高亮度的高輸出燈的製作方法
2023-05-12 01:00:11
專利名稱：高亮度的高輸出燈的製作方法
這裡所描述的某些發明是在由能源部門授予的第DE-FC01-97EE23776號合同或由國家航空和宇宙航行局授予的第NAS10-99037號合同的條件下，由政府支持完成的。政府對這些發明具有某些權利。
交叉參考有關申請
本申請涉及的美國臨時專利申請包括1999年7月2日提交的第60/141,891號申請；1999年7月21日提交的第60/144,834號申請；1999年10月4日提交的第60/157,104號申請；2000年3月10日提交地第60/188,205號申請；2000年6月2日提交的60/210,154號申請。這些申請都在此引述，用作參考。
背景
1.發明領域
本發明的各個方面一般涉及放電燈，尤其涉及感應耦合的無電極燈。本發明也涉及新穎燈的配置、耦合電路、燈泡、散熱燈頭組件、射頻(RF)源(振蕩器)、方向耦合器、孔徑(aperture)結構，以及被感應耦合的無電極燈的激勵線圈。本發明的另一個方面還涉及一種改良的無電極孔燈，以及製造和使用無電極孔燈的方法。本發明一般還涉及一種新的高功率、高頻固態振蕩器。本發明進一步涉及一種新的控制電路和操作無電極燈的方法。本發明的再一個方面一般涉及具有變化阻抗特徵的RF驅動負載。
2.相關技術
一般而言，本發明各個不同的方面所涉及的燈在美國第5,404,076號和第5,903,091號專利以及第WO 99/36940號PCT公開中有所揭示。它們都在此引述，用作參考。
無電極放電通常分為E(電場)放電、微波放電、行波放電或H(磁場)放電。本發明的大多數例子涉及被主要描述為H放電的那些放電。
圖1是產生E放電的傳統無電極燈的示意圖。電源1為電容器2提供電力。充氣容器3被放置在電容器2的金屬板之間。除了電極化弧光放電中的電流通常小得多以外，無電極燈中的E放電類似於電極化燈中的弧光放電。一旦氣體分裂成其離子化或等離子體狀態，電流就流過電容器2的金屬板之間的容器壁的電容，從而在等離子體中產生放電電流。
圖2是產生微波放電的傳統無電極燈的示意圖。微波電源4提供微波能量，該微波能量由波導管5導向微波腔6，該微波腔裝有充氣燈泡7。微波能量激勵燈泡7中的填充物，並產生等離子體放電。在微波放電中，電磁場的波長等同於激勵結構的尺寸，該放電由該電磁場的E和H分量激勵。
圖3是產生行波放電的傳統無電極燈的示意圖。電源8為起電器9提供電力。充氣容器10置於起電器9中。起電器9的各個電極之間的間隙提供E場，它執行表面波放電。容器10中的等離子體是該波隨後沿其傳播的結構。
圖4是產生H放電的傳統無電極燈的示意圖。產生H放電的無電極燈也稱為「感應耦合燈」。如圖4所示，傳統的感應耦合燈例子包括低頻電源11，該電源將電力提供給纏繞充氣容器13的線圈12。線圈12中的交流電流產生變化的磁場，產生驅動等離子體中電流的電場。實際上，可以將等離子體看作是次於線圈12的單一圈。H放電的特徵是一個閉合電場，這在許多例子中形成可見的環狀等離子體放電。
一些參數給出非常有用的光源的特徵。包括光譜、效率、亮度、經濟、耐用性(工作壽命)等。例如，高效、低瓦數且工作壽命長的燈源，特別是具有高亮度、非常理想組合以給出各種工作特徵的燈源。無電極燈具有提供比電極化燈長得多的工作壽命的潛力。
發明概述
本發明的一方面是提供一種具有許多實際應用的極亮的低瓦數無電極燈。尤其是，本發明的一方面是提供由固態RF源(範圍在幾十到幾百瓦之間)提供電力的一種無電極孔燈。本發明的各個方面可用來為各種應用提供卓越的的燈源(例如，投影顯示器、汽車頭燈，以及包括辦公環境、學校、工廠、商店、家庭和需要人工照明或受益於人工照明的任何地方的普通照明)。
根據本發明的一個方面，感應耦合無電極燈包括激勵線圈；連接到激勵線圈的電容器結構，電容器結構和激勵線圈一起構成諧振燈電路；位於激勵線圈附近的無電極燈燈泡，該燈泡包含填充物，受RF能量激勵時，它發射光；以及連接到諧振燈電路並適合提供激勵填充物的RF能量的RF源，其中，在燈工作期間，電容器結構用來抑制弧光的形成。例如，激勵線圈包括婚戒形狀的激勵線圈，該激勵線圈的一端有一根軸嚮導線，另一端有一根徑嚮導線，其中，電容器結構包括被連接到婚戒線圈的軸嚮導線的電容器組。電容器組可包括用於高壓電容器的一種具有低介電常數的材料，還可包括一種共形(conformal)塗層，它覆蓋電容器組的一部分或大體上所有的電容器組，以及任選婚戒線圈的軸嚮導線的一部分。電容器組可具有一個圓形的高壓金屬板，其邊緣半徑大於金屬板厚度的二分之一。某些例子中，燈可包括一個熱傳遞結構，它提供從電容器結構到散熱結構的熱傳導路徑。
根據本發明的另一個方面，電容器結構包括一個同軸電容器電路，它包含具有第一圓柱形軸套的第一電容器；具有第二圓柱形軸套(至少局部位於第一電容器的第一圓柱形軸套內部)的第二電容器；以及位於第一軸套與第二軸套之間的絕緣體，其中，第一電容器和第二電容器與中心導體串連，該中心導體連接在串聯連接的連接處。
根據本發明的另一個方面，燈包括裝有諧振燈電路的外殼，該外殼包括用於傳遞來自電燈電路的熱量的熱傳導結構，外殼包括用於與進一步散熱結構對接的大體上平坦的外部表面。激勵線圈可以用銅來製造。在一些例子中，外殼包括基座部分和蓋子，熱墊片位於蓋子與基座之間。線圈與電容器結構可集成在單一組件內，電容器結構包括用來形成電容器組的多層印刷電路板。
根據本發明的另一個方面，感應耦合無電極燈包括激勵線圈；連接到該激勵線圈的電容器結構，電容器結構和激勵線圈一起構成諧振燈電路；位於激勵線圈附近的無電極燈燈泡，該燈泡包含填充物，當被RF能量激勵時，燈發光；連接到諧振燈電路並用來提供激勵充氣所需的RF能量的RF源；以及包容燈泡(除了發光孔外)的結構，該結構包括一種陶瓷材料，它被配置成促進從燈泡沿熱路徑(而不是有關線圈的軸的徑向)的熱量傳遞。例如，陶瓷材料包括一種高熱傳導率材料。在一些例子中，該材料具有沿一個方向相對較高的熱傳導率，並且，該材料使較高熱傳導率的方向與線圈的一個軸對齊。例如，該材料包括氮化硼。燈還可以包括裝有諧振電燈電路的外殼，結構可包括具有凸緣的陶瓷帽，其中，有彈性的熱傳導材料位於該凸緣與外殼內的散熱結構之間。
根據本發明的其他方面，小孔結構包括位於一端處的陶瓷圓柱杆，限定了一個空腔，它用來容納燈泡，其中，燈泡位於空腔中；以及限定了一個孔並位於燈泡對面的陶瓷墊圈，由此，燈泡從孔對面的燈泡部分冷卻得相對更多。在一些例子中，結構包括一個相對較高的圓柱形空心結構，它用來沿其軸向尺寸支持燈泡，以便圓柱形帽的至少一部分在軸方向上大大延伸到燈泡以外。在其他的例子中，燈泡具有高溫、高反射率和寬角度二向色性性塗層(除了在限定小孔的區域中)，該結構包括罩住燈泡(除了小孔區域中的開口)的高熱傳導率陶瓷製品。
根據本發明的另一個方面，振蕩器包括具有輸入和輸出的放大器；連接在放大器的輸入與放大器的輸出之間的阻抗轉換網絡，該阻抗轉換網絡被配置成將合適的正反饋從放大器的輸出提供到放大器的輸入，以便開始和維持振蕩條件，阻抗匹配網絡還配置成保護放大器的輸入防止破壞性反饋信號，其中，阻抗轉換網絡包括雙重不對稱反饋路徑，用於提供加大的調諧範圍，這是相對於雙重對稱反饋路徑而言的。例如，放大器包括並連並配置有軟柵極開關的兩個RF功率場效應(FET)電晶體。在一些例子中，振蕩器還包括具有從其延伸並形成諧振「T」的一條垂直發射線的柵極片(gate pad)，反饋網絡與諧振「T」臂相連。振蕩器還可包括用於調整振蕩器的工作頻率的連續可變調諧電路。例如，調諧電路包括固態電元件，而不帶有機械可調器件。在一些例子中，調諧電路包括配置成電壓受控電阻器的多個PIN二極體電路。在其他的例子中，調諧電路包括一個互補的PIN二極體電路。振蕩器還可包括熱傳遞結構，該熱傳遞結構提供從PIN二極體到散熱結構的熱傳導路徑。例如，熱傳遞結構包括焊接到PIN二極體的墊片的金屬柱，散熱結構包括一個電接地的散熱器金屬板。
在一些振蕩器例子中，阻抗轉換網絡用來將來自連接到振蕩器負載的反饋的第一部分與來自放大器反饋的第二部分結合起來，以便如Rieke圖表上所繪的那樣，控制恆定電流線與恆定頻率線之間的相對角度。
在其他的振蕩器例子中，振蕩器包括連接到振蕩器的負載；通過開關連接到振蕩器或負載的至少一個阻抗元件；以及用來在振蕩器工作期間至少操作開關一次的控制電路。例如，控制電路用來在啟動振蕩器之後操作開關達預定的次數。或者，在負載包括無電極放電燈的情況下，控制電路可用來根據被感測的燈條件，控制開關。在一些例子中，控制電路用來根據在啟動期間提供振蕩器和負載阻抗更接近匹配來操作開關。在其他的例子中，控制電路用來根據啟動期間避免不穩定的振蕩器操作的區域來操作開關。
根據本發明的另一個方面，燈裝置包括放電燈；用於為燈提供RF功率而連接到放電燈的RF電源；以及用來在操作期間控制RF電源的工作參數的RF控制電路。在一些例子中，該工作參數對應於RF電源的頻率，燈還包括連接在RF電源與放電燈之間的六埠方向耦合器，六埠方向耦合器配置成檢測前向的和反射的功率並被提供代表它們的各個信號，RF控制電路配置成接收代表前向和反射功率的信號，並根據所接收的信號來調整RF電源的工作頻率。控制電路可以配置成延遲有源控制的開始，直到振蕩器啟動之後。控制電路可配置成使振蕩器的工作頻率逐步通過一系列頻率，直到確定燈以諧振頻率進行工作。控制電路可被配置成調整振蕩器的工作頻率，以便使反射功率最小。
在其他的例子中，工作參數在工作期間對應於被耦合到放電燈的RF功率的數量。例如，與準備狀態工作期間所提供的RF功率的數量比較，RF控制電路可用來在點火之前將較少的RF功率提供給燈，從而減少了啟動期間形成弧光的潛在可能性和反射的功率。與準備狀態操作期間所提供的RF功率的數量比較，RF控制電路也可用來在點火之後臨時將更多的RF功率提供給燈。RF控制電路也可用來在準備狀態工作期間調整RF電源的供應電壓，以便提供大體上恆定的前向功率和大體上恆定的光輸出中的至少一個。
在其他的例子中，工作參數對應於被提供給RF電源的有源元件的柵極偏置電流的大小。例如，控制柵極偏置電流，以便在已經初始化RF控制電路的其他功能之前打開RF電源。
根據本發明一個方面的燈頭的一個例子包括有基座和用來蓋在基座上的蓋子的外殼，感應耦合無電極燈電路包括一個激勵線圈和一個電容器組件，它們形成一個諧振電路，燈電路還包括位於激勵線圈附近的孔燈泡，其中，基座用來接收無電極燈電路，蓋子提供用於從孔發射光的開口，其中，外殼提供無線電頻率屏蔽和用於外部散熱的大體上平坦的接口。
根據本發明的另一個方面，集成的感應耦合無電極燈電路包括激勵線圈、高壓電容器和在集成組件中的低壓電容器，其中，高壓電容器和低壓電容器形成一個組件(stack)，該組件包括第一傳導材料、第一絕緣材料、第二傳導材料、第二絕緣材料和第三傳導材料，其中，第一傳導材料包括激勵線圈的一根導線，第二傳導材料包括高壓電容器與低壓電容器的一塊共同的金屬板，第三傳導材料包括一個接地的傳導表面，其中，第一絕緣材料位於第一與第二傳導材料之間，從而形成高壓電容器，第二絕緣材料位於第二與第三傳導材料之間，從而形成低壓電容器，其中，第一絕緣材料、第二傳導材料和第二絕緣材料整體形成一個多層印刷電路板。
這裡所描述的本發明的前述和其他的目的、方面、優點和/或特徵可單獨地和結合起來實現。除非某個特殊的權利要求中有清楚的陳述，否則，本發明不應該被解釋成要求兩個或更多這樣的特徵。
附圖簡述
通過較佳實施例的以下更加特殊的描述及
，本發明的前述和其他的目的、特徵和優點將一目了然。附圖中，標號通常所表示的意義是相同的。附圖不一定是按比例畫出的，重要的是本發明的原理。
圖1是產生E(電場)放電的傳統無電極燈的示意圖。
圖2是產生微波放電的傳統無電極燈的示意圖。
圖3是產生行波放電的傳統無電極燈的示意圖。
圖4是產生H(磁場)放電的傳統無電極燈的示意圖。
圖5是根據本發明的一個方面的高亮度無電極燈的示意概念圖。
圖6是根據本發明的一個方面的使用一個燈例的一種光學系統的示意圖。
圖7是根據本發明的一個方面的一個燈例的透視視圖，其中，燈泡、RF源和DC(直流)電源位於單一的外殼中。
圖8是根據本發明的一個方面的一個燈例的透視視圖，其中，燈泡位於第一個外殼中，RF源和DC電源位於第二個外殼中。
圖9是根據結合一根逐漸變細的燈管(TLP)使用的本發明一個方面的一個燈例的透視視圖。
圖10是根據結合複合拋物線集線器(compound parabolic concentrator)(CPC)使用的本發明一個方面的一個燈例的透視視圖。
圖11是根據結合球透鏡使用的本發明一個方面的一個燈例的透視視圖。
圖12是根據直接耦合到一個大核心光纖鏡片的本發明一個方面的一個燈例的透視視圖。
圖13是根據在具有光纖鏡片分布的汽車照明系統中使用的本發明一個方面的一個燈例的示意圖。
圖14是根據在投影顯示器中使用的本發明一個方面的一個燈例的透視視圖。
圖15是根據本發明的一個方面的第一個燈系統的方框圖級示意表示。
圖16是根據本發明的一個方面的一個燈頭的電路級示意表示。
圖17是根據本發明的一個方面的燈頭的透視視圖。
圖18是圖17中所示的燈頭的頂部示意圖。
圖19是圖17中所示的燈頭的前示意圖。
圖20是圖17中所示的燈頭的側面示意圖。
圖21是根據本發明的一個方面的燈頭的後側透視視圖。
圖22是根據本發明的一個方面的燈頭的分解透視視圖。
圖23是根據本發明的一個方面的一例燈頭的光譜功率分布圖。
圖24是根據本發明的一個方面的一例燈頭的流量比較RF功率圖。
圖25是根據本發明的一個方面的一例燈頭的角光分布圖。
圖26是氯化銦燈填充物比較溴化銦燈填充物的光譜功率分布的比較圖。
圖27是根據本發明的一個方面的一例激勵線圈的前示意圖。
圖28是圖27中的激勵線圈的透視視圖。
圖29是用於製造圖27中的激勵線圈的L形線圈預型(pre-form)示意圖。
圖30是根據本發明一個方面的用於製造一例激勵線圈的第一交替線圈預型示意圖。
圖31是根據本發明一個方面的用於製造一例激勵線圈的第二交替線圈預型的示意圖。
圖32是根據本發明的一個方面的一例陶瓷帽的前示意圖。
圖33是沿圖32中的線33-33的陶瓷帽的截面示意圖。
圖34是根據本發明的一個方面的一例組裝陶瓷帽的截面示意圖。
圖35是根據本發明的另一個例子的陶瓷帽的前示意圖。
圖36是沿圖35中的線36-36的陶瓷帽的截面示意圖。
圖37是根據本發明的另一個例子的交替組裝陶瓷帽的截面示意圖。
圖38是根據本發明的一個例子的後部墊圈的示意圖。
圖39是根據本發明的一個例子的完整的陶瓷帽和散熱器組件的片斷截面示意圖。
圖40是根據本發明的一個例子的第一交替的完整陶瓷帽和散熱器組件的截面示意圖。
圖41是根據本發明的一個例子的第二交替的完整陶瓷帽和散熱器組件的截面示意圖。
圖42是根據本發明的一個方面的陶瓷散熱器的頂部示意圖。
圖43是沿圖42中的線43-43的根據本發明一個方面的陶瓷散熱器的截面圖。
圖44是根據本發明的一個方面的陶瓷散熱器的前示意圖。
圖45是根據本發明的一個方面的第一散熱器的頂部示意圖。
圖46是根據本發明的一個方面的第一散熱器的側面示意圖。
圖47是根據本發明的一個方面的第一散熱器的前示意圖。
圖48是根據本發明的一個方面的第一散熱器的底部示意圖。
圖49是根據本發明的一個方面的第一散熱器的放大截面示意圖。
圖50是根據本發明的一個方面的第二散熱器的前示意圖。
圖51是根據本發明的一個方面的第二散熱器的側面示意圖。
圖52是根據本發明的一個方面的第二散熱器的頂部示意圖。
圖53是根據本發明的一個方面的散布器金屬板(spreader plate)的頂部示意圖。
圖54是根據本發明的一個方面的散布器金屬板的前示意圖。
圖55是根據本發明的一個方面的示範電容器組的示意橫截面圖。
圖56和57分別是根據本發明的一個方面的高壓電容器和低壓電容器的第一個例子的示意圖。
圖58和59分別是根據本發明的一個方面的高壓電容器和低壓電容器的第二個例子的示意圖。
圖60和61分別是根據本發明的一個方面的高壓電容器和低壓電容器的第三個例子的示意圖。
圖62和63分別是根據本發明的一個方面的高壓電容器和低壓電容器的第四個例子的示意圖。
圖64和65分別是根據本發明的一個方面的高壓電容器和低壓電容器的第五個例子的示意圖。
圖66和67分別是根據本發明的一個方面的高壓電容器和低壓電容器的第六個例子的示意圖。
圖68和69分別是根據本發明的一個方面的高壓電容器和低壓電容器的第九個例子的示意圖。
圖70是具有一個圓形導體金屬板的根據本發明另一個例子的高功率電容器的透視圖。
圖71是沿圖70中的線71-71的圖70的電容器的側截視圖。
圖72是圖70中的電容器的分解視圖。
圖73是燈頭組件的透視視圖，該燈頭組件包括電容器組的散熱結構。
圖74是根據本發明的一個例子的陶瓷線圈導線支撐柱的透視圖。
圖75是燈頭組件的後部透視視圖，該燈頭組件包括電容器組的散熱結構和圖74中的線圈導線支撐柱。
圖76是根據本發明的一個方面的同軸電容器的分解橫截面視圖。
圖77是同軸電容器的放大橫截面視圖。
圖78是同軸電容器的第一個例子，該同軸電容器與一個激勵線圈一起用於形成無電極燈的串聯諧振電路。
圖79是同軸電容器的第二個例子，該同軸電容器與激勵線圈一起用於形成無電極燈的串聯諧振電路。
圖80是具有增加的邊緣半徑的根據本發明一個方面的磁碟電容器的示意橫截面圖。
圖81是根據本發明的一個方面的RF源的方框級示意圖。
圖82是根據本發明的一個方面的RF源的電路級示意圖。
圖83是根據本發明的一個方面的RF源的偏壓電路的電路級示意圖。
圖84是根據本發明的一個方面的RF源的調諧電路的電路級示意圖。
圖85是根據本發明的一個方面的RF源的透視圖。
圖86是電晶體器件的放大透視視圖，示出了彎曲的漏極接頭。
圖87是根據本發明的一個方面的RF源的組件級示意圖。
圖88是根據本發明的一個方面的RF源的一例印刷電路板布置的示意圖。
圖89是根據本發明一個方面的一例振蕩器的「功率比較DC漏極電壓和效率比較DC漏極電壓」的組合圖。
圖90是根據本發明一個方面的一例振蕩器的「頻率對功率關係」的圖。
圖91是根據本發明的一個方面另一種調諧電路的電路級示意圖，該調諧電路使用一種互補的PIN二極體排列。
圖92是耦合線路耦合器的結構示意圖。
圖93是根據本發明一個方面的一例方向耦合器電路的組件級示意圖。
圖94是根據本發明一個方面的方向耦合器的一例印刷電路板布置的示意圖。
圖95是根據本發明一個方面的控制電路的方框級示意圖。
圖96是根據本發明一個方面的一例控制電路的電路級示意圖。
圖97是根據本發明一個方面的一例方法的流程圖，用於控制無電極燈的RF源。
圖98-102是根據本發明一個方面的一例方法更加詳細的流程圖，用於控制無電極燈的RF源，在由具有類似標籤的過程步驟指出的圖表之間有連接。
圖103是信號Pf、Pr和控制的圖，給出根據本發明一個方面方法的一次執行，用於控制無電極燈的RF源。
圖104是信號Pf、Pr和控制的另一幅圖，給出根據本發明一個方面的方法的另一次執行，用於控制無電極燈的RF源。
圖105是根據本發明的一個方面的透鏡保持裝置的截面圖。
圖106是圖105中的區域106的放大視圖。
圖107是根據本發明一個方面的透鏡排列的示意圖。
圖108是根據本發明一個方面的第二種燈系統的透視圖。
圖109是根據本發明一個方面的RF源的印刷電路板布置的示意圖。
圖110是安裝在散布器金屬板上的來自圖109的印刷電路板的側面示意圖。
圖111是根據本發明的一個方面的RF源的示意組件級視圖。
圖112是圖111中區域112的放大視圖，示出了RF源使用的一個方向耦合器的組件細節。
圖113是RF源的側面示意圖，表現了一個手纏繞線圈的細節。
圖114是圖111中的區域114的放大視圖，示出了RF源使用的調諧電路的組件細節。
圖115是RF源的散熱器的頂部示意圖。
圖116是散熱器的前示意圖。
圖117是散熱器的側面示意圖。
圖118是根據本發明一個方面的PIN二極體的散熱器結構的截面視圖。
圖119是根據本發明的一個方面的第一例燈頭組件的頂部示意圖。
圖120是第一燈頭組件的右側示意圖，具有局部的橫截面視圖。
圖121是沿圖119中的線121-121的截面視圖。
圖122是第一燈頭組件的底部示意圖。
圖123是具有可從其移去的蓋子的第一燈頭組件的頂部示意圖。
圖124是沿圖119中的線124-124的截面視圖。
圖125是根據本發明的一個方面的第二例燈頭組件的頂部示意圖。
圖126是第一個燈頭組件的右側示意圖。
圖127是沿圖125中的線127-127的截面視圖。
圖128是第二燈頭組件的底部示意圖。
圖129是具有可從其移去的蓋子的第二燈組件的頂部示意圖。
圖130是沿圖125中的線130-130的截面視圖。
圖131是在構成線圈之前，根據本發明的一個方面的整體式線圈與電容器組件的頂部示意圖。
圖132是整體式線圈與電容器組件的右側示意圖。
圖133是整體式線圈與電容器組件的第一子組件的頂部示意圖。
圖134是沿圖133中的線134-134的截面視圖。
圖135是第一局部裝配的前側示意圖。
圖136是整體式線圈與電容器組件的第二子組件的頂部示意圖。
圖137是第二子組件的右側示意圖。
圖138是集成(integrated)線圈與電容器組件的的分解示意圖。
圖139是在構成線圈之後，根據本發明的一個方面的整體式線圈與電容器組件的左側透視視圖。
圖140是在構成線圈之後，根據本發明的一個方面的整體式線圈與電容器組件的右側透視視圖。
圖141是完整構成的整體式線圈與電容器組件的左側示意圖。
圖142是整體式線圈與電容器組件以及同軸電纜的前示意圖。
圖143是整體式線圈與電容器組件以及同軸電纜的右側示意圖。
圖144是整體式線圈與電容器組件以及同軸電纜的後部示意圖。
圖145是完整構成的整體式線圈與電容器組件以及線圈的陶瓷散熱器的左側示意圖。
圖146是整體式線圈與電容器組件以及同軸電纜與陶瓷散熱器的前示意圖。
圖147是整體式線圈與電容器組件以及同軸電纜與陶瓷散熱器的局部橫截面的後部示意圖。
圖148是圖146中的區域148的放大視圖，給出了線圈與散布器金屬板的焊 接連接的細節。
圖149是圖146中的區域149的放大視圖，給出了同軸電纜與整體式線圈和電容器組件的焊接連接的細節。
圖150是線圈的陶瓷散熱器的透視視圖。
圖151是線圈的陶瓷散熱器的頂部示意圖。
圖152是沿圖151中的線152-152的截面視圖。
圖153是沿圖151中的線153-153的截面視圖。
圖154是第一例電容器組的陶瓷散熱器的頂部示意圖。
圖155是第一電容器組的右側示意圖。
圖156是第一電容器散熱器的後部示意圖。
圖157是第二例電容器組的陶瓷散熱器的頂部示意圖。
圖158是第二電容器散熱器的右側示意圖。
圖159是第二電容器散熱器的後部示意圖。
圖160是根據本發明的一個方面的小孔燈泡的頂部示意圖。
圖161是沿圖160中的線161-161的截面圖。
圖162是兩種不同劑量氯化銦光譜的比較圖。
圖163是各種劑量氯化銦的各種波長範圍中的功率大小的圖。
圖164是根據本發明的一個方面的名義上的阻抗切換比較時問的圖。
圖165是代表圖，示出非阻抗切換燈的Smith圖的一部分。
圖166是代表圖，示出根據本發明一個方面的阻抗切換燈的Smith圖的一部分。
圖167是一個單級振蕩器的概括示意圖。
圖168是驅動無電極燈電路的RF源的示意圖。
圖169是Smith圖，示出連接到感應耦合燈頭的一個單獨非阻抗切換RF源的典型操作。
圖170是Smith圖，示出由非阻抗切換與非單獨的燈系統中的啟動順序呈現的各種問題。
圖171是Smith圖，示出根據本發明的一個方面的動態受控阻抗切換的第一種方法。
圖172是Smith圖，示出根據本發明的一個方面的動態受控阻抗切換的第二種方法。
圖173是根據本發明一個方面的包括RF驅動負載的第一例RF電路的示意圖。
圖174是根據本發明一個方面的包括RF驅動負載的第二例RF電路的示意圖。
圖175是根據本發明一個方面的包括RF驅動負載的第三例RF電路的示意圖。
圖176是根據本發明一個方面的第三種燈系統的方框級示意圖，包括一個阻抗切換RF源。
圖177是根據本發明的一個方面的RF源的方框級示意圖。
圖178是根據本發明的一個方面的動態受控阻抗切換電路的示意圖。
圖179是根據本發明的一個方面的動態受控阻抗切換電路的電路級示意圖。
圖180是根據本發明一個方面的用於提供阻抗切換RF源與方向耦合器的組裝有合適器件的印刷電路板的組件級示意圖。
圖181是由圖180中的區域181指出的阻抗切換電路的放大示意圖。
圖182是整體燈系統的分解透視圖，該燈系統包括一個單一外殼中的阻抗切換RF源、方向耦合器、RF控制電路和燈頭。
圖183是由圖182的整體燈系統使用的印刷電路板布置的示意圖。
圖184是激勵線圈配置的印刷電路板側面示意圖。
圖185是使用有源功率控制根據本發明一個方面的RF源振蕩器供應電壓對時間關係的圖。
圖186是根據本發明一個方面控制電路的電路級示意圖。
圖187是代表振蕩器的負載特徵的Rieke圖。
圖188是代表具有受控頻率負載特徵第一例振蕩器負載特徵的Rieke圖。
圖189是具有受控頻率負載特徵的第二例振蕩器印刷電路板布置示意圖。
圖190是一個構成組件示意圖，示出第二例中的反饋電容器的典型位置。
圖191是代表第二例負載特徵的Rieke圖。
圖192是第一例後部冷卻孔帽的橫截面圖。
圖193是第一例陶瓷帽部分的橫截面視圖。
圖194是第一個例子陶瓷墊圈部分的橫截面視圖。
圖195是第一個例子陶瓷墊圈部分的前視圖。
圖196和197分別是第一個例子第一替換墊圈部分的橫截面視圖和前視圖。
圖198和199分別是第二個例子第二替換墊圈部分的橫截面視圖和前視圖。
圖200是第二個例後部冷卻孔帽的橫截面圖。
圖201是第二個例子陶瓷帽部分的橫截面視圖。
圖202是第二個例子陶瓷墊圈部分的橫截面視圖。
圖203是第二個例子陶瓷墊圈部分的前視圖。
圖204和205分別是第二個例子第一替換墊圈部分的橫截面視圖和前視圖。
圖206和207分別是第二個例子第二替換墊圈部分的橫截面視圖和前視圖。
圖208是第一例高孔帽的前示意圖。
圖209是沿圖208中209-209的橫截面視圖。
圖210是第二例高孔帽的前示意圖。
圖211是沿圖210中211-211的橫截面視圖。
圖212是第三例高孔帽的前示意圖。
圖213是沿圖212中213-213的橫截面視圖。
圖214是使用高孔帽無電極燈的示意橫截面圖。
圖215是第一例二向色性性塗層小孔燈的示意橫截面視圖。
圖216是第二例二向色性性塗層小孔燈的示意橫截面視圖。
圖217是第一例具有輪廓內壁小孔帽的橫截面圖。
圖218是第二例具有輪廓內壁小孔帽的橫截面圖。
圖219是第三例具有輪廓內壁小孔帽的橫截面圖。
圖220是第四例具有輪廓內壁小孔帽的橫截面圖。
描述
在以下描述中，出於說明而非限制的目的，描述了具體的細節內容(例如，特定的結構、界面、技術等)，以便使人們對本發明的各個方面有徹底、全面的理解。但是，本發明的各個方面可以在脫離這些具體細節的其他例子中得到實踐，這對於精通具有本說明優點的該技術領域的人將是顯而易見的。在某些情況下，省略了對眾所周知的設備、電路和方法的描述，以便不使本發明的描述因不必要的細節而晦澀難懂。
一般而言，這裡所描述的各個發明涉及第WO 99/36940號PCT公開文本中所描述的燈，並涉及各種改良和/或其修改(雖然這裡所描述的許多發明早於該公開)。這裡參考第WO 99/36940號PCT功率文本來併入有關這種燈和製造與使用這種燈的方法的詳細討論，它對應於1999年1月11日提交的第09/228,230號共同待批的美國專利申請。
圖5是根據本發明一個方面的高亮度無電極燈的示意概念圖。如圖5中所示，無電極燈燈泡14被限定小孔16的反射塗層15所覆蓋。感應耦合迴路17由固態RF源18驅動，以便為燈提供電力。
利用合適的填充物，本發明的燈提供了其他獨特的系統級優點。例如，在某些應用中，從某一光源發射的所有光可能會沒有用。利用傳統的光源，不合乎需要的波長或偏振的光不得不只能當作廢光(waste light)。但是，如圖6中所示，使用根據本發明一個方面的一個燈例的光學系統可包括將廢光20導回的光學元件19，以便由小孔燈泡21「取回」。在被重新發射之前，這些返回的光子中的一些光子與等離子體相互作用並被轉換成有用光22，從而提高了燈的總體效率。這種光取回在第5,773,918號美國專利和第5,903,091號美國專利(轉讓給本發明的受讓人共同享有)中有更加詳細的描述，這兩個專利都在此引述，用作參考。
根據本發明的燈最好在尺寸上屬於小型。有利的是，該燈可以被方便地包裝入各種配置。例如，燈泡RF源和DC電源可以被包裝在一起，或者，這些模塊中的每個模塊可以被包裝並被分開放置。圖7是根據本發明的一個方面的燈的透視圖，其中，燈泡、RF源、RF控制電路和DC電源位於一個單一的外殼23中。圖8是根據本發明的一個方面的一個燈例的透視視圖，其中，燈泡位於第一個外殼24中，RF源、RF控制電路和DC電源位於第二個外殼25中。燈泡通過合適的傳播裝置(例如，一根同軸電纜)來接收RF能量。本發明的燈最好使用如這裡所描述的或以上參考的』940公開文獻中的一種高功率振蕩器，但也可選擇使用其他的電路布局來產生所需的RF能量。從傳統的水銀和金屬滷化物到硫磺、硒和碲的所有燈泡填充材料都可以用在本發明的燈中。
許多特徵、優點和一種固態的感應耦合小孔(aperture)燈的應用在』940公開文獻中被一一計數。精通該技術領域的人將理解這些特徵、優點和應用通常可被應用於這裡所描述的燈。圖9-11分別表現了結合逐漸變細的燈管(TLP)、複合拋物線集線器(concentrator)(CPC)和球透鏡使用的各個燈系統例子。圖12-14分別示出包括大核心光纖鏡片、具有光纖鏡片分布的汽車照明系統和投影顯示器的應用例子。
在下文中描述的本發明的各個燈例用來為大屏幕顯示器、醫療儀器、車輛頭燈或要求具有3000～5000流明的輸出的一個光亮來源的其他應用。但是，根據本發明的各種方面的燈在功率和/或尺寸上可被按比例增加或縮減，以便提供能夠發射小於一千和上至數萬流明或更多的一個光亮來源。
第一種燈系統
圖15是根據本發明的一個方面的第一種燈系統例子的方框圖級示意表示。燈系統31包括一個RF屏蔽外殼33，該RF屏蔽外殼33通過電連接器35從牆壁電源插座(或其他合適的外部電源)接收電力。一個任選線濾波器37規定提供給燈系統31的電力，並且/或者使通過電源線的RF洩漏為最小(或者，線濾波器37也可以位於外殼33內)。
在外殼33內，外部功率被提供給內部DC(直流)電源39，該內部DC電源將外部功率轉換成用於操作燈系統31的一個合適的DC電壓。DC電源39被連接到RF源41，該RF源將通過任選循環器43和方向耦合器45的高頻能量提供給燈頭47。燈頭47產生光，光通過合適的鏡片49從外殼33導出。分別代表前向與相反功率的信號Pf和Pr被提供給RF控制電路53。RF控制電路53根據信號Pf、Pr將控制信號55提供給RF源41。此外，任選循環器43的埠被耦合到虛擬負載51。
根據本發明的一個方面，燈系統使用實時控制電路來消除因熱效應或老化導致的與頻率變化有關的潛在問題。該控制電路也消除了單獨調諧每個燈系統的要求。
以上所描述的每個部件的例子在下文中詳細描述。以上的某些部件很新穎，並且是本申請的主題。其他部件是傳統的部件，它們可以從許多來源購得。這些部件通過合適的裝置連接。例如，同軸電纜被用於攜帶RF信號，合適的規格配線被用於其他連接。此外，如這裡所描述的，根據系統要求，燈系統31的各個部件可以被分布在其間合適的連接的幾個分開的外殼中。合適的DC電源可從麻薩諸塞州的Andover的VICOR獲得，型號VIMU3-ES，它提供具有約300瓦功率的大約24VDC。
任選循環器
循環器43及其有關的虛擬負載51在第一種燈系統中是任選的。當存在時，循環器在較寬範圍的燈操作條件下保持系統性能的穩定。但是，循環器的使用增加了系統的成本，並減小被提供給燈頭的RF功率的數量。若沒有循環器，則尤其在啟動時發生的阻抗轉換期間，要求更加精確的控制與動態阻抗匹配來操作具有一貫穩定性的燈。
合適的循環器可從康乃狄克州的Cheshire的康乃狄克微波公司獲得，型號112196，它能夠處理約430-450MHz的波段中約150瓦的RF功率。虛擬負載可從紐約州的Haupauge的Narda獲得，型號是374BNM，它能夠以上至約18GHz來驅散平均大約20瓦(5KW最高峰)的反射功率。
燈頭
參照圖16，燈頭61包括圍繞無電極燈泡65的激勵線圈63。線圈63是一個串聯諧振電路的一部分，該串聯諧振電路包括兩個電容器67和69。電容器67是高壓電容器。電容器69是低壓電容器。電容器67和69在一端處相互連接到線圈63。線圈63在其另一端通過一個小電阻R1(代表集中電路電阻)接地。RF源71將一個高頻信號提供到電容器67和69的連接處。該電路操作類似於以上結合其第四個例子參考的』940公開文獻中所詳細描述的操作。
在圖17～22中所示的例子中，燈泡65被配置成在帽(cup)組件73中。燈泡65被置於陶瓷帽75內，在前陶瓷墊圈77(限定穿過其的一個發光孔)與後陶瓷磁碟79之間。如下文結合圖34所詳細描述的，帽組件73還包括燈泡65周圍的一種高反射率陶瓷材料(除了在孔的區域中之外)。帽組件73被放置在線圈63內，帽組件73的外部直徑用來放置在線圈63的內部直徑以內。
如下文中結合圖27～31所詳細描述的那樣，激勵線圈63具有普通婚戒的形狀，軸嚮導線平行於線圈的一個軸延伸，徑嚮導線從線圈徑向延伸。激勵線圈63放置在陶瓷散熱器81中，該陶瓷散熱器的一個內孔的直徑用來容納線圈63的外部直徑。散熱器81還限定了一個狹縫，該狹縫用來接收線圈63的徑嚮導線。線圈63的軸嚮導線延伸通過散熱器81並被連接到電容器67(見圖21)。
陶瓷散熱器81被放置在上散熱器83中，該上散熱器安裝在電接地散布器金屬板85上。下散熱器87放置在上散熱器83對面的散布器金屬板85的一側上。最好螺釘或其他緊固件通過下散熱器87和散布器金屬板85中對齊的各個孔，進入上散熱器83中的穿孔或類似物，以便機械地一起支撐燈頭61。上散熱器83被電接地到散布器金屬板85並在線圈63周圍形成一個接地傳導表面或「爐管」，其各種優點在』940公開文本中有所描述。散布器金屬板被放置在線圈63的徑嚮導線的區域中，該導線通過焊接或類似的方法電連接到散布器金屬板85。
電容器67和69被堆疊在一起，並被安裝在散布器金屬板85上。電容器組與散布器金屬板85之間的電連接和機械連接通過焊接或類似的方法來建立。如圖18中所示，電容器69的傳導區域延伸到電容器67以外，用作燈頭61的電源供給。同軸連接器89安裝到具有中心導體的散布器金屬板85，該中心導體焊接到延伸區域中的電容器69的傳導金屬板。如圖21中所示，激勵線圈63的軸嚮導線63b連接到電容器67。特別是，軸嚮導線63b的末端前向逐漸彎曲並被焊接到電容器67上。
弧光形成性能改善的燈頭
如』940公開文本中所指出的那樣，燈運行期間所用的高壓可以建立可能發生弧光的條件。最好為減少弧光形成所採取的任何步驟不應對整個系統的效率有消極的影響。根據本發明的本方面，可以通過幾種結構改良來使弧光形成最小化，同時基本維持系統的效率。其中的一種改良是具有相對低的介電常數的高壓電容器(例如，電容器67)。另一種改良是使用電容器組與激勵線圈之間的低損失連接。還有一種改良是促進離開電容器組的熱量轉移。
對相同的電容值而言，具有較低介電常數的材料所要求的絕緣材料的數量相對較厚。相對較厚的絕緣材料增加各電容器金屬板之間的間隔，從而減少了發生弧光的機會。最好高壓電容器中所用的絕緣材料的介電常數在大約K＝2與K＝3.5之間或更低。較厚的絕緣材料提供了精確性更高的電容值，從而使燈頭的工作頻率的精確度更高。
通過使用從電容器組連接到婚戒線圈的短而寬的導體來提供從高壓電容器線圈到線圈的低損失連接。如在下文中所描述的那樣，該導體最好是與線圈的軸嚮導線成為整體。短導體克服了通過降低電阻和感應來實現與線圈匹配的困難。
燈的性能
圖23是根據本發明的一個方面的燈頭的光譜功率分布圖。產生光譜的燈泡的外部直徑為9毫米，內部直徑為8毫米(大約0.268立方釐米的燈泡體積)，具有0.4毫克InBr的填充物(填充物密度為約1.5毫克/立方釐米)、50乇氪和少量Kr85。電燈以大約140RF瓦的功率而被供電。如從圖23中可見，電燈在所有可見區域產生連續的光譜。典型的顏色的折射率(index)大約是90或更大。
圖24是根據本發明的一個方面的燈頭的流量對RF功率關係的圖。如從圖24中可見，光輸出隨著RF功率的提高而增加。來自具有140瓦應用RF功率的孔的典型的光輸出的範圍是4500～5000流明。
圖25是根據本發明的一個方面的燈頭的角光分布圖。
圖26是氯化銦電燈填充物對溴化銦電燈填充物的光譜功率分布比較圖。外部直徑為9毫米、內部直徑約為8毫米的燈泡具有0.48毫克InCI和20乇氪的電燈填充物，以及少量Kr85。電燈按具有約6,854°K的CCT的186瓦RF功率產生6000多流明。具有3.9毫米直徑的孔的電燈按約175瓦RF功率產生約130燭光/平方毫米的亮度。與InBr填充物相比較，InCI的操作溫度較低，從而有利於較高層次的RF功率的應用，同時將燈泡溫度保持在合適的操作範圍內。與InBr相比較，InCI也按同等的RF功率提高較高層次的光輸出。
婚戒線圈
圖27和28示出根據本發明的一個方面的激勵線圈。如上所述，線圈63具有普通婚戒的形狀，其操作和優點在』940公開文本中有所描述。換言之，線圈63實質上是半圓柱形的，可限定一個小間隙或狹縫，具有的軸向高度至少要大於其半徑的厚度，最好是在線圈的約1/3～2/3直徑之間。線圈63用導線63a和63b整體構成。在本例中，導線63a名義上是接收電力的導線，導線63b名義上是連接到地的導線。導線63a沿平行於線圈63的軸的平面延伸，而導線63b沿平行於徑向線的平面延伸，該徑向線從線圈63的中心通過由線圈63限定的間隙的中點。
圖29是根據本發明一個方面的用來製造激勵線圈的L型線圈預型的示意圖。預型是一種普通的「L」型傳導材料(最好是銅)。要製作線圈63，預型圍繞圓柱形構件捲曲，該圓柱形構件的外部直徑對應於線圈63的所需內部直徑。尤其是，預型在箭頭93的方向上被捲曲通過幾乎一個完整的圓，然後，在第一個所需角處沿虛線95彎曲，隨後在第二個所需角處沿虛線97彎曲。這種製作線圈63的方法既簡單又廉價，同時提供了令人滿意的製造容許量。
圖30是根據本發明一個方面的用於製作激勵線圈的第一個替換線圈預型的示意圖。在此第一替換線圈預型中，軸嚮導線的末端是圓形的，「L」的外角是圓形的。
圖31是根據本發明一個方面的用於製作激勵線圈的第二個替換線圈預型的示意圖。在第二個替換線圈預型中，軸嚮導線的末端是圓形的，其直徑大於導線的寬度，「L」的外角是圓形的。
孔帽與gupping處理
(gupping通常是指在燈泡四周放置由反射陶瓷材料組成的可流動漿狀材料即gup材料的加工處理過程—譯者注)
如結合其圖176-178的』940公開文獻中所描述的，孔帽包括用具有約20％孔隙率的完全密實的氧化鋁製作的凸緣孔帽。該凸緣促進離開燈泡的熱量轉移。但是，氧化鋁只具有適度的熱傳導率特徵。在操作期間，來自燈泡的大部分熱量被存入圓圈的區域中的帽內(與等離子體放電的環對齊)。利用氧化鋁帽，從燈泡圓圈到散熱器的熱路徑必須被最小化，以便有良好的熱量轉移。在沒有嚴格的製造容許量的情況下，帽子的外壁與線圈/散熱器組件的內表面之間的小徑向間隙會對燈泡溫度和電燈性能有不可預知的影響。這樣，為了提供良好的熱傳遞，相對嚴格的製造容許量被要求在帽體與線圈/散熱器組件之間維持熱接觸，從而增加了成本。
根據本發明的一個方面，使用一種高熱傳導率陶瓷材料來製造小孔帽(例如，氮化硼(BN)或氮化鋁(AIN))。在下文中，描述了使用一種高熱傳導率材料的新穎的帽結構和燈頭結構。與使用氧化鋁、氧化鋁-矽石或矽石帽結構的』940公開文獻中所描述的各種布置相比較，下文所描述的新穎的布置減少了對嚴格的製造容許量的要求，也減小了燈泡與散熱器之間的熱電阻。
如圖32-34中所示，陶瓷帽75是圓柱形的，其外部直徑用來放置在線圈63的內部直徑內。帽75的內部直徑至少要略微大於燈泡65的外部直徑，該燈泡結合帽75使用，通常被製造得足夠大，以便容納帽75與燈泡65之間的所需數量的高反射率陶瓷材料99(見圖34)。帽75的典型壁厚在約0.5毫米與1毫米之間。帽75的壁與燈泡65之間的典型的反射材料厚度也在0.5毫米與1毫米之間。反射材料99可以包括』940公開文獻中所指出的任何材料；例如，通過』940公開文獻中所述的任何技術(包括手gupping、固體鑄造、真空壓力和離心機)，帽75可以被填充反射材料99。反射材料99也用於將熱量從燈泡傳導走。
帽75限定了一個用來保留前陶瓷墊圈77的臺肩101。如下文中所描述的那樣，帽75也包括用來依靠陶瓷散熱器81的臺肩被接收的凸緣103。帽組件73和散熱器81協作放置燈泡65，使其關於線圈63近似對稱。可以使用一個正面金屬板或保留託架或類似物來使帽組件73依靠裝配的燈頭61中的散熱器81固定。此外，熱油灰可以放置在帽73/散熱器81界面處，以便促進良好的熱接觸。如』940公開文獻中所描述的，帽組件73可包括軸向地、徑向地和用其他方法將組件73放置在有關線圈63和散熱器81的所需位置的額外的結構特徵。如圖34中所示，帽組件73適合後陶瓷磁碟79，該磁碟可通過裝配的燈頭61中的一個保留託架或類似物被保留在適當的位置。
如上所述，根據本發明的一個方面，氮化硼(BN)是陶瓷帽75的一種合適的材料。BN的熱傳導率至少比完全密實的氧化鋁(例如，孔隙率為20％的氧化鋁)高大約三至四倍。相應地，即使氧化鋁帽與線圈/散熱器有妨礙接觸，熱量也被傳導到帽組件73的前凸緣103，其熱電阻等於或低於氧化鋁帽組件能徑向傳導熱量的情況。此外，BN可以被配置成沿一個方向(例如，箭頭76)展示相對較高的熱傳導率，該方向較佳地與線圈的一個軸對齊，以促進沿一個熱路徑(而不是有關線圈的軸的徑向地)的離開燈泡的熱量轉移。
最好在電燈溫度和條件的範圍中，高熱傳導率材料不與燈泡或反射陶瓷材料相互作用。當將BN用作高熱傳導率材料和將矽石用作燈泡材料時，要注意避免帽75與燈泡65之間的接觸，因為硼-矽酸鹽的潛在構成可能會使燈泡的性能退化。前陶瓷墊圈77、後陶瓷磁碟79和反射材料99都較佳的是氧化鋁或氧化鋁與矽石的混合物。在將燈泡65插入帽75中之前，燈泡65較佳被粘附到前墊圈77。在插入期間，墊圈77精確地使帽75中的燈泡65居中，從而促進以方位角的方式在燈泡65周圍的反射材料99的統一分布。
在一些例子中，可以提供一個風扇(未示出)，以指引散熱器83、87的翅片223上的空氣(見圖46和51)。這個風扇將冷卻的空氣提供給燈頭，使用本發明的本方面的BN小孔帽的燈頭一直將小孔區域中的燈泡表面溫度保持在約850℃與950℃之間。利用同等數量的冷卻空氣，使用氧化鋁帽的燈頭可以達到超過1100℃的溫度。相應地，本發明的本方面的高熱傳導率帽(cup)使燈泡的壽命有了很大的提高。
如果BN帽材料變得非常熱，則在BN材料與燈泡65之間會產生擴散路徑。BN表面上的硼酸鹽的局部壓力是BN的溫度的函數。通過保持帽75與散熱器81之間的緊密熱接觸，BN帽75的溫度以及硼酸鹽的局部壓力可以適當得保持較低，以便使帽與燈泡之間產生擴散路徑的可能性最小。
圖35和36示出陶瓷帽的另一個例子。特別是，除了帽105的前部開口限定了一個斜面107外，帽105類似於帽75。
圖37是根據本發明的一個方面的替換裝配陶瓷帽的截面示意圖。圖38是根據本發明的一個方面的後陶瓷墊圈的示意圖。陶瓷帽111類似於帽75，包括凸緣113並限定臺肩115。前陶瓷墊圈117和後陶瓷墊圈119的放置與燈泡65有接觸。前陶瓷墊圈117被放置在由帽111限定的開口內，並且鄰接臺肩115。後陶瓷墊圈119的外部直徑緊密匹配帽111的內部直徑。前墊圈117和後墊圈119協作使燈泡在帽111內居中。如圖38中所示，後陶瓷墊圈119可包括楔狀的徑向開口121，這些開口用來提供陶瓷反射器懸浮體預報器的適當流動和乾燥(即gupping)。例如，帽111的內部體積可以填充完全覆蓋燈泡的一種可流動懸浮體的gup材料(gup材料是一種由反射陶瓷材料組成的可以流動的漿狀材料—譯者注) (例如，Nichia)。然後，後墊圈119滑到燈泡後部，從而移置通過開口121的可流動的懸浮體。然後，gup材料乾燥並用烘爐燒制，以提供反射材料99。後墊圈119可進一步被配置一個出口，以便適應反射材料99的逐漸乾燥，而不發生嚴重的破裂。
圖39是根據本發明的一個方面的整體式陶瓷帽與散熱器組件的截面圖。在圖39中，陶瓷帽部分123與陶瓷散熱器部分125構成整體。燈泡65和前、後墊圈117、119在其他方面類似於有關圖37的上述內容。與分開的陶瓷帽和散熱器組件相比較，整體式帽與散熱器可以減少成本，因為浪費的材料較少。
圖40是根據本發明的一個方面的第一替換整體式陶瓷帽與散熱器組件的截面視圖。在圖40中，陶瓷散熱器131限定了一個孔133，該孔具有用來接收激勵線圈137的第一臺肩135和用來接收前陶瓷墊圈141的第二臺肩139。前陶瓷墊圈141限定從其穿過的孔143，燈泡65靠前墊圈141放置，以便燈泡在電燈運行期間發射光通孔143。正面金屬板145機械地固定到燈頭61，並用來保持前墊圈141與散熱器131的緊密接觸。孔133填充反射陶瓷材料99並用後陶瓷墊圈或活塞147封閉。反射材料99可包括氧化鋁粉末。彈簧149經常為活塞147提供牽力，以便保留活塞和孔133中的粉末。與前述的例子相比較，該布置取消了線圈137與燈泡65之間的帽材料。線圈137的直徑因此減小，從而改善了操作期間RF能量與填充物的耦合。線圈137與燈泡65之間的反射材料99的典型厚度大約是0.5毫米～1毫米。第一個替換例子成本低、耐用性高，可以大批量生產。
圖41是根據本發明的一個方面的第二替換整體式陶瓷帽與散熱器組件的截面圖。第二個替換整體式陶瓷帽與散熱器組件也取消了線圈與燈泡之間的帽材料，而使用結合圖37的上述前、後墊圈117、119。在使用後墊圈的這個例子和其他例子中，如果必要或需要的話，一種任選彈簧或高溫回彈力材料可以靠後墊圈放置，以便將墊圈保留在適當的位置。
陶瓷散熱器
參考圖42-44，陶瓷散熱器81具有通常被截的圓柱體的形狀，孔211穿過其中。線圈63的外部直徑大體上對應於孔211的內部直徑。散熱器81被相反地鑽孔，以限定臺肩213，該臺肩用來接收帽組件73的凸緣103。散熱器81還限定狹縫215，該狹縫足夠寬，可以接收線圈63的徑嚮導線63b。狹縫215用機器加工成散熱器81中的所需深度，以便將線圈63的位置設置在散熱器81內。當線圈63被放置在散熱器81中時，確定線圈63的方向，以便徑嚮導線63b與狹縫215對齊。然後，線圈63被推入散熱器81，直到導線63b的主要邊緣鄰接狹縫215的後壁217。氮化硼(BN)是用於散熱器81的合適的材料。氮化鋁(AIN)是一種替換材料。
上散熱器
涉及陶瓷帽組件73和陶瓷散熱器81的前述結構可以成為整體式燈頭的一部分。如』940公開文獻中所詳細描述的那樣，例如，該整體式燈頭具有用AlSiC製作的金屬矩陣複合體。但是，如下文中所描述的那樣，本發明的另一個例子使用分開的最外面的散熱器。
參照圖45-49，一例上散熱器83用一種具有良好的熱傳導率屬性的電傳導材料(例如，鋁)製作而成。散熱器83可以用機器加工，經模壓，或者利用傳統的裝置來製造。散熱器83具有通常被截去的圓柱體的形狀，小孔221穿過其中。散熱器83包括垂直於小孔221的軸放置的多個徑向冷卻翅片223。或者，可以使用軸向對齊的冷卻翅片或冷卻翅片的任何其他有用的布置。陶瓷散熱器81將要放置的區域中的一個末端翅片223a相對較厚並提供了多個可以螺紋安裝孔225a-c，用於安裝正面金屬板保留託架、透鏡架和/或其他到燈頭61的連接部件(見圖45)。散熱器83還在其底部表面上提供了螺紋安裝孔227a-b，它們與散布器金屬板85和底部散熱器87中的對應通孔對齊，用於機械地將這些部件相互固定(見圖47)。
下散熱器
如圖50-52中所示，下散熱器87也具有普通的截去的圓柱體形狀，其大體上平坦的頂部表面231具有穿孔233a-b，它們與上散熱器83中的穿孔227a-b對齊。散熱器87包括垂直於頂部表面231放置的多個徑向冷卻翅片235。末端翅片235a限定了安裝孔225d，它可以與上散熱器83中的孔225a-c結合使用，用於將部件安裝到燈頭61上。
散布器金屬板
散布器金屬板85(見圖53-54)是一個相對較厚(例如，3-5毫米)的板層，用具有良好的熱傳導率的電傳導材料製作而成(例如，銅)。散布器金屬板為線圈63和電容器67、69提供了一個電接地安裝基座。散布器金屬板85也在用於由上、下散熱器83、87分散的較大的表面上分布熱量，該熱量主要在燈頭的線圈/燈泡末端處產生。
散布器金屬板85限定了通常至少與陶瓷散熱器83中的狹縫215一樣深的狹縫241，以便散熱器81的位置可以與散布器金屬板85的前部邊緣齊平(見圖53)。徑嚮導線63b位於狹縫241中，並通過焊接或類似的方法機械地和用電的方式連接到散布器金屬板85。散布器金屬板85限定穿孔243a-b，它們與下散熱器87中的穿孔233a-b及上散熱器83中的穿孔227a-b對齊。散布器金屬板87也限定了多個穿孔245a-d，它們可以用來將燈頭61安裝在外殼內。穿孔247a-b被用於安裝同軸連接器89。
電容器組
在一般情況下，第一種燈系統是一個RF供電的、感應耦合的無電極燈，該燈使用一個電容器組作為串聯諧振電路的一部分，用於將RF功率耦合到燈的填充物。燈頭61使用堆疊在一起的兩個電容器，電力提供到兩個電容器的連接處之間的一個連接處的串聯諧振電路(見圖16)。電容器組包括電源供給與線圈之間的高壓電容器，以及電源供給與地之間的低壓電容器。通過使用這裡所描述的或』940公開文獻中的一項或多項技術，高壓電容器在燈運行期間經歷高壓，並較佳地被配置成使弧光形成最小。
圖55是根據本發明的一個方面的典型電容器組的示意橫截面視圖。高壓電容器251(例如，對應於電容器67)包括位於第一種絕緣材料251c的對側上的傳導墊251a和251b。低壓電容器253(例如，對應於電容器69)包括位於第二種絕緣材料253c的對側上的傳導墊253a和253b。例如，高壓電容器251可包括印刷電路板，該印刷電路板所具有的絕緣材料用特氟綸合成物和金屬包層製成，銅電鍍用於傳導墊251a、251b。選擇絕緣材料的厚度和傳導墊的面積，以便提供理想的電容值。當被堆疊在一起時，傳導表面253a延伸到高壓電容器251以外，並為兩個電容器之間的Rf功率提供一個連接點(例如，通過焊接)。
根據本發明的一個方面，圖56～69分別是高壓電容器和低壓電容器的各種配置各自的示意描述。在本例中，選擇絕緣材料、絕緣材料的厚度和高壓電容器的傳導表面面積，以便提供約5pF的電容。選擇絕緣材料、絕緣材料的厚度和低壓電容器的傳導表面面積，以便提供約48pF的電容。高、低壓電容器的合適的材料包括厚度分別為0.063」和0.020」的RogersTM4003，以及厚度為0.125」和0.020」的DuroidTM5870。一般而言，高壓電容器251的絕緣材料的厚度範圍可以在約0.5毫米與3.0毫米之間，電容器251的電容範圍在約5pF與6pF之間。最好低壓電容器253的電容值比高壓電容器251大幾倍，其範圍最好是在約30pF與40pF之間。
電容器邊緣上的蓋子
圖70-72是根據本發明方面的高壓電容器的例子。高壓電容器301用相對較厚的絕緣材料303製成，並限定了其中近似居中的圓形槽或渠道305。圓形電容器金屬板307建立在渠道305內部的材料303上。高壓電容器的第二塊金屬板(未示出)位於材料303的對側上，它最好是矩形並沿兩個維度延伸到圓形金屬板307的邊緣以外。絕緣蓋子309配置成覆蓋圓形金屬板307的邊緣，並包括用來裝配好渠道305的臺肩311。絕緣蓋子309可以用與材料303一樣的絕緣材料製成。
因各種原因，電容器301改善了燈頭的弧光形成抵抗性能。例如，金屬板307的圓形表面使E場最小。此外，金屬板307的圓形表面沒有可積累電荷的尖銳的角。而且，蓋子309覆蓋了圓形金屬板307的邊緣，以便不會暴露任何毛口或完工的缺點。
低壓電容器321包括傳導金屬板上的斜切角315a和315b，其電源連接到電容器組。
電容器組的冷卻
圖73是根據本發明的另一個方面的燈頭配置的後側透視視圖。燈頭61使用上述的電容器組布置。燈頭61還包括位於電容器組與託架319之間的杆317，該杆安裝到散熱器83上。通過提供從電容器到散熱器的熱傳導路徑，杆317發揮作用，從電容器抽走熱量。杆317用一種合適的材料製成，用於從高壓電容器導熱，而不會對燈頭的性能有不利的影響。尤其是，所選材料不應該引入寄生內容(parasitics)，它可能會對燈頭頻率、阻抗匹配或效率有不利的影響。杆317的一種合適的材料是氮化硼(BN)。一種替換材料是氮化鋁(AIN)。
抑制電暈
在裝配期間，電容器組可以被共形(conformal)塗層塗上一層(例如)矽樹脂樹脂，以便進一步減少弧光形成。共形(conformal)塗層減少了電暈效應，因為它可防止傳導表面暴露於空氣。
高場可以使傳導表面周圍的空氣離子化。如果空氣分解，則在傳導表面的邊緣上會發生電暈。根據本發明的本方面，基於矽樹脂的共形(conformal)塗層被應用在電容器組和線圈63的軸嚮導線63b上。特別是，在圖21中，本質上光亮的共形(conformal)塗層CC被噴灑在高壓電容器67的上(例如，被暴露的)表面、電壓電容器321的被暴露的表面和軸嚮導線63b上。適合共形(conformal)塗層CC的一例基於矽樹脂的樹脂噴灑是可從Chemeronics購得的KenFormSR。共形(conformal)塗層同樣可以應用於圖73和75中所示的電容器301與313的暴露表面、導線63b、陶瓷部分317和81P。最好導線63b的邊緣被彎曲，以避免尖銳的角；導線63b的表面被磨光，以便去掉毛口、裂縫等。
在本發明的一個方面中，如圖74和75所示，陶瓷散熱器進一步限定建立在其後部表面上的柱81P。柱81P的底部表面與散熱器81的底部表面共面。柱81P限定一個渠道或槽81C，它建立在其上表面上並用來按圖75中所示的方式容納和支撐軸嚮導線63b。例如，柱81P用於在軸嚮導線63b的區域中包含場，以便任何這些場都不會對電容器組有重大的幹擾。柱81P可以按上述的方式沿電容器組和軸嚮導線63b被塗上共形(conformal)塗層CC。
同軸電容器
在這裡所描述的無電極燈中，諧振RF電路被用來將能量耦合入燈填充物。如上所述，這種電路產生高電壓。本發明方面針對具有改善的高壓公差的電容器結構。本電容器結構也有利地促進了耦合調整，以便改善與RF源的匹配。
高壓會導致弧光形成或電暈效應，這對與電容器一起使用的絕緣體有破壞作用，從而縮短了電容器的壽命。傳統的平面電容器具有傾於有高電場的「刀」邊結構，高電場傾向於開始弧光形成或電暈效應。以上討論的電容器結構針對新的平面電容器結構，它們比傳統的電容器有相對更多的弧光抵抗性。與平面電容器金屬板比較，本電容器結構是進一步減少尖銳突出的一種替換布置，從而減少了高壓場。本電容器結構的另一個優點是其容易調整和其高頻能力。
參照圖76和77，根據本發明的一個方面的同軸電容器結構321包括被同軸地放置在第一個絕緣元件325內的第一個傳導元件323。第一傳導元件323和325進一步被同軸地放置在第二個傳導元件327和第二個絕緣元件329內。元件323-329中的每個元件都被同軸地對齊並至少局部被包含在一個外部傳導元件331內，它通常被電接地。在所示的例子中，地面導體331包括一個螺紋頭，用於連接到配合的同軸連接器或類似物。中心導體333位於接地導體331的螺紋頭附近，並被放置在同軸電容器321中且通過第三個絕緣構件335與接地導體331隔離。
結構321提供了與中心導體串聯的兩個電容器，該中心導體連接到串聯連接的連接處。第一傳導元件323提供第一電容器(C1，例如，高壓電容器)的一個終端，第二傳導元件327提供C1的另一終端和第二電容器(C2，例如，低壓電容器)的一個終端。外部傳導元件331提供C2的另一個終端。這三終端被為理想的電壓性能和所需電容器值而選擇的絕緣體(元件325和329)分開。最好同軸對齊的元件323-335可以沿其共同的軸作相互的移動，從而提供了對各個電容器值的調整。如附圖中所示或通過其他合適的配置，同軸結構也容易適合連接到可購得的RF連接器。
忽略末端效應，可以根據以下的公式來確定結構321的各個近似電容值
C＝2πLDε/ln(Ro/Ri) 公式1
其中
L是用米表示的電容器的長度；
D是絕緣體材料的介電常數；
ε是1/(36π×109)——真空的介電常數；
Ro是用米表示的外部導電元件的半徑；以及，
Ri是用米表示的內部導電元件的半徑。
對於長度與直徑的相對較高的比例而言，公式1更加精確。L最好被限制為小於燈頭的諧振頻率的十分之一。D根據一個所需的電容值來進行選擇，但也考慮溫度、操作頻率的分散因素和電壓平衡能力。一種合適的材料是PTFE(特氟綸TM)。在為Ro和Ri選擇適當的值時，要考慮製造容許量和電容值的所需精確度。
一般而言，電路效率與電容器精確度之間有一個平衡。小的電容器尺寸通常更加有效率，而較大的電容器尺寸通常更加精確。根據本發明的一個方面的示範同軸電容器被配置成為高壓電容器提供約5pF的值，為低壓電容器提供約39pF的值。這種電容器的長度範圍(例如)從約10毫米到約60毫米不等。高壓與低壓電容器的示範對應尺寸(用毫米表示)和所預期的容許量(用％表示)如下所示
表格1
圖78是與激勵線圈一起使用的同軸電容器的第一個例子，它們用於為無電極燈建立一個串聯諧振電路。激勵線圈337的第一個末端被連接到電容器321的內部導體(例如，第一個傳導元件323)。激勵線圈337的另一個末端被連接到電容器321的外部導體(例如，地面導體331)。線圈337和電容器321的布置使線圈337的中心橫斷電容器321的一個軸。
圖79是與激勵線圈一起使用的同軸電容器的第二個例子，它們用於為無電極燈建立一個串聯諧振道路。激勵線圈339的第一個末端被連接到電容器321的內部導體(例如，第一個傳導元件323)。激勵線圈339的另一個末端被連接到電容器321的外部導體(例如，地面導體331)。線圈339和電容器321的布置使線圈339主要與電容器321的一個軸成直角。
在第一個和第二個例子中，線圈337、339包括用來接收電容器321的內部導體的一個孔，電連接通過焊接或類似的方式被建立。電容器321進一步限定第一個絕緣元件325和/或地面導體331中的一個渠道，它用來接收線圈的一根導線，以便導線實質上與電容器321齊平。精通具有本申請優點的技術領域的人將可以進行許多其他特殊的布置。
具有增加的邊緣半徑的磁碟電容器
本發明的本方面還針對弧光形成的問題。高壓勢能可以在絕緣材料頂部的電容器金屬板的邊緣處憑空產生。根據本發明的本方面，通過增加電容器的有效邊緣半徑，潛在的邊緣坡度被大大減少(例如，5或更多的因數)。例如，1盎司銅磁碟/毫米可產生在10,000伏特狀態下的邊緣勢能。通過將有效的邊緣半徑從近似0.02毫米(例如，對於1.5密耳厚的銅片)增加到約0.25～0.5毫米，坡度被減少到每毫米約1000～2000伏特。這樣，通過使用相對簡單的幾何學，勢能邊緣坡度可以被減少約6～9因數。
圖80是具有增加的邊緣半徑的根據本發明本方面的磁碟電容器的示意橫截面視圖。高壓電容器341包括建立在絕緣材料345上的一個圓形金屬板343，該圓形金屬板具有位於材料345的對側上的傳導材料347。在這個方面，除了電容器341限定材料345中的一個彎曲槽349(例如，0.6毫米深)而不是矩形的橫截面渠道305以外，電容器341類似於電容器301。例如，電容器341可以用印刷電路材料製成，該印刷電路具有被結合到每一側的1或2盎司銅。
圓形橫截面的一根導線351(例如，16規格電線)環繞磁碟343的圓周，並通過焊料橋353用電的方式和機械地被連接到磁碟353。至少磁碟343、電線351和焊料353被絕緣塗層355覆蓋，該塗層可以是(例如)矽樹脂樹脂的一個共形(conformal)塗層。
最好共形(conformal)塗層355的介電常數類似於材料345的介電常數。在本例中，材料約1.5毫米厚並具有約3.4的一個介電常數。共形(conformal)塗層的介電常數約為3。共形(conformal)塗層的作用是在塗層材料的邊界內進一步減少坡度。結合的結果是在塗層的邊界內將接近導體表面坡度減少約18～27因數(3×6到3×9)。
最好共形(conformal)塗層是對所有塗層表面有良好的粘著力的合適的材料。最好是，除了可以接受不能支持電子雪崩的小氣泡外，可統一應用共形(conformal)塗層，沒有孔穴或空氣穴。在塗層下的空氣穴可以產生足夠強的場，以產生不希望有的電暈效應。
RF源
圖81是根據本發明的本方面的一例RF源的方框級示意圖。RF源使用(例如)一個振蕩器，也較佳地使用可能是非對稱的兩個反饋電路。在這個方面，放大器373(例如，包括兩個電晶體)的一個輸出通過第一個阻抗傳送網絡375和第二個阻抗轉換網絡377被反饋到放大器373的一個輸入。如』940公開文獻中所討論的，阻抗轉換網絡375和377不被直接耦合到放大器373的輸出，而是被耦合到輸出阻抗匹配電路369，以便改善負載阻抗靈敏度。偏壓電路365將電力提供到RF源。提供一個調諧電路363，用於調整RF源的操作頻率。
如』940公開文獻中所詳細描述的，RF源的雙重阻抗轉換網絡375、377被配置成提供合適的正反饋，用於開始和維持一個振蕩條件。在高輸出功率操作期間，雙重阻抗轉換網絡被進一步配置成保護放大器輸入不受額外電壓條件的影響，否則會破壞設備。雙重反饋系統的其他特徵和優點通常在』940公開文獻中有所描述。
圖82是根據本發明的本方面的RF源的電路級示意圖。如圖82所示，放大器(例如，放大器373)包括一對電晶體Q1和Q2，它們平行於其接地的來源終端S而被連接。電晶體Q1、Q2的輸出從其漏極終端D獲得，並被連接到輸出阻抗匹配電路369。
輸出阻抗匹配電路369包括在一端被連接到漏極D的一根傳送線TL0。傳送線TL0在兩根傳送線TL1和TL5的各自的末端之間被連接。TL1的另一端被連接到第一個反饋電路375。TL5的另一端被連接到第二個反饋電路377。輸出阻抗匹配電路369還包括一根傳送線TL12，該傳送線在一端被連接到TL0、TL1和TL5的連接處，並在另一端被連接到傳送線TL13的一端。TL13的另一端被連接到一對接地電容器C27、C28和傳送線TL14的一端。TL14的另一端被連接到一對接地電容器C29、C30，並與電容器31的第一端串聯。電容器31的另一端被連接到輸出傳送線TL15，該輸出傳送線可以被連接到一個負載。
第一反饋電路375在傳送線TL1(在漏極D的末梢)的末端與電晶體Q1、Q2在其受控終端G的一個輸入之間被連接。被串聯連接的第一反饋電路包括傳送線TL2、電容器C23、傳送線TL3、傳送線TL4、電容器C21和「T」。「T」包括傳送線TL9的一部分(「T」的支線)和傳送線TL10(「T」的頂部，也稱作「受控隔離器」)。「T」也受到傳送線TL11的影響。在這個方面，線TL11可以被認為是第一反饋電路375的一部分。
第二反饋電路377在傳送線TL5的末端(在漏極D的末梢)與控制G之間被連接。被串聯連接的第二反饋電路737包括傳送線TL6、電容器C24(在這個例子中可能是一個可變電容器)、傳送線TL7、傳送線TL8、電容器C22和「T」。
這樣，第一反饋電路375和第二反饋電路737都不包括任何離散的傳導部件，而只包括傳送線和電容器。而且，鑑於電容器C23和C24的值不相等，反饋電路是不對稱的。
DC供應電壓Vdss(例如，來自DC電源39，見圖15)通過包括一個感應器L1和兩個電容器C25、C26的一個RF濾波器電路將操作電壓提供給電晶體Q1、Q2的漏極D。在圖82中，感應器L1的一端被連接到Vdss，感應器L1的另一端在TL1和TL2的連接處被連接。電容器C25、C26中的每個電容器的一端被連接到Vdss，電容器C25、C26的另一端被連接到地。
圖82中所示的振蕩器系統還包括調諧電路363。根據本發明的本方面，調諧電路被配置成將反饋信號上的一個可變阻尼係數提供給電晶體Q1、Q2的控制端，從而影響振蕩器操作頻率。如圖82所示，一例調諧電路363包括在其中點被連接到TL10末梢的TL9一端的傳送線TL11，以及可變的電容性負載。可變電容性負載包括通過一個可變電阻器RL被連接到地的電容器CL。例如，來自RF控制電路的控制信號被用於調整可變抵抗RL的電阻，從而將反饋信號上的可變阻尼係數提供給電晶體Q1、Q2的控制端。
圖83是根據本發明一個方面的RF源的一例偏壓電路的電路級示意圖。DC供應電壓Vgs(例如，來自DC電源39，見圖15)被連接到一個電阻器R1和兩個電容器C1與C2的一端。電容器C1和C2的另一端被接地。電阻器R1的另一端被連接到一個二極體D1和三個終端可變電阻器VR1的一個負極末端的連接處。D1的正極末端被接地。VR1的第二個終端(在內部電壓劃分的連接處)通過電阻器R2被連接到地。VR1的第三個終端與感應器L1和電阻器R3串聯連接。R3的輸出被連接到傳送線TL11(見圖82)，從而通過與「T」的連接被提供給電晶體Q1、Q2的控制端。
圖84是根據本發明的一個方面的RF源的另一例調諧電路363的電路級示意圖。根據本發明的本方面，調諧電路363的配置使低壓DC控制信號可以在約10～15MHz的範圍中調整振蕩器的操作頻率，示範操作波段為約435～450MHz。
圖84的調諧電路363包括一個或多個(例如，6個)配置相同的插頭二極體電路。在所示的例子中，每個插頭二極體電路包括插頭二極體(D2-D7中的一個)，它通過連接到其正極的第一個電阻器(R5、R7、R9、R10、R12和R14中的一個)來接收一個控制信號(例如，控制信號55)。二極體的負極側通過第二個電阻器(R4、R6、R8、R11、R13和R15中的一個)被連接到地。第一個電容器(C9-C14中的一個)在負極與地之間被連接。第二個電容器(C15-C20中的一個)在二極體的正極與調諧電路的一個活動頻率確定軌道(例如，TL11)之間被連接。第三個電容器(C3-C8中的一個)在二極體的正極與地之間被連接，平行於第二個電阻器。
最好調諧電路包括多個(而不是一個)PIN二極體電路。調諧電路通過切換PIN二極體的偏壓來調整振蕩器的頻率。當PIN二極體(例如，D2-D7)被接通時，PIN二極體與攜帶RF信號的線之間存在電容耦合。在只使用PIN二極體電路和大RF信號的情況下，通過PIN二極體的RF信號電流的電容性耦合可能會干擾PIN二極體的工作情況(例如，影響整流和改變偏壓)。但是，在圖84的多個(例如，6個)PIN二極體電路布置中，PIN二極體與傳送線TL11之間的電容耦合(經由電容器C15-C20)較少，所以有較少的整流效果和偏壓幹擾。這樣，將控制信號應用於多個(例如，6個)PIN二極體電路比單個PIN二極體電路更有利。
精通該技術領域的人將會理解，根據一個所需的RF源操作頻率和功率輸出，可以使用具有有關公差、功率等級和其他特徵的特殊設備。表格2中指出圖82-84中電路的各種部件的合適的代表值。
參考 器件/值
C14.7μF電容器
C24700pF電容器
C3-C14470pF電容器
C15-C20 1.5pF，150V電容器
C21-C22 30pF，500V電容器
C233.0pF，500V電容器
C240.6-2.0pF可變電容器
C250.1μF電容器
C261000pF電容器
C2713pF，500V電容器
C2815pF，500V電容器
C293.6pF，500V電容器
C304.3pF，500V電容器
C31270pF，200V電容器
D1 齊納二極體，4.7V
D2-D7 PIN二極體(例如，M/A COM，AMP MA4P7002)
L1 18AWG，手繞線圈
L2 35.5nH電感器
Q1、Q2 RF功率FET(例如，摩託羅拉MRF373S)
R1 332K歐姆，0.25W電阻器
R2 5.6K歐姆，0.25W電阻器
R3 100K歐姆，0.25W電阻器
R4-R15 1K歐姆電阻器
VR11K歐姆可變電阻器
表格2
在生產過程中，電容器C24(見圖82)可以用具有約1.3pF的值的固定值電容器來代替。線圈L1在約8毫米的外部直徑處被用手纏繞18規格電線，大約纏繞了8～9圈。
在所示的例子中，控制信號(例如，來自RF控制電路53，見圖15)從0伏特到約4.1伏特變化不等，有效地導致了連續的可變電容變化。通過改變插頭二極體的RF電阻，控制信號有效地改變了到頻率確定軌道的地的電容。RF電流應該被保持足夠低，以避免因整流的電流而使PIN二極體進入開放的狀態。
並聯電晶體
根據本發明的一個方面，使用兩個有源器件所提供的輸出(例如，功率)層次比用單個有源器件所獲得的輸出層次要高。在這個方面，如圖82所示，兩個電晶體Q1、Q2被並聯連接並且其物理位置相互接近。每個電晶體的控制端連接分享一個共同的輸入焊盤，每個電晶體的漏極連接分享一個共同的輸出焊盤。在所示的例子中，每個設備上的漏極接頭主要垂直於印刷電路板而彎曲，焊料連接在接頭的底側上。與筆直的接頭相比較，漏極接頭的垂直彎曲所提供的阻抗匹配得到了改善。
圖85是根據本發明的一個方面的RF源的透視視圖。圖86是電晶體區域中的RF源的放大的片斷透視視圖。圖85和86示出了電晶體Q1、Q2的垂直彎曲(即垂直導向)的漏極接頭DT和與其連接的漏極接頭導線DTL。如圖86所示，漏極接頭導線DTL的寬度為W。如圖86中的虛線所示，如果漏極接頭DT與漏極接頭導線DTL保持共面，則共面的漏極接頭的末端邊緣之間的寬度W2會導致連接處的電容增加(和不合乎需要)。但是，有利的是，漏極接頭DT的正交(垂直)彎曲減小了漏極接頭導線DTL與漏極接頭DT的連接處的電容。
在振蕩配置中配置兩個有源器件的一個問題是一個有源器件可能會在另一個有源器件前被激勵，因此，可能會通過影響其前電壓而抑制另一個器件進行傳導。根據本發明的本方面，通過將振蕩器系統配置成提供一個相對軟柵極開關，來克服這個問題。例如，可以通過用不相等的反饋迴路的配置振蕩器，來實現這種軟柵極開關。通過使用略不對稱的反饋迴路(例如，上述的迴路375和377)，相位差在柵極輸入處被引入電晶體Q1與Q2，這可抑制器件的硬切換。
示範組件與板布置
圖87是根據本發明的一個方面的RF源的組件級示意圖。圖88是根據本發明一個方面的RF源的印刷電路板的示意圖。圖85示出電晶體Q1、Q2的位置、圖83的偏壓電路365、圖84的調諧電路363，以及通過同軸電纜將RF功率提供給燈頭的同軸連接器371。也如圖85所示，印刷電路板被安裝在有散熱片的散熱單元HDU。
圖89是根據本發明一個方面的示範振蕩器的「功率比較DC漏極電壓」和「效率比較DC漏極電壓」的組合圖。在各種漏極—源極電壓的範圍中，振蕩器的效率約為68-70％。輸出功率隨漏極—源極電壓的增加而主要從15V處的約60W到24V處的約160W直線上升。圖90是根據本發明的一個方面的示範振蕩器的「頻率與功率關係」圖。
振蕩器的調諧性(tunability)與穩定性
高功率振蕩器(包括』940公開文獻中所述的振蕩器電路)的一個問題是振蕩器電路可能會提供多個諧振孔，而其中的一些諧振孔是不需要的。在失配的負載條件下，振蕩器可按一個不需要的頻率鎖入一種諧振模式。在燈啟動期間，填充物可能經歷幾次轉換。例如，當填充物材料開始蒸發並參與放電時，InBr填充物從其未激勵狀態變成發光狀態(或「藍色」模式)，最後當填充物材料更完全地進入等離子體放電時，形成明亮的可見白光放電。其間的每個狀態和轉換代表振蕩器適應的一個不同的阻抗條件。如』940公開文獻中所述，振蕩器的調諧性在某種程度上解決了這個問題。但是，在某些條件下，複雜的負載會使振蕩器按不合乎需要的頻率進入一個諧振模式，這不能提供最佳的電燈性能，並且不能通過由』940公開文獻的振蕩器電路提供的諧振範圍來避免。相應地，本發明的本方面的目的是提供一種調諧性和穩定性改善的振蕩器。
根據本發明的一個方面，高功率振蕩器被配置在足夠寬廣的範圍內調諧的連續頻率，以協助振蕩器的啟動和穩定狀態的操作。最好這種連續頻率調諧的實現無需機械調諧的部分，從而提供了一種製造更為經濟的系統。
根據本發明的另一個方面，振蕩器被配置成使諧振的複雜程度減小。具體說來，電路被配置成具有儘可能少的諧振極性(最好是兩個或更少)。
根據本發明的另一個方面，振蕩器主要的諧振迴路被配置成只略微高出振蕩器電路操作的最大預期頻率。在本例中，主要的諧振迴路對應於放大器的輸出(漏極)與放大器的輸入(柵極)之間的電路，包括電晶體Q1、Q2，以及以上識別的第一個和第二個反饋電路375、377。例如，可以通過移走「T」部分的臂、使包含柵極偏壓電阻器(例如，R3，見圖83)的剩餘筆直部分儘可能短並觀察振蕩器操作的頻率，來確定主要諧振的頻率。比最大的預期頻率高1-10％的主要諧振頻率的目標合適的條件是大約比一個示範值高5％。
根據本發明的另一個方面，振蕩器被配置成具有不相等的反饋迴路，以分解主要反饋迴路的諧振。除了有關平行電晶體的上述各種優點外，這種不相等的反饋迴路為主要的反饋迴路提供了較寬範圍的諧振頻率，因此為振蕩器提供了較寬的調諧範圍。
根據本發明的另一個方面，一個「T」型傳導區域被連接到放大器的輸入，並被配置成在主要的諧振迴路上呈現一個電容性負載。
根據本發明的另一個方面，電壓劃分電容器C21和C22被配置成將各個諧振反饋迴路連接到「T」型部分的支線，與電晶體的受控隔離器隔開。
在本例中，LDMOS電晶體Q1、Q2的柵極的輸入阻抗通常非常低，它有效地形成諧振鏈的一個極。在』940公開文獻中所描述的每個電路中，反饋電路被連接到電晶體柵極。除了經由其自己的諧振工作情況外，這樣配置的「T」部分不太能夠影響柵極的充電/放電循環以及振蕩器的頻率。此外，因為柵極的阻抗低，所以，在反饋電路與「T」部分的受控隔離器之間連接電壓劃分電容器將第三個諧振引入系統(即輸出帶寬、反饋迴路和「T」)，這進一步限制了可在』940公開文獻中的電路內的帶寬。
如上所述，在本發明的一個例子中，反饋迴路被連接到「T」部分的支線並包括它。這種改善的電路配置使迴路外的「T」部分的部分(例如，圖82中的虛線左邊的TL9的一個部分)和TL11的一個部分成為反饋迴路上的一個反應負載分路阻抗。這個電容性負載破壞(例如，抵消或抑制)第三個寄生諧振，從而增加了振蕩器的調諧帶寬。最好臂與電壓劃分反饋電容器偶合入處的點之間的「T」的分支電路的長度應該被保持足夠短，以避免引入任何其他可能對振蕩器的操作有消極影響的獨立諧振。歸因於一個適當的較短長度的任何獨立諧振的頻率將足夠高，以避免這種消極的影響。
「T」部分臂的相對尺寸用來為柵極阻抗提供良好的匹配，這取決于振蕩器中所用的特殊的有源器件。臂的尺寸可以按需求而變化，以影響該操作過程的操作頻率、用調諧電容器可實現的頻率範圍，以及與柵極阻抗的匹配。一般而言，增加臂的長度或寬度可減小振蕩器最大的操作頻率。
互補PIN二極體調諧電路
圖91是根據本發明的一個方面的替換調諧電路的電路級示意圖，該替換調諧電路使用互補的PIN二極體布置。如有關圖84的調諧電路的上述內容所示，RF信號可能會產生有關整流和調諧電路的偏壓的問題。在那個調諧電路中，通過使用多個PIN二極體電路以減少RF信號與調諧電路的電容性耦合，來解決這個問題。根據本發明的本方面，提供了對RF信號不太敏感的替換調諧電路，該提供調諧電路使用較少的部件。
如圖91所示，互補PIN二極體調諧電路在電阻器R3的一端接受控制信號(例如，從0V變化到4.1V的一個DC電壓)。R3的另一端被連接到兩個PIN二極體D1和D2的連接處。D1和D2在一直互補的布置中被連接，其各自的負極被連接在一起。D1的負極通過電壓劃分電阻器R1被連接到地。D2的負極通過電壓劃分電阻器R2被連接到地。D1和R1的連接處被連接到耦合電容器C1的一端，而C1的另一端則被連接到活動頻率確定軌道Z0。D2和R2的連接處被連接到分流電容器C2的一端，而C2的另一端被連接到地。
操作過程中，一半控制信號電流通過R3、D1和R1，一半控制信號電流通過R3、D2和R2。相同的電路是連接到地的、與兩個可變電阻串聯的電容性負載。即使是高層次的RF信號，調諧電路也是可控制的，因為PIN二極體具有互補的配置。當應用RF信號時，如果通過D1的RF電流增加，則通過D2的RF電流減少，反之亦然。在所有的條件下，RF電流保持小於偏壓電流。
方向耦合器
一般而言，方向耦合器是用於功率劃分或功率組合的無源微波部件。圖92是具有埠P1、P2、P3和P4的傳統的四埠耦合線耦合器的示意表現。埠P1是附帶埠；埠P2是直通埠；埠P3是耦合埠；埠P4是隔離埠。埠P1處的信號事件通過埠P2出去。鑑於各線的耦合，埠P1處的信號事件的百分率也在耦合埠P3處獲得，因此，圖92中的耦合器稱作「反流耦合器」這樣，最好進入附帶埠P1的功率可以在耦合埠P3處被測量(用耦合因數或比例的方法表示)，而不幹擾直通埠P2處獲得的信號。同樣，通過埠P2進入的被反射信號可以在埠P1獲得，其百分率可在埠P4獲得。
但是，圖92中的傳統的四埠耦合線耦合器具有相對低的方向性。圖92中的四埠耦合線耦合器的方向性通常在9dB與12dB之間。低方向性會導致在埠P2處接收的被反射信號的百分率也前往埠P3，從而不利地影響了埠P3處的入射信號的方向。而且，如果分別在P3和P4處使用檢測電路，則其有關的二極體將會因二極體在不同的偏置電壓下操作而具有固有的失配。
根據本發明方面，例如，當被用作耦合器45時，新穎的六埠方向耦合器提供相對較高的方向性(見圖15)。圖93是根據本發明的一個方面的方向耦合器電路的組件級示意圖。圖94是根據本發明的一個方面的方向耦合器的印刷電路板布置的示意圖。本發明方面的方向耦合器45提供了(例如)較高的方向性和相位取消，以確保應用於RF控制電路53的輸入是精確的。方向耦合器45按圖93中例示的方式被製作成一個六埠耦合線耦合器。特別是，方向耦合器45包括三根線——TL1、TL2和TL3。附帶埠P1和直通埠P2位於線TL1上。耦合埠P3和埠P4位於線TL2上。埠P5和埠P6位於線TL3上。線TL2上的埠P4通過相位取消元件(感應器L3和電阻器R6)被連接到地。線TL3上的埠P5通過相位取消元件(感應器L2和電阻器R3)被連接到地。
圖93還示出了入射信號檢測器ISD(由圖93中的虛線構成)和被反射信號檢測器RSD(由圖93中的虛線構成)。信號檢測器ISD和RSD包括具有過濾的一個高峰檢測電路，並被用於將功率轉換成電壓。這樣的組成，方向耦合器45是27.5dB耦合器，在有關入射或前信號操作參數(例如，強度)的4～5伏特(鑑於耦合比例)的入射信號檢測器ISD的輸出ISDo處提供一個電壓。
參照圖15，RF信號來源41的振蕩器按這裡所描述的方式由RF控制電路53驅動，以便從燈頭47獲得零反射。當燈處於最佳的操作狀態時，對被反射信號的測量(由被反射信號檢測器RSD在埠P6和輸出處獲得)是零伏特。但是，在考慮一般情況下的方向耦合器的過程中，由於某些失配等因素，被反射信號的零伏特的讀取實際上可能不會對應於來自負載的零反射(即零伏特可能不在極線圖表中的反射空間的中心)。為了確保零伏特與零反射的讀取之間的真實的對應，本發明的本方面的方向耦合器45使用某種相位取消。
在以上這個方面，方向耦合器45的埠P5處的功率輸入使用相位取消而無效。同樣，埠P4處的反射功率可以被進行相位取消(雖然這個反射功率已經如此低而不再成為一個問題)。到埠P5的功率輸入的相位取消由使用相位取消元件(電阻器R3和反應元件L2)所致。特別是，在線路是50歐姆線路的例子中，R3被以經驗為根據地選擇為不是50歐姆，而是R3＝68歐姆。L2被選擇為7.5nH。如圖93所示的方向耦合器45的信號檢測器ISD和RDS的其他元件的值被列在表格3中。
元件號 器件/值
C1、C4 39pF電容器
C2、C5 0.1μF電容器
C3、C6 1.0μF電容器
D1、D2 二極體(Macom MA4CS103A)
L1、L4 39nH感應器
L2、L3 7.5nH感應器
R1、R4 50歐姆電阻器
R2、R5 2200歐姆電阻器
R3、R6 68歐姆，0.25W，200V電阻器
表格3
鑑於如上所述的它的結構和操作，本發明的本方面的方向耦合器45取消來自線路TL3上的埠P1的埠P5處的附帶能量(來自前向信號)，以便當來自被反射信號檢測器RSD的電壓輸出實際上是零時提供一個真實的零反射率讀取。這樣，附帶或前向能量實質上對反射功率檢測電路RSD沒有影響。該取消確保零伏特的讀取對應於零反射率，這很重要，因為(取決於各種因素)被反射信號會破壞包括振蕩器的電晶體Q1和Q2。
如前文中所理解的，本發明的本方面的方向耦合器45(有具有檢測電路和相位取消的其六埠耦合線布置)提供燈頭47的操作所需的充分的20-30dB方向性。方向耦合器45為功率劃分而配置(一個輸入信號被耦合器分成較小功率的兩個(或多個)信號)。方向耦合器45被配置成檢測附帶功率的很小的百分比，而不會使引入信號的強度退化。被檢測的信號的強度根據被感測的功率和耦合因素來確定。
按照本文中所描述的燈，對稱的雙重方向耦合器45將分別代表前向功率和反射功率的信號提供給RF控制電路53(見圖15)。耦合器被配置成一個總體檢測與控制電路的一部分，以便指導振蕩器的操作頻率，以獲得與燈頭的更好的阻抗匹配。方向耦合器45測量來自來源(振蕩器)的附帶(前向)功率和來自負載(燈頭)的反射功率。在一些例子中，耦合器促進將隔離器(例如，循環器43)從燈系統移走。耦合器被配置成在具有約30dB的方向性的前向和被反射的方向上提供約27dB的耦合。方向耦合器45的耦合線被匹配為50歐姆，具有約25dB或更好的返回損失和約0.3dB的插入損失。雖然燈系統的一些例子使用一個分開的RF源板和一個分開的方向耦合器板，但是，其他配置包括被結合在RF源板的輸出部分上的方向耦合器。
這裡所描述的燈系統中被耦合線路耦合結構的各種優點包括容易製造和包裝尺寸小。最好該結構以微波傳輸帶的形式來加以實施，並檢測來自來源(振蕩器)的一根傳送線的所需功率測量。
RF控制電路
圖95是根據本發明的一個方面的控制電路的示範方框級示意圖。控制電路381接收(例如，來自方向耦合器45)分別代表一個感測的RF前向功率(Pf)和一個感測的Rf相反功率(Pr)的兩個輸入信號。大量被感測的相反功率通常指出一個失配的阻抗條件。
在控制電路381中，輸入信號Pf和Pr被提供到微控制器383，該微控制器運行用來實現某些性能目標的一個運算，該輸入信號在燈操作的不同時期(例如，啟動、穩定狀態和關閉)可能有所不同。微控制器383根據輸入信號Pf、Pr及其控制運算來產生一個中間數位訊號384。該中間信號384被提供給數字-模擬(D/A)轉換器385，該數字-模擬轉換器將控制信號輸出到RF源41。控制電路還包括電壓調整器387，該電壓調整器從一個可用來源接收過濾並將其轉換成適合操作微控制器和D/A轉換器的一個DC電壓。
微控制器電路
圖96是根據本發明的本方面的一例RF控制電路的電路級示意圖。可從亞利桑那州的Chandler的Microchip Technologies獲得的型號為PIC 16C73P的一個集成電路被用於所示例子中的微控制器。一例D/A轉換器是由Burr Brown製造的型號DAC7611P。一個10MHz時鐘被連接到PIC 16C73P的第一個時鐘插頭。電壓調整器(例如，型號為78L05)將一個輸入電壓VDC(例如，+26伏特DC)轉換成+5伏特DC，用於為微控制器、D/A轉換器和時鐘供電。
如圖96進一步所示，信號Pf和Pr作為輸入被提供給RA總線上的微控制器晶片。RA總線插頭中的一個被連接到「地」，以提供信號Pf和Pr的一個接地參考。微控制器的RB總線被用於將控制信號和數據提供給D/A轉換器。尤其是，RB總線的一個插頭被連接到D/A的能負載插頭(LD\)；RB總線的另一個插頭被連接到晶片選擇插頭(CS\)；RB總線的另一個插頭被連接到D/A時鐘線(CLK)；RB總線的另一個插頭被連接到連續數據輸入(SDI)。一般了解具有本揭示說明的優點的技術領域的人將會理解，這個電路包括許多實施的具體細節，可以根據被選擇實施控制電路的其他例子的特殊部件來進行許多變化。
在本例的操作過程中，方向耦合器提供代表作為DC電壓(範圍在0伏特至約4.5伏特之間)的Pf和Pr的輸入信號。輸入電壓信號近似垂直於被感測功率的平方根。輸入電壓經由微控制器晶片上的一個切換模擬-數字轉換器被轉換成數字信息。中間控制信號如下所述被確定，並經由串聯線被輸出到數字-模擬轉換器，該數字-模擬轉換器將0～4.1電壓控制信號提供給RF源。
控制運算
如上所述，根據本發明的一個方面的RF源的配置使低壓dc信號能夠在約10～15MHz的範圍中調整RF源的操作頻率，示範波段大約是435～450MHz。根據本發明的本方面，RF控制電路被配置成使用RF源的這個特徵，以便提供一致的燈點火，提供到完全輸出的快速燈預備，並在燈的使用壽命期間提供穩定的燈操作。
一般而言，根據本發明的本方面的方法包括三大狀態
1)在燈啟動期間和當燈不處於諧振時。在第一種狀態中，控制器被配置成逐步經歷操作範圍，以找到諧振條件。
2)在燈啟動期間和已檢測諧振之後。在第二種狀態中，控制器被配置成調整操作頻率，以便使反射功率最小。
3)在當反射功率低於預定閾值時的穩定狀態操作期間。在此第三種狀態中，控制器被配置成當發現良好匹配時維持控制電壓。
根據輸入信號Pf和Pr，以上狀態通過用合適的邏輯和命令為微控制器編程來加以執行，以提供控制信號。根據本發明的這個方面的各種方法在下文中加以詳細描述。
圖97是根據本發明的一個方面的第一種方法的示意圖，該方法用於控制無電極燈的RF源。當燈系統被打開時(步驟401)，控制電路等候振蕩器一段預定的延遲時間來啟動(步驟403)。然後，控制電路確定前向功率Pf的層次(步驟405)。在步驟407中，如果Pf不超過第一個界限(T1)，則振蕩器不正在進行操作，控制電路返回步驟403。如果檢測到足夠的前向功率，則控制電路確定相反功率Pr的數量(步驟409)。在步驟411中，如果Pr小於第二個閾值(T2)，則認為燈在匹配良好的諧振條件下進行操作，控制電路循環回到步驟405，而不對控制信號進行調整。否則，在步驟413中，如果Pr大於第三個閾值(T3)，則不認為燈接近諧振，控制電路調整控制信號，以發現燈諧振(步驟415)。如果反射功率Pr不大於第三個閾值(T3)，則確定燈是否接近諧振(步驟417)。如果不認為燈接近諧振，執行進行到步驟415，用於對控制信號進行合適的調整，以發現諧振。如果確定燈接近諧振，則調整控制信號，以便使反射功率最小化(步驟419)，直到反射功率降落到第二個閾值(T2)以下。
從前文中顯而易見，燈的操作頻率不是預設的，而是根據燈的一個操作條件來被動態地確定。此外，操作頻率的調整數量不是預設的，而是根據被感測的信號來被動態地確定。所以，根據本發明的一個方面的控制電路消除了預先調諧特定的RF源以匹配特定燈頭的需要。而且，本發明的本方面的控制電路促進燈系統的單一部件(例如，只是燈頭或只是RF源)的場置換，而不必調諧或重新調諧燈系統。本發明的本方面的控制電路適應因熱效應或老化而產生的燈條件的各種變化。由這些效應所致的任何必要的調諧調整自動在燈啟動期間，直至在燈運行期間進行，因為控制電路在燈運行期間繼續監督前向與反射功率。如果在操作期間反射功率增加超過了第二個閾值(T2)，則執行進行到步驟415，以便對控制信號進行適當的調整。
圖98-102是根據本發明一個方面的第二種方法的更加詳細的流程圖，該方法用於控制無電極燈的RF源，流程圖之間的連接由具有類似標註的過程步驟指明。在步驟421中，燈系統被通電。在步驟423中，系統被初始化，振蕩器被通電。例如，步驟423包括初始化I/O埠、選擇寄存器、迴路記時器、程序變量，以及設置最初的控制值。系統被較佳地配置成使控制電路在振蕩器電路之前接收功率，以便使控制電路在振蕩器打開之前可以初始化和設置所有要求的控制電壓。例如，可以提供一個最初開放中繼電路，以便將電源連接到振蕩器；控制電路可以提供信號，以便在初始化完成後關閉中繼電路。然後，在步驟425中，在進入主控制迴路之前，控制程序等候振蕩器一段短時期(例如，72毫秒)來啟動。在主要迴路的第一個步驟427中，任何迴路參數被初始化。例如，迴路記時器被設置，Pf和Pr的電流存儲值分別被保存為Pf的以前的值。接下來，在步驟429中，確定代表前向功率Pf的被感測數量的一個值。例如，板上A/D轉換器被設置成從方向耦合器讀取Pf信號，採取32次讀取並對其平均化。存儲平均值。在步驟431中，Pf的值與第一個預定閾值T1比較。如果前向功率不大於預期的最小值，則控制程序返回步驟423，以便重新初始化系統和重新啟動振蕩器。否則，在步驟433中，確定代表相反功率Pr的被感測數量的一個值。例如，板上A/D轉換器被設置成從方向耦合器讀取Pr信號，採取256次讀取並對其平均化。存儲平均值。接下來，在步驟435中，控制程序確定被存儲的值是否是第一次讀取的。如果是，則在步驟437中，表示已採取第一次Pr讀取的一個標記被清除，執行返回到步驟425中的主迴路。如果否，則將Pr的存儲值與第二個閾值T2比較。T2代表反射功率的一個低數量，它指出燈系統被良好地匹配，不要求調整操作頻率。如果Pr的存儲值小於T2，則執行返回步驟425中的主迴路，不進行調整。否則，控制程序進入一個程序，以調整步驟441中的控制電壓。
圖99是調整控制程序的流程圖。首先，在步驟443中，控制程序確定燈系統目前是否正在以調諧電路的高頻界限(例如，對應於0的控制電壓)進行操作。如果是，則執行在步驟445中進行到一個低Pr控制程序。如果否，則將Pr的存儲值與第三個閾值T3比較。T3代表一個適度數量的反射電壓，它指出操作頻率正在接近諧振。如果Pr大於T3，則執行在步驟449中進行到一個高Pr控制程序。一般而言，高Pr控制程序提供更多的進取控制(例如，較大的控制電壓變化)，而低Pr控制程序提供較少的進取控制(例如，較小的控制電壓變化)。如果Pr不大於T3，則控制在步驟445中進行到低Pr控制程序。
圖100是步驟445中的高Pr控制程序的流程圖。一般而言，在燈啟動期間，需要高控制程序。首先，在步驟451中，將Pr的目前存儲的值與Pr的以前存儲的值比較，以確定反射功率是否正在降低。如果反射功率不正在降低，則控制轉移到步驟455中的一個反覆電路程序，它改變調整控制電壓的方向(例如，正或負)。如果反射功率正在降低，則在步驟413中，將Pr的目前存儲的值與Pr的以前存儲的值之間的差(ΔPr)與第四個界限T4比較。T4代表反射功率數量的變化，這指出操作頻率可能接近諧振。例如，反射功率數量的很大降低可能表示燈系統接近諧振。如果ΔPr大於T4，則執行在步驟457中進行到一個調整諧振程序。如果不是這樣，則在步驟459中設置一個調整方向，在步驟461中確定控制電壓變化的數量ΔVc。例如，ΔVc可以是一個常數，也可以是可變的，例如，常數乘以Pr或ΔPr的積。接下來，在步驟463中，通過加上或從電流Vc中減去ΔVc(取決於調整方向)，來確定控制電壓Vc的一個新值。例如，如果調整方向是正的，則ΔVc被加到Vc；如果調整方向是負的，則從Vc中減去ΔVc。在步驟465中，控制程序確定Vc的新值是否在調諧電路的範圍以外。如果不是，則執行在步驟469中進行到DAC程序，它將Vc的數字值轉換成頻率調諧電路的一個模擬控制電壓層次。如果Vc的新值在範圍以外(例如，小於零或大於最高的理想控制電壓層次)，則在步驟469中進行到DAC程序之前，新控制電壓的值在步驟467中被設置為一個預定值。
圖101是反覆電路程序和調整諧振程序的流程圖。當執行在步驟445中進行到反覆電路程序時，新的調整方向被設置在目前的調整方向的對面。例如，調整方向可以由稱作「符號」的一個變量來表示，該變量的值是一(1)或負一(-1)。反覆電路程序可以被配置成將變量「符號」乘以負一(-1)，並將結果存儲為「符號」
sign(符號)＝-1×sign(符號)；
在調整方向已經被啟動之後，執行在步驟457中進行到調整諧振程序。一旦進入調整諧振程序，就在步驟473中確定控制電壓變化的一個新的數量ΔVc。例如，ΔVc可以是一個常數，也可以是可變的，例如，常數乘以Pr或ΔPr的積。一般而言，調整諧振程序中的ΔVc比高Pr控制程序中的要小。接下來，在步驟475中，控制電壓Vc的一個新值按以下公式來確定
Vc＝Vc+sign×ΔVc
然後，執行在步驟469中進行到DAC程序。
圖102是低Pr控制程序和DAC程序的流程圖。當執行步驟469中進行到DAC程序時，Vc的當前值通過數字-模擬轉換器從其數值被轉換為模擬電壓層次。模擬控制電壓被連接到RF源的頻率調諧電路。然後，執行在步驟425中返回到主迴路。
當執行在步驟445中進行到低Pr控制程序時，在步驟477中確定控制電壓變化ΔVc的新數量。一般而言，低Pr控制程序中的ΔVc比調整調諧程序或低Pr控制程序中的少。接下來，在步驟479中，控制程序確定Pr是否正在降低。如果是，則Vc的一個新值在步驟481中根據ΔVc和調整方向來確定。如果否，則在步驟481中設置Vc的新值之前，在步驟481中反覆電路調整方向。在步驟485中，控制程序確定Vc的新值是否在調諧電路的範圍以外。如果否，則指出控制電壓處於高頻界限的一個標記被清除，控制在步驟493中進入DAC程序。如果Vc的新值在範圍以外(例如，小於零或大於最高的理想控制電壓層次)，則在步驟493中進入DAC程序之前，新控制電壓的值在步驟491中被設置為一個預定值。
一般而言，被應用於第一種燈系統的第二種方法如下所述
1)在開始活動頻率控制之前，等候(例如，72毫秒)振蕩器打開。在等候期間，零伏特作為控制信號被提供給RF源，從而保持高的操作頻率，並提供較大的迴路增益，以協助振蕩器的啟動。
2)為低頻操作設置控制電壓(例如，2.3伏特)。
3)啟動主迴路，每個迴路是近似相同的持續時間(例如，約16.4毫秒)。等候，直到從繼續之前的上一個迴路啟動起的時期期滿為止。
4)讀取前向功率電壓(平均32次連續的讀取，以減少噪聲對讀取的精確度的影響)。如果沒有檢測到前向功率(例如，在第一個閾值以下)，則返回到步驟1。
5)讀取被反射的功率(平均256次連續的讀取)。
6)如果反射功率低於第二個閾值(例如，0.04伏特或更小)，則系統處於控制狀態。控制信號不被調整，控制返回到步驟3。
7)開始向下調整控制電壓(按約8.8伏特/秒的比率)。通過比較目前的讀取和在前的讀取，來確定反射功率的變化。
8)如果反射功率的變化很大(例如，約0.12伏特或更大)，則認為燈系統接近諧振。
9)如果反射功率很高(例如，大於1.96伏特的第三閾值)或反射功率的變化不大(例如，小於0.12伏特的第四閾值)，則控制信號繼續向下走，直至到達零伏特。
10)如果控制電壓到達最高頻率操作的值(例如，零伏特)，則控制電壓為低頻操作而受到阻礙(例如，到2.3伏特)，重複執行步驟。
11)如果反射功率的變化很大，則只要調整繼續引起反射功率的重大變化或反射功率保持低於第二閾值(即使變化不大)，就可調整控制電壓，以便使反射功率最小化。在被確定以形成較低反射功率的一個方向上調整控制電壓，調整的數量與反射功率的大小成正比例。
圖103是根據本發明的本方面的信號Pf、Pr以及展示對方法的一次執行的「控制」的圖表，用於控制無電極燈的RF源。如從圖103中可見，控制電路等候振蕩器啟動，而在0電壓處保持控制信號。其後，檢測前向功率，控制電壓被設置為2.3伏特。控制電壓向下走，直到檢測到反射功率的一個重大的變化。然後，當燈進行到完全輸出時，對控制電壓進行小調整。在本例中，在燈移到完全輸出之前，接近諧振條件下的許多循環是必要的。其後，控制電壓被進行調整，直到決定維持低層次的反射功率的一個值為止，這指出了燈系統的一個匹配良好的諧振條件。
圖104是根據本發明的本方面的信號Pf、Pr以及展示對方法的另一次執行的「控制」的另一幅圖表，用於控制無電極燈的RF源。在調整控制電壓以找到接近諧振條件和其後調整控制電壓以最小化Pr的一個單一的周期內，大多數燈頭點火併進行到完全輸出。圖104示出了這種典型的燈啟動與控制方法。
光學器件
圖105是根據本發明的一個方面的透鏡架的截面示意圖。透鏡架包括一個中空的圓柱形結構，該結構所具有的第一個內孔對應於與燈頭緊密相隔的一套透鏡的外部直徑，其第二個內孔對應於在燈頭末梢的一個透鏡的外部直徑。第一個內孔的內部直徑小於燈操作頻率的截止頻率，並進行操作以包含RF能量。
安裝到燈頭61的透鏡架的一端(見圖17)包括一個磁碟形狀的安裝部分，該部分具有被限定的穿孔，這些穿孔用來和穿孔225a-d對齊(見圖45和50)。安裝部分包括可用於和其他部件對接的進一步的安裝孔。圖106是圖105中的區域106的放大視圖。如從圖106中可見，在燈頭末梢的透鏡架的一端包括用來和一個螺紋透鏡固定器環配對的一個螺紋部分。
圖107是根據本發明的一個方面的透鏡布置的示意插圖。第一個透鏡是被截的球透鏡，在被截端具有45度的斜面。一個中間透鏡對包括兩個消球差的透鏡，它們可選擇性地由單個的非球透鏡代替。最後的透鏡包括一個凹凸透鏡。凹凸透鏡在成像器(imager)平面處建立一幅孔的圖象，並使用負扭曲來改善均勻度。每個透鏡圍繞中心線呈旋轉對稱。
球透鏡和中間透鏡對的作用是減小由燈產生的光的數字孔。從孔來看，燈的光束角度約為+/-70°。球透鏡將光束角度減小到+/-40°，中間透鏡對將光束角度進一步減小到約+/-20°。凹凸透鏡的作用是使光學系統遠心並提供更加統一的照明。中間透鏡對中的每個透鏡和凹凸透鏡較佳地覆蓋有塗層，以減少反射損失。例如，這種塗層包括多層抗反射塗層。
透鏡系統的示範尺寸如下所示。球透鏡的半徑約為-7.57毫米並被截到中心，其厚度約為10.6毫米。球透鏡的外部直徑約為15.14毫米。例如，球透鏡可以用具有Nd＝1.4585和Vd＝67.82的矽石製成。斜面用於安裝的目的，並且不影響光輸出。面對燈孔的球透鏡的表面限定一個近似8毫米直徑的圓形表面。如果有塗層，則球透鏡因其接近燈泡而要求一種高溫塗層。中間透鏡對包括第一個透鏡，該透鏡的半徑約為17.255毫米並被截到厚度約為14.1毫米的中心。中間透鏡對的第二個透鏡的半徑約為-34.404毫米並被截到厚度約為5.0毫米的中心。中間透鏡對的每個透鏡的外部直徑約為32.0毫米。例如，透鏡可以用BK7製成。凹凸透鏡的第一個半徑約為32.03，第二個半徑約為112.690，中心厚度約為19.8毫米。凹凸透鏡的外部直徑約為48毫米，例如，透鏡可以用BK7製成。在透鏡架中，透鏡被安裝成沿中心線對齊，球透鏡與中間透鏡對中的每個透鏡之間有約1毫米的一個空氣間隙，中間透鏡對的第二個透鏡與凹凸透鏡之間有約55.1毫米的一個空氣間隙。
前述的光學系統通過說明而非限制的方法來提供。利用本描述的優點，許多其他的光學系統可用來使用這裡所描述的燈。
第二種燈系統
圖108是根據本發明的一個方面的第二種燈系統的透視視圖。燈系統501包括將DC功率提供給RF源505的一個DC電源503，它將DC功率轉換為RF能量並將RF能量提供給燈頭507，該燈頭將RF能量耦合到發光的填充物。RF控制單元509監督並控制RF源505。這些系統部件中的每個部件在下文中加以詳細的描述。
本發明的第二種燈系統可以使用能夠提供所需數量的DC電壓和電流以便為RF源供電的任何DC電源。可變的電源較好。根據本發明一個方面的燈系統的DC電源的一個合適的例子可從MA的Taunton的Astro Dyne購得，型號SP-300-24。這個電源被定為300瓦，可變輸出從最大值12.5安培的17V到24V。一個預備的合適電源可從麻薩諸塞州的Andover的VICOR購得，型號VIMU3-ES，它提供具有近似300瓦功率的近似24的VDC。
RF源
一般而言，通常在50～150RF瓦的範圍內，能夠提供用於激勵燈填充物的合適數量的RF能量的任何RF源都可以在燈系統中使用。最好RF源簡潔和能量有效，例如上述的各種來源和在上述的第WO 99/36940號PCT公開文獻中所描述的來源。最好RF源由微控制器(例如，結合圖95-104的上述RF控制電路)控制。根據本發明的本方面，RF源包括振蕩器電路、隔離器和方向耦合器，它們如下文中所詳細描述的被結合在一個單一的印刷電路板上。
圖109是根據本發明的一個方面的RF源的印刷電路板布置的示意圖。印刷電路板511包括振蕩器部分513、隔離器部分515和方向耦合器部分517。通過在單個的印刷電路板上包括每個這些部分，可以避免傳送損失、電纜損失和耦合損失。裝配和製造成本也通過高集成水平而減少。
圖110是圖109所示安裝在散布器板(spreader plate)519上的印刷電路板511的側面示意圖。該散布器板519具有一個與絕緣器部分515對應的斷電器(cutout)。
圖111是根據本發明的一個方面的RF源的示意組件級視圖。圖112是圖111中的區域112的放大視圖，示出由RF源使用的方向耦合器的裝配細節。方向耦合器的操作和構造與結合圖92-94的上述方向耦合器類似。圖113是RF源的側示意圖，示出手繞線圈L2的細節。圖114是圖111中的區域114的放大視圖，示出了由RF源使用的一個調諧電路的裝配細節。調諧電路的操作和構造與結合圖91的上述互補PIN二極體調諧電路類似。合適的部件值如下所示
標號# 名稱C1 4.7uF電容器C2 4700pF電容器R1 3.32K歐姆，1/4W，1％厚的薄膜晶片(TFC)電阻器D1 4.7V齊納二極體R2 4000歐姆可變電阻器VR11K歐姆可變電阻器L1 330nH感應器C3 470pF，200V電容器C4 39,000pF，50V電容器D2-D3 高功率PIN二極體(M/A COM，AMP MA4P7102F-
1072)R3-R4 5.1K歐姆，1/4W，1％TFC電阻器C5-C6 2.7pF，150V電容器R5 100K歐姆，1/4W，1％TFC電阻器C7-C8 24pF，500V電容器C9 0.6pF-2.0pF整頓電容器(Johnason 9401-2SL1)C102.4pF，150V電容器C110.10uF電容器C121000pF電容器C133.6pF，500V電容器C141.7pF，500V電容器C15130pF，300V電容器L2 18AWG手纏感應器Q1 RF功率FET(摩託羅拉XRF187S)R6-R7 68歐姆，200V，1/4W，2％TFC電阻器L3-L4 2.5nH感應器R8-R9 50歐姆電阻器D4-D5 二極體(M/A COM MA4CS103A-287)C16-C1739pF電容器
R10-R11 2200歐姆電阻器
L5-L6 39nH感應器
C18-C19 0.1uF電容器
C20-C21 1.0uF電容器
CN1 SMA RF連接器(Johnson 142-0701-801)
IS1 絕緣器(南部微波SMI U73 ODICWH)
一般而言，可以參照上述的第WO 99/36940號PCT公開文獻和結合圖15-104的以上描述，來理解各種部分的操作。製造在前述部件內的示範RF源產生60W～130W的RF功率(例如，在18.8V處的80.5W至23.1V處的125W)，並在約708MHz～735MHz的範圍內是可調的。通過在單個的印刷電路板上結合各種部分，RF源比使用分開部分的同等配置的RF源多產生5-10RF瓦。
如圖115-117所示，例如，散熱器521可以用鑄件或突出的鋁製成。散熱器521提供了用於將RF源固定到散熱器521的幾個安裝孔，以及用於將絕緣器固定到散熱器521的其他幾個安裝孔525。例如，散布器金屬板519平放在散熱器521平坦的表面上，並通過螺絲穿過板511和金屬板519中的孔(與安裝孔523對齊)而被固定到散熱器。散熱器521的周界的周圍有更多的安裝孔527，用於將一個蓋子固定到散熱器521來遮蔽RF。
PIN二極體的熱控制
在RF源的操作期間，高溫可以在電路的各個不同的區域發展。通過提供有效的熱控制，RF源可以在一個較寬的操作溫度、功率和輸出失配範圍內進行操作。PIN二極體D2、D3(見圖114)用於控制頻率調諧電路的可變電容。這種設備易於過熱，其後可按純粹的電阻操作模式來運作。在這些環境下，RF源的頻率控制被抑制，並產生振蕩器被破壞或毀壞的危險。
根據本發明的本方面，為PIN二極體提供分開的熱控制，以便使它們保持在合適的溫度範圍內。圖118是根據本發明的一個方面的PIN二極體的散熱器布置的截面圖。RF源包括被安裝在散布器金屬板519上的一個印刷電路板511(見圖110)。PIN二極體512(例如，圖114中的D2、D3)的一端被連接到印刷電路板511上的一個焊點514。PIN二極體512的另一端被連接到一個電熱傳導柱516(例如，用銅或鋁製成)。柱516通過板511中的一個孔並被安裝在散布器金屬板519中。PIN二極體512通過焊料橋518被連接到柱516。最好柱516實質上與二極體512一樣寬(例如，1/8英寸或更到)並從板511充分突出，以便焊料橋518越過二極體512的整個正面接觸。
估計直接使PIN二極體D2、D3降熱到散布器金屬板519將PIN二極體溫度減少20多攝氏度，散熱器溫度、輸出功率或輸出失配範圍中有對應的改善餘量。
有利的是，可以使用散熱器柱516來簡化製造過程。通過將一個柱放在每個PIN二極體位置(和隨意在其他的位置處)，柱用作定位器插頭，以提供散布器金屬板519上的板511的適當的對齊。
RF控制單元
RF控制單元509的操作和功能類似於結合第一種系統的上述RF控制單元。在一般情況下，RF控制單元從對應於前向與反射功率的方向耦合器接收輸入信號。控制單元使用微控制器，以根據這些輸入信號來產生控制信號。
燈頭
在一般情況下，根據本發明的一個方面的燈頭包括一個外殼，該外殼具有基座部分和蓋子，基座部分用來接收包括整體式線圈與電容器組件的一個無電極燈電路。第一個陶瓷散熱器位於組件的線圈部分周圍；第二個陶瓷散熱器位於組件的電容器部分附近，以便提供從組件到外殼的熱轉換。一個孔燈泡位於並被固定於線圈附近的外殼內。可以進一步提供合適的光學器件，用於修改從孔燈泡發射的光。
參照圖119-124，燈頭531包括基座533和蓋子535，它們一起構成具有發光開口537的外殼。基座533和蓋子535最好用傳導材料(例如，鋁)製成。基座533限定空腔539，該空腔用來容納包括整體式線圈與電容器組件541的無電極燈電路。第一個陶瓷散熱器543位於組件541的線圈部分545周圍。第二個陶瓷散熱器547位於組件541的電容器部分549與空腔539的壁551之間(見圖123)。散熱器547與線圈545的導線548有緊密的熱接觸，導線548也構成電容器部分549的金屬板。散熱器543和547最好用氮化硼製成，並在操作功能期間將熱從電燈電路的各個部分轉移到外殼。熱傳導隔板塊553位於電容器549與空腔539的另一個壁555之間。隔板553可以用金屬(例如，鋁)製成。
燈頭531可以被連接到更外部的散熱器(例如，具有突出的鋁翅片)，可以提供冷卻空氣，以使燈頭531保持合適的操作溫度。有利的是，外殼提供許多大體上平坦的表面，以促進良好的熱轉移和方便螺紋安裝孔安裝到合適的外部散熱器。也可以提供精確的安裝位置，用於安裝要求光學對齊的光學元件。
燈頭531還包括被固定在外殼內並位於線圈545內部的孔燈泡組件561。在第一個例子中，孔燈泡組件561包括限定孔565的陶瓷(例如，氧化鋁)帽563。帽563裝入依靠孔565的燈泡569，否則，帽563被填充反射的陶瓷材料571。在第一個例子中，陶瓷(例如，BN)軸套573位於帽563與線圈545之間(見圖124)。
球透鏡575固定在孔565前面，以減小從該孔發射的光束的角度。
如下文所描述的，RF功率經由同軸電纜577被提供給燈頭531，該同軸電纜通過基座533中的狹縫進入外殼並連接到整體式線圈和電容器組件541。同軸電纜577的外部絕緣體的一部分579可以被去掉，以便將接地外部導體連接到整體式線圈與電容器組件541，以及基座533(見圖123)。
參照圖125-130，另一個示範燈頭631包括基座633和蓋子635，它們一起構成具有發光開口637的外殼。例如，基座633和蓋子635最好用傳導材料(例如，鋁)製成。基座633限定用來接收無電極燈電路的空腔6639，該無電極燈電路包括一個整體式線圈與電容器組件641。第一個陶瓷散熱器643位於組件641的線圈部分645的周圍。第二個陶瓷散熱器643位於組件641的電容器部分649與空腔639的壁651之間。散熱器647與線圈645的導線648有緊密的熱接觸，導線648也構成電容器部分649的金屬板。散熱器643和647最好用氮化硼製成，並在操作功能期間將熱量從電燈電路的各個部分轉移到外殼。熱傳導隔板塊653位於電容器649與空腔639的另一個壁655之間。隔板塊653可以用金屬(例如，鋁)製成。兩個緊固件656被設置通過基座633的一個側壁中的穿孔658。柱647與基座633的壁651之間建立良好的熱接觸。或者，可以忽略孔658和緊固件653，並可以使用彈簧或一種有彈性的材料來建立連接。
燈頭631可以被連接到其他的外部散熱器(例如，具有突出的鋁翅片)，可以提供冷卻的空氣，以便使燈頭631保持在合適的安裝孔659，以促進良好的熱量轉移和方便安裝到合適的外部散熱器。
燈頭631還包括被固定於外殼內和位於線圈645內部的小孔燈泡組件661。在第二個例子中，孔燈泡組件661包括陶瓷(例如，BN)帽663和限定孔665的陶瓷墊圈664。帽663有整體前凸緣667，以促進離開燈泡的熱量轉移。帽663和墊圈664裝入依靠孔665的燈泡669，否則，帽663帽填充反射的陶瓷材料671。在第二個例子中，沒有額外的陶瓷軸套位於帽663與線圈645之間。
除了上述的緊固件656以外，燈頭631包括幾個特徵，以促進燈頭631的熱控制。基座633限定渠道660，該渠道完全圍繞空腔639的周界延伸(見圖127和129-130)。RF密封墊片662位於渠道660中，並改善RF遮蔽。熱傳導焊點668位於蓋子635與凸緣667之間，以改善從孔燈泡661到蓋子635的熱量轉移。用於焊點668的合適的材料包括由Berquist公司製造的SIL-焊盤2000或矽樹脂海綿橡膠。
球透鏡675被固定在孔665的前面，以減小從孔發射的光束的角度。例如，球透鏡675可以被粘到帽663和/或墊圈664。蓋子635的配置使球透鏡675凹進並且大體上不突出超過蓋子675的外部表面。根據本發明的本方面，蓋子635在開口637的區域中提供一對接頭636。接頭636被配置成接觸球透鏡675，並提供用於保持球透鏡675在適當位置的額外的機械強度。最好接頭636的位置可減少潛在的阻光裝置。例如，在矩形孔的情況下，接頭636最好沿垂直於孔的較長一側的一條線放置。
如下文所描述的，RF功率經由同軸電纜677被提供給燈頭631，該同軸電纜通過基座633中的狹縫進入外殼並連接到整體式線圈與電容器組件641。
整體式線圈/電容器組件
根據本發明的本方面，使用低成本、高額製造的標準工業技術，感應耦合無電極燈的電容器組與激勵線圈被製造成高度整體式的組件。有利的是，本發明的本方面的整體式線圈/電容器組件提供一個具有高度可再生性的諧振頻率和阻抗特徵。
上文和前述的第WO 99/36940號PCT公開文獻中描述了許多電容器組與線圈布置。在這些布置的每個布置中，使用了幾個局部裝配，它們必須以機電方式連接在一起，以構成電燈電路。例如，線圈、低壓電容器和高壓電容器通常是分開的局部裝配。在一些布置中，可以使用單側或雙側的印刷電路板來提供一個或多個電容器組的金屬板。分開的局部裝配要求幾個焊料連接。相應地，很難維持緊密的容許量，部分與部分的變化會對燈的性能有重要的影響。
本發明的本方面的集成組件通過使用多層印刷電路板製造技術取消電容器組中的焊料連接和維持緊密的容許量(例如，約0.025毫米)，來解決這些問題。集成組件本身的成本很低，而電路的精確度和堅固度卻很高。而且，總體的燈組件成本被減少了，因為裝配電燈所需的程序數量減少了。
PCB蝕刻加工的精確度也有助於集成組件有關電的特徵的精確度。例如，精確限定電容器電極的面積和相對界限很重要。PCB蝕刻加工可以限定電極結構的邊緣，精確度約為0.01毫米。如上所述，電容器金屬板的總體對齊可保持在高達0.025毫米的容許量，從而提供具有高度一致的頻率和阻抗特徵的一個精確的可重複線圈/電容器組件。最好用於絕緣層的PCB材料在理想的操作頻率處有一個低損失，也有良好的熱傳導率。例如，基於Rogers6002特氟綸的合成物是一種合適的材料。
除了前述的優點外，本發明的本方面的整體式線圈/電容器組件提供了改善的弧光形成性能。高溫和高壓製造技術最小化或取消了電容器組內部的空間。這種空間(已在上述的焊接布置中被檢測到)會導致因電容器組結構的體積中和表面上的高場壓力而引起的電暈和最終崩潰。最好根據本發明的一個方面，高、低壓電容器的普通金屬板完全被埋在沒有暴露於空氣的外部邊緣的兩個絕緣層之間。此外，安排了電容器的橫向尺寸的布置，以便減小或最小化電容器金屬板表面和邊緣上的電場壓力。
促進弧光形成的另一個因素是高溫。根據本發明的一個方面，整體式線圈/電容器組件提供外部表面，這些外部表面容易地被連接到熱傳導結構。
圖131是在構成線圈之前根據本發明的一個方面的整體式線圈與電容器組件701的頂部示意圖。圖132是整體式線圈與電容器組件701的右側示意圖。組件701包括使用多層印刷電路板製造技術而結合在一起的交互傳導絕緣層。組件701包括一個線圈部分703和一個電容器部分705。
線圈部分703包括延伸到電容器部分705以外的金屬707(例如，銅)的一個傳導帶的一個部分。金屬帶707的這個部分限定一個或多個(例如，兩個)對齊孔709。孔709在製造過程期間被用來將金屬帶707放在有關組件701其餘部分的一個理想的位置中。例如，組件固定裝置可包括與孔709對齊的對應的插頭。為了構成線圈，金屬帶707在一個心軸或類似物上被打開。一旦被構成，線圈就具有如在前述的PCT公開文獻WO 99/36940中所描述的普通的婚戒形狀。對齊孔709對電路沒有重大的影響，因為大部分電流是在線圈的外部邊緣周圍的兩個環中被運送的。
電容器部分705包括金屬帶707的剩餘部分、第一種絕緣材料711、內部公共傳導區域(見圖133)、第二種絕緣材料713和散布器金屬板715。前述的傳導/絕緣層中的每一層都限定用於在PCB處理過程中對齊的一個或多個孔717，並且也可用於在線圈構成過程期間將組件保持在一個固定裝置中。例如，第一種絕緣材料是約0.060英寸厚的Rogers 6002，第二種絕緣材料是約0.020英寸厚的Rogers 6002。
圖133是內部普通的傳導區域、第二種絕緣材料，以及整體式線圈與電容器組件的散布器金屬板的頂部示意圖。圖134是沿圖133中的線134-134的截面視圖。圖135是第二種絕緣材料和整體式線圈與電容器組件的散布器金屬板的前側示意圖。在多層PCB製造程序的一個步驟中，蝕刻具有粘合到那裡的對應尺寸的銅片的一片絕緣體，以提供其上有內部普通傳導區域719的第二種絕緣材料713。小孔721被鑽孔通過傳導區域719，以便為RF功率提供連接點。然後，材料713被粘合到具有粘合膜(例如，DupontFEP)和高溫/高壓處理的銅散布器金屬板715。散布器金屬板715限定一個穿孔723，該穿孔723用來接收同軸電纜(見圖134)。
圖136是整體式線圈與電容器組件的第一種絕緣材料的頂部示意圖。圖137是第一種絕緣材料的右側示意圖。材料711限定與孔721和723對齊的穿孔725，以便為RF功率提供到連接點的通道。
圖138是整體式線圈與電容器組件的分解示意圖。在製造期間，粘合膜727(例如，Dupont FEP)被放置在各個層之間，這些層被對齊、壓縮和加熱，以構成整體式組件701。
圖139-149示出了在已構成線圈之後根據本發明的一個方面的整體式線圈與電容器組件的例子。線圈用短導線731構成，該導線被連接到散布器金屬板715(例如，通過焊接，見圖148)。同軸電纜677通孔721被插入孔723，具有略微突出的電纜的一個中心導體。然後，中心導體被焊接到內部傳導區域719(見圖149)，外部導體被焊接到散布器金屬板715(見圖149)。最好使用高溫焊料。
線圈散熱器
圖150-153示出了線圈的一個示範陶瓷散熱器。要了解通常有關使用感應電燈電路的陶瓷散熱器的構造和優點的細節，可參考前述的第WO 99/36940號PCT公開文獻。散熱器643限定第一個孔741，該孔的內部直徑與線圈的外部直徑緊密匹配。散熱器643還限定第二個孔743，該孔的內部直徑與陶瓷帽663的外部直徑緊密匹配。
電容器散熱器
如結合第一種燈系統的上述內容，在燈運行期間需要從電容器組轉移熱量。有利的是，本發明的本方面的燈頭提供短傳導路徑和大表面，用於實現理想的熱量轉移。
圖154-156示出了電容器組的陶瓷散熱器的第一個例子。散熱器647用升高的部分或高地751(具有實質上對應於線圈的導線648的尺寸)構成。圖155包括指出最好是最大熱傳導率的方向的箭頭753。
圖157-159示出了電容器組的陶瓷散熱器755的第二個例子。圖158是第二個電容器散熱器的右側示意圖。圖159是第二個電容器散熱器的後部示意圖。散熱器755限定凹槽757或渠道，用來至少部分容納線圈的導線648。圖158包括指出最好是最大熱傳導率的方向的箭頭759。
小孔燈泡
圖160-161示出根據本發明的一個方面的示範孔燈泡。在一個例子中，燈泡669是外部直徑為7毫米、內部直徑為6毫米的球形燈泡(除了在提示區域)。示範的填充物是1.8毫克/立方釐米的InBr、50乇氬和少量Kr85。在另一個例子中，孔約為9平方毫米，燈泡669是外部直徑為6毫米、內部直徑為5毫米的球形燈泡(除了在提示區域中)，具有的填充物是0.15毫克的InCI、25乇氪和少量Kr85。
圖162比較使用不同劑量InCI的燈的光譜輸出。第一盞燈在燈泡中使用相對低劑量的0.1毫克的InCI，該燈泡的外部直徑為7毫米，內部直徑為6毫米。孔是圓形的，其面積大約為12.56平方毫米。填充物用約125W的RF功率來激勵。第二盞燈泡中使用普通劑量的0.21毫克的InCI，其外部直徑為7毫米，內部直徑為6毫米。孔是圓形的，其面積大約為9平方毫米。填充物用約130W的RF功率來激勵。
第一盞燈的光輸出的相對數量由130/125規格化，以便大致說明RF功率的差別。第二盞燈的光輸出的相對數量由12.56/9規格化，以便大致說明孔尺寸的差別。如從圖中可見，較高劑量填充物在可見光譜中提供較大部分的可見光，而較低劑量填充物在光譜的UV與藍色區域中提供較大部分的光。
圖163比較各種劑量的氯化銦的各種波長範圍中的功率數量。與較高劑量相比較，適當選擇的劑量不夠(低劑量)的InCI填充物在300-350nm的範圍中提供約兩倍的光輸出，在350-400nm和400-500nm的範圍中提供多出10-20％的光輸出。雖然使用劑量不夠的InCI填充物的燈仍然被認為是可見光源，多出大於430nm波長中的其功率的50％。但是，它可以在藍色與UV區域中提供足夠的光，成為某些治療應用(例如，治療某些牙齒膠粘)的有用光源。
動態受控阻抗切換
某些RF驅動負載具有動態變化的阻抗特徵。例如，無電極燈在點火之前具有高阻抗負載(例如，接近開放電路)，在點火之後呈現低阻抗負載(例如，接近短電路)，兩種狀態之間有相對迅速的轉換。微波激勵、感應耦合與電容性耦合的無電極燈都是具有變化的阻抗特徵的RF驅動負載。電極化放電燈是具有變化的阻抗特徵的RF驅動負載的又一個例子。按照慣例，RF源被配置成在穩定狀態操作期間匹配負載的阻抗。結果，RF源和負載在啟動階段期間失配，由於該失配，功率轉換的效率相對變低。失配的另一個效果是，重大數量的RF功率被反射回來源。如果RF源沒有被充分隔離或得到充分的保護，則這種被反射的RF功率具有潛在的破壞性。
本發明的另一個方面是為RF驅動負載提供動態受控阻抗切換。通過控制RF源或負載的阻抗，啟動期間被耦合到負載的功率的部分增加了，被反射的RF功率的數量減少了。例如，在無電極燈中，這種動態受控阻抗切換提供了更快的啟動時間的優點、對RF源更好的保護，以及減少或取消對於RF源與電燈電路之間的隔離器或循環器的需求。
例如，通過在啟動時間到一個部分中切換啟動時的燈耦合電路中的入或出電路元件，可以使最初的等離子體阻抗更加緊密地匹配RF源輸出阻抗。或者，通過切換RF源輸出阻抗匹配網絡中的入或出電路元件。以下將詳細描述一個或多個切換。
對RF源更好的保護的一個方面是，啟動期間的更加緊密的匹配阻抗減少了具有潛在破壞性的反射RF功率的數量。對RF源更好的保護的另一個方面涉及控制阻抗匹配，以便啟動階段期間出現的諧振的各個不同點被配置成避免振蕩器不穩定的操作。
本發明的另一個方面是振蕩器輸出功率的有源功率控制。RF源從電子受控可變DC電源接收其DC供應電壓。RF控制電路根據各種控制目的中的一個或多個目的來適應調整DC供應電壓。例如，功率可以在點火之前降低，以減少弧光形成勢能與反射的功率。功率在啟動期間降低，以便使燈的完全輸出更快。功率可以在穩定狀態操作期間被調整，以便提供恆定的前向功率和/或恆定的光輸出。
圖164是根據本發明的一個方面的名義上的阻抗切換比較時間的圖。在時間T0之前，燈是未點燃的，RF源最初被配置成呈現輸出阻抗Z1。例如，可以選擇Z1，以更加緊密地匹配剛剛點火之後的燈頭的阻抗。在時間T0點燃燈。因為阻抗Z1被配置成對應於剛剛點火之後的燈的阻抗，所以，RF能量被更有效地轉換為等離子體。隨著等離子體的阻抗的變化，在時間T1進行第一個阻抗切換，以便使RF源呈現輸出阻抗T2，該阻抗在實現完全輸出之前的準備動期間更加緊密地匹配燈頭的RF阻抗。在時間T2進行第二個阻抗切換，以便使RF源呈現輸出阻抗Z操作，該阻抗在穩定狀態操作期間更加緊密地與燈頭阻抗相匹配。在時間Ton，燈達到完全的輸出。
圖164中的圖並非是按比例畫的。T0與T1之間的時間可能是幾毫秒至幾十毫秒，而在T1與T2之間只有幾秒鐘的時間。而且，可以使用或多或少的阻抗切換。可以使用任何適當的被感測的條件，以控制切換。例如，可以在預定時期和/或對應於被感測的前向/反射功率層次或光輸出而進行切換。可以根據不同的控制標準來進行各個切換。例如，第一個切換可以在預定時期之後進行，而隨後的切換可以對應於感測到的反射功率層次來進行。此外，已結合切換RF源的輸出阻抗來提供前述例子，但也可以在燈頭完成阻抗切換。
圖165是一種傳統非阻抗切換燈的Smith圖表的一部分的代表圖。圖166是根據本發明一個方面的阻抗切換燈的Smith圖表的一個部分的代表圖。該圖的每一曲線被分開旋轉畫出，以便將諧振點放在左邊，用於說明。對於傳統燈而言，D1代表在燈點火之後不久的時間T3的燈頭阻抗與完全輸出時的燈頭阻抗之間的差。對於根據本發明的一個方面的阻抗切換燈系統而言，D2代表在同等時間T3的燈頭阻抗與完全輸出時的燈頭阻抗之間的差。從圖中顯而易見，D2比D1小得多，因此指出對應於啟動過程中的更加有效的功率轉換的一個更好的阻抗匹配。如上所述，更有效的功率轉換使燈啟動時間更快，通過減少的功率反射而對RF源的保護更好。
圖167是單個狀態振蕩器的概括示意插圖。放大器A被配置成提供合適的正反饋B，以維持振蕩條件。振蕩器被連接到負載Z。負載Z提供了反射信號R，該信號在與所需的反饋B結合之前可經歷某項轉換操作X。根據不想要的幅度和相位的反饋，振蕩器可以是穩定的，或包括非振蕩。V0代表振蕩器輸入，V1代表振蕩器輸出。V0可以很小，但它必須足夠大，以開始振蕩。通常，隨意的小信號噪聲對此目的而言是足夠的。Z、A、B和X都是複雜的實體。圖167的振蕩器沒有被絕緣隔離，因為振蕩器與負載之間沒有緩衝級(放大器或隔離器)。理論上講，放大器A可具有多級和/或是複雜的集成電路，但是，如果不與負載隔離，則出於本說明的目的，整個電路仍然被認為是一個單級振蕩器。
圖168是驅動無電極燈電路的RF源的示意圖。振蕩器將通過感應L3的一個RF信號提供給串聯諧振燈電路。串聯諧振燈電路包括與激勵線圈C1串聯連接的兩個電容器C1和C2。RF能量從線圈L1被耦合到燈泡中的填充物(由虛線表示)，其中，L2和R1代表作為變壓器的次級線圈的填充物。RF信號被提供給C1與C2的連接處的電燈電路。C1的電容值是電燈電路的穩定狀態諧振頻率的一個主要的確定元件。C2的電容值是電燈電路與RF源之間的阻抗匹配的一個主要的確定元件。通過調整RF輸入感應器L3(例如，額外幾毫米的軌道或電線中的切換)或C2(例如，通過額外電容器元件中的切換)，燈頭電路的阻抗可以被動態地控制，以便在啟動時期的較大範圍中更加緊密地匹配RF源的阻抗。
對於這裡所述類型的感應耦合無電極燈而言，頻率確定電容器通常在約3pF與10pF之間，匹配電容器C2通常在約20pF與100pF之間。匹配感應通常在約0.2nH與2nH之間。操作期間，這種燈頭的名義上的阻抗可在10歐姆與50歐姆之間進行選擇。
大多數高功率RF源使用低功率振蕩器，之後進行一級或多級的放大。此外，許多高功率RF源使用來源與負載之間的一個隔離器(isolator)。這些傳統的配置受到與負載的相互作用的影響較少。但是，多級放大器和/或隔離器的使用涉及具有對應增加的成本、電路尺寸與複雜性和降低效率的額外部件。
根據本發明的本方面，非隔離振蕩器級使用動態受控的切換燈頭阻抗或振蕩器輸出阻抗，用來避免「下沉(sink)」區域，同時，在點火與完全輸出之間的燈啟動期間使燈頭更緊密地與振蕩器匹配。如這裡所用的，「下沉」意味著表示單級振蕩器的不穩定操作頻率的Smith圖表的那個部分。
圖169是Smith圖表，示出了被連接到感應耦合燈頭的絕緣的非阻抗切換RF源的典型操作。箭頭表示各個點之間的一個阻抗變化。實際的燈系統非常緊密地對應於結合第一種燈系統的上述5000流明燈。在示範系統中，頻率被積極控制，以便在啟動與操作期間使反射功率最小化。在燈點火之前，負載阻抗的Smith圖表由圈A代表，它假設在到燈頭的輸入處有一個刻度平面。諧振點由點1指出。一旦點火，燈頭的阻抗迅速移到在由點2指出的點處(不在諧振處)的圈B。這種轉換在很短的時間內發生，通常是示範系統的一毫秒和一般小於16毫秒的大小，該系統使用具有50乇氬啟動氣體的一個9毫米燈泡。當頻率被調整以實現良好的匹配時，阻抗通常在示範系統的點火之後約1秒移到由點3指出的一個諧振點。當阻抗繼續變化時，點3被略微轉移到圈B的右邊，而燈泡與緩衝器氣體加熱，填充材料蒸發。當功率繼續被傳遞給填充物時，阻抗移到圖C上的點4(而頻率被調整)，這表示諧振與完全輸出處的穩定狀態負載阻抗。
圖170是Smith圖表，示出了由非阻抗切換與非絕緣的燈系統中的啟動順序表現出的各種問題。平面較低的約三分之一的特徵是低電流和低功率，這可能不足以維持振蕩。平面上部的約三分之一的特徵是高電流和高功率，這可能超過振蕩器電晶體的規定界限。點1和2幾乎在圖表的對側，如上所述，它們分別對應於接近開放電路與接近短電路條件。當沒有隔離器時，點2在不穩定的下沉區域中或附近。恆定頻率的線811表現了Smith圖表的區域813中的頻率聚合在這裡稱作「下沉」。在此區域813中，沒有特殊的頻率佔支配地位，振蕩器可跳過幾個頻率，是不穩定的。相應地，如果燈的一個諧振點移入下沉，則燈可能無法成功地轉換出該區域，或者，這種轉換是電流過量條件或電流不夠條件。如果燈穩定的話，則頻率可能不是所需的諧振頻率，可能沒有到諧振頻率的實際路徑。
圖171是Smith圖表，示出了根據本發明的一個方面的動態受控阻抗切換的第一種方法。預點火阻抗負載表示在圓圈A上的點1處。為C2和C3選擇初始值，以便一旦點火，阻抗就轉換到圓圈B上的一個點2，它被充分地從下沉移置，並且還最好適當從高電流區域移置。其後，頻率將朝向點3進行調整，該點可能不對應於諧振點。接下來，通常在燈到達圈C上的諧振點之前，電路元件被切入或切出燈頭電路，以減少C2的電容值，從而使負載阻抗轉換到圓圈D上的點4。例如，可能在預定時期之後進行阻抗切換。或者，可響應於被感測條件(例如，光輸出，預定界限以上或以下的前向或反射功率或前向與反射功率的比率)而進行阻抗切換。一旦燈到達諧振中的完全輸出，負載阻抗就移到點5。如果需要的話，則可以進行一個以上的阻抗切換，以控制啟動程序。
圖172是Smith圖表，示出了根據本發明的一個方面的動態受控的阻抗切換的第二種方法。除了點2在操作的高電流區域中之外，第二種方法類似於第一種方法。相對高的電流在啟動期間可以是必要的，以確保可靠的燈啟動。在這些環境中，可能需要為處於低壓層次的燈點火，以減少弧光形成的勢能，否則會因振蕩器在此區域操作的第二個部分而損害振蕩器。預點火阻抗負載在圓圈A上的點1處被指出。為RF源的輸出阻抗選擇一個初始值，以便一旦點火，阻抗就移到圓圈B上的一個點2，它被充分地從下沉移置並位於高電流區域，以提供合適的場和啟動電壓。其後，頻率朝向圓圈D以外的點3進行調整，它可能不對應於一個諧振點。接下來，通常在燈點火之後不久，一個電路元件被切入或切出RF源輸出阻抗匹配網絡，負載阻抗移到圓圈E上的點4。例如，阻抗切換可能在預定的時期後進行。或者，阻抗切換可能響應於一個被感測的條件(例如，光輸出或在預定界限以上或以下的前向或反射功率)而進行。一旦燈達到諧振中的完全輸出，負載阻抗就移到點5。如果需要的話，則可以進行一個以上的阻抗切換，以控制啟動程序。
圖173是根據本發明一個方面的包括一個RF驅動負載的第一個示範RF電路的示意圖。RF源821包括振蕩器822，該振蕩器通過阻抗匹配網絡ZM提供輸出。RF源的輸出被提供到負載823。負載823包括第一個阻抗Z1和第二個阻抗Z2，第二個阻抗通過電控制開關SW被連接到RF源。例如，開關SW可以包括固態的開關裝置(例如，二極體或電晶體)，該開關裝置可以通過提供合適的偏置電壓來受到控制。或者，開關SW可包括電控制機械開關裝置(例如，螺線管或中繼設備)。一般而言，固態的開關裝置比機械裝置更好。
圖174是根據本發明一個方面的包括RF驅動負載的第二個示範RF電路的示意圖。RF源824包括振蕩器825，該振蕩器通過阻抗匹配網絡ZM提供輸出。阻抗匹配網絡包括第一個阻抗Z1和第二個阻抗Z2，第二個阻抗通過電控制開關SW被連接到輸出線。RF源的輸出被提供到包括阻抗ZL的負載26。
圖175是根據本發明一個方面的包括一個RF驅動負載的第三個示範RF電路的示意圖。第三個RF電路類似於第一個和第二個例子，其中，包括振蕩器828的RF源827將信號提供到負載829。但是，在圖175中，阻抗匹配網絡ZM和負載829包括被切換的阻抗。阻抗匹配網絡包括阻抗Z1和Z2，Z2通過開關SW1被連接到輸出線。負載829包括阻抗Z3和Z4，Z4通過開關SW2被連接到RF源。
通常，本發明的本方面涉及動態受控的阻抗切換，得益於這種阻抗切換的任何RF源和RF驅動負載可以結合根據本發明原理的一個合適的阻抗切換電路來使用。
第三種燈系統
圖176是根據本發明的一個方面的第三種燈系統的方框級示意圖，包括一個阻抗切換RF源。燈系統831包括RF屏蔽外殼833，該外殼通過電連接器835從一個牆壁電源插座(或其他合適的外部電源)接收電力。任選線濾波器837規定被提供給燈系統831的電力，並/或通過電力線使RF洩露最小化。
在外殼833內，外部電力被提供給內部DC電源839，該DC電源將外部電力轉換為操作燈系統831的合適的DC電壓。DC電源839被連接到阻抗切換RF源841，該阻抗切換RF源841將通過方向耦合器845的高頻能量提供給燈頭847。燈頭847所產生的光通過合適的光學器件849被導出外殼833。代表前向與相反功率的信號Pf和Pr被分別提供給RF控制電路853。RF控制電路853根據信號Pf和Pr將控制信號855提供給RF源841。
本發明的本方面的燈系統最好使用實時控制電路，以減少或取消因熱效應或老化而產生的有關頻率變化的潛在問題。控制電路也消除了單獨調諧每個燈系統的要求。
在下文中將詳細描述上述每個部件的例子。以上的某些部件很新穎，並且是本申請的主題。其他部件是可從許多來源購得的傳統部件。這些部件通過合適的裝置被連接。例如，同軸電纜通常用於攜帶RF信號，合適的規格配線用於其他的連接。此外，根據系統要求，燈系統831的部件可以被放置在單個的外殼中，或可以用其間合適的連接被分布在幾個分開的外殼中。合適的DC電源可從麻薩諸塞州的Andover的VICOR購得，型號VIMU3-ES，它提供具有約300瓦電力的約24VDC。
圖177是根據本發明一個方面的阻抗切換RF源的方框級示意圖。RF源使用(例如)一個振蕩器，最好也使用可包括雙重對稱反饋路徑的反饋電路。在這個方面，放大器861的輸出(例如，包括一個或多個電晶體)通過阻抗轉換網絡863被反饋到放大器861的輸入。阻抗轉換網絡863較佳地不直接被耦合到放大器861的輸出，而是被耦合到動態切換的阻抗匹配網絡869。動態切換的阻抗匹配網絡被配置成響應於控制信號而提供一個或多個阻抗切換。偏壓電路865為RF源提供電力。提供調諧電路867，用於調整RF源的操作頻率。以上討論了RF源的其他特徵和優點。
圖178是根據本發明的一個方面的動態切換的阻抗匹配電路的示意圖。第一傳送線TL1通過串聯旁路電容器C1被連接到輸出傳送線TL2。第一阻抗匹配電容器C2在第一傳送線TL1與地之間被連接。第二阻抗匹配電容器C3在一端被連接到第一傳送線TL1，在另一端被連接到電控制開關SW。當開關SW被關閉時，電容器C3被連接到地並構成部分輸出阻抗匹配網絡。當開關SW打開時，電容器C3是不連接的，並且不包括在阻抗匹配網絡中。
圖179是根據本發明一個方面的另一個動態切換的阻抗匹配電路的電路級示意圖。在圖179中，開關SW由PIN二極體D1來執行，它是電壓受控器件、電阻器R1和三個感應器L1、L2、L3。二極體D1的一個正極末端連接到電容器C3，二極體D1的一個負極末端被連接到地。通過包括R1、L1、L2和L3的串聯電路，控制信號連接到R1的一端，並被提供到二極體D1的正極末端。例如，控制信號是用於偏壓二極體D1以傳導或(不象所需要的那樣)切換輸出阻抗的合適的電壓。
圖180是根據本發明一個方面的印刷電路板的組件級示意圖，該印刷電路板安裝有用於提供阻抗切換RF源和方向耦合器的合適的裝置。通過說明而非限制，除了忽略絕緣器和包括動態受控阻抗切換電路以外，示範RF源大體上等同於結合圖109-118的上述RF源。如圖180所示，RF源包括振蕩器部分、調諧部分、阻抗匹配部分(包括根據本發明的一個方面的阻抗切換電路)和方向耦合器。
圖181是由圖180中的區域181指出的阻抗切換電路的放大示意圖。控制信號通過合適的配線被應用於傳導焊點871。控制信號通過包括R1、L1、L2和L3的串聯電路被提供給D1的正極末端。D1的負極末端被連接到印刷電路板的地平面。電路元件的合適的部件值如下所示
標號# 名稱
C1 130pF電容器，300V
C2 3.9pF電容器，500V
C3 5.1pF電容器，500V
D1 PIN二極體，M/A-COM MA4P4002F-1091
R1 100歐姆電阻器
L1、L2、L3 330nH感應器
在具備這些部件值的情況下，控制信號最好是使二極體D1傳導(即關閉開關)的約五(5)伏特的電壓和使二極體D1處於絕緣狀態(即打開開關)的約負八(-8)伏特的電壓。RF控制電路大體上如同以上所描述的，並進一步用來(例如，具有一個倒轉放大器)提供所需的阻抗控制信號。
根據本發明的一個方面的操作阻抗切換RF源的一種方法如下所述。阻抗匹配網絡被配置成當二極體D1具有傳導性時，RF源的輸出阻抗更加緊密地與其直接的柱點火狀態中的燈頭阻抗相匹配(並且還提供從下沉移置的一個諧振點)；當二極體D1不具有傳導性時，RF源的輸出阻抗更加緊密地與其完全輸出穩定狀態操作阻抗中的燈頭相匹配。只進行一次阻抗切換。未被照亮的燈頭表現出一個高阻抗，RF源阻抗與燈頭阻抗之間的最初失配在生成高場和啟動電壓中是有益的。一旦接通RF源，RF控制單元將焊點871上的電壓設置為五(5)伏特，以便使二極體D1傳導。在足夠電燈點火大約預定時期(例如，約140毫秒)之後，RF控制單元將焊點871上的電壓設置為負8(-8)伏特，以便二極體D1不進行傳導。阻抗切換的前述控制只是起說明性的作用，並且最好與其他活動控制方法(例如，結合圖95-104的上述頻率控制和如這裡詳細描述的功率控制)集成在一起。
整體式燈系統
圖182是包括阻抗切換RF源、方向耦合器、RF控制電路和單個外殼中的燈頭的整體式燈系統的分解透視視圖。整體式燈系統包括第一個散熱器881、四壁的外套883、與合適部件一起操作RF控制電路的第一個印刷電路板885、燈頭887、與合適部件(未示出)一起操作高功率振蕩器(和調諧電路)的第二個印刷電路板889、阻抗切換電路、方向耦合器、被連接到燈頭電路的一部分的RF傳送線和第二個散熱器891。RF源889被安裝在第二個散熱器891上。RF控制電路885被安裝在柱上，作為到RF源889的一個繼承板。RF控制電路885從方向耦合器接收信號，並經由合適的配線893將控制信號提供給(例如)振蕩器調諧電路和阻抗切換電路。除了整體式線圈/電容器組件是印刷電路板889的一部分和燈頭的基座用來(例如，開縫的)被安裝在印刷電路板889上之外，燈頭887大體上等同於結合圖125-130的上述燈頭。外套883被配置成將RF源889和RF控制單元885裝在第一個散熱器881與第二個散熱器891之間。
圖183是由圖182中的整體式燈系統使用的印刷電路板的示意圖。除了使用兩個四埠方向耦合器代替單個的六埠方向耦合器，以及RF功率通過一根傳送線901被提供到傳導焊點903而非通過同軸連接器來提供RF功率以外，RF源889大體上等同於上述的RF源。傳導焊點903對應於以上更加詳細地描述的內部共同傳導區域。內部共同傳導區域是一個電容器金屬板，它被分配在燈頭電路中的高壓電容器與低壓電容器之間。
圖184是展示激勵線圈的配置的印刷電路板的側面示意圖。激勵線圈905大體上按以上描述被構制而成。線圈905具有普通婚戒的形狀。例如，線圈905的導線是通過將接頭焊接到熱量散布器金屬板而被機械地和用電的方式連接到地的短接頭。線圈905的另一根導線在焊點903上延伸並被放置在絕緣材料907上。例如，可以通過粘合膜或其他合適的高溫粘合劑將導線和絕緣材料907保持在適當的位置。線圈905的導線、絕緣體907、焊點903、印刷電路板889的絕緣材料和地平面構成一個電容器組，它們與線圈905一起構成串聯諧振電燈電路。
有源功率控制
隨著元件的老化，燈與振蕩器的特徵隨時間的推移而變化。這些變化影響燈系統的啟動和弧光形成勢能。這些問題通過積極控制振蕩器功率層次(例如，通過改變DC電壓)和/或振蕩器頻率並根據本發明的本方面來加以克服。也可以通過積極控制RF源與啟動期間的燈頭之間的阻抗匹配來改善燈系統的可靠性和啟動時間。通過使用有源控制的微控制器，可以在短時間內使燈系統進行全面的操作，可以在很長的使用壽命期間進行可靠的操作。
可以購得具有可調整的輸出電壓層次的DC電源。例如，許多DC電源提供部分由參考電壓確定的輸出電壓。通過調整參考電壓，輸出電壓被對應地加以調整。在一些可購得的DC電源中，可以提供外部控制電壓，以調整輸出電壓。例如，通過手工調諧可變電阻電位計，Astro Dyne型號SP-300-24的輸出電壓可以在從約17V到約24V的範圍內進行調整。通過使電位計，轉向對應於最小的理想輸出電壓位置的一個位置並將額外的控制電壓信號連接到電位計的輸出，電源容易適應輸出電壓的電子控制。控制電壓信號的輸出與電位計的電壓結合，從而引起對DC供應的輸出電壓的對應的調整。通過使用可以在約0.2V與9V之間被調整的控制電壓，DC電源可以在從約16V到約27V的範圍內進行調整。例如，微控制器可提供合適的控制電壓，該電壓可根據控制運算在所需的範圍內加以調整。
根據本發明的本方面的活動功率控制提供了許多優點。這些包括弧光形成勢能減少、快速啟動、恆定的光輸出、變暗控制、燈備用操作、受控燈關閉和對老化效應的補償。這個清單是說明性的，而並非僅包括這些內容。對於精通具有本說明優點的技術領域的人而言，有源功率控制的許多其他應用和優點將一目了然。
-減少弧光形成
高壓條件可在燈頭電路中產生不合需要的弧光。通過在啟動期間最初將功率設置到較低的水平上，可使用有源功率控制來減少弧光。例如，較低水平功率可維持預定的時間，直到檢測到的反射功率低於預先確定的水平，和/或直到檢測(例如，通過光電探測器)填充物的點火。較低功率水平仍然必須足夠高，以開始振蕩和為燈填充物點火。但是，通過使用較低水平的功率，弧光的勢能被減少，任何反射功率的大小也被減小。
-快速啟動
暫時增加啟動期間所應用的功率量可增加被耦合到燈泡和填充物的功率的量，因此縮短了燈的啟動時間。
-恆定光輸出
光輸出量隨供應給電燈電路的功率量而變化。在某些應用中，需要固定和恆定數量的光輸出。根據本發明方面，通過感測光輸出(例如，使用光電探測器)和調整功率水平直至達到所需光輸出，光輸出被保持恆定。光電探測器可以直接或間接地檢測光輸出。例如，光纖的一端可以被配置成接收光輸出的一部分和將所接收的光傳送到被電連接到RF控制電路的光電探測器。
-變暗、備用和關閉
通過提供對功率水平的基於微控制器的電子控制，可由本發明的本方面的RF控制單元容易地執行許多變暗、備用和關閉技術。例如，環境光的量可以被感測(例如，用光電探測器)並用來設置光輸出的所需量，以補充環境照明。微控制器可以被編程，以接收表示應該使燈處於備用模式的信號，並適當地減少與其響應的功率電平。例如，燈的備用模式可以對應於這樣一個條件所提供的電力剛剛足夠使等離子體保持在離子化狀態。同樣，微控制器可以被編程，以響應於關閉信號，執行燈系統的受控關閉。
-老化和環境效應
如上所述，當元件老化時，電燈和振蕩器的特徵隨時間的推移而變化是很平常的。環境條件(例如，環境溫度)影響電燈性能也是很平常的。例如，流明輸出最初可增加幾百小時的操作，然後，通常減少10％或更多的數百小時的操作。同樣，電晶體特徵是取決於溫度的，也隨時間的推移而變化。根據本發明的本方面，調整功率控制電壓來提供所需電平的前向功率和/或所需電平的光輸出，以補償老化和/或環境效應。
燈啟動時間
本發明的阻抗切換方面可單獨使用，或結合其他活動控制(例如，結合圖95-104和/或上述的有源功率控制的上述頻率控制)來使用。燈的啟動時間在很大程度上取決於有效地將能量與燈泡和填充物耦合的能力。在傳統的無電極燈中，來源和負載在整個啟動過程中被失配，生成大量的反射功能。根據本發明的一個方面，在啟動過程中使用阻抗切換、有源功率控制和/或有源頻率控制，以大大減少反射功率量，從而將更大數量的能量耦合到燈泡和填充物，導致了動態減少的啟動時間。
對於以下例子而言，啟動時間是指點火與實現90％的完全光輸出之間的時間。例如，在第WO 99/36940號的PCT公開文獻中所描述的燈中，典型的啟動時間在約20秒與30秒之間。第60/166,997號的相關共同待批的申請描述了自調諧的感應耦合燈。在這些自調諧的燈中，燈泡和填充物是振蕩器電路的頻率確定元件的一部分，RF能量在啟動過程中被很好地耦合到負載。利用自調諧燈實現的最佳啟動時間是大約7～8秒，對於用同等的燈泡尺寸和填充物配置的示範的第三種燈系統而言，已實現了不到3秒鐘的啟動時間，典型的啟動時間的範圍是3～5秒。在許多商業應用中，這種快速啟動時間很重要。
根據本發明的本方面，實現快速啟動時間、可靠操作和對RF源的保護的的操作感應耦合無電極放電燈的一種方法如下所述
1)接通RF控制電路和振蕩器的電源。
2)設置和保持預定電平的初始頻率控制電壓。
3)設置第一電平的初始功率控制電壓，該電壓對應於小於穩定狀態操作電壓的啟動電壓。
4)設置初始阻抗控制電壓來關閉開關，以便RF源的輸出阻抗更加緊密地與由剛點火之後的填充物表現的阻抗相匹配(並且，也使一旦點火燈系統轉換到的Smith圖表上的點不在下沉中)。
5)等候振蕩器啟動，等候填充物啟動氣體點火，大約離對前向RF功率的檢測140毫秒。
6)通過打開開關來設置阻抗控制電壓，以切換RF源的輸出阻抗，以便用來源的輸出阻抗更加緊密地與穩定狀態完全輸出條件的阻抗相匹配。
7)等候10毫秒。將功率控制電壓設置為第二電平，該電平高於啟動電壓，但通常小於或等於穩定狀態操作電壓。
8)如結合圖95-104的以上所描述的，開始活動頻率控制。振蕩器的頻率根據一個控制運算來加以調整，該運算通過使反射功率最小化來跟蹤燈頭的變化的諧振頻率。
9)監督頻率調整過程中的反射功率。當反射功率小於預定界限時，將功率控制電壓調整到第三電平，該電平對應於高於穩定狀態操作電壓的上升電壓。
10)一旦達到穩定狀態諧振，將功率控制電壓調整到對應於穩定狀態操作電壓的第四電平。
圖185是使用有源功率控制的根據本發明一個方面的RF源的振蕩器供應電壓比較時間圖。例如，圖185示出了以上列出的方法步驟的實施。圖185的圖表應該被認為是起說明作用的，而非起限制作用的。在時間T0，為RF控制單元與振蕩器提供電力，前向RF功率已經被檢測。功率控制電壓被設置為對應于振蕩器供應電壓V1的第一電平。V1對應於啟動電壓，該電壓通常小於穩定狀態操作電壓，但仍然足夠高，可以提供可靠的啟動。通過使用較低的電壓，弧光形成勢能被減小，反射功率的數量被減少。在預定時間T2，進行阻抗切換。例如，可以完全根據經驗地將時間T2確定為振蕩器啟動和燈點火的足夠數量的時間。之後不久，在時間T1，調整功率控制電壓，以便將振蕩器供應電壓設置為V2。V2高於V1，以便將更多電力轉移到填充物，但是，不應被設置得太高，因為有源頻率控制還沒有找到諧振頻率。通常，V2小於或等於穩定狀態操作電壓。之後不久，在時間TF，開始活動頻率控制。在時間T2，反射功率已降落到某一預定電平以下，調整功率控制電壓，以便將振蕩器供應電壓設置為V3。V3高於穩定狀態操作電壓，並在啟動期間的短時間內為填充物提供更多的電力。較高的功率電平對RF源不具有破壞性，因為反射功率低，燈處於有源頻率控制之下。當反射功率在時間T3被最小化和穩定時，調整功率控制電壓，以便逐漸從V3轉換到V操作。
對於這裡所描述的燈而言，T2是T0後的約140毫秒；T1是T2之後的約10毫秒；TF在幾毫秒之後或與T1一致；T2是可變的，但通常是TF之後一秒的約十分之三(0.3)，很少大於一秒的十分之七(0.7)；T3也是可變的，但通常在T2之後的約2.5與5秒之間。
柵極偏壓控制
如上所述，需要直到RF控制電路已初始化和安放有關所有各種控制信號的適當的值，才啟動振蕩器。這可能需要使用兩個分開的電源和/或中繼裝置，以確保在電力施加到振蕩器之前，將電力提供給RF控制電路。
根據本發明的本方面，通過控制柵極偏置電壓(例如，使LDMOS器件的偏置電壓保持為零)，來抑制RF功率振蕩器的開始。在適當的時間，柵極偏置電壓被設置為一個合適的值，以開始振蕩。在應用柵極偏置電壓之前，微處理器可以初始化並將其他的控制信號設置為所需的值。例如，其他控制信號包括頻率控制信號，阻抗切換控制信號和電源電壓控制信號。
利用本發明的本方面的柵極偏壓控制，電力可能被同時應用到RF振蕩器和RF控制電路。但是，若沒有必要的偏置電壓，則RF振蕩器不進行操作，並且避免了對電路的損害，而適當的控制參數被初始化。有利的是，可以提供柵極偏壓控制，使用具有很少額外元件的微處理器的可用輸出信號(見圖186)，避免了對分開的電源或中繼裝置的需求。
RF控制電路
圖186是根據本發明的一個方面的另一個RF控制電路的電路級示意圖。可從亞利桑那州的Chandler的Microchip，Technologies購得的型號PIC 16C73P的整體式電路用於所示例子中的微控制器。使用一個簡單的RC電路與運算放大器(op-amp)電路，而非數字-模擬轉換器。例如，運算放大器可以是通常在四邊形包裝中的第LM324號的部分。具有所需時間常數的RC電路被用來建立被連接到微控制器的OSCI輸入的時鐘信號。電壓調整器(例如，型號78L05)將輸入電壓VDC(例如，+26伏特DC)轉換成+5伏特DC，用於為微控制器和其他電路供電。
如圖186中進一步所示，信號Pf和Pr作為輸入被提供給RA總線上的微控制器。RA導線插頭中的一個插頭連接到RF「地」，以便為信號Pf和Pr提供接地參考。微控制器的RB與RC總線用來提供各種控制信號。尤其是，RB總線中的一個插頭連接到設置電源控制電壓的運算放大器電路。RC總線的另三個插頭連接到LEDs，LEDs可以被照明，以指出RF控制電路和/或RF振蕩器的運算條件。一般熟悉具有本說明優點的技術領域的人將理解，這個電路包括許多執行的具體細節，許多變化可建立在選擇來實施控制電路的其他例子的特殊元件上。
運算放大器電路如下進行操作。RC電路被連接到運算放大器的正輸入。微控制器被編程，以便將一個脈衝信號提供給RC電路。通過控制與RC電路的時間常數有關的脈衝寬度，微控制器控制在運算放大器輸出處建立的電壓的大小。該電壓被運算放大器放大，被運算放大器輸出，作為控制電壓。有利的是，這個簡單的RC/運算放大器電路的費用比它取而代之的D/A轉換器少。
具有受控頻率-負載特徵的功率振蕩器
根據本發明的本方面，提供功率振蕩器，該功率振蕩器可以被直接連接到從啟動到安全高度的情況保持溫度操作的無電極燈，而無需隔離器(isolator)和/或阻抗切換，但維持很寬範圍的生產變化的公差。本發明的這一方面可以被應用於具有或沒有反饋受控頻率調諧的振蕩器。
從由負載阻抗引起的頻率拉伸關係到負載阻抗對電流與功率輸出的影響會出現問題。感應耦合燈在啟動期間發生變化，若沒有關鍵性的習慣調整或額外元件，則很難使振蕩器與其負載相匹配。當振蕩器被連接到燈時，所用電纜的長度最好在啟動期間將負載放在高電流區域，以減少啟動時間，但不超過所允許的最大電流。遺憾的是，如結合阻抗切換振蕩器的以上所述，有效啟動的較佳條件可將阻抗置於接近不穩定的頻率區。這可以防止到完全亮度的有效轉換。本發明的這一方面通過擴大啟動阻抗與不穩定的操作區域之間的安全操作區域來克服這個問題。
對於使用單個電晶體或兩個並聯電晶體、具有接近400和700MHz的兩個不同頻率範圍的幾個不同振蕩器的研究給出類似的負載特徵。圖187是代表這些振蕩器的負載特徵的Rieke圖。例如，代表振蕩器按結合圖87所描述的來進行構造。同軸連接器RF輸出被用作參考平面。圖由恆定的漏極供應電壓構成。虛線是恆定頻率線。實線是恆定的漏極供應電流線。如果圖被旋轉，以便將電流等高線放在通常頂部具有高電流值的水平位置，則恆定的頻率線通常在只離電流線30～50度的較低的左象限中聚合。
人們認為，電流特徵由修改漏極處的負載阻抗的反射功率而產生，頻率特徵由反射功率與從漏極到柵極的功率反饋的相互作用而產生。重要的是，這是一個與漏極負載阻抗不同的電路路徑。
具有受控頻率負載特徵的振蕩器的第一個例子涉及修改振蕩器設計，以便反饋路徑在匹配網絡的漏極端被直接連接。圖188是代表第一個例子的負載特徵的Rieke圖。如從圖188中顯而易見，與圖187相比較，第一個例子具有非常不同的頻率形式。恆定的頻率線幾乎平行於圖表中心附近的電流線，並會聚在離圖187中的會聚區域約120度的區域。但是，第一個例子的負載特徵成功地避免了啟動期間的不穩定區域，這些特徵少於轉換到燈諧振時的完全亮度的理想情況。
圖189是根據本發明的這一方面的具有受控頻率-負載特徵的第二例振蕩器的印刷電路板布置的示意圖。圖190是構成組件的示意圖，示出了第二個例子中的反饋電容器C1-C4的示範位置。圖191是代表第二個例子的各種特徵的Rieke圖。參照圖189-191，控制器包括反饋路徑(經由漏極電容器C1、C2在漏極附近被連接)中的第一個部分1001和反饋路徑(經由上行線路電容器C3、C4被連接到輸出阻抗匹配網絡)中的第二個部分1003。
通過改變電容值來改變所連接點之間的配置的比例，這使頻率等高線被放在任何所需的中間角度，包括如圖191所示的幾乎垂直於電流線。雖然通常最好是固定值電容器，但在使用可變電容器可允許在操作期間進行這種調整。一旦確定了所需理想的頻率特徵，就可以進一步確定在匹配網絡與將提供類似特徵的漏極中間的一個位置處的單一反饋接頭，從而減少元件的數量。合適的元件值如下所述
C1 1.5pF電容器
C2 3.0pF電容器
C3 0.6-2.5pF可變電容器
C4 2.0pF電容器後冷卻(back-cooled)小孔帽
根據本發明的一個方面，孔燈泡從後部相對冷卻得更多。一種陶瓷材料(例如，氧化鋁、氮化硼或氮化鋁)的圓柱形杆的一端有一個空腔，用來容納燈泡。所測量數量的陶瓷泥漿反射材料被存放在空腔中。燈泡被固定(例如，粘)到陶瓷孔墊圈上，並被裝配到杆的空腔端。墊圈包括使泥漿流過的開口(例如，孔或狹縫)。然後，組件被配置成具有面向旋轉中心的孔端。當燈泡被迫進入空腔時，過量的泥漿通過陶瓷墊圈中的開口被排出。
杆可包括從燈泡後部有效冷卻的其他特點。例如，杆可以包括用來液體冷卻的通道。或者，杆的後部可以夾到用於傳導冷卻的一個熱傳導結構。利用合適的夾具，可以軸向地調整杆的位置，以獲得燈泡的最適宜的耦合位置，然後被夾住，以維持那個位置。
圖192-195示出後部冷卻小孔燈組件的第一個例子。陶瓷材料的圓柱形杆1101的一端有一個空腔1103(見圖193)。空腔1103用來容納燈泡1105。反射材料1107放置在燈泡1105與空腔1103的壁之間。燈泡1105靠一個陶瓷孔墊圈1109放置，該陶瓷孔墊圈覆蓋杆1101的那一端的空腔1103。墊圈1109限定開口1111(見圖194-195)，在帽的裝配期間，反射材料1107可流過該開口。墊圈1109限定臺肩1113，其內部半徑用來緊密匹配空腔1103，外部半徑近似等於1101的外部半徑。
圖196和197分別是第一個例子的第一個替換墊圈部分的橫截面視圖和前視圖。除了不是孔1111而是墊圈1119限定供漿狀材料(slurry)流過的狹縫1121以外，墊圈1119大體上等同於墊圈1109。
圖198和199分別是第一個例子的第二個替換墊圈部分的橫截面視圖和前視圖。除了狹縫1131相對於墊圈1129的軸的轉動以外，墊圈1129大體上等同於墊圈1119。
圖200-207示出了一個後部冷卻的小孔帽組件和另一種墊圈的第二個例子。除了杆1141限定一個較大空腔1143和墊圈1149用來完全安裝在空腔1143內(例如，不限定臺肩)以外，第二個例子大體上等同於第一個例子。
高孔帽
根據本發明的本方面，孔燈從前部和後部被有效地冷卻，而沒有凸緣。相對高的陶瓷(例如，氧化鋁、氮化硼或氮化鋁)帽是圓柱形和中空的，用來沿其軸向來支持燈泡，以便圓柱形帽的至少一部分地在每個軸向方向上大大延伸到燈泡以外，最好燈泡沿帽的軸向方向是居中的。此外，最好帽足夠高，可避免燈頭外殼與激勵線圈之間的電磁幹擾。因為帽在兩個軸向方向上延伸到燈泡以外，所以，熱量可以從燈泡的前部和後部被傳導出去。與有凸緣的孔帽相比較，高孔帽提供對從燈泡被傳導的熱量的更加對稱的熱控制，並被認為減少了圓圈處的熱坡度，從而減少了燈泡上的壓力，增長了燈泡的壽命。此外，高帽降低了成本，並減少了帽對電燈電路的電磁效應。
關於成本，有凸緣的孔帽通常用陶瓷材料的一個較大的圓柱體用機器加工而成。啟動材料的外部直徑略微大於凸緣的直徑。大量多餘的材料被用機器去除，以提供最後的形態。產生的凸緣相對脆弱，並承受帽/凸緣界面處的剪切壓力。
本發明的本方面的高孔帽使用比有凸緣的帽少的材料，因為外部直徑小得多。例如，有凸緣的帽可能需要外部直徑為20～25毫米的啟動材料。對應的高帽需要外部直徑為10～11毫米的啟動材料，表示橫截面面積減小4～5倍。即使具有較長的帽設計(例如，與15毫米相比較，約21毫米長)，這也表示所需材料數量和對應材料成本減少70％。製造也被簡化，加工成本減少。
如上所述，高孔帽有效地將熱量從燈泡的前部和後部傳導出去。這提供了一種更加對稱的熱控制，可用來消除高峰溫度和被施加到燈泡的高峰熱壓力。雖然燈泡最好沿帽的軸向方向居中，但如果這種定位在特殊的燈系統中提供了更有利的熱效應，則帽內的燈泡位置可以更向前部或後部來加以調整。
通過放棄凸緣有另外一個益處。利用凸緣，在線圈與凸緣材料之間有一個小重疊，它在電燈電路中組成一個寄生電容，並將對陶瓷帽的材料的選擇限制於具有相對較低的介電常數的材料。若沒有凸緣，則陶瓷帽的部分不與激勵線圈重疊，所以，帽對電燈電路的影響較小。相應地，可以使用具有較高介電常數的材料。通過將燈頭外殼的蓋子和後部進一步與激勵線圈隔開，一些高孔帽設計進一步減少了對電燈電路的有害的影響。
圖208是第一例高孔帽的前示意圖。圖209是沿圖208中的209-209的橫截面視圖。孔帽1201用陶瓷材料製成，通常是中空圓柱體的形狀。帽1201限定具有穿過其中的一個孔1205的內部臺肩1203。孔1205對應於孔燈泡的最後發光孔。臺肩1203被斜切在通常與燈系統中的光學器件對接的一側上。或者，臺肩1203可限定一個分開的陶瓷墊圈的一個填塞物，該陶瓷墊圈限定小於孔1205的發光孔。臺肩1203在帽1201的兩端的內部被隔開，以便帽1201的一部分在兩個軸向方向上從臺肩1203延伸。最好臺肩1203的位置使靠孔1205(或與一個陶瓷墊圈在一起)設置的燈泡沿帽1201的軸近似居中。帽1201的示範尺寸是當與一個7毫米直徑的燈泡一起使用時，直徑為10毫米；長21毫米。
圖210-211示出了高孔帽的第二個例子。除了孔帽1211隻用來提供填塞物(該填塞物與陶瓷墊圈協作提供發光孔)以外，它類似於帽1201。例如，如果帽1213用氮化硼製成，則帽最好不與石英帽接觸，因為可能會有化學的相互作用。如這裡其他地方所述，在這些情況下，在燈泡與帽之間使用氧化鋁墊圈。
圖212-213示出了高孔帽的第三個例子。除了帽1221相對較短以外，小孔帽1221大體上等同於帽1201。例如，帽1211可能有15毫米長。
圖214是使用高孔帽的無電極燈的示意橫截面圖。如結合圖210-211的以上描述的那樣，小孔燈泡1230使用孔帽1211。陶瓷墊圈1231靠臺肩1213放置，並限定發光孔1233。燈泡1235靠墊圈1231放置，否則由反射材料1237覆蓋。孔帽1201的後部用陶瓷塞子1239密封。孔燈泡1230帽放置在激勵線圈1241內，燈1235近似關於線圈1241居中。孔帽1211的前部與燈頭的第一個表面1243(例如，覆蓋物或蓋子)保持機械的和熱的接觸，而孔帽1211的後部與燈頭的另一個表面1245(例如，基座)保持機械的和熱的接觸。必須或需要在帽1211與各個表面1243、1245之間使用一種有彈性的熱傳導材料，以便維持良好的接觸和避免損壞帽1211。例如，SIL-PAD 2000由Berquist公司製作，或者，矽樹脂海綿橡膠是一種合適的彈性的材料。
最好根據陶瓷材料的介電常數，帽的高度至少是激勵線圈直徑的11/2～2倍。這說明了燈泡的高度是線圈半徑的兩倍或是線圈直徑的兩倍。通過增加帽的壁厚和/或通過將高熱傳導率塞子(例如，塞子1239)插入帽的後部中，可以提高熱傳導率。
二向色性性塗層的孔燈
根據本發明的這一方面，傳導冷卻的小孔燈包括具有高溫的燈泡和高反射率二向色性性塗層(除了在限定孔的區域外)，塗層燈泡裝入高熱傳導率陶瓷製品中。最好二向色性性材料的構造在很寬的角度範圍內提供高反射率。
在這裡所描述的所有先前的孔燈和』940公開文獻中，燈泡被一種高反射gupping材料覆蓋，該材料要求gup提供良好的光學屬性(例如，高反射率)和良好的熱屬性(例如，高熱傳導率)。這尤其在熱問題方面限制了對合適材料的選擇。本發明的這一方面減小了因熱問題而產生的光問題，從而增加了用於燈泡熱控制的合適材料的範圍。本發明這一方面的另一個優點是不需要gupping，因此消除了相對複雜的製造步驟。
二向色性性塗層可購得，能夠承受放電燈的高操作溫度。這些塗層可以被配置成在寬廣的角度範圍內的紫外線處和可見光區域中提供良好的反射率。本發明的本方面是一種無電極燈泡，除了在所需的發光孔的區域中以外，其整個外部表面覆蓋有高溫、高反射率塗層。
通過使用高角度反射塗層，可以實現相對高的反射率。例如，人們認為，二向色性性塗層可在98％的範圍中提供一個反射率。反射率的小增長會引起多得多的光輸出。二向色性塗層由各種加工程序(例如，濺射和CVD)應用，能夠以非常高的精確度掩蓋一個小孔區域。由二向色性塗層限定的孔具有一個極其薄的剖面，從其發射的光可緊密地接近Lambertian分布。
因為二向色性塗層的燈泡解決全部光學問題，所以，對燈泡熱控制的選擇和配置有較大的靈活性。
例如，二向色性塗層可在燈泡與燈泡散熱器之間提供滿意的化學阻擋層，以便氮化硼(BN)可用作散熱器材料，而在BN與石英殼層之間沒有任何進一步的阻擋層。根據它對從線圈到填充物的耦合能量的影響，另一種散熱材料是氮化鋁。
一般而言，用於燈泡的合適的散熱器預期用兩個部分製成，這兩個部分經澆鑄、鑄造或機加工，提供二向色性塗層燈泡的內部幹擾裝配。合適的偏置力(例如，彈簧或懸臂)施加到這兩個部分，以維持密切的熱接觸。
圖215是第一例二向色性塗層孔燈的示意橫截面視圖。除了在發光孔1305的區域中，孔燈1300包括具有高溫二向色性塗層1303的燈泡1301。燈泡1301鎖位在兩個高熱傳導率圓柱形陶瓷塊1307、1309之間。第一個塊1307限定與孔1305對齊的孔1311。第一個塊1307進一步限定半球狀的凹口1313，用來提供與燈泡1301的第一半的密切的熱接觸。第二個塊1309是固體，除了限定半球狀的凹口1315，也用來提供與燈泡1301的另一半的密切的熱接觸。兩個塊1307和1309通過燈頭外殼、金屬彈簧或其他高溫彈性材料較佳地相互偏置。
圖216是第二例二向色性塗層孔燈的示意橫截面視圖。除了在發光孔1325的區域中之外，孔燈1320包括具有高溫二向色性塗層1323的燈泡1321。燈泡1321被鎖位在兩個高熱傳導率圓柱形陶瓷塊1327與1329之間。第一個塊1327是一個陶瓷帽，它限定與孔1325對齊的第一個孔1331。第一個塊1327進一步限定第二個孔1333，該孔用來容納燈泡1321並提供與燈泡1321的第一半密切的熱接觸。第二個塊1329是固體，除了限定半球狀的凹口1335，也用來提供與燈泡1321的另一半的密切的熱接觸。第二個塊1329的外部直徑用來匹配第一個塊1327的第二個孔1333的內部直徑，以便第二個塊1329被滑動地接收入第一個塊1327。第二個塊1329通過燈頭外殼、金屬彈簧或其他高溫彈性材料被較佳地偏移入第一個塊1327。
輪廓小孔帽
如第WO 99/36940號PCT公開文獻中和這裡所描述的，小孔燈包括一個陶瓷帽和反射陶瓷材料，它們限定孔並提供合適的反射屬性與熱屬性。通常，在燈泡與陶瓷帽之間放置一層反射材料。材料提供最初的熱界面，並將熱量從燈泡傳導到陶瓷帽的各個壁。根據本發明的本方面，陶瓷帽的壁被塑造成相對接近於燈泡的形狀。通過畫出陶瓷帽壁的輪廓，反射材料的密度能夠被更好地控制，燈泡與陶瓷帽的壁之間的熱量傳導路徑更短。最好利用本發明這個方面的孔燈使用離心程序(例如，』940公開文獻中所描述的程序)來製作。
圖217是第一例具有畫出輪廓的內壁的孔帽的橫截面圖。孔燈1400包括具有前凸緣1403的陶瓷帽1401。帽1401限定孔1405。燈泡1407被放置在依靠1405的帽1401內。反射材料1409被置於燈泡1407周圍。根據本發明的這一方面，與(例如)圖34中所示的帽75相比較，帽1401的內壁1411被塑造成相對接近於燈泡1407。最好壁1411匹配燈泡1407的輪廓。如果是用BN製成的，則帽1401進一步限定臺肩1413，用來接收氧化鋁墊圈1415，以抑制BN與燈泡1407之間的反應。
圖218是第二例具有畫出輪廓的內壁的孔帽的橫截面圖。除了帽的內壁1421跟蹤燈泡1407相對較大區域上的燈泡1407的輪廓和臺肩1423相對較小之外，第二個例子大體上等同於第一個例子。
圖219是第三例具有畫出輪廓內壁的小孔帽的橫截面圖。除了帽的內壁1431是斜切的(而非彎曲的)以外，第三個例子大體上等同於第一和第二個例子。與筆直的壁相比較，斜切的壁1431離燈泡1407相對更近。
圖220是第四例具有畫出輪廓的內壁的小孔帽的橫截面圖。孔燈1440包括具有限定一端的空腔1443的圓柱形結構的陶瓷帽1441。空腔1443用來容納燈泡1447。當燈泡1447被放置在空腔1443中時，空腔1443的開口端延伸到燈泡1447外。燈泡1447附著於光導1448。反射材料1449填充空腔1443並覆蓋燈泡1447，因此限定了光導1448周圍的發光孔1445。與(例如)圖34中所示的帽75相比較，帽1441的內壁1451被塑造成離燈泡1447相對更加接近。最好壁1451匹配燈泡1447的輪廓。即使帽1441用BN製成，陶瓷墊圈也是不必要的。這樣，第四個例子結合上述的幾個特點，包括後部冷卻特點、高帽特點和畫出輪廓的壁特點。
上文中，結合目前被認為是較佳的例子描述了本發明，但不言而喻，本發明不局限於所揭示的例子，而相反，在發明的精神和範圍內，還可以作各種修改和同等的布置。
權利要求
1.一種感應耦合無電極燈，其特徵在於，它包括
激勵線圈；
與激勵線圈相連的電容器結構，所述電容器結構和所述激勵線圈一起構成諧振燈電路；
位於靠近所述激勵線圈的無電極燈泡，所述燈泡包含受RF能量激勵時發光的填充物；以及，
與所述諧振燈電路相連並用來提供激勵填充物的射頻能量的射頻源，
其中，所述電容器結構用來抑制電燈工作期間所形成的弧光。
2.如權利要求1所述的燈，其特徵在於，所述激勵線圈包括一個婚戒形狀的激勵線圈，所述激勵線圈的一端有一根軸嚮導線，另一端有一根徑嚮導線；
其中，所述電容器結構包括與所述婚戒形狀的線圈的軸嚮導線相連的電容器組。
3.如權利要求2所述的燈，其特徵在於，所述電容器組包括一種對於高壓電容器來說是低介電常數的材料。
4.如權利要求2所述的燈，其特徵在於，所述電容器組包括覆蓋其至少一個部分的一種共形(conformal)塗層。
5.如權利要求4所述的燈，其特徵在於，所述共形塗層大體覆蓋所有的電容器組和一部分所述婚介形狀線圈的軸嚮導線。
6.如權利要求2所述的燈，其特徵在於，所述電容器組包括一個圓形高壓板。
7.如權利要求6所述的燈，其特徵在於，所述高壓板的邊緣半徑大於板厚度的二分之一。
8.如權利要求1所述的燈，其特徵在於，它還包括提供從電容器結構到散熱結構的熱傳導路徑的一個熱傳遞結構。
9.如權利要求1所述的燈，其特徵在於，所述電容器結構包括一個同軸電容器電路，它包含
第一電容器，它包含第一圓柱形軸套；
第二電容器，它包含至少部分位於所述第一電容器的第一圓柱形軸套內的第二圓柱形軸套；以及，
位於所述第一軸套和第二軸套之間的絕緣體，
其中，所述第一和第二電容器與一中心導體串聯連接，所述中心導體連接在串聯連接的結合處。
10.如權利要求1所述的燈，其特徵在於，它還包含
罩住所述諧振等電路的外殼，所述外殼包括用於轉移來自所述燈電路的熱量的熱傳導結構，
其中，所述外殼包含用於與其他的散熱結構對接的大體為平坦的外部表面。
11.如權利要求10所述的燈，其特徵在於，所述燈電路包含用銅製成的激勵線圈。
12.如權利要求10所述的燈，其特徵在於，所述外殼包含一個基座部分和一個蓋子；其中，所述蓋子與所述基座之間有一個熱墊片。
13.如權利要求10所述的燈，其特徵在於，所述線圈與所述電容器結構集成在單個組件中；並且其中的電容器結構包括用來構成電容器組的一個多層印刷電路板。
14.一種感應耦合無電極燈，其特徵在於，它包含
激勵線圈；
與所述激勵線圈相連的電容器結構，所述電容器結構和激勵線圈一起構成諧振燈電路；
位於靠近所述激勵線圈的無電極燈泡，所述燈泡包含當受RF能量激勵時發光的填充物；以及，
與所述諧振燈電路相連並用來提供激勵所述填充物的RF能量的RF源；以及
裝入除發光孔以外的燈泡的一個結構，所述結構包括一種陶瓷材料，所述陶瓷材料用來促進熱量從所述燈泡沿一條相對應所述線圈軸是非徑向的熱路徑轉移。
15.如權利要求14所述的燈，其特徵在於，所述陶瓷材料包括高熱傳導率材料。
16.如權利要求15所述的燈，其特徵在於，所述材料沿一個方向具有相對較高的熱傳導率；並且其中，所述材料使較高熱傳導率方向與所述線圈的一個軸對齊。
17.如權利要求16所述的燈，其特徵在於，所述材料包括氮化硼。
18.如權利要求14所述的燈，其特徵在於，它還包括罩住所述諧振燈電路的外殼；其中，所述結構包括具有凸緣的陶瓷帽；並且其中的凸緣與所述外殼內的散熱結構之間有一種彈性的熱傳導率材料。
19.如權利要求14所述的燈，其特徵在於，所述結構包括
陶瓷圓柱形杆，其一端限定了一個空腔，用來容納所述燈泡，其中的燈泡位於所述空腔中；以及，
陶瓷墊圈，它限定了一個小孔，它倚靠著所述燈泡，從而相對於所述小孔對面的燈泡部分，燈泡被冷卻得更多。
20.如權利要求14所述的燈，其特徵在於，所述結構包括
相對較高的圓柱形中空結構，用來沿其軸向支持一個燈泡，從而所述圓柱形帽的至少一個部分大大延伸到每個軸向的燈泡外。
21.如權利要求14所述的燈，其特徵在於，除了在限定小孔的區域中之外，燈泡具有高溫、高反射率和寬角度二向色性性塗層；其中，除了小孔區域中的開口以外，所述結構包含罩住所述燈泡的高熱傳導率陶瓷製品。
22.一種振蕩器，其特徵在於，它包括
具有輸入和輸出的放大器；以及，
在放大器的輸入與放大器的輸出之間被連接的一個阻抗轉換網絡，所述阻抗轉換網絡被配置成將合適的正反饋從所述放大器的輸出提供到所述放大器的輸入，以開始和維持一個振蕩條件，所述阻抗匹配網絡被進一步配置成保護放大器的輸入不受破壞性反饋信號的影響，
其中，所述阻抗轉換網絡包含雙不對稱反饋路徑，與所述雙不對稱反饋路徑相比，用以提供增大的調諧範圍。
23.如權利要求22所述的振蕩器，其特徵在於，所述放大器包括並行連接和配置有軟柵極開關(soft gate switching)的兩個射頻(RF)功率場效應電晶體(FET)電晶體。
24.如權利要求22所述的振蕩器，其特徵在於，它還包括一個柵極片(gatepad)，它的垂直傳送線從其延伸並構成諧振「T」，其中，反饋網絡裝在所述諧振「T」的臂上。
25.如權利要求22所述的振蕩器，其特徵在於，它還包括用於調整振蕩器的工作頻率的連續可變的調諧電路。
26.如權利要求25所述的振蕩器，其特徵在於，所述調諧電路包括固態電子元件，但不帶有可機械調整的器件。
27.如權利要求26所述的振蕩器，其特徵在於，所述調諧電路包括被配置作為電壓受控電阻器的多個PIN二極體電路。
28.如權利要求26所述的振蕩器，其特徵在於，所述調諧電路包括一個互補PIN二極體電路。
29.如權利要求28所述的振蕩器，其特徵在於，它還包括一個熱傳遞結構，所述結構提供從PIN二極體到散熱結構的熱傳導路徑。
30.如權利要求29中所述的振蕩器，其特徵在於，所述熱傳遞結構包括被焊接到所述PIN二極體的一個墊片上的金屬柱，所述散熱結構包括一個電接地散熱片。
31.如權利要求22所述的振蕩器，其特徵在於，所述阻抗轉換網絡用來將來自連接到所述振蕩器的負載的第一部分反饋與來自所述放大器的第二部分反饋組合起來，以便控制如Rieke圖上所繪的恆定電流線與恆定頻率線之間的相對角度。
32.如權利要求22所述的振蕩器，其特徵在於，它還包括
與所述振蕩器相連的負載；
通過開關連接到所述振蕩器或所述負載中的至少阻抗元件；以及，
控制電路，用來在所述振蕩器的操作期間至少所述操作開關一次。
33.如權利要求32所述的振蕩器，其特徵在於，所述控制電路已用來在所述振蕩器被啟動之後對操作所述開關按預定的次數。
34.如權利要求32所述的振蕩器，其特徵在於，所述負載包括一個無電極放電燈，所述控制電路用來根據被感測到的燈的狀況來操作所述開關。
35.如權利要求32所述的振蕩器，其特徵在於，所述至少一個阻抗元件包括第一和第二阻抗元件，所述第一阻抗元件通過第一開關連接到所述振蕩器，所述第二阻抗元件通過第二開關被連接到所述負載。
36.如權利要求32所述的振蕩器，其特徵在於，所述負載包括一個無電極放電燈；其中，所述控制電路用來根據啟動期間所述振蕩器和所述負載的阻抗提供更緊密的匹配來操作所述開關。
37.如權利要求32所述的振蕩器，其特徵在於，所述負載包括一個無電極放電燈；其中，所述控制電路用來根據避免啟動期間振蕩器處於不穩定工作區域來操作所述開關。
38.一種燈裝置，其特徵在於，它包括
放電燈；
與所述放電燈相連的的射頻電源，用於向所述燈提供射頻電源；以及，
射頻控制電路，用來控制操作期間射頻電源的工作參數。
39.如權利要求38所述的燈，其特徵在於，所述參數對應於射頻電源的頻率，所述燈還包括
連接在所述射頻電源與所述放電燈之間的六埠方向耦合器，所述六埠方向耦合器被配置成檢測前向與反射電源，並提供其相應代表的各個信號；
其中，所述射頻控制電路被配置成接收代表前向與反射功率的信號，並根據所接收的信號來調整所述射頻電源的工作頻率。
40.如權利要求39所述的燈裝置，其特徵在於，所述控制電路被配置成延遲有源控制的開始，直到所述振蕩器啟動之後。
41.如權利要求39所述的燈裝置，其特徵在於，所述控制電路被配置成使所述振蕩器的工作頻率逐步經過一個頻率範圍，直到所述燈被確定按一個諧振頻率進行工作。
42.如權利要求39所述的燈裝置，其特徵在於，所述控制電路被配置成調整所述振蕩器的工作頻率，以使反射功率為最小。
43.如權利要求38所述的燈，其特徵在於，所述工作參數對應於工作期間被耦合到所述放電燈的射頻RF功率數量。
44.如權利要求43所述的燈，其特徵在於，與準備狀態操作期間所提供的射頻功率數量相比較，所述控制電路用來在點火之前將較少的射頻功率提供給燈，從而在啟動之前減少電位和發射功率。
45.如權利要求43所述的燈，其特徵在於，與準備狀態操作期間所提供的射頻功率數量相比較，所述射頻控制電路用來在點火之後暫時將更多的射頻功率提供給燈，從而使所述燈更快地進入全輸出狀態。
46.如權利要求43所述的燈，其特徵在於，所述射頻控制電路用來在準備狀態操作期間調整所述射頻電源的供應電壓，以提供大體上恆定的前向功率和大體上恆定的光輸出兩者中至少一個。
47.如權利要求38所述的燈，其特徵在於，所述工作參數對應於提供給所述射頻電源的有源元件的柵極偏置電流的大小。
48.如權利要求47中所述的無電極燈，其特徵在於，對受控偏壓電流的控制使直到RF控制電路的其他功能已初始化才打開RF電源。
全文摘要
一種極亮的低瓦數感應耦合無電極孔燈由固態RF源供電，該RF源在400～900MHz的範圍內幾十至幾百瓦的各種頻率範圍內。所揭示的許多新穎的燈電路和元件包括具有一個軸嚮導線與一個徑嚮導線的婚戒形狀的線圈、高精確度電容器組、高熱傳導率小孔燈與各種其他的小孔燈配置、同軸電容器布置，以及整體式線圈與電容器組件。所揭示的許多新穎的RF電路包括具有複雜性減小的諧振極性配置的高功率振蕩器電路、具有軟柵極開關的並聯RF功率FET電晶體、連續可變頻率調諧電路、六埠方向耦合器、阻抗切換RF源，以及具有受控頻率－負載特徵的RF源。所揭示的許多新穎RF控制方法包括對操作頻率的受控調整，以尋找諧振頻率和減小反射RF功率；對阻抗切換燈系統、有源功率控制和有源柵極偏壓控制的受控切換。
文檔編號H05B41/24GK1399789SQ0081233
公開日2003年2月26日 申請日期2000年6月29日 優先權日1999年7月2日
發明者D·A·科爾克派屈克, G·K·巴斯, J·F·考普塞, 小L·E·戴蒙恩德, 小W·E·加伯, A·基特塞維奇, W·G·格裡姆, V·H·誇恩, I·列文, D·A·馬克列恩南, S·A·奧拉, J·普羅克特爾, R·J·羅伊, J·E·辛普森, P·E·斯坦納, P·蔡, B·P·特納 申請人:熔化照明股份有限公司