности корпуса 102 лампы и заканчивается в корпусе 102 лампы. В других конструктивных вариантах колба 104 может быть расположена рядом с не имеющей покрытия внешней поверхностью корпуса 102 лампы или в мелкой выемке, образованной на внешней поверхности корпуса 102 лампы (например, в корпусе волновода).
Слой 116 материала может быть введен между колбой 104 и диэлектрическим материалом корпуса 102 лампы. В соответствии с примерными конструктивными вариантами слой 116 материала может иметь более низкий коэффициент теплопроводности чем корпус 102 лампы и может быть использован для оптимизации теплопроводности между колбой 104 и корпусом 102 лампы. В примерном конструктивном варианте материал 116 может иметь коэффициент теплопроводности в диапазоне ориентировочно от 0.5 до 10 Вт/м-°К (или в любом другом указанном здесь диапазоне). Например, может быть использован порошок оксида алюминия с плотностью упаковки 55% (то есть с фракционной пористостью 45%) и с коэффициентом теплопроводности в диапазоне ориентировочно от 1 до 2 Вт/м-°К. В некоторых конструктивных вариантах центрифуга может быть использована для упаковки порошка оксида алюминия с высокой плотностью. В примерном конструктивном варианте используют слой порошка оксида алюминия с толщиной D5 (см. фиг.1А) в диапазоне ориентировочно от 1/8 мм до 1 мм (или в любом другом указанном здесь диапазоне). Альтернативно, может быть использован тонкий слой адгезива на базе керамики, или смесь таких адгезивов. В зависимости от состава может быть получен широкий диапазон коэффициентов теплопроводности. На практике после выбора композиции слоя, которая имеет коэффициент теплопроводности, близкий к желательному значению, может быть проведена точная подгонка за счет изменения толщины слоя. Некоторые примерные варианты могут не иметь отдельного слоя материала вокруг колба 104 и могут создавать прямой путь тока к корпусу 102 лампы. Альтернативно, колба 104 может быть отделена от корпуса 102 лампы воздушным зазором (или зазором с другим газовым заполнением) или вакуумным зазором.
В некоторых примерных конструктивных вариантах порошок оксида алюминия или другого материала также может быть упакован в выемку 118, образованную под колбой 104. В примере, описанном со ссылкой на фиг.1А, порошок оксида алюминия в выемке 118 находится снаружи от границ волновода, образованного за счет электропроводящего материала на поверхности корпуса 102 лампы. Материал в выемке 118 обеспечивает конструктивную поддержку, отражает свет от колбы 104 и создает желательную теплопроводность. Один или несколько теплоотводов (на фиг.1А не показаны) также могут быть предусмотрены вокруг боковых сторон и/или вдоль нижней поверхности корпуса 102 лампы, чтобы снижать температуру. Тепловое моделирование может быть использовано для помощи при выборе конфигурации лампы, обеспечивающей высокую пиковую температуру плазмы, позволяющую получить высокую яркость, но ниже рабочей температуры материала колбы. В качестве примера программного обеспечения для теплового моделирования можно привести пакет программ TAS, который может быть закуплен на фирме Harvard Thermal, Inc. of Harvard, MA.
В примерном конструктивном варианте штырем 120 возбуждения может быть пруток из латуни, закрепленный в корпусе 102 лампы с использованием серебряной краски. В других конструктивных вариантах оболочка или кожух (не показаны) из керамики или другого материала могут быть предусмотрены вокруг штыря 120 возбуждения, что позволяет изменять связь с корпусом 102 лампы. В примерном конструктивном варианте печатная плата (не показана), которая установлена перпендикулярно к корпусу 102 лампы, может быть предусмотрена для схемы 106 возбуждения лампы или для других электронных схем. Штырь 120 возбуждения может быть припаян к печатной плате и может выступать за кромку платы в корпус 102 лампы (например, параллельно плате и перпендикулярно к корпусу 102 лампы). В других конструктивных вариантах штырь 120 возбуждения может быть расположен перпендикулярно к плате или может быть соединен со схемой 106 возбуждения лампы через SMA соединители или через другие соединители. В альтернативном конструктивном варианте может быть предусмотрен штырь 120 возбуждения в виде дорожки печатной платы, причем содержащий эту дорожку участок печатной платы может заходить в корпус 102 лампы. Другие радиочастотные фидеры (не показаны) могут быть использованы в других конструктивных вариантах такие как микрополосковые линии или волноводы с продольным ребром. В других конструктивных вариантах штырь или штыри могут быть соединены со схемой 106 возбуждения лампы при помощи коаксиального кабеля или другой линии передачи.
В примерном конструктивном варианте штырь 120 возбуждения расположен ближе к колбе 104 в центре корпуса 102 лампы, чем электропроводящий материал внешнего покрытия 108о вокруг внешней окружности корпуса 102 лампы. Такое расположение штыря 120 возбуждения позволяет улучшить подвод мощности к плазме в колбе 104.
Программа высокочастотного моделирования может быть использована для помощи при выборе материалов и формы корпуса 102 лампы и электропроводящего покрытия или покрытий, чтобы обеспечивать желательные резонансные частоты и распределение напряженности поля в корпусе 102 лампы. Моделирование может быть осуществлено с использованием инструментальных программных средств, таких как HFSS фирмы Ansoft, Inc. of Pittsburgh, PA; Multiphysics фирмы COMSOL, Inc. of Burlington, MA; или Microwave Studio фирмы Computer Simulation Technology AG, чтобы определить желательную форму корпуса 102 лампы, резонансные частоты и распределение напряженности поля. Желательные параметры затем могут быть точно подстроены эмпирически или экспериментально.
Несмотря на то, что могут быть использованы различные материалы, формы корпуса лампы и резонансные частоты, в некоторых конструктивных вариантах коэффициент формы лампы (длина H1, поделенная на ширину или диаметр D1) составляет около единицы. В некоторых конструктивных вариантах длина H1 превышает ширину D1 или составляет больше чем от 75% до 100% ширины D1 (или лежит в любом другом указанном здесь диапазоне). В некоторых примерах лампа имеет резонансную частоту ориентировочно меньше чем 500 МГц или меньше чем 200 МГц, или еще ниже в некоторых примерах. В некоторых конструктивных вариантах лампа сконфигурирована с возможностью резонирования на основной волне при частоте в диапазоне ориентировочно от 50 до 500 МГц (или в любом другом указанном здесь диапазоне). В примерных конструктивных вариантах работающих на этих частотах, длина H1 составляет больше чем 40 мм. В некоторых примерах длина H1 больше чем в 3 раза превышает длину колбы. В некоторых примерах длина выемки (и длина внутреннего проводника) составляет больше чем 30 мм или 35 мм или 40 мм или 45 мм (причем в некоторых из этих конструктивных вариантов, штырь может иметь длину больше чем 30 мм или 35 мм или 40 мм или 45 мм, и может идти главным образом параллельно длине выемки и колбы). В некоторых примерах длина внутреннего проводника, образованного за счет выемки (Н3), больше чем в 3 раза превышает диаметр выемки D2 и больше чем в 3 раза превышает длину колбы. В некоторых примерах длина H1 превышает диаметр D1 (или ширину корпуса лампы в случае прямоугольной или других конфигураций). Внешнее проводящее покрытие вдоль длины H1 и проводящее покрытие вдоль выемки образуют соответственно внутренние и внешние коаксиальные проводящее элементы в некоторых конструктивных вариантах. За счет этого возникает коаксиальная емкость, главным образом, ортогональная к длине колбы. В отличие от этого тонкая область 112 (см. фиг.1А) образует полку, которая создает емкость, главным образом, параллельную длине колбы 104, которая создает электрическое поле вдоль длина колбы 104. Тонкая область 112 формирует электрическое поле и изменяет его ориентацию относительно электрического поля, образованного между внутренним и внешним электродами вдоль длины корпуса 102 лампы. В некоторых конструктивных вариантах длинная область коаксиальной емкости между поверхностью вдоль H1 и поверхностью вдоль выемки 118 сконфигурирована так, чтобы создать ориентировочно четвертьволновую резонансную конструкцию. Дополнительная емкость, образованная в тонкой области 112, также может влиять на резонансную частоту по сравнению с коаксиальной конструкцией без этой области.
В одном варианте реализации, предназначенном для работы на частоте около 450 МГц, длина H1 (которая представляет собой длину внешнего проводника вдоль боковых сторон лампы) составляет около 45.5 мм, а диаметр D1 составляет около 50 мм. Расстояние Н3 (которое представляет собой длину внутреннего проводника в выемке 118) составляет около 41 мм. В этом примере расстояние D2 составляет около 14 мм, а расстояние D3 составляет около 2.5 мм (диаметр отверстия для колбы 104 составляет около 9 мм, в этом примере). Тонкая область 112 образует полку над выемкой 118. Расстояние Н2 составляет около 5 мм (а обычно лежит в диапазоне от 2 мм до 10 мм или в любом другом указанном диапазоне). Это создает более высокую емкость в этой области корпуса 102 лампы и более высокие напряженности электрического поля. В этом примере штырь 120 возбуждения имеет длина около 41.5 мм. В этом примере корпус 102 лампы изготовлен из оксида алюминия и имеет относительную диэлектрическую проницаемость около 9.
3
3
В некоторых конструктивных вариантах относительная диэлектрическая проницаемость лежит в диапазоне ориентировочно от 9 до 15 или в любом другом указанном диапазоне, частота ВЧ мощности составляет ориентировочно меньше чем 500 МГц, а объем корпуса 102 лампы лежит в диапазоне ориентировочно от 10 см до 75 см или в любом другом указанном диапазоне. В некоторых из этих примеров ВЧ мощность резонирует в резонансной конструкции в четвертьволновом режиме, причем все другие размеры корпуса 102 лампы меньше чем половина длины волны ВЧ мощности в резонансной конструкции.
Следует иметь в виду, что приведенные выше размеры, конфигурации, материалы и рабочие параметры приведены только для примера, так что в других вариантах осуществления настоящего изобретения могут быть использованы другие размеры, конфигурации, материалы и рабочие параметры.